32/31 Solidiiikation or Metais and Alloys, No. 32, 1997 Krzepnięcie Metali i Stopów, Nr 32, 1997 Pi\N - Oddzial Katowice I'L ISSN 020S-9386 ZASTOSOWANIE WSPOMAGANIA KOMPUTEROWEGO W PRZYGOTOWANIU PRODUKCJI ODLEWNICZEJ P ĄCZEK Zbigniew Instytut Odlewnictwa, 30-418 Kraków, ul.zakopiańska 73 Streszczenie: Zapewnienie jakości produkowanych odlewów jest bezpośrednio związane z właściwym przygotowaniem produkcji. Znaczne ułatwienia w tym zakresie stwarza zastosowanie wspomagania komputerowego. Omówiono możliwości wykorzystywania technik komputerowych do wykonywania dokumentacji rysunkowej, obliczania elementów układów wlewowych i zasilania, symulacji krzepnięcia i szybkiego prototypowania. Przygotowanie produkcji Przygotowując produkcję odlewów technolog powinien pamiętać o konieczności realizacji następujących postulatów: - wykonywane odlewy muszą posiadać wysoką powtarzalnąjak ość, - koszty uruchomienia nowej pozycji muszą być maksymalnie ograniczone, -czas niezbędny do rozpoczęcia produkcji musi być możliwie krótki. Stosowanie powyższych zasad przynosi wymierne korzyści ekonomiczne i utatwia pozyskiwanie nowych klientów. Warunkiem umożliwiającym realizację wymienionych postulatów jest zastosowanie wspomagania komputerowego. W przodujących ftrmach krajów wysoko rozwiniętych stosowanie techniki komputerowej w odlewnictwie jest obecnie uważane jako oczywiste i niezbędne.
247 Aktualnie stosowanych jest szereg określeń dotyczących zakresu wykorzystania poszczególnych. grup oprogramowania w praktyce przemysłowej. Najszerszym stosowanym ;zazwyc:zaj okre~leniem jest CAl (Computer Aided Industry) ~ komputerowe wspomaganie przemysłu. Dla analogicznego zakresu zastosowania używane jest również określenie CIM (Computer Integrated Manufacturing) - komputerowo zintegrowane wytwarzanie. W systemie komputerowego wspomagania przemysłu (CAl) rozróżnia się szereg odrębnych dziedzin: CAD (Computer Aided Design) - komputerowe wspomaganie projektowania, CAM (Computer Aided Manufacturing)- komputerowe wspomaganie wytwarzania, CAQ (Computer Aided Assurance) - komputerowe wspomaganie dozoru nad jakością. Obszerne informacje, na temat wykorzystywania wspomagania komputerowego w odlewnictwie, publikowane w różnego rodzaju czasopismach branżowych znalazło w pełni potwierdzenie na ostatniej Międzynarodowej Wystawie Odlewnictwa GIF A'94 w Dusseldorfie. Swoje oferty z tego zakresu prezentowato tam kilkadziesiąt firm z całego świata. Nadmieni<5 jednak należy, że szereg dalszych finn oferowało swoje rozwiązania (maszyny, urządzenie czy procesy) wykorzystując również przygotowane oprogramowanie specjalistyczne. Wykonanie rysunków odlewów i dokumentacji technologicznej Proces przygotowania produkcji rozpoczyna się od wykonania rysunku odlewu. Zazwyczaj ryslulek taki powstaje w biurze technologicznym odlewni, rzadziej u klienta. Na etapie tym powinno być i coraz częściej jest stosowane komputerowe wspomaganie projf:ktowania (CAD). Aktualnie do wykonywania rysunków odlewów, jak również dokumentacji technologicznej stosowanych jest szereg edytorów graficznych różnych firm. Oprogramowania te są znane pod nazwami firmowymi. Z bardziej znanych wyrnienić należy AutoCAD, Eucklid, CATIA, Strim 100, DUCTS, PRO/Engineer, CADDS4x. W zależności od stopnia rozbudowania oprogramowania, wymagają one stosowania określonego sprzętu komputerowego. Wprowadzenie w biurze techologicznym odlewni CAD (wspomaglmia komputerowego
248 projektowania), a więc przygotowywania rysunków i dokumentacji, zdecydowanie zmienia sposób i efektywność pracy tego wydziału. W dużych finnach, w których przygotowanie produkcji odbywa się z wykorzystaniem specjalistycznego oprogramowania sieciowego, biuro technologiczne odlewni jest bezpośrednio informowane o prowadzonych pracach projektowych i może z odpowiednim wyprzedzeniem przygotowywać technologie i dokumentację oprzyrządowania, podobnie zresztą jak inne wydziały: obróbki mechanicznej, zapewnienia jakości czy ekspedycji. Największą popularnością w ostatnim okresie cieszy się oprogramowanie PRO!Engineer wprowadzane w wielu przodujących fumach przede wszystkim amerykańskich. Według danych literaturowych wprowadzenie tego oprogramowania pozwala wielokrotnie skrócić okres przygotowania nowego asortymentu produkcji i to w porównaniu do stosowanego obecnie oprogramowania nie mówiąc już o tradycyjnych metodach. Wykonywanie rysunku z zastosowaniem CAD znacznie skraca okres przygotowania dokumentacji. Wynika to przede ws.zystkim z możliwości wykorzystywania poszczególnych opcji oprogramowania takich jak: - powiększyć, - pomniejszyć, - skopiować, - przesunąć, -obrócić, - usunąć część rysunku. Wykorzystanie wyżej wymienionych poleceń zawartych w oprogramowaniu, pozwala równocześnie na bardzo szybkie wprowadzanie poprawek i zmian w opracowanej już dokumentacji. Stosując CAD każde biuro technologiczne z czasem dysponuje coraz bardziej bogatą bazą danych obejmującąpowtarzające się rozwiązania technologiczne i konstrukcyjne, które przy uruchamianiu nowej produkcji mogą być i są w prosty sposób szybko wykorzystywane. Dysponowanie taką bazą danych umożliwia również szybkie przygotowywanie ofert na składane zapytania klientów.
249 Wykorzystanie rysunków wykonanych w CAD Rysunek wykorumy w CAD, zazwyczaj w układzie trójosiowym (30), wykorzystywany jest następnie wielokrotnie do: - przeprowadzenia symulacji procesów zachodzących w trakcit: wykonywania odlewu tj.: wypełnienia formy ciekłym metalem krzepnięcia odlewu stygnięcia odlewu rozłożenia jam skurczowych rozkładu naprężeń nagrzewania i stygnięcia oprzyrządowania - wykonania oprzyrządowania: stosując CAM - komputerowe wspomaganie wytwarzania specjalistyczne obrabiarki, stosując RPS (Rapid Prototyping Systems)- bez użycia narzędzi skrawających, - planowania produkcji, - zapewnieniajakości produkcji zgodnie z wymogami ISO 9000. Wszystkie wymienione fazy przygotowania produkcji są bardzo istotne jednak szczególnego znaczenie nabrała możliwość prowadzenia symulacji procesów technologicznych. Aktualnie w przodujących odlewniach stosowanych jest kilkanaście wiodących programów komputerowych z tego zakresu. Ich możliwości jak i wymagania sprzętowe są bardzo zróżnicowane. Najnowsze a zarazem najbardziej zaawansowane technicznie programy kosztują powyżej 40.000,- USD nawet do 100.000,- USD. Oprócz najczęściej stosowanych tworzyw odlewniczych, tj. żeliwa i staliwa, programy niektórych firm umożliwiają przygotowanie technologii dla odlewów wykonywanych z materiałów rzadziej stosowanych jak np.: stopów niklu (MAGMASOFT), brązów niklowo-aluminiowych i kompozytów z osnową tytanu i aluminium (Rapid/Cast). Najbardziej zaawansowane programy, umożliwiające prowadzenie symulacji procesów odlewniczych, takie jak: MAGMASOFT, CAD CAFIS SOLST AR. SIMULOR, zapewniają przygotowanie
250 produkcji realizowanej z zastosowaniem większości znanych technologii odlewniczych. Ich zakres obejmuje zarówno wykonywanie odlewów w masach syntetycznych z bentonitem, w masach chemoutwardzalnych, odlewanie kokilowe, odlewanie ciśnieniowe jak i technologię wytapianych modeli [l]. Ich największą zaletą jest ograniczenie, bądź wręcz wyeliminowanie, konieczności dokonywania poprawek oprzyrządowania, a tym samym szybkie uruchomienie produkcji i ograniczenie jej kosztów. Programy te wielokrotnie zweryfikowane praktycznie, są obecnie szeroko wykorzystywane zarówno w odlewniach jak również w biurach konstrukcyjnych, jednostkach badawczych i uczelniach technicznych. Przykładowo wspomniany program MAGMA80FT posiada przeszło l 00 użytkowników w całym świecie. Z bardziej znanych firm stosujących ten program wymienić należy: Voest-Alpine (Austria), Ford (USA), Mercedes-Benz (RFN), Buderos (RFN), Mazda (Japonia), Honda (Japonia), Generał Motors (USA),Volvo (Szwecja), Chrysler (USA), DISA (Dania) i inne. Technika szybkiego wykonania oprzyrządowania (RPS) W okresie ostatnich dziesięciu lat nastąpił dynamiczny rozwój nowej techniki szybkiego wykonywania oprzyrządowania nazywanej RPS (Rapid Prototyping Systems) lub FFM (Free Form Manufacturing). Ogólna zasada tej techniki polega na odtwarzaniu bardzo cienkich warstw, jedna po drugiej, kształtu modelu zapisanego w układzie trójosiowym (3D) w pamięci komputera. W zależności od zastosowanej metody, model zazwyczaj budowany jest z żywicy syntetycznej, papieru lub wosku. Do wykonywania modeli stosowane są specjalnie wyposażone stanowiska. Wielkość wykonywanych modeli ograniczona jest wymiarami stołu roboczego. W przypadku konieczności wykonywania większych modeli stosuje się technikę łączenia szeregu elementów odtwarzających części detalu. Zastosowanie tej techniki jest rewolucją w sposobie przygotowania nowej produkcji i wykonywania oprzyrządowania.
251 Biorąc pod uwagę uzyskiwane dokładności wymiarowe powyższa uwaga dotyczy szczególnie technologii wytapianych modeli. W technologii wytapianych modeli technika RPS znajduje dwojakie zastosowanie: bezpośrednio do wykonywania jednorazowych prototypowych modeli, pośrednio do wykonywania matryc, w których następnie odtwarzany jest kształt produkcyjnych modeli woskowych. Aktualnie na rynku światowym konkuruje ze sobą kilkanaście znanych firm oferujących wiele technik szybkiego wykonywania prototypów. Wymienić tutaj należy amerykańską firmę 3D Systems Inc.współpracującą z firmą Ford Motor Co., niemieckie: Schneider Prototyping GmbH i Electro Optical Systems GmbH współpracujące z BMW, Mercedesem Benz, FIAT-em i Siemensem, brytyjskie: BSA Precision Castings Limited i Rapid Prototyping & Tooling Consortium wykonujące detale dla firmy Rover. Poni.Zej jako przykładową przedstawiono najbardziej znaną technikę szybkiego wykonywania prototypów (RPS). Sterolitbograplłty (SLA) Technika ta, opracowana przez firmę 3D Systems Inc., jako pierwsza znalazła zastosowanie w praktyce przemysłowej. Do chwili obecnej sprzedano ponad 400 urządzeń tej firmy. Naturalnie firma oferuje coraz to nowe udoskonalone urządzenia. W ostatniej wersji, umożliwiającej wykonywanie modeli z dokładnością poniżej 0,038 mm, zastosowano oprogramowanie PRO/Engineer wraz z pakietem PRO/Mold [2]. Ogólna zasada wykonywania modelu polega na przekazywaniu danych zapisanych w programie CAD na głowicę sterującą pracą lasera. Model odtwarzany jest na ruchomej platformie umieszczonej w zbiorniku wypełnionym foto-utwardzalną żywicą syntetyczną. Na początku procesu odtwarzania kształtu modelu, platforma znajduje się tuż pod powierzchnią żywicy. Promień lasera, odwzorowujący kształt zapisanego w układzie 3D modelu, padając na nią powoduje jej utwardzenie. Następnie platforma obniża się
252 i kolejna warstewka żywicy zostaje utwardzona wędrującym promieniem lasera. W ten sposób budowane są kolejne warstewki modelu aż do odtworzenia pełnego kształtu. W 1993 roku firma 3D Systems Inc. wprowadziła wersję o nazwie QUICKCAST. Wykonując jednorazowy model dla potrzeb technologii wytapianych modeli, tylko jego zewnętrzna część zostaje utwardzona, natomiast wewnętrzne przekroje tworzone są w postaci, którą moma określić jako przestrzenną sieć krystaliczną lub plaster miodu [3]. Z innych technik wykonywania modeli metodami RPS wymienić należy : Solider; Larninated Object Manufacturing (LOM); Selective Laser Sintering (SLS); Fused Deposition Modeliing (FDM); 3D Printing /Ballistic Particie Manufacturing (BPM); Direct Shell Production Casting (DSPC). Zastosowanie wymienionych technik przynosi konkretne korzyści ekonomiczne. Czas wykonania oprzyrządowania w stosunku do tradycyjnie stosowanych metod może być skrócony o połowę, a nawet więcej. W zale7.ności od stopnia skomplikowania detalu cena oprzyrządowania może zostać obniżona nawet o 40%. Zastosowania wspomagania komputerowego w polskim odlewnictwie Wprowadzenie wspomagania komputerowego do przygotowywania produkcji odlewniczej daje tak wiele korzyści, że jego niezbędność staje się oczywista. Konieczne jest to również dla zapewnienia konkurencyjności polskich odlewni na rynku europejskim. Oczywiście biorąc pod uwagę konieczność zainwestowania znacznych środków fmansowych oraz przeszkolenia pracowników realizacja powyższych postulatów nie jest łatwa. Kilka odlewni krajowych przystąpiło już do wprowadzania technik komputerowych do przygotowania produkcji (np. POLMO Praszka i PZL HYDRAL zakupiły i wdrażają oprogramowanie systemu MAGMA). W Instytucie Odlewnictwa w Krakowie tematyka zastosowania wspomagania komputerowego nabiera coraz większego znaczenia. W minionym roku zakupiono program MAGMASOFT z pomocą którego wykonano już pierwsze projekty
253 technologiczne. Prowadzone są również prace z zakresu konstrukcji odlewów z wykorzystaniem oprogramowania ABAQUS. Wykaz literatury [l] Wimpenny D.I.: Rapid Prototyping: Part of a computer integrated aproach to investment casting. 23rd E.I.C.F. Conference on Investment Casting.l994, Praha [2] Deton K.R., Jacobs P.: Investment Casting Plays Major Role in Ford "Rapid Tooling" Project, A Case Study. lncast, p.l5-17, November 1994 [3] Estrin L.: A Deeper Look at Casting Solidification Software. Modem Casting. GIFA 94. Special Issue, p. 32-35, June 1994