Nowoczesne techniki przyspieszające wytwarzanie

Transkrypt

1 Nowoczesne techniki przyspieszające wytwarzanie Z. Rudnicki Techniki skracające czas projektowania i wytwarzania Sukces rynkowy nowego produktu zależy od jego jakości i szybkości pojawienia się w sprzedaży. W procesie projektowania należy, zatem przebadać wiele różnych rozwiązań a następnie szybko wytworzyć prototyp. Można to zrobić dzięki technikom komputerowym skracającym czas (projektowania i wytwarzania) - Time Compression Technologies (TCT), Zb.Rudnicki 2 1

2 Time Compression Technologies (TCT) - techniki przyspieszajace wytwarzanie: 1) Virtual Prototyping - wirtualne prototypowanie (badanie prototypu istniejącego w komputerze) 2) Rapid Prototyping - szybkie wytwarzanie rzeczywistych prototypów maszyn i urządzeń 3) Rapid Manufacturing - szybka produkcja seryjna 4) Rapid Tooling - szybkie wykonywanie narzędzi 5) Reverse Engineering - inżynieria wsteczna, czyli tworzenie modelu bryłowego w komputerze na podstawie rzeczywistego obiektu Zb.Rudnicki 3 1) Virtual Prototyping - wirtualne prototypowanie to badania dotyczące prototypu wirtualnego czyli sztucznego bo istniejącego tylko w komputerze Zb.Rudnicki 4 2

3 Prototypowanie wirtualne (Virtual Prototyping) - to proces tworzenia oraz badania wirtualnego prototypu. Obejmuje: komputerowe zaprojektowanie obiektu symulację procesu wytwarzania (np. odlewania czy obróbki mechanicznej) badania symulacyjne własności np.: wytrzymałościowych (analizy Metodą Elem. Skończonych i inne) funkcjonalnych (kinematyka, dynamika,...) ergonomicznych (obsługa, serwis) możliwości recyklingu.... Zb.Rudnicki 5 Badania obiektu wirtualnego czyli modelu komputerowego mogą obejmować: sprawdzanie wielu wariantów rozwiązań sprawdzanie wykonalności (na obrabiarce numerycznej) symulacje procesu odlewania sprawdzanie możliwości montażu i wykrywanie kolizji badania wytrzymałościowe (MES - FEM) statyczne i dynamiczne wyznaczanie przepływów ciepła i rozkładów temperatury symulacja pracy: kinematyczna (ruch) i dynamiczna (ruch + siły, momenty, tarcie,...)... Zb.Rudnicki 6 3

4 Komputerowe programy do wirtualnego prototypowania Oprogramowanie Virtual prototyping pozwala zbudować realistyczny model poruszającego się prototypu i prowadzić na nim badania dotyczące kinematyki ruchu a także dynamiki z uwzględnieniem mas, sił, tarcia, tłumienia, odkształceń, naprężęń, drgań i.t.d. Pozwala to optymalizować projekt przed rzeczywistym wykonaniem prototypu. Zb.Rudnicki 7 Niektóre systemy do modelowania i badań symulacyjnych WorkingModel - symulacje obiektów dwuwymiarowych Visual Nastran - symulacje obiektów trójwymiarowych ADAMS (analiza kinematyki i dynamiki), ADINA (liniowa i nieliniowa, statyczna i dynamiczna analiza metodą elementów skończonych), FIDAP (analiza przepływów), MATLAB + SIMULINK (modelowanie i symulacja układów dynamicznych - w tym układów sterowania). Zb.Rudnicki 8 4

5 2) Rapid Prototyping - szybkie wytwarzanie prototypów Zb.Rudnicki 9 Rapid Prototyping Systems (RPS) Systemy szybkiego wytwarzania prototypów to grupa urządzeń i technologii wchodzących w skład CAM (Computer Aided Manufacturing) komputerowego wspomagania wytwarzania. Jest to automatyczne wytwarzanie elementów maszyn lub innych przedmiotów za pomocą urządzeń sterowanych z komputera na podstawie opracowanego wcześniej modelu bryłowego. Pierwsze RPS powstały w latach 80-tych, początkowo tylko do produkcji prototypów a obecnie znajdują coraz szersze zastosowanie także do produkcji narzędzi lub krótkich serii wysokiej jakości elementów. W odróżnieniu od metod ubytkowych stosowanych przez obrabiarki, metody RP są addytywne - to znaczy polegają na stopniowym nakładaniu (dodawaniu, doklejaniu) kolejnych warstw materiału. Słowo "szybkie" oznacza w praktyce okres od kilku do kilkudziesięciu godzin zależnie od metody i zastosowanego sprzętu oraz złożoności modelu. Stosuje się coraz więcej materiałów, np. materiały o wysokiej temperaturze topnienia dla końcowego produktu i o niskiej temperaturze topnienia jako wypełniacze separujące poszczególne Zb.Rudnicki części. 10 5

6 Szybkie Prototypowanie - Rapid Prototyping jest wspólną nazwą procesów szybkiej budowy obiektów fizycznych na podstawie ich modeli komputerowych. [źródło: Laboratorium Szybkiego Rozwoju Produktu Centrum Zaawansowanych Systemów Produkcyjnych (CAMT) w Instytucie Technologii Maszyn i Automatyzacji Politechniki Wrocławskiej. Zb.Rudnicki 11 Technologie Rapid Prototyping : Stereolitografia LOM - Laminated Object Manufacturing - wytwarzanie objektów laminowanych (z warstw papieru) Fused deposition modeling - jak plotter lecz przykleja stopiony drut lub włókno Selective laser sintering - selektywne zgrzewanie laserowe 3D printing - drukowanie trójwymiarowe Zb.Rudnicki 12 6

7 SL - Stereolitografia - była pierwszą technologią szybkiego wytwarzanie prototypów. Zapoczątkowało ją wynalezienie przez R. Hulla fotoinicjatorów, tj. dodatków do płynnych żywic, które powodowały po naświetleniu, rozpoczęcie procesu polimeryzacji. W 1987 powstała firma 3D Systems, która zaczęła rozpowszechniać metodę SL i sprzedawać maszyny do szybkiego wytwarzania prototypów metodą SL. W 1999 r. maszynę SLA250/30 firmy 3D Systems do stereolitografii kupił Instytut Mechaniki i Konstrukcji Politechniki Warszawskiej. Zb.Rudnicki 13 Stereolitografia Komputerowy model bryłowy utworzony w systemie CAD zostaje zaimportowany do programu sterującego maszyną do stereolitografii Wytwarzanie modelu polega na warstwowym utwardzaniu żywic epoksydowych lub akrylowych pod wpływem promieniowania ultrafioletowego, którego źródłem jest laser małej mocy. Zb.Rudnicki 14 7

8 Stereolitografia Polega na tworzeniu kolejnych warstw prototypu przez utwardzanie laserem warstw płynnej żywicy Zb.Rudnicki 15 Stereolitografia c.d. Proces stereolitografii w maszynie SLA polega na zmianie płynnej żywicy w ciało stałe pod działaniem promieni UV lasera (fotopolimeryzacji). Tor wiązki lasera sterowany jest poprzez zwierciadło sterowane komputerem. Polimeryzacja przebiega tylko w obszarze naświetlania, w ściśle określonej objętości - stąd duża dokładność. Zb.Rudnicki 16 8

9 Maszyna stereolitograficzna SLA250/30 1. laser, 2. układ optyczny, 3. przestrzeń robocza, 4. zestaw kontrolny z komputerem sterującym. Zb.Rudnicki 17 Stereolitografia - przykłady wytworów Zb.Rudnicki 18 9

10 Stereolitografia - przykłady wytworów Zb.Rudnicki 19 LOM - Laminated Object Manufacturing Zb.Rudnicki 20 10

11 LOM - Laminated Object Manufacturing Instytut Odlewnictwa w Krakowie posiada urządzenie RPS-LOM 2030E. Proces tworzenia modelu przebiega następująco: Po zaprojektowaniu przestrzennego modelu bryły w programie CAD rysunek jest zapisywany w formacie STL i przesłany siecią do komputera sterującego maszyną LOM. Oprogramowanie RPS-LOM sprawdza poprawność modelu i tnie komputerowy model bryłowy na cienkie warstewki Maszyna laserem wycina poszczególne warstewki z podawanego z rolki specjalnego samoprzylepnego papieru i nakleja je na siebie Dla łatwiejszego usuwania papier poza bryłą jest cięty na kwadraty Otrzymany model laminowany (warstwowy) jest czyszczony a czasem i malowany. Zb.Rudnicki 21 LOM czyli Laminated Object Manufacturing Sklejanie modelu z wycinanych laserowo warstw papieru. Model papierowy pozwala utworzyć formę odlewniczą i wykonać metalowy odlew prototypu Zb.Rudnicki 22 11

12 LOM czyli Laminated Object Manufacturing Zb.Rudnicki 23 LOM - Laminated Object Manufacturing wykonane prototypy są niezastąpione przy weryfikacji projektu i mogą być używane jako modele-matki dla sporządzania form dla odlewów metalowych modele LOM są łatwo obrabialne, mogą być np. szlifowane, frezowane, wiercone i malowane praktycznie nie ma ograniczeń co do złożoności wymiar prototypu jest niemal nieograniczony z uwagi na możliwość budowy prototypu w częściach i ich dokładnego sklejenia. Zb.Rudnicki 24 12

13 LOM - Laminated Object Manufacturing Tak otrzymany model może być wykorzystywany na różne sposoby: 1) jako model służący do bezpośredniego formowania; 2) jako rdzennica do wykonania rdzeni odlewniczych; 3) jako modele "matki" na podstawie których wykonuje się modele odlewnicze z żywic syntetycznych do formowania ręcznego i maszynowego, 4) jako model do wykonania matrycy z gumy silikonowej służącej do wykonywania modeli woskowych, 5) jako model wypalany po naniesieniu powłoki ceramicznej. Wykorzystanie metody RPS-LOM w P.I.O. Specodlew do wykonywania odlewów jednostkowych spowodowało skrócenie procesu technologicznego, obniżenie kosztów produkcji, podniesienie jakości i podwyższenie dokładności wymiarowej odlewów. Zb.Rudnicki 25 3DP - 3D Printing Drukowanie trójwymiarowe Zb.Rudnicki 26 13

14 3DP - 3D Printing Drukowanie trójwymiarowe Zb.Rudnicki 27 Drukarka 3D Zb.Rudnicki 28 14

15 FDM - Fused deposition modeling Metoda FDM polega na warstwowym nakładaniu przez dwu dyszową głowicę, rozpuszczonego materiału modelowego i podporowego. Urządzenie sterowane numerycznie naprzemian nanosi ma stół modelowy materiał bazowy (np. ABS) i podporowy, według kolejnych poziomych przekrojów utworzonych na podstawie modelu 3D w programie obsługującym drukarkę. Powstały model wiernie odwzorowuje wirtualny projekt i praktycznie od razu gotowy jest do użycia. Możliwe jest wykonanie prototypów w jednym z 7 kolorów podstawowych, bądź dowolnym - na życzenie klienta. Zb.Rudnicki 29 3) Rapid Manufacturing - szybkie seryjne wytwarzanie Zb.Rudnicki 30 15

16 Szybkie Wytwarzanie (Rapid Manufacturing) - jest raczej zastosowaniem powyższych technologii niż technologią nową. Kiedy maszyna do szybkiego prototypowania wykonuje z docelowego materiału setki lub tysiące części, z których każda ma inny kształt lub strukturę, mamy do czynienia z produkcją masową indywidualnie kształtowanych produktów. Zb.Rudnicki 31 4) Rapid Tooling - szybkie wytwarzanie narzędzi Zb.Rudnicki 32 16

17 Szybkie Tworzenie Form i Narzędzi - Rapid Tooling - z pojedynczego obiektu, najczęściej wytworzonego w procesie szybkiego prototypowania, można szybko wykonać całą serię podobnych obiektów. [źródło: Laboratorium Szybkiego Rozwoju Produktu Centrum Zaawansowanych Systemów Produkcyjnych (CAMT) w Instytucie Technologii Maszyn i Automatyzacji Politechniki Wrocławskiej. Zb.Rudnicki 33 Rapid Tooling w Laboratorium Szybkiego Rozwoju Produktu - CAMT Politechniki Wrocławskiej. Technologie powielania prototypów, dostępne w Laboratorium, to m.in.: technologia form silikonowych do odlewania próżniowego, technologia wykonywania skorup gniazd form wtryskowych z naparowanego metalu oraz technologia gniazd form z żywicy epoksydowej. Wszystkie one mogą służyć do wytwarzania serii produktów z tworzyw sztucznych - poliuretanów bądź tworzyw termoplastycznych, ale możliwe jest także zastosowanie prototypów z materiału podobnego do wosku jako wzorców w odlewaniu metodą traconego rdzenia. Zb.Rudnicki 34 17

18 CAMT Politechniki Wrocławskiej Komora MCP/TAFA do napylania metali Zb.Rudnicki 35 5) Reverse Engineering - inżynieria wsteczna czyli tworzenie modelu komputerowego na podstawie istniejącego przedmiotu z zastosowaniem skanerów 3D Zb.Rudnicki 36 18

19 Inżynieria Wsteczna (Reverse Engineering) Z rzeczywistego fizycznego przedmiotu tworzy się model komputerowy, który następnie może być użyty do wytwarzania technologią szybkiego prototypowania. [źródło: CAMT PW Zb.Rudnicki 37 Skanery 3D MDX-15 to trzyosiowa frezarka i skaner w jednym. Aby rozpocząć skanowanie należy zainstalować piezoelektryczny moduł skanujący zamiast głowicy frezującej. MDX-20 skanuje z dokładnością do 0,05 mm, a frezuje z dokładnością do 0,00625 mm Jest kompatybilny z większością programów CAD/CAM/3D, obsługuje formaty przemysłowe - DXF, IGES, VRML, Point Cloud; Zb.Rudnicki 38 19

20 Skanery 3D Zb.Rudnicki 39 CAMT Politechniki Wrocławskiej - Laserowy skaner 3D Digibot II firmy Digibotics, Inc. Zb.Rudnicki 40 20

21 Skanowanie trójwymiarowe Zb.Rudnicki 41 21