Zastosowanie drukarki 3D do produkcji prototypowej podkładki kotwowej

Transkrypt

1 52 UKD : /.168: Zastosowanie drukarki 3D do produkcji prototypowej podkładki kotwowej The use of 3D printer to produce a prototype bolt bearing plate Dr inż. Krzysztof Skrzypkowski* ) Dr inż. Krzysztof Zagórski* ) Dr inż. Piotr Dudek* ) Treść: W artykule zaprezentowano wybrane podkładki kotwowe stosowane w górnictwie podziemnym. Przedstawiono technologię drukowania przestrzennego 3D. Na podstawie analizy konstrukcji powszechnie stosowanych stalowych podkładek w górnictwie rudnym zaprojektowano i wydrukowano prototypową podkładkę na drukarce 3D Formiga P100 z zastosowaniem materiału PA Wydrukowaną podkładkę poddano badaniom ściskającym na maszynie wytrzymałościowej typu Walter+Bai 3000/200. W badaniach laboratoryjnych uzyskano charakterystykę obciążeniowo-przemieszczeniową. W podsumowaniu podano zalety i wady produkowania podkładek z wykorzystaniem drukarki 3D. Abstract: This paper presents selected bolt bearing plates used in underground mining. The technology of 3D printing was presented. Basing on structural analyses of commonly used steel bearing plates in ore mining, prototype bearing plate was designed and printed with the 3D printer type Formiga P100 using PA 2200 material. The printed bearing plate was subject to compressive strength tests carried out with the Walter + Bai 3000/200 testing machine. In laboratory research, load-displacement characteristics were obtained. In conclusion, the advantages and disadvantages of producing bearing plate using a 3D printer were given. Słowa kluczowe: podkładka kotwowa, drukowanie przestrzenne 3D Key words: bolt bearing plate, 3D printing 1. Wprowadzenie Obudowa kotwowa w górnictwie podziemnym spełnia swoje zadanie, jeżeli współpracuje z odpowiednio dobranymi elementami zabezpieczającymi wyrobisko lub wspomagającymi poszczególne kotwy [4, 5, 10]. W przypadku wyrobisk przygotowawczych i eksploatacyjnych, szczególną rolę odgrywają podkładki nośne ponieważ przenoszą one obciążenie żerdzi na powierzchnię stropu, ściskając pakiet skał kotwionych [1, 6]. Elementy i materiały obudowy kotwowej w tym w szczególności podkładki kotwowe powinny posiadać certyfikat wyrobu wydawany przez jednostkę certyfikującą, np. Główny Instytut Górnictwa w Katowicach oraz spełniać wymagania polskich norm [7].W tablicy nr 1 pokazano wartości minimalnych sił jakie musi przenieść podkładka i nakrętka, podtrzymujące opinkę lub górotwór w zależności od rodzaju stosowanych kotew. W przypadku stosowania kotew drewnianych, najczęściej jako elementy obudowy stosuje się drewno bukowe lub brzozowe o wytrzymałości na rozciąganie wzdłuż włókna, zgodnie z normą PN G [7], nie mniejszej niż 90 MPa. Żerdź przenosi siłę rozciągającą nie mniejszą niż 20 kn. Natomiast podkładki przenoszą siłę niszczącą nie mniejszą niż 10 kn. Podkładki stosowane w górnictwie podziemnym można podzielić według następujących kształtów: trójkątna, kwadratowa, okrągła, wielokątna płaska lub profilowana pierścieniem lub żebrami [7]. * ) AGH w Krakowie

2 Nr 3 PRZEGLĄD GÓRNICZY 53 Tablica 1. Minimalna siła F przenoszona przez podkładkę Table. 1. Minimum F force transffered by a bearing plate Lp. Minimalna siła F przenoszona przez podkładkę kn Rodzaj eksploatowanej kopaliny Rodzaj mocowania kotwi rudy miedzi ciągły rudy cynku i ołowiu ciągły węgiel kamienny odcinkowy 4. nośność kotwi rudy cynku i ołowiu i miedzi odcinkowy 2. Drukowanie przestrzenne 3D Druk 3D będący elementem (szybkiego drukowania) służy generalnie do wytwarzania poprzez addytywne technologie projektowanego przedmiotu lub jego fizycznego modelu na podstawie komputerowego modelu 3D. Pierwszym etapem przy wytwarzaniu elementów technologią druku 3D jest opracowanie modelu w programie CAD 3D lub zeskanowanie danego przedmiotu i zapisanie go w formacie STL, w którym powierzchnia przedmiotu opisywana jest za pomocą siatki trójkątów. Tak przygotowany model należy odpowiednio pozycjonować, aby zajmował on po wydruku jak najmniejszą wysokość komory roboczej, gdyż koszty i czas wydruku jest wówczas najmniejszy. Kolejnym krokiem jest uruchomienie procedury lub programu do pocięcia modelu na warstwy. W uzyskanych warstwach należy usunąć ewentualne błędy ścieżek lasera, a następnie przygotować zadanie i wysłać je do drukarki. Drukarka powinna być dokładnie wyczyszczona, przygotowany wcześniej proszek (minimum 24 godz. wcześniej) umieszczony w zasobnikach i po rozprowadzeniu wstępnym proszku na stole roboczym można uruchomić proces wstępnego nagrzewania i proces wydruku. Po wydrukowaniu należy pozwolić, aby wydrukowane elementy powoli wystygły w maszynie minimum tyle czasu, ile trwał proces wydruku. Drukowanie dużych elementów może trwać nawet 1,5 dnia, wówczas dodatkowe 1,5 dnia maszyna i wydruk musi stygnąć. Tak więc wytworzenie prototypu trwa około trzech dni. Dla małych modeli odpowiednio krócej [2]. Model podkładki kotwowej został zaprojektowany w programie graficznym CATIA, który jest specjalnie przeznaczony do prac inżynierskich w zakresie projektowania [9], tworzenia dokumentacji płaskiej, symulacji metodą elementów skończonych MES oraz programowania obróbki na maszynach numerycznych typu CNC. Na podstawie wymiarów podkładek okrągłych kształtowych powszechnie stosowanych w podziemnym górnictwie rud miedzi rejonu LGOM zaprojektowano prototypową podkładkę (rys. 2). Po zaprojektowaniu, podkładka została wydrukowana na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i Robotyki w Katedrze Systemów Wytwarzania na drukarce 3D Formiga P100 firmy EOS GmbH (rys. 3), przy wykorzystaniu materiału P2200 (poliamid PA12), dla którego charakterystykę podano w tablicy nr 2. Rys. 1. Przykładowe podkładki kotwowe; a) trójkątna stosowana w górnictwie rud cynku i ołowiu przy kotwieniu ręcznym, b) okrągła przy kotwieniu mechanicznym, c) okrągła profilowana w górnictwie rud miedzi, d) kwadratowa w górnictwie rud miedzi, e) okrągła profilowana z tworzywa sztucznego w górnictwie solnym i węglowym, f) krzyżowa drewniana w górnictwie węglowym (zdjęcia: Fig. 1. Examples of bolt bearing plates; a) triangular used in zinc and lead mining at manual bolting, b) round with mechanical bolting, c) profiled round in ore copper mining, d) square in ore copper mining, e) profiled round manufactured from fiber-reinforced plastic in salt and coal mining, f) wooden cross in coal mining (photo:

3 54 Rys. 2. Prototyp podkładki stworzony w programie CATIA ) (wykonanie Krzysztof Zagórski) Fig. 2. Prototype of bearing plate developed in the CATIA program (performed by Krzysztof Zagórski) Rys. 3. Drukarka 3D Formiga P100 firmy EOS GmbH (zdjęcie: Krzysztof Zagórski) Fig. 3. 3D printer Formiga P100 manufactured by EOS GmbH (photo: Krzysztof Zagórski) Tablica 2. Charakterystyka techniczna materiału proszkowego P2200 (poliamid PA12) [3] Table 2. Technical characteristics of the powder material P2200 (polyamide PA12) [3] Właściwości Wartość Jednostka Moduł Younga 1700 MPa Wytrzymałość na rozciąganie 50 MPa Wydłużenie przy zerwaniu 20 % Udarność wg Charpy ego 53 kj/m² Udarność wg Charpy ego (+23 C, próbka z karbem) 4.8 kj/m² Udarność wg Izoda (próbka z karbem, 23 C) 4.4 kj/m² Twardość wg Shore D (15s) 75 Temperatura topnienia (20 C/min*) 176 C Temperatura mięknienia wg Vicata (50 C/h 50N) 163 C Gęstość spieczonego proszku 930 kg/m³ Kolor proszku (według kart charakterystyk) Biały *przyrost temperatury 3. Badania laboratoryjne wydrukowanej podkładki kotwowej W badaniach laboratoryjnych wykonano charakterystykę obciążeniowo-przemieszczeniową prototypowej podkładki kotwowej. Badania zostały zrealizowane na Wydziale Górnictwa i Geoinżynierii w Katedrze Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki z zastosowaniem maszyny wytrzymałościowej typu Walter + Bai AG typu DB 3000/200. W ramach testu został stworzony specjalny szablon pomiarowy, w którym przyjęto prędkość obciążenia 0,2 kn/s. Badania wykonano zgodnie z normą [8]. Podkładkę kotwową umieszczono na metalowej płycie, która posiadała wywiercony otwór (rys. 4). Do podkładki i płyty dopasowano część specjalnie przyciętej żerdzi kotwowej RS-2N ze spęcznioną końcówką. Podkładkę obciążano siłą osiową przyłożoną do części kotwi

4 Nr 3 PRZEGLĄD GÓRNICZY 55 ze spęcznioną końcówką, rejestrując jednocześnie wartość odkształcenia podkładki. Pod wpływem obciążenia część kotwy przemieszczała się w kierunku otworu wywierconego w metalowej płycie. Na rysunku 5 przedstawiono charakterystykę obciążeniowo-przemieszczeniową wydrukowanej podkładki kotwowej na bazie materiału PA Wysokość początkowa podkładki przed badaniem wynosiła 17 mm. Pod obciążeniem 161 kn, podkładka odkształciła się ponad 13 mm. Po odciążeniu zaobserwowano, że podkładka nie uległa zniszczeniu, natomiast odkształciła się plastycznie, zwiększając swoją wysokość o 5 mm (rys. 6). Na rysunku nr 5 można wydzielić trzy charakterystyczne etapy pracy podkładki. Pierwszy etap do wartości siły 20 Rys. 6. Podkładka kotwowa po próbie ściskania (zdjęcie: Fig. 6. Bolt bearing plate after compression strength test (photo: kn. Etap ten charakteryzuje się największym przyrostem przemieszczenia. Jest to spowodowane dostosowaniem się kształtu wewnętrznego otworu podkładki do spęcznionej końcówki żerdzi kotwowej. Drugi etap obejmuje zakres siły od 20 kn do 120 kn, w którym podkładka odkształca się elastycznie. Ostatni, trzeci etap pracy zaczyna się od wartości 125 kn. Ten etap charakteryzuje się pracą podkładki w zakresie odkształceń plastycznych, co zostało udokumentowane na rysunku nr Wnioski Rys. 4. Badanie prototypowej podkładki kotwowej na maszynie wytrzymałościowej Walter + Bai AG typu DB 3000/200 (zdjęcie: Fig. 4. Test of prototype bolt bearing plate on the Walter + Bai AG DB 3000/200 testing machine (photo: Krzysztof Skrzypkowski) Prototypowy model podkładki kotwowej został wydukany na drukarce 3D Formiga P100 firmy EOS GmbH z zastosowaniem materiału PA Jest to biały proszek na bazie poliamidu 12, który jest uniwersalnym materiałem, charakteryzującym się wysoką wytrzymałością i sztywnością oraz dobrą odpornością chemiczną. Jest on coraz częściej stosowany jako zamiennik typowych tworzyw Rys. 5. Charakterystyka obciążeniowo-przemieszczeniową wydrukowanej podkładki kotwowej Fig. 5. Load-displacement characteristics of the printed bolt bearing plate

5 56 formowanych wtryskowo oraz połączeń ruchowych elementów. Dużą zaletą wydrukowanej podkładki jest jej waga, która wynosi 0,084 kg. Dla porównania, standardowa podkładka stalowa wykonana z gatunku stali St3 o tych samych wymiarach waży 0,754 kg. W chwili obecnej wadą tego rozwiązania jest czas związany z drukowaniem jednej podkładki, wynoszący kilka godzin. Koszt materiału do druku, który wynosi około 4000 zł za 10 kg powoduje, że nie może on konkurować z tradycyjnymi gatunkami stali. Na podstawie wykonanych badań laboratoryjnych można stwierdzić, że podkładka charakteryzuje się dobrymi parametrami wytrzymałościowymi i spełnia wymagania polskich norm odnośnie przenoszenia obciążeń w górnictwie rudnym i węglowym. Artykuł opracowano w ramach pracy statutowej AGH o numerze Literatura 1. Dębkowski R., Rzepecki W., Turbak A.: Wybrane aspekty współpracy nośnych podkładek kotwowych ze stropem. XXVII Zimowa Szkoła Mechaniki Górotworu, t.2. Wydawnictwo KGBiG AGH, Kraków 2004, s Dudek P.: FDM 3D PRINTING TECHNOLOGY IN MANUFACTURING COMPOSITE ELEMENTS. Archives of Metallurgy and Materials 2013, vol.58, issue 4, pp Korzeniowski W., Skrzypkowski K., Herezy Ł.: Laboratory method for evaluating the characteristics of expansion rock bolts subjected to axial tension. Archives of Mining Sciences 2015 vol. 60 no. 1, s Korzeniowski W., Skrzypkowski K.: Metody wzmacniania górotworu kotwami przy obciążeniach dynamicznych. Przegląd Górniczy 2011, nr 3-4, s Miller A.L.: Analysis and redesign of mine bearing plates. Journal of Applied Science and Engineering Technology 2007, vol. 1, pp PN-G-15091:1998: Polska Norma. Kotwie górnicze Wymagania. 8. PN-G-15092:1999: Polska Norma. Kotwie górnicze Badania. 9. Rusek P., Wantuch E., Zagórski K.: The problem of energy-consuming processes in the planning of modern manufacturing Technologies. Journal of Machine Engineering 2013 vol. 13 no. 4, s Skrzypkowski K.: Zastosowanie obudowy kotwowej celem poprawy stateczności wyrobisk poprzez częściowe przejmowanie deformacji górotworu. Przegląd Górniczy 2012, nr 4, s