NAUKA Anliz możliwości zstosowni technologii przyrostowych do wytwrzni elementów konstrukcji rootów moilnych Mciej Cder, Mciej Trojncki Przemysłowy Instytut Automtyki i Pomirów PIAP Streszczenie: W rtykule przedstwiono wyniki dń mteriłów niemetlowych przeznczonych do zstosowni w technologii przyrostowego wytwrzni elementów konstrukcji rootów. Artykuł dotyczy również zstosowni jednej z tkich technologii, tj. technologii FDM do w produkcji części rootów, n przykłdzie prototypu root o zmiennej konfigurcji. W rtykule opisno metodologię przygotowni wyrnych części root do wytworzeni z zstosowniem technologii FDM. Słow kluczowe: technologie przyrostowego wytwrzni, wytwrznie elementów rootów, mteriły termoplstyczne, wytłcznie, rooty moilne W dzisiejszych czsch konstrukcjom rootów stwine są corz wyższe wymgni. We współczesnych rootch oprócz dużej wytrzymłości przy minimlnej msie konstrukcji znczenie m tkże łtwość i szykość wytwrzni orz montżu nowych podzespołów tkże możliwości rekonfigurcji dptcji do postwionego zdni. Nie ez znczeni jest też wygląd root. To wszystko wiąże się z koniecznością szykiego tworzeni prototypów rootów w celu weryfikcji ich dziłni przed wytworzeniem wersji osttecznej. Do relizcji powyższych zdń stosuje się oecnie nowoczesne oprogrmownie służące do oprcowni modelu CAD (np. progrm Autodesk Inventor, ProEngineer), nlizy kinemtyki i dynmiki (np. progrm MD Adms), projektowni ukłdów sterowni (np. pkiet MATLAB/Simulink) orz nliz wytrzymłościowych i optymlizcji konstrukcji z zstosowniem metody elementów skończonych (np. progrm Ansys). Współcześnie istotne jest, y zprojektowny root możn yło jk njszyciej przetestowć i wdrożyć do produkcji. Proces tki w prktyce trw zzwyczj kilk lt. Możn go jednk przyspieszyć stosując innowcyjne technologie wytwrzni, w których elementy produkowne są ezpośrednio n podstwie modelu CAD, ez dodtkowej dokumentcji wykonwczej. Możn to osiągnąć dzięki zstosowniu orirek sterownych numerycznie, cięci wodą/lserem itp. Dużo rdziej oiecujące jednk wydje się użycie wiedzy i technologii szykiego prototypowni w zkresie wytwrzni metodmi przyrostowymi [5 7] zwłszcz tm, gdzie trze np. szyko wyudowć dziłjący prototyp root w celch weryfikcyjnych, edukcyjnych, mjących n celu sprwdzenie procedur sterujących itp. Bdni technologii przyrostowego wytwrzni wykonne w oprciu o wyniki stżu relizownego w rmch projektu "TEKLA PLUS edycj IV" współfinnsownego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego wykzło, że do technologii ndjących się potencjlnie do produkcji części użytkowych, nie tylko modeli pokzowych możn zliczyć nstępujące: FDM (ng. Fused Deposition Modeling), SLS (ng. Selective Lser Sintering), DMLS (ng. Direct Metl Lser Sintering) i PolyJET. Wytypowne technologie możn podzielić n dwie grupy: technologie, które polegją n nkłdniu n ruchomy stół rooczy specjlnie przygotownego mteriłu technologie FDM i PolyJet, technologie, które z pomocą medium spjją mterił rozprowdzny specjlnym zgrniczem n stole modelowym technologie SLS i DMLS. Zsd dziłni kżdej technologii przyrostowego wytwrzni poleg n udowniu modeli mteriłu podd- Zsd dziłni kżdej z technologii przyrostowego wytwrzni poleg n udowniu modeli z mteriłu poddwnego oróce, któr jest zleżn od dnej technologii. wnego oróce, któr jest zleżn od dnej technologii. Może to yć rozpuszcznie nkłdnie technologie FDM Może to yć rozpuszcznie i nkłdnie technologie FDM PolyJET [5, 6] lu przetpinie wiązką lserową specjlnie i PolyJET [5, 6] lu przetpinie wiązką lserową specjlnie przygotownego proszku technologi SLS DMLS [7]. przygotownego proszku technologi SLS i DMLS [7]. technologii FDM PolyJET mterił podwny jest specjlnymi dyszmi n oniżjący się stół rooczy. ten W technologii FDM i PolyJET mterił podwny jest specjlnymi dyszmi n oniżjący się stół rooczy. W ten sposó kontur modelu jest tworzony n płszczyźnie XY sposó kontur modelu jest tworzony n płszczyźnie XY (płszczyźnie stołu), przyrost wysokości modelu (nkłdnie kolejnych wrstw) odyw się dzięki temu, że stół (płszczyźnie stołu), przyrost wysokości modelu (nkłdnie kolejnych wrstw) odyw się dzięki temu, że stół przemieszcz się kolejne kroki dół. Wrtość przemieszczeni jest równ wysokości pojedynczej wrstwy, n które przemieszcz się o kolejne kroki w dół. Wrtość przemieszczeni jest równ wysokości pojedynczej wrstwy, n które podzielony jest model CAD, przeznczonej do wytworzeni podzielony jest model CAD, przeznczonej do wytworzeni części. Trochę inczej sprw wygląd przypdku technologii SLS DMLS. Tu zmist głowicy podjącej mterił części. Trochę inczej sprw wygląd w przypdku technologii SLS i DMLS. Tu zmist głowicy podjącej mterił n stół modelowy zinstlowny jest lser spiekjący proszek, który jest rozprowdzony przez specjlny zgrnicz n n stół modelowy zinstlowny jest lser spiekjący proszek, który jest rozprowdzony przez specjlny zgrnicz n powierzchni stołu modelowego. Proszek jest rozprowdzny powierzchni stołu modelowego. Proszek jest rozprowdzny do wysokości pojedynczej wrstwy nstępuje spieknie do wysokości pojedynczej wrstwy i nstępuje spieknie wzdłuż ścieżki stnowiącej kontur modelu przekroju wyznczonym przez wrstwę. Stół przemieszcz się kolejne wzdłuż ścieżki stnowiącej kontur modelu w przekroju wyznczonym przez wrstwę. Stół przemieszcz się o kolejne wrstwy dół. Po kżdym przemieszczeniu nstępuje rozprowdzenie proszku do gruości kolejnej wrstwy. We wrstwy w dół. Po kżdym przemieszczeniu nstępuje rozprowdzenie proszku do gruości kolejnej wrstwy. We wszystkich technologich przyrostowego wytwrzni wysokość wrstwy jest stł jednym procesie dl cłego mode- wszystkich technologich przyrostowego wytwrzni wysokość wrstwy jest stł w jednym procesie dl cłego modelu. Wrtości wysokości pojedynczych wrstw możn wyielu. Wrtości wysokości pojedynczych wrstw możn wyierć dostępnych, ustwionych przez producent. rć z dostępnych, ustwionych przez producent. 200
1. Bdni mteriłów W celu przeprowdzeni zgrunej nlizy przydtności mteriłów stosownych w wyrnych technologich przyrostowego wytwrzni do produkcji elementów konstrukcji rootów, wykonno studium włściwości mteriłowych mteriłów stosownych w czterech wytypownych technologich, spośród których wyrno nstępujące mteriły: Durus White (technologi PolyJET), FC 930 (technologi PolyJET), FC 720 (technologi PolyJET), Verogrey (technologi PolyJET), ULTEM*9085 (technologi FDM), PC (technologi FDM), PC-ABS (technologi FDM), ABS-M30 (technologi FDM), PPSF (technologi FDM), PA2200 (technologi SLS). Do nlizy nie wzięto próek powstłych z zstosowniem technologii DMLS, poniewż ze szczegółowego studium włściwości technologii DMLS [7] wynik, że proces DMLS możn tk ustwić y cłkowity uzyskny przetop mteriłu wynosił 99,9 %, co możn uznć jko część litą (wytworzoną jk z zstosowniem oróki skrwniem) powstłą n zie spieku proszku z mteriłów, którymi oecnie mogą yć: luminium AlSi10Mg miesznk kolt-chrom-moliden, stl nrzędziow, stl nierdzewn, tytn, miesznk niklowo-luminiow, srero, złoto. W dnich skupiono się ztem n mteriłch niemetlowych stosownych w technologich: FDM, PolyJet orz SLS. połysk, śliskość w dotyku, twrdość pró rysowni pznokciem, gęstość (opis gęstości: gęstość > 1 mterił tonie w wodzie, gęstość < 1 mterił unosi się w wodzie; t 1), odksztłclność, zchownie w płomieniu, zpch zgszonego tworzyw, temperturę krytyczną, przy której mterił topił się. Rys. 2. Przekłdni plnetrn wykonn z mteriłu VeroGry, z zstosowniem technologii PolyJet Fig. 2. Plnetry ger mde from VeroGry mteril using PolyJet technology Nstępnie wykonno dni wytrzymłościowe n podstwie normtywnych próek (rys. 3), w wyniku których otrzymno liczne prmetry dnych mteriłów: wytrzymłość n rozciągnie, moduł Young efekt zginni dwupodporowego, twrdość metodą wciskni kulki, odporność n udry (dnie udrności z pomocą młot Chrpy ego). Rys. 1. Root PIAP SCOUT, moduły prototypu nowego korpusu wykonne z mteriłu PC, z zstosowniem technologii FDM Fig. 1. PIAP SCOUT root, - prototype modules of new root's ody mde from PC mteril using FDM technology Do pierwszej nlizy wytworzono modele związne z konstrukcjmi PIAP z zstosowniem trzech technologii: FDM, SLS i PolyJET. N zie wytworzonych modeli, których wyrne przykłdy przedstwiono n rys. 1 i 2, przeprowdzono nlizę zgruną. Anlizowno: rwę, przezroczystość, jkość powierzchni, Rys. 3. Przykłd wyrnych normtywnych próek przed dnimi wytrzymłościowymi rozciągni i zginni Fig. 3. Exmples of selected normtive smples efore stretching nd ending strength tests Wyniki testów nlizy zgrunej orz dń normtywnych specjlnie przygotownych próek zestwiono w t. 1 i przedstwiono n rys. 5 8. Z dń wynik, że spośród dnych technologii njlepszymi prmetrmi wytrzymłościowymi orz odpornością n wysokie tempertury chrkteryzują się mteriły wykorzystywne Pomiry Automtyk Rootyk nr 2/2013 201
NAUKA Testy wytrzymłościowe wykonno z wykorzystniem normtywnych próek. N potrzey testów n rozciągnie orz zginnie przygotowno dw różne typy próek (rys. 4). Próki wykonne z żywicy FC 930 (technologi PolyJet) nie zostły uwzględnione w testch n rozciągnie i zginnie ze względu n swoją rdzo dużą elstyczność. Prók z FC 930 poddwn rozciągniu nie zrywł się, ntomist pró wykonni zginni z definicji zw technologii FDM. N drugim miejscu znjduje się technologi SLS. Jeżeli chodzi o jkość powierzchni zewnętrznych orz dopsownie elementów współprcujących ze soą, zdecydownie n pierwszym miejscu jest technologi PolyJet, jednkże ze względu n niskie tempertury krytyczne stosownych w niej mteriłów nleży rozwżć jej przydtność w produkcji elementów do rootów moilnych. PolyJet jest ntomist jedyną technologią wśród dnych pozwljącą n udownie modeli przeźroczystych. Pod kątem jkości powierzchni modele wytworzone z zstosowniem technologii FDM są n trzecim miejscu. Zoserwowno, że modele powstłe z zstosowniem technologii FDM możn poddwć oróce zncząco poprwijącej jkość powierzchni. Modele możn poddwć piskowniu/śrutowni, nwet glwnizowniu. W wyniku dodtkowej oróki, wytworzonych technologią FDM modeli, uzyskno jkość ich powierzchni porównywlną z jkością modeli wytworzonych n wtryskrkch. T. 1. Zestwienie wyników nlizy zgrunej mteriłów stosownych w technologich FDM, PolyJet i SLS T. 1. Summry results of the rough nlysis of mterils used in FDM, PolyJet nd SLS technologies kończyły się niepowodzeniem. Wszystkie próy yły wykonywne pięciokrotnie. X 80 mm Y 10 mm Z 4 mm X 150 mm Y (szyjk) 10 mm Z 4 mm Rys. 4. Normtywne próki przygotowne n potrzey testów: udrności, rozciągni, zginni i twrdości Fig. 4. Normtive smples prepred for testing: impct, stretching, ending nd hrdness Rys. 5. Zestwienie wyników próy n rozciągnie Fig. 5. Summry of stretching test results Rys. 6. Zestwienie wyników testu odporności n udr Fig. 6. Summry of test results for impct resistnce Rys. 7. Zestwienie wyników testu n wyznczenie modułu Young n podstwie zginni dwupodporowego Fig. 7. Summry of test results of determintion the Young's modulus from two-supporting ending 202
N podstwie przeprowdzonych dń wykonno zestwienie wyników zwierjących trzy pierwsze mteriły, które ze względu n prmetry wypdły njlepiej w dnym teście: ) n rozciągnie: 1. ULTEM (technologi FDM), 2. Verogrey (technologi PolyJet/PolyJet Mtrix), 3. PC (technologi FDM). ) odporności n udr: 1. PC (technologi FDM), 2. PC ABS (technologi FDM), 3. PA 2200 (technologi SLS). c) n moduł Young n podstwie zginni dwupodporowego (mteriły w kolejności od njwyższego modułu Young ): 1. ABS M30 (technologi FDM), 2. Verogrey (technologi PolyJet/PolyJet Mtrix), 3. FC 720 (technologi PolyJet/PolyJet Mtrix). d) wyznczni twrdości metodą wciskni kulki: 1. FC730 (technologi PolyJet/PolyJet Mtrix), 2. Verogrey (technologi PolyJet/PolyJet Mtrix), 3. ABS-M30 (technologi FDM). w technologii FDM, w przeciwieństwie do SLS struktury podporowe mogą yć usuwne również przez wypłuknie, w technologii FDM, w przeciwieństwie do SLS jkość przetopu modelu nie zleży od usytuowni w komorze rooczej, technologi FDM w przeciwieństwie do SLS jest technologią rdziej przyjzną w osłudze i nie wymg dodtkowej odzieży ochronnej, np. msek pyłowych. 2. Plnownie procesu wytworzeni 2. Plnownie części z wykorzystniem procesu wytworzeni technologii części FDM do użytecznego wykorzystniem prototypu technologii FDM root do Cmeleon użytecznego prototypu root Cmeleon Otrzymne wyniki dń mteriłowych orz nliz włściwości technologii zstosowno w prktyce do oprcow- Otrzymne wyniki dń mteriłowych orz nliz włściwości technologii zstosowno prktyce do oprcowni konstrukcji mechnicznej root zmiennej konfigurni konstrukcji mechnicznej root o zmiennej konfigurcji Cmeleon, który m skłdć się z części wytworzonych cji Cmeleon, który m skłdć się części wytworzonych z zstosowniem technologii FDM. zstosowniem technologii FDM. Koncepcję root opisno szczegółowo w prcy [1]. Koncepcję root opisno szczegółowo prcy [1]. Root skłd się z modułów, do których nleży korpus, czyli Root skłd się modułów, do których nleży korpus, czyli tzw. moduł rodzic orz podłączne do niego tzw. moduły tzw. moduł rodzic orz podłączne do niego tzw. moduły dzieci, którymi są elementy wykonwcze tkie jk m.in. dzieci, którymi są elementy wykonwcze tkie jk m.in. wież, mnipultor, pedipultor, moduł hyrydowy kołostop i chwytk orz różnego typu czujniki. Modele CAD wież, mnipultor, pedipultor, moduł hyrydowy kołostop chwytk orz różnego typu czujniki. Modele CAD wyrnych modułów root zilustrowno n rys. 9. wyrnych modułów root zilustrowno n rys. 9. c Rys. 8. Wyniki wyznczni twrdości metodą wciskni kulki Fig. 8. Summry of the results of determintion the hrdness using method of pressing ll Z przeprowdzonych testów wynik, że technologie SLS orz FDM pod względem wytrzymłości stosownych w nich mteriłów ndją się do produkcji elementów do rootów moilnych. Technologi PolyJet, pomimo rdzo dorej jkości powierzchni zewnętrznych w surowych modelch, nie ndje się do produkcji użytkowych elementów konstrukcji rootów ze względu n rdzo niskie tempertury krytyczne stosownych w niej mteriłów, co przekłd się n znczące deformcje elementów pod wpływem np. oddziływni promieni słonecznych. Dodtkowe studium włściwości technologii przyrostowego wytwrzni wykzło, że pod kątem młoseryjnej produkcji części zdecydowny prym przed technologią SLS, wiedzie technologi FDM. Wynik to z nstępujących zlet technologii FDM, zrejestrownych po szczegółowej nlizie ou technologii: w technologii FDM, w przeciwieństwie do SLS możn produkowć powtrzlne modele, pomimo że modele są wytwrzne w różnych miejscch komory rooczej w mszynie, w technologii FDM, w przeciwieństwie do SLS nie m wymogu przeprowdzni procesu długotrwłego stygnięci modeli, d e Rys. 9. Modele CAD wyrnych modułów root: korpus, Rys. 9. Modele CAD wyrnych modułów root: korpus, wież, c pedipultor z modułem hyrydowym kołostop, d mnipultor, e chwytk wież, c pedipultor z modułem hyrydowym kołostop, d mnipultor, e chwytk Fig. 9. CAD models of selected modules of the root: ody, Fig. 9. CAD models of selected modules of the root: ody, tower, c pedipultor with hyrid module wheel-foot, tower, c pedipultor with hyrid module wheel-foot, d mnipultor, p e gripper d mnipultor, e gripper c Rys. 10. Przykłdowe konfigurcje root Cmeleon: root trzykołowy z modułem wizyjnym, root z czterem nogmi zkończonymi kołmi, wieżą i dwom mnipultormi, c root czteronożny z dwom mnipultormi Fig. 10. Exmples of Cmeleon root configurtions: threewheeled root with vision module, root with four legs ended with wheels, tower nd two mnipultors, c four-legged root with two mnipultors Pomiry Automtyk Rootyk nr 2/2013 203
NAUKA W wyniku połączeni wyrnych modułów możn uzyskć różne konfigurcje root. Przykłdowe konfigurcje pokzno n rys. 10. Nie wyczerpują one oczywiście możliwości root, które mogą zleżeć od pomysłowości i potrze użytkownik. W celu dokonni nlizy możliwości wytworzeni części root z zstosowniem metod przyrostowych wykonno dni symulcyjne, które skłdły się z dwóch etpów. W pierwszym etpie określono mksymlne ociążeni poszczególnych członów root n podstwie symulcji ruchu root zrelizownych w progrmie MD Adms. Do dń przyjęto konfigurcję root pokzną n rys. 10. Oprcowny model symulcyjny root w progrmie MD Adms widoczny jest n rys. 11. Rys. 11. Model symulcyjny root Cmeleon w progrmie MD Adms Fig. 11. Simultion model of Cmeleon root in MD Adms softwre W symulcjch zrezygnowno z wiernego odwzorowni ksztłtu elementów konstrukcji root, skupijąc się n zchowniu jego struktury kinemtycznej orz wymirów i prmetrów msowych poszczególnych członów. Uzyskne wyniki, zmieszczone w prcy [2], stnowiły wrunki rzegowe do drugiego etpu dń mjących n celu oszcownie możliwości zstosowni technologii FDM, z punktu widzeni wytrzymłości mteriłu, do wytworzeni części root Cmeleon. Drugi etp dń poległ n relizcji nliz wytrzymłościowych MES części root z zstosowniem progrmu Ansys. W dnich tych przyjęto chrkterystyki mteriłowe dl wyrnych mteriłów stosownych w metodch przyrostowego ksztłtowni wyroów uzyskne w toku dń. Części root podzielono n dwie ktegorie. Do pierwszej ktegorii zliczono te części, które z złożeni są ociążone w niewielkim stopniu i w związku z tym ędą mogły yć wytworzone z mteriłu ABS-M30, który możn zstosowć np. n większość elementów korpusu. Do drugiej ktegorii zliczono części, które z złożeni są mocno ociążone. Są to w szczególności części nleżące do mnipultorów i pedipultorów. Szczególną uwgę poświęcono tym częściom, które znjdują się w miejscch połączeń modułów z korpusem. Części te są przede wszystkim ociążone dużymi momentmi. Przykłd tkiej części wrz z przyjętymi do dń wrunkmi rzegowymi zilustrowno n rys. 12. Część t z jednej strony jest podłączon do korpusu, z drugiej strony łączy się z inną częścią nleżącą do pedipultor. Z dń symulcyjnych w progrmie MD Adms wyznczono dziłjące n tę część skłdowe sił i momentów sił rekcji RB i MB, przy czym dziłjący moment sił zstąpiono odpowiednimi prmi sił FB1 i FB2. Przeprowdzone nlizy MES pozwoliły n podjęcie osttecznej decyzji co do możliwości wytworzeni części root z mteriłów stosownych w technologii FDM. Wyrne wyniki nlizy dl przykłdowej części root pokzno n rys. 13. N potrzey symulcji wprowdzono chrkterystyki mteriłowe otrzymne w wyniku dń dl próek z mteriłu ULTEM 9085. N rys. 13 pokzne są uzyskne w wyniku symulcji deformcje, n rys. 13 widoczny jest rozkłd nprężeń dl tej części. Mksymln deformcj wynosi ok. 0,5 mm, mksymln wrtość nprężeń ok. 17 MP. W związku z tym współczynnik ezpieczeństw dl tej części dl nlizownego ruchu root i zdnego mteriłu ULTEM 9085 wynosi 3,7. = = = Rys. 12. Wrunki rzegowe do nliz wytrzymłościowych MES dl przykłdowego elementu konstrukcji root Fig. 12. The oundry conditions for MES strength nlysis on n exmple of element of root construction Rys. 13. Wyniki nlizy wytrzymłościowej przykłdowej części root Fig. 13. The results of strength nlysis for the exmple element of the root N podstwie przeprowdzonych nliz wytrzymłościowych okzło się, że njrdziej ociążone elementy konstrukcji nie zostną zniszczone podczs normlnej prcy root jeżeli jko mterił n wszystkie części zostnie użyty ULTEM9085. 204
Rys. 14. Anliz topologiczn ksztłtu przykłdowej części root Fig. 14. Topologicl nlysis of the shpe of the exmple element of the root Wykonno też wstępną nlizę topologiczną ksztłtu konstrukcji i wyznczono miejsc, w których możn odjąć mterił. Wynik tkiej nlizy dl przykłdowej części root zilustrowno n rys. 14, zznczjąc miejsc, w których możn odjąć mterił. Do produkcji części root Cmeleon wykorzystywne zostło zwnsowne centrum wytwórcze FORTUS 400mc wyposżone w ww. mteriły. FORTUS 400mc dje możliwość wytwrzni części z różną rozdzielczością. Rozdzielczość części reguluje się poprzez doór tk zwnej końcówki drukującej (t. 2) przetłczjącej podgrzny mterił. T. 2. Zleżności między mteriłmi, końcówkmi drukującymi i wysokościmi pojedynczych wrstw T. 2. The reltionships etween mterils, printing tips nd heights of single lyers Opertor mszyny m do wyoru trzy stndrdowe typy wypełnień części: lite, żeerkowe orz krtowe. Oprogrmownie służące do przygotowywni procesu wytwrzni dje również możliwość progrmowni włsnego typu wypełnieni części, w zleżności od preferencji użytkownik (rys. 16). Dodtkowo opertor może sterowć prmetrmi dnego wypełnieni np. gęstością ukłdni wiązki w wypełnieniu krtowym, rozstwem żeer czy rstrem krtownicy. Możn również sterowć prmetrmi związnymi z wytwrzniem powierzchni zewnętrznych, np. gruością wrstwy stnowiącej powierzchnię zewnętrzną. Dzięki tym opcjom możliwe jest sterownie dokłdnością, wytrzymłością i msą części w zleżności od jej przeznczeni orz czsem produkcji tej części. Niektóre z wymienionych części, np. korpus główny, zostną poddne dodtkowym orókom upiększjącym piskowniu orz kąpieli w chmurze rozpuszczlnik n zie cetonu w celu wygłdzeni powierzchni zewnętrznych. Rys. 15. Stndrdowe typy wypełnień części mteriłem modelowym stosowne przez centrum wytwórcze FORTUS Rys. 15. Stndrdowe typy wypełnień części mteriłem modelowym stosowne przez centrum wytwórcze FORTUS 400mc: lite, żeerkowe, krtowe 400mc: lite, żeerkowe, c krtowe Fig. 15. Stndrd types of fillings of elements with mteril used Fig. 15. Stndrd types of fillings of elements with mteril used y FORTUS 400mc mnufcturing centre: solid, y FORTUS 400mc mnufcturing centre: solid, ried, trussed ried, c trussed Mterił Typy końcówek komptyilne z dnym mteriłem modelowym Typy końcówek komptyilne z dnym mteriłem podporowym ABS-M30 T10, T12, T16, T20 T12 PC (Poliwęgln) T12, T16, T20 T12 ULTEM9085 T16, T12 Typ końcówki T10 T12 T16 T20 Wysokość pojedynczej wrstwy 0.127 mm 0.178 mm 0.254 mm 0.330 mm Typ końcówki drukującej przekłd się ezpośrednio n gruość wrstwy nkłdnego mteriłu (przyrost w osi Z) orz jej dokłdność wymirową w osich X i Y orz ściśle zleży od zstosownego mteriłu. Ze względu n włściwości fizyczne nie kżdy mterił dostępny w technologii FDM może współprcowć z dowolną końcówką (t. 2). FORTUS 400mc umożliwi również wytwrznie części z zstosowniem różnego typu wypełnieni (rys. 15). Rys. 16. Przykłdowe, niestndrdowe typy wypełnień części Rys. 16. Przykłdowe, niestndrdowe typy wypełnień części progrmowne zleżności od pol dziłni sił zewnętrznych od wymgń co do cłkowitej msy progrmowne w zleżności od pol dziłni sił zewnętrznych i od wymgń co do cłkowitej msy Fig. 16. Exmples of non-stndrd types of fillings of elements Fig. 16. Exmples of non-stndrd types of fillings of elements progrmmed depending on the re of cting of externl progrmmed depending on the re of cting of externl forces nd ccording to requirements on totl mss forces nd ccording to requirements on totl mss Przed przystąpieniem do progrmowni procesu wytwrzni części do root Cmeleon, przystąpiono do po- Przed przystąpieniem do progrmowni procesu wytwrzni części do root Cmeleon, przystąpiono do pogrupowni ich n cztery typy: lekkie niewymgjące dugrupowni ich n cztery typy: lekkie niewymgjące dużej dokłdności (np. korpus root), lekkie dokłdne (np. żej dokłdności (np. korpus root), lekkie dokłdne (np. złącz modułów), nośne niewymgjące dużej dokłdności złącz modułów), nośne niewymgjące dużej dokłdności (np. golenie pośrednie, do których nie są podłączone npędy), nośne dokłdne (części mnipultorów, pedipulto- (np. golenie pośrednie, do których nie są podłączone npędy), nośne dokłdne (części mnipultorów, pedipultorów i modułów kołowych, do których przymocowne są rów modułów kołowych, do których przymocowne są npędy lu wły). Stosowny podził pozwoli n pierwszą npędy lu wły). Stosowny podził pozwoli n pierwszą optymlizcję procesu wytwrzni pod kątem zmniejszeni cłkowitego zużyci mteriłów czsu prcy mszyny optymlizcję procesu wytwrzni pod kątem zmniejszeni cłkowitego zużyci mteriłów i czsu prcy mszyny (czsu wytrzni części). zleżności od grupy, do której zkwlifikowno dną część, przyjęto ustwieni proce- (czsu wytrzni części). W zleżności od grupy, do której zkwlifikowno dną część, przyjęto ustwieni procesu wytwrzni jk w t. su wytwrzni jk t. 3. 3. Pomiry Automtyk Rootyk nr 2/2013 205
NAUKA T. 3. Doór prmetrów wytwrzni w zleżności od typu części stosownych w roocie T. 3. Selection of the mnufcturing prmeters depending on types of elements used on the root Stosown końcówk Typ części stosownej w roocie drukując: mterił podporowy/mterił Typ wypełnieni części modelowy Lekkie, niewymg- T16 Żeerkowe jące dużej dokłdności Lekkie dokłdne T10 Żeerkowe Nośne niewymg- T16 Krtowe jące dużej dokłdności Nośne dokłdne T10 Lite Root zostnie wyprodukowny w dużej mierze z mteriłu ABS M30, ntomist części mocno ociążone zostną wyprodukowne z mteriłu ULTEM9085. ABS M30 jest to wzmocnion (o ok. 70 %) wersj stndrdowego mteriłu ABS. Wszystkie mechniczne części root, z wyjątkiem połączeń śruowych zostną wytworzone w technologii przyrostowego wytwrzni FDM. 3. Podsumownie Dynmiczny rozwój technologii przyrostowych pozwljących n wytwrznie części mszyn z mteriłów niemetlowych i metlowych sprwił, że technologie te stnowią corz powżniejszą lterntywę dl trdycyjnych metod wytwrzni. Bdni podstwowe technologii przyrostowych mteriłów niemetlowych prowdzone w rmch prc sttutowych w PIAP wykzły, że njlepszą technologią niemetlową ndjącą się oecnie do produkcji części, nie tylko do prototypów, jest technologi FDM (ng. Fused Deposition Modeling). Wytworzone części mogą yć użytkowne zrz po zkończonym procesie. Nie wymgją dodtkowego wyżrzni, relkscji, infiltrcji lu innych ziegów mjących n celu kompenscję włściwości procesu wytwrzni. W przypdku części zwierjących nwisy, elementy krtownicy, otwory lu inne elementy wymgjące podprci ścinki, mszyn w jednym procesie generuje usuwlne struktury podporowe. Powstłe podpory, po procesie wytwrzni, ez większych prolemów usuw się njczęściej przez cłkowite wypłukiwnie z zstosowniem specjlnej myjki cyrkulcyjnej lu poprzez odrywnie w zleżności od zstosownych mteriłów. Części wytwrzne z wykorzystniem technologii FDM chrkteryzują się dużą wytrzymłością mechniczną, odpornością n wysokie tempertury (oecnie rzędu 130 C), niezmiennością ksztłtów w czsie, odpornością n dziłnie wody orz dużymi możliwościmi oróki orók skrwniem, glwnizcj, piskownie, lkierownie itp. Dodtkowo specyfik technologii FDM pozwl n ingerencję w wytwrzną część w trkcie procesu jej wytwrzni. Możliwe jest zmocownie n wyrnej wrstwie cienkiej metlowej sitki lu wtpinie metlowych części w wrstwy celem dodtkowego umocnieni konstrukcji. Możliwe jest również wtpinie nkrętek, tulei lu innych elementów mocujących, które np. zwierją gwint, w celu przygotowni odpowiedniego połączeni. Prce dwcze potwierdziły, że wyrne mteriły njlepiej spełniją wymgni stwine przez konstrukcje docelowe, czyli w przypdku instytutu PIAP rooty moilne. Rozwój technologii FDM umożliwi wykonywnie dokłdnych części, które pod względem wyglądu, jkości wykonni orz dokłdności wymirowej ndwłyy się od rzu do użytku jko części końcowe Mimo to nie jest jeszcze możliwe wykonywnie nieniszczących nliz mjących n celu estymcję ich wytrzymłości w złożonych wrunkch prcy. Tk więc nie możn dzisij wykonywć jednozncznej optymlizcji procesu wytwrzni części z zstosowniem technologii FDM lu innych technologii przyrostowego wytwrzni, o nie możn w jednoznczny sposó stwierdzić, jk zmin grytu części, rodzju wypełnieni wewnętrznego (lite, krtownic, plster miodu itp.), zstosowni dnego typu końcówki drukującej lu jkiekolwiek zminy innego prmetru wytwrzni wpłyną n wytrzymłość części. Estymcj wytrzymłości części wskznych przez progrm MD Adms, jko njrdziej ociążone w konstrukcji, wykonn w środowisku Ansys jest jedynie próą oszcowni nprężeń i odksztłceń. N dzień dzisiejszy nie możn przeprowdzić dokłdnych nieniszczących dń lu symulcji, które mogłyy dostrczyć jednozncznych wyników wytrzymłościowych, ze względu n rk odpowiedniej zy włściwości mteriłowych i odpowiednich modeli numerycznych mteriłów. To sprwi, że n dzień dzisiejszy również plnownie, czy idąc dlej, optymlizcj procesu wytwrzni części z wykorzystniem technologii FDM opier się w dużej mierze n intuicji osługującego mszyny. Dltego ktulnie w PIAP prowdzone są dni (w rmch prcy doktorskiej mgr. inż. Mciej Cder) mjące n celu przeprowdzenie dń mteriłowych orz oprcownie modelu estymcji wytrzymłości części, w oprciu o nlizy symulcyjne MES, wytwrznych w wyrnych technologich przyrostowego wytwrzni. Spodziewnym efektem prcy ędzie możliwość optymlizcji ksztłtu części lu prmetrów procesu wytwrzni, pod kątem uzyskni złożonej wytrzymłości. Biliogrfi 1. Trojncki M., Cder M., Projekt konstrukcji root moilnego o zmiennej konfigurcji, Prce nukowe Politechniki Wrszwskiej, Seri: Elektronik, Zeszyt 182, Tom 2, Wrszw 2012, 549 557. 2. Błszczykiewicz K., Anliz możliwości zstosowni technologii przyrostowego ksztłtowni wyroów do wykonni prototypu root moilnego Cmeleon, prc dyplomow mgistersk zrelizown przy współprcy z Przemysłowym Instytutem Automtyki i Pomirów PIAP (promotor: dr inż. M. Trojncki, konsultnt z rmieni PIAP: mgr inż. Mciej Cder), Politechnik Wrszwsk, Wrszw 2012. 3. Olszewski J., Anlysis of mteril properties in respect of mteril interior styles used in Fused Deposition 206
Modeling, Pomiry Automtyk Rootyk. 9/2011, 80 85. 4. Bijk-Żochowski M., Jworski A., Krzesiński G., Zgrjek T., Wytrzymłość konstrukcji, Oficyn Wydwnicz Politechniki Wrszwskiej, Wrszw 2005. 5. http://www.strtsys.com/ 6. http://ojet.com/knowledge-center 7. http://www.eos.info/en/home.html Anlysis of the pplicility of dditive technology to friction of moile roots construction Astrct: The rticle presents the reserch results of the mechnicl properties of non-metllic mterils used in dditive mnufcturing for the production of structurl components of moile roots. Article lso concerns one of the technology, i.e., FDM for the production of reconfigurle roots construction elements. This pper lso descries the methodology for the preprtion of selected prts of the root to mnufcture them using FDM technology. Keywords: dditive mnufcturing, production of roots elements, thermoplstic mterils, extrusion. mgr inż. Mciej Cder Asolwent Wydziłu Mechnicznego Energetyki i Lotnictw Politechniki Wrszwskiej. Oecnie prcownik Przemysłowego Instytutu Automtyki i Pomirów PIAP. Zjmuje się konstruowniem, zwnsownymi symulcjmi komputerowymi i technologimi przyrostowymi. Współutor kilkunstu pulikcji o temtyce związnej z rootyką moilną. e-mil: mcder@pip.pl dr inż. Mciej Trojncki Ukończył studi n Wydzile Budowy Mszyn i Lotnictw Politechniki Rzeszowskiej, gdzie oronił również prcę doktorską. Oecnie prcuje n stnowisku diunkt w Przemysłowym Instytucie Automtyki i Pomirów PIAP orz n Wydzile Mechnicznym Energetyki i Lotnictw Politechniki Wrszwskiej. Zjmuje się projektowniem konstrukcji mechnicznych, modelowniem i symulcją ukłdów mechnicznych orz sterowniem ruchem rootów moilnych. Jest utorem i współutorem kilkudziesięciu pulikcji o temtyce związnej z mechniką, teorią mszyn i mechnizmów orz rootyką, o zsięgu krjowym i międzynrodowym. e-mil: mtrojncki@pip.pl Pomiry Automtyk Rootyk nr 2/2013 207