Technologia i Automatyzacja Montażu 3/2013 POŁĄCZENIA MONTAŻOWE ELEMENTÓW KONSTRUKCYJNYCH WYKONYWANYCH W TECHNOLOGII RAPID PROTOTYPING Andrzej ZBROWSKI, Krzysztof MATECKI Streszczenie W artykule zaprezentowano możliwości wykonywania elementów konstrukcyjnych o skomplikowanych kształtach, pełniących funkcję osłon, korpusów lub obudów, których złożona budowa i wysokie walory estetyczne w znacznym stopniu decydują o skutecznym wykorzystaniu w budowie współczesnych maszyn i urządzeń laboratoryjnych oraz przemysłowych. Przedstawiono proces wytwarzania elementów o stosunkowo dużych wymiarach gabarytowych przy użyciu technologii Rapid Prototyping z uwzględnieniem podziału jednego elementu wielkogabarytowego, o wymiarach przekraczających dostępne możliwości wytwórcze RP, na kilka mniejszych elementów składowych. Omówiono proces powstawania takiego detalu począwszy od etapu projektowania, poprzez etap podziału na części składowe aż do wykonania wszystkich składników techniką przyrostową i zespolenia ich w jedną część maszyny o określonym przeznaczeniu. W procesie zespolenia przedstawiono zastosowanie do tego celu techniki klejowych połączeń montażowych. Wyjaśniono znaczenie odpowiedniego zaprojektowania modelu wirtualnego uwzględniającego wykonanie gotowego wyrobu z zastosowaniem łączenia komponentów składowych za pomocą klejenia. Przedstawiono dodatkowe wymagania dotyczące niezbędnych baz montażowych pojawiające się w sytuacjach związanych z prawidłowym przygotowaniem modelu dzielonego. Podkreślono znaczenie dodatkowych elementów konstrukcyjnych umożliwiających właściwą realizację procesu klejenia. Pokazano rezultaty prac projektowych w postaci opracowanych w komputerowych systemach projektowania przestrzennych modeli o odpowiednich walorach funkcjonalnych, ergonomicznych oraz wizualnych. Zaprezentowano zastosowaną metodę wydruku 3D wraz z odpowiednim urządzeniem technologicznym. Zaznaczono istotną rolę, jaką pełni właściwe usytuowanie wytwarzanego obiektu w przestrzeni roboczej maszyny. W zastosowanej technice wytwarzania wykorzystano przyrostową technologię FDM (Fused Deposition Modeling) polegającą na warstwowym osadzaniu tworzywa sztucznego. Wyjaśniono problemy dotyczące ostatecznego wykończenia powierzchni wytwarzanego elementu za pomocą technologii lakierniczej. Pokazano alternatywną dla stosowanych obecnie tradycyjnych technik wytwarzania możliwość szybkiego wykonania wyrobu na przykładzie obudowy penetrometru produkowanego w ITeE-PIB. Słowa kluczowe szybkie prototypowanie, połączenia klejowe, wzornictwo przemysłowe, projektowanie 3D, techniki wytwarzania 1. Wprowadzenie W ciągu ostatnich kilku lat zaobserwować można stały wzrost potrzeb szybkiego i łatwego wykonywania elementów konstrukcyjnych o skomplikowanych kształtach, wysokich parametrach wytrzymałościowych oraz odpowiednich walorach funkcjonalnych i estetycznych. Wzrastająca podaż technik szybkiego wytwarzania sprawia, iż coraz powszechniejsze staje się sięganie przez wytwórców po specjalistyczne technologie i urządzenia pozwalające na zaspokojenie rosnącego w tej dziedzinie popytu. Coraz większe wymagania stawiane wyrobom oraz oczekiwania odbiorców związane z ich funkcjonalnością i wyglądem zewnętrznym wymuszają konieczność dostosowywania produkcji do charakteru jednostkowego i utrzymania wysokiej jakości wykonania. Celem produkcji jest szybko powstający, nowoczesny, funkcjonalny produkt charakteryzujący się umiarkowaną ceną pomimo jednostkowego wykonania. Nakłada to na procesy projektowania i wdrażania ogromne ograniczenia czasowe oraz ostry reżim finansowy. Aby sprostać wymaganiom, coraz częściej stosowane są różnego rodzaju techniki szybkiego prototypowania RP (Rapid Prototyping) wspomagane coraz doskonalszymi narzędziami projektowania 3D, pozwalającymi na zwiększenie efektywności projektowania oraz weryfikowanie poprawności konstrukcji poprzez wirtualne analizy i symulacje. Szeroki zakres możliwości wykonywania modeli o skomplikowanej geometrii oraz duża liczba materiałów (od tworzyw sztucznych do proszków metali) używanych w procesie budowy prototypu powodują, że urządzenia RP cieszą się ogromną popularnością i są coraz częściej stosowane. Dzięki współczesnym komputerowym technologiom projektowania i produkcji CAD/CAM/CAE, technologiom szybkiego modelowania, prototypowania i wytwarzania, opartych na parametryzowanych systemach oprogramowania komputerowego 3D można eliminować błędy i skrócić proces projektowania i wdrażania nowego wyrobu. Rapid Prototyping (RP) jest wspólną nazwą procesów szybkiej budowy obiektów fizycznych na podstawie ich modeli komputerowych zapisanych w formacie stl. Kolejne generacje urządzeń RP i oprogramowania oferują rozwiązania coraz szybsze, dokładniejsze, tańsze i łatwiejsze w obsłudze. Wzbogaca się również oferta wykorzystywanych w nich materiałów i poprawiane są ich własności trwałość, kolorystyka itp. Największą zaletą tej technologii jest to, że wykonanie nowego wyrobu nie wymaga oprzyrządowania do jego produkcji, a osiągalna dokładność realizacji nawet pojedynczego egzemplarza do niedawna wymagałaby wyposażenia jej w kosztowne narzędzia oraz wielu prób technologicznych. Coraz częściej urządzenia oparte na tej technologii wykorzystywane są do masowej produkcji wyrobów finalnych [1, 2, 3, 4,5]. W Instytucie Technologii Eksploatacji PIB w Radomiu podjęto próby zastosowania technologii Rapid Prototyping w celu wykonania elementów konstrukcyjnych 39
3/2013 Technologia i Automatyzacja Montażu w postaci osłon i obudów produkowanego przez Instytut penetrometru laserowego stosowanego do pomiaru konsystencji. 2. Modyfikowane elementy Na rys. 1 przedstawiono penetrometr laserowy produkowany od kilku lat w niezmienionej formie dostosowanej do technologii produkcji małoseryjnej. Jego wewnętrzne mechanizmy i elementy są osłonięte obudową 1 zamkniętą pokrywą 2, zaś obudowa 3 chroni elementy i mechanizmy głowicy urządzenia. Rys. 1. Penetrometr laserowy typu PL-12DC: 1 obudowa napędów i elementów sterowania, 2 pokrywa, 3 obudowa głowicy Fig. 1. PL-12DC laser penetrometer: 1 drive and control elements casing, 2 lid, 3 head casing Są to elementy na pozór proste w wykonaniu. Jednak każda z obudów (rys. 2) składa się z co najmniej kilku elementów wykonanych ze stali technologiami cięcia, gięcia, toczenia, połączonych ze sobą techniką spawania. Powierzchnie tych detali przygotowywane są za pomocą obróbki strumieniowo-ściernej, fosforanowania i szpachlowania, a następnie podlegają lakierowaniu proszkowemu farbami polimerowymi. Do wymienionych prac doliczyć należy także obróbkę ślusarską jako najbardziej pracochłonną. Wytworzenie detali wymaga więc zaangażowania wielu technik produkcji i czasochłonnych zabiegów, co w przypadku realizacji jednostkowych zamówień w często ograniczonym przez odbiorców czasie wykonania sprawia wytwórcy duży problem. Z powyższych względów podjęto decyzję o zaprojektowaniu nowych obudów penetrometru i wykonaniu ich techniką Rapid Prototyping. 3. Projektowanie elementów Opracowano nowy projekt stylistyczny całego urządzenia w nowej formie uwzględniającej współczesne wymagania wzornictwa przemysłowego. Projekt sporządzono w komputerowym systemie INVENTOR zapewniającym na etapie projektowania przestrzenną analizę geometrii skomplikowanych elementów i zespołów. Projekt składa się z modeli przestrzennych, rysunków złożeniowych penetrometru oraz rysunków wykonawczych detali. Ważnym aspektem prac projektowych oprócz funkcjonalności elementów i ich walorów ergonomicznych był również nowoczesny wygląd finalnego wyrobu. Na rys. 3 przedstawiono wirtualne modele nowych obudów penetrometru oraz model penetrometru w zmienionej formie plastycznej. Dla sporządzonych modeli wygenerowano pliki w formacie stl zawierające zapis geometrii obiektu trójwymiarowego, na podstawie których za pomocą narzędzi programowych i urządzeń technologii Rapid Prototyping wykonane zostały przedstawione elementy. Przyjęto również, że elementy te zostaną wykonane metodami przyrostowymi z tworzywa sztucznego ABS w kolorze białym, szeroko stosowanego do wyrobu tego typu detali i charakteryzującego się dobrymi właściwościami mechanicznymi. 4. Wykonanie w technologii Rapid Prototyping Rys. 2. Modyfikowane elementy: a) obudowa napędów i elementów sterowania, b) pokrywa, c) obudowa głowicy Fig. 2. Modified elements: a) drive and control elements casing, b) lid, c) head casing Wydruk elementów poprzedzono analizą możliwości ich wykonania pod kątem przyjętej metody prototypingu, optymalnej pozycji wydruku i możliwości technicznych urządzenia. Przeprowadzona analiza wskazała konieczność podziału obudowy oraz pokrywy ze względu na ich wymiary gabarytowe przekraczające dostępne wymiary przestrzeni roboczej urządzenia drukującego. Podziału brył dokonano narzędziami projektowania przestrzennego, a dla wygenerowanych 40
Technologia i Automatyzacja Montażu 3/2013 Rys. 3. Wirtualne modele: a) obudowy napędów i elementów sterowania, b) pokrywy, c) obudowy głowicy, d) kompletnego penetrometru Fig. 3. Virtual models: a) drive and control elements casing, b) lid, c) head casing, d) entire penetrometer Rys. 4. Plansze programu do: a) generowania podziału, b) brył w formacie stl, c) programu wydruku dla obudowy penetrometru Fig. 4. Window view of software for: a) division generation, b) block in the stl format, c) penetrometer casing printout Rys. 5. Element obudowy penetrometru w trakcie trwania procesu wydruku Fig. 5. Part of penetrometer casing at the time of printout 41
3/2013 Technologia i Automatyzacja Montażu Rys. 6. Elementy wykonane w technologii Rapid Prototyping: a) bryła górna obudowy, b) bryła dolna obudowy, c) bryła górna pokrywy, d) bryła dolna pokrywy Fig. 6. Elements resulting from Rapid Prototyping: a) top casing, b) bottom casing, c) top lid, d) bottom lid brył sporządzono pliki w formacie stl oraz program wydruku dla założonych pozycji w urządzeniu. Na rys. 4 pokazano przykładowe plansze programowego generowania podziału brył w formacie stl oraz programu wydruku. Proces wytwarzania prowadzono metodą przyrostową FDM (Fused Deposition Modeling) Titan na urządzeniu RP FDM Titan firmy Stratasys (rys. 5). Urządzenie umożliwia wytwarzanie elementów i części z szerokiej palety materiałów powszechnie stosowanych w produkcji, takich jak: ABS (akrylobutadienostyren), ABSi (transparentny-półprzeźroczysty), PC (poliwęglan), PC-ABS (blenda), PPSF (polifenylosulfon). W wyniku procesu RP powstały elementy (rys. 6) obudowy i pokrywy po podziale brył pierwotnych. Pierwotnie podjęto próbę bezpośredniego sklejania do czoła płaszczyzn podziału, co okazało się zbyt kłopotliwe ze względu na małą sztywność elementów ograniczającą ich wzajemne pozycjonowanie. W związku z powyższym wprowadzono dodatkowe elementy pomocnicze (rys. 7a i b), które przyklejone najpierw do jednego elementu stanowią dogodną bazę przy sklejaniu kolejnych detali (rys. 7c). Elementy te także wykonane metodą RP FDM z tworzywa ABS przyklejono do niewidocznych wewnętrznych powierzchni łączonych elementów. Dodatkowe elementy pomocnicze to wkładki promieniowe i wkładki proste zastosowane jako uzupełnienia na odpowiednich płaszczyznach obudowy (rys. 7). 5. Technika montażu Do połączenia wykonanych elementów użyto technologii klejenia. W wielu przypadkach stanowi ona alternatywę dla stosowanych dotychczas metod łączenia, stwarzając nowe możliwości w zakresie łączenia materiałów o różnych cechach fizycznych i geometrycznych oraz pozwalając na swobodniejszą modyfikację kształtów łączonych części dzięki uproszczeniu konstrukcji ich elementów składowych [8, 9]. Czynnikiem mającym bardzo istotny wpływ na wytrzymałość połączeń klejowych jest proces przygotowania powierzchni zależny od właściwości i struktury powierzchni [10]. Może zawierać w sobie nawet kilka operacji, począwszy od odtłuszczania, poprzez mycie w kąpielach kwaśnych i alkalicznych, płukanie w wodzie, suszenie, aż po stosowanie operacji specjalnych [7]. Z uwagi na to, że elementy konstrukcyjne przeznaczone do klejenia wykonano metodą RP FDM niepozostawiającą w materiale ani na jego powierzchniach substancji pogarszających ich właściwości adhezyjne, powierzchnie przed klejeniem odtłuszczono benzyną ekstrakcyjną. Rys. 7. Elementy do wzajemnego bazowania sklejanych detali: a) wkładka promieniowa, b) wkładka prosta, c) schemat sklejenia elementów Fig. 7. Elements for the adjustment of glued details: a) radial inset, b) straight insert, c) draft of the element gluing process 42
Technologia i Automatyzacja Montażu 3/2013 Do sklejania elementów użyto epoksydowego kleju Loctite Hysol 9466 [6] charakteryzującego się wysoką wytrzymałością na oddzieranie i ścinanie, utwardzającego się w temperaturze pokojowej. Po całkowitym utwardzeniu jest odporny na większość czynników chemicznych i rozpuszczalników. Na rys. 8 pokazano sklejone elementy z widocznymi elementami bazowymi. 6. Technologia przygotowania powierzchni przed malowaniem i technologia lakiernicza Metoda RP FDM przez warstwowe nakładanie materiału budującego nie zapewnia odpowiedniej jakości powierzchni [1, 2]. Na powierzchniach wykonanych elementów (rys. 9) widoczne są wyraźne ślady warstwic materiału w postaci bruzd. Doprowadzenie wykonanych i sklejonych elementów do postaci finalnej i poprawa ich właściwości wizualnych poprzez zmniejszenie chropowatości powierzchni wymagało zastosowania odpowiednich technik przygotowania powierzchni poprzez szlifowanie, mycie, szpachlowanie oraz wykonania wstępnej i wykańczającej obróbki lakierniczej. Na rys. 10 przedstawiono finalne elementy w postaci obudowy i pokrywy oraz kompletny penetrometr z nowymi elementami. 7. Podsumowanie Rys. 8. Sklejone elementy obudowy i pokrywy widoczne od strony wewnętrznej (przed i po malowaniu) Fig. 8. Glued parts of the casing and the lid before and after painting (view from the inside) Wykonywanie elementów konstrukcyjnych, jakimi są osłony i obudowy stosowane np. w penetrometrach wytwarzanych w ITeE PIB za pomocą metody szybkiego prototypowania, w znacznym stopniu uprości i skróci proces wytwórczy wyrobu. Rys. 9. Chropowata struktura powierzchni elementów wykonanych metodą RP FDM Fig. 9. The uneven surface of the elements produced with the use of the RP FDM method Rys. 10. Widok wyrobów finalnych wykonanych z elementów wytworzonych techniką szybkiego prototypowania i połączonych techniką klejenia Fig. 10. Final products made from elements produced with the use of rapid prototyping and gluing techniques 43
3/2013 Technologia i Automatyzacja Montażu Bardzo ważnym aspektem takiego sposobu wytwarzania elementów o dużych gabarytach jest właściwy podział bryły na mniejsze segmenty możliwe do realizacji za pomocą technik przyrostowych. Połączenie technologii Rapid Prototyping z technologią klejenia wymaga odpowiedniej budowy modelu wirtualnego, który umożliwi połączenie tych dwóch technik w ramach jednego procesu wytwórczego. Stwarza to dużo szersze możliwości osiągnięcia odpowiedniej funkcjonalności i bardzo ważnych walorów wizualnych wytwarzanych elementów. Praca naukowa wykonana w ramach realizacji Programu Strategicznego pn. Innowacyjne systemy wspomagania technicznego zrównoważonego rozwoju gospodarki w Programie Operacyjnym Innowacyjna Gospodarka. LITERATURA 1. Miecielica M.: Analiza wybranych metod szybkiego prototypowania. PW IIPiB, Warszawa 2007. 2. Zbrowski A., Samborski T.: The application of the reverse engineering in the design of ergonomic hand tools. 7 Międzynarodowa Konferencja Inżynieria Produkcji 2011, Innowacje i Technologie Przyszłości, Wrocław, 30 czerwiec 1 lipiec 2011. 3. Samborski T., Zbrowski A.: The design of the ergonomic handle with use of rapid prototyping. 7 Międzynarodowa Konferencja Inżynieria Produkcji 2011, Innowacje i Technologie Przyszłości, Wrocław, 30 czerwiec 1 lipiec 2011. 4. Chlebus E.: Innowacyjne technologie Rapid Prototyping Rapid Tooling w rozwoju produktu. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2003. 5. Sobaś A.: Od idei do produktu czyli rapid prototyping. http://www.andrzejsobas.pl/rapid_sobas.pdf 6. http://www.loctite.pl/homepage.htm. 7. Kosiński K.: Montaż połączeń czopowych, gwintowych i kołnierzowych z zastosowaniem klejów Loctite. Technologia i Automatyzacja Montażu, nr 2, 1994. 8. Kuczmaszewski J., Rudawska A.: Klejenie i uszczelnianie w technologii montażu. Technologia i Automatyzacja Montażu, nr 3,1997. 9. Łunarski J.: Połączenia klejone w procesach montażu. Technologia i Automatyzacja Montażu, nr 2, 1994. 10. Rudawska A., Cisek J., Semotiuk L.: Wybrane aspekty połączeń klejowych oraz lutowanych stosowanych w konstrukcjach lotniczych. Technologia i Automatyzacja Montażu, nr 2, 2012. Dr inż. Andrzej Zbrowski Instytut Technologii Eksploatacji Państwowy Instytut Badawczy, 26-600 Radom, ul. Pułaskiego 6/10, tel. 48 364 42 41, e-mail: andrzej. zbrowski@itee.radom.pl. Mgr inż. Krzysztof Matecki Instytut Technologii Eksploatacji Państwowy Instytut Badawczy, 26-600 Radom, ul. Pułaskiego 6/10, tel. 48 364 42 41,e-mail: krzysztof. matecki@itee.radom.pl. ASSEMBLING OF STRUCTURAL ELEMENTS MANUFACTURED WITH THE USE OF RAPID PROTOTYPING TECHNOLOGY Abstract The authors show how complex and complicated structural elements are that play the role of lids and casings of industrial devices and laboratory apparatus can be manufactured in a way that enhances their aesthetic and operational features, and improves practical application opportunities. The article presents the manufacturing process for the aforementioned elements, which are characterised by a relatively big size, in which Rapid Prototyping technique is applied. The authors also consider the possibility to divide the element whose dimensions exceed the manufacturing opportunities offered by the RP method into smaller components, and present the production process for such elements starting with the design stage, through the division stage, to the final manufacturing stage, in which the gluing technique is used for all the components to be joined together into one element. The article also discusses the importance of the proper design of the virtual element model and presents additional requirements for its proper physical preparation concerning necessary assembly parts. The authors stress the role of additional structural elements that are essential for the proper execution of the gluing process. The results of the design work are shown in form of computer spatial models with appropriate functional, ergonomic and visual features. The models were printed out with the use of the 3D printing method and the elements were produced with the use of the Fused Deposition Modelling (FDM) method consisted in the layered deposition of plastic. The problems are explained concerning the finishing of the surface of the manufactured element where painting techniques are applied. Based on the example of the casing of the penetrometer produced at the Institute for Sustainable Technologies (ITeE-PIB), the authors show the alternative to the currently used manufacturing methods. Keywords Rapid Prototyping, gluing, industrial design, 3D design, manufacturing techniques 44