montażowe implikacje rozwoju technik wytwarzania

TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAŻU
2/2010
MONTAŻOWE IMPLIKACJE
ROZWOJU TECHNIK WYTWARZANIA
Michał STYP-REKOWSKI, Janusz MUSIAŁ
Montaż stanowi integralną część procesu produkcyjnego i w zależności od złożoności struktury wytworu finalnego może występować w różnych stadiach wytwarzania. Przy dużej złożoności występuje montaż elementów, podzespołów, zespołów i w końcowej fazie –
produktu finalnego. Przy prostej strukturze wytworu
mamy do czynienia jedynie z montażem końcowym. Bez
względu jednak na powyższe zróżnicowanie struktury
produktu, montaż jako składową procesu wytwarzania
należy uwzględniać już w fazie projektowania i konstruowania.
niesieniu do nieprzewodzących prądu elektrycznego
tworzyw polimerowych nieprzydatne będą metody wykorzystujące pole magnetyczne. Względami materiałowymi ograniczone może też być zastosowanie metod
orientowania wykorzystujących pole elektrostatyczne
i elektromagnetyczne.
b)
a)
ZAGADNIENIA MONTAŻOWE
W PROCESIE PROJEKTOWO-KONSTRUKCYJNYM
Twierdzenie, że zagadnienia technologiczne dotyczące procesu wytwarzania każdego produktu należy
uwzględniać już w fazie doboru ich cech konstrukcyjnych (geometrycznych, materiałowych i dynamicznych)
[1], wydaje się truizmem. W praktyce najczęściej potwierdza się to z pewnym jednak zastrzeżeniem, tzn.
uwzględnia się rodzaj operacji i zabiegów technologicznych dotyczących obróbki kształtującej, często jednak
nie pamięta się o montażu stanowiącym istotną część
procesu wytwórczego.
Dobór cech konstrukcyjnych (CK) ma znaczenie
szczególnie przy montażu automatycznym, zwłaszcza
w jednym jego etapie – orientowaniu przedmiotu, czyli
realizacji działań zmierzających do zapewnienia
elementom ściśle zdefiniowanych położeń w przestrzeni
montażowej. W zależności od geometrycznych CK proces orientowania może być zróżnicowany. Przy złożonej
postaci konstrukcyjnej proces ten bywa kilkuetapowy,
przy prostej jest najczęściej jednoetapowy – realizuje się
orientację ostateczną [2].
Sam proces montażu także w wielu przypadkach zależy od geometrycznych CK. Przykładem może być
rozwiązanie konstrukcyjne stopnia w przekładni zębatej.
Dwa poprawne merytorycznie rozwiązania przedstawiono schematycznie na rys. 1. Pierwsze z nich (a) pozwala na montaż całego wałka poza korpusem przekładni i następnie umieszczenie go w całości w korpusie. W drugim rozwiązaniu (b) wałek kompletuje się wewnątrz korpusu, co jest o wiele trudniejsze. Warto ponadto zauważyć, że rozwiązanie (a) jest bardziej technologiczne – łatwiejsza jest obróbka korpusu.
Dobór materiałowych CK może także mieć konsekwencje dotyczące montażu. W rezultacie wyboru tworzywa konstrukcyjnego zawężeniu może ulec zbiór możliwych do zastosowania metod orientowania, np. w od-
Rys. 1. Schematy dwóch rozwiązań konstrukcyjnych stopnia
przekładni zębatej: a) z możliwością montażu kompletnego
wałka, b) bez takiej możliwości
Znane są przykłady, w których ze względów montażowych dokonuje się zmian konstrukcyjnych dopiero
podczas użytkowania [3], chociaż wówczas wprowadzane zmiany są najkosztowniejsze. Opisane w tej
pracy wprowadzenie w przegubach sworzni bruzdowych
lub dzielonych znacznie ułatwiło demontaż takich połączeń niezbędny przy naprawie sprzętu. Opisany przypadek stanowi przykład, że w procesie projektowo-konstrukcyjnym nie uwzględniono wszystkich czynników,
w tym przypadku eksploatacyjnych.
MONTAŻOWE ASPEKTY
NOWOCZESNYCH TECHNIK WYTWARZANIA
Montaż stanowi końcową fazę procesu wytwarzania.
Działania w tej fazie mają zapewniać prawidłowe funkcjonowanie montowanego obiektu technicznego, co powoduje, że jest to bardzo istotna składowa procesu
wytwórczego. Z teorii niezawodności wiadomo, że im
obiekt ma bardziej złożoną strukturę, tym jego niezawodność jest potencjalnie mniejsza. Tym, miedzy innymi, można wytłumaczyć dążenie do minimalizowania
liczby elementów tworzących strukturę obiektu. Mniejsza liczba elementów nie zawsze jednak skutkuje łatwiejszym montażem – niekiedy bywa odwrotnie. Jest to
przyczyna powodująca, że poszukuje się takich technik
wytwarzania, które zapewniałyby łatwiejszy montaż przy
mniejszej liczbie elementów. Jedną z nich jest dynamicznie rozwijająca się technika kształtowania przyrostowego zwana Rapid Prototyping (RP). Technika ta
powstała, by zaspokoić potrzeby pojawiające się w fazie
tworzenia nowego artefaktu – głównie budowy i badania
11
2/2010
jego prototypu. Zalety tej techniki spowodowały, że
znajduje ona coraz szersze zastosowania. Znane są już
przykłady efektywnego wykorzystania tej techniki w produkcji nie tylko jednostkowej, ale i powtarzalnej.
Wspomniany szybki rozwój RP spowodował pojawienie się licznych odmian, w których wykorzystuje się wybrane cechy charakterystyczne tej techniki. W szeroko
stosowanych już metodach RP oznaczonych akronimem
ich pełnej nazwy w j. angielskim SLS (Selective Laser
Sintering – Selektywne Spiekanie Laserowe) oraz SLM
(Selective Laser Melting – Selektywne Topnienie Laserowe) następuje przejście warstwy materiału wejściowego w postaci proszku do stanu płynnego i powrót do
stanu stałego. Wiązka lasera prowadzona jest po powierzchni proszku rozprowadzonego na platformie roboczej, spiekając lub topiąc go. Dzięki temu, że spiekana
jest ostatnia warstwa z uprzednio naniesioną, uzyskuje
się strukturę jednolitego materiału w ściśle określonych
miejscach. Metodą tą spiekane mogą być proszki tworzyw polimerowych, także zbrojonych włóknem szklanym, oraz metali i ich stopów. Można w ten sposób wykonywać gotowe elementy, a także całe zespoły elementów, w tym także połączonych ze sobą ruchowo.
Ważny jest przy tym fakt, że za pomocą metod SLS
i SLM można uzyskać gęstość wyprodukowanych w ten
sposób elementów prawie równą gęstości materiału litego (do 99%), co powoduje, że wytrzymałość takich
elementów jest praktycznie taka sama jak elementów
wykonanych metodami konwencjonalnymi [4].
Przykład modelu obrazującego możliwości techniki
RP przedstawiono na rys. 2. Jest to model przestrzenny
wielostopniowej przekładni zębatej, wykonanej w całości
metodą SLS. Występujące w strukturze pary kół zębatych mają możliwość obrotu względem własnych osi.
Montaż takiego modelu wykonanego metodami konwencjonalnymi byłby bardzo trudny do praktycznej realizacji.
TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAŻU
bez dodatkowych zabiegów technologicznych, np. wiercenie kanałów chłodzących, a także bez montażu końcowego [5].
Dzięki zastosowaniu metod zaliczanych do technik
RP można nie tylko wykonywać elementy i zespoły
o złożonych nawet geometrycznych CK, lecz także
znacznie uprościć proces montażu. Potwierdzeniem
tego stwierdzenia może być element przedstawiony na
rys. 3. Na rysunku tym przedstawiono element wykonany techniką RP (a) oraz przekrój przez jego przegub
(b I). Przedstawiono także jedną z możliwych postaci
konstrukcyjnych takiego przegubu w wersji wykonania
technikami konwencjonalnymi (b II).
a)
b)
I
II
Rys. 3. Element wykonany technikami RP (a) oraz przekroje
przez jego przegub (b): I – istniejący, II – potencjalny
Rys. 2. Model przekładni zębatej potwierdzający duże
możliwości technik RP
Metody te są również bardzo przydatne w produkcji
form do przetwórstwa tworzyw polimerowych, gdyż
można nimi wykonywać formy praktycznie na gotowo –
12
Porównując obydwa rozwiązania konstrukcyjne przegubu, można zauważyć istotne różnice, z których najistotniejsze to:
• przy takich samych geometrycznych i materiałowych CK rozwiązanie I jest wytrzymałościowo mocniejsze,
• w rozwiązaniu I występuje mniejsza liczba elementów,
• dla przegubu wg rozwiązania I nie występuje faza
montażu.
Przedstawione porównanie wskazuje, że przy wymienionych pozytywnych cechach wariantu I (wykonanego techniką RP) jest bardzo prawdopodobne to, że
czas wykonania tego wariantu będzie krótszy niż wariantu II, a tym samym mniejszy będzie jego koszt.
TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAŻU
Na możliwość znacznego zmniejszenia liczby elementów wskazuje przykład wirówki wykorzystywanej
w laboratoryjnych badaniach krwi [5]. Pierwotną postać
konstrukcyjną wirówki tworzyły 32 elementy wykonane
w większości z tworzyw polimerowych, a więc wymagających wykonania form do ich produkcji. Analiza konstrukcyjna, przy uwzględnieniu licznego zbioru możliwych do wykorzystania technik wytwarzania, pozwoliła
zredukować liczbę elementów do trzech wykonywanych
właśnie technikami RP. Dzięki temu koszt wytwarzania
takich zmodernizowanych wirówek był znacznie mniejszy, między innymi w rezultacie znacznego uproszczenia montażu.
Ponieważ produkcja technikami RP umożliwia tworzenie połączeń ruchowych, istnieją możliwości wytwarzania mechanizmów płaskich, które dzięki wielu posiadanym stopniom swobody można przekształcać użytecznie w obiekty przestrzenne – rys. 4. Model przestrzennego obiektu przedstawionego na rysunku został
wytworzony w postaci wieloelementowego wytworu płaskiego, którego przekształcenie z jednej formy do drugiej nie wymaga praktycznie działań montażowych.
a)
b)
2/2010
elementów z materiałów o zmiennych geometrycznie
cechach. Uzyskuje się to w rezultacie nanoszenia
dwóch różnych materiałów bazowych w odpowiednich
do potrzeb proporcjach. Można w ten sposób wyprodukować obudowy, np. telefonów, które w miejscach przycisków są wykonane z materiału bardziej elastycznego,
a w pozostałych – z twardego, eliminując całkowicie potrzebę montażu lub dodatkowych operacji technologicznych, np. klejenia.
Na zakończenie należy zwrócić jeszcze uwagę na
fakt, że obecnie wytwarzane maszyny technologiczne
realizują procesy RP z dokładnością mikrometrową, co
stwarza im dalsze liczne możliwości zastosowań.
PODSUMOWANIE
Przedstawione powyżej rozważania przeprowadzono
na przykładzie jednej wybranej techniki: wytwarzania
przyrostowego Rapid Prototyping, lecz dzięki temu
przedstawiony problem jest czytelny i wyraźny. Poruszone zagadnienia dotyczą jednak także innych technik
wytwarzania, o czym należy pamiętać i uwzględniać zarówno przy opracowywaniu nowych metod wytwarzania,
jak i procesów technologicznych nowych produktów, wykorzystując przy tym nowoczesne techniki wytwarzania.
Warto jeszcze nadmienić, że metody wykorzystujące
technikę RP mogą być stosowane jeszcze w wielu, niewymienionych dziedzinach działalności technicznej
człowieka, np. w szybko rozwijającej się aktualnie inżynierii odwrotnej (dzięki temu, że przygotowanie cyfrowej
postaci obiektu stało się proste, szybkie i dokładne) lub
implantologii (gdyż możliwe jest dokładne dopasowanie
implantu do indywidualnych potrzeb).
LITERATURA
1.
2.
3.
4.
5.
Rys. 4. Forma płaska (a) i przestrzenna (b) tego samego modelu wykonanego metodami RP
Dodatkowym pozytywnym czynnikiem technik RP –
także w zakresie montażu − jest możliwość wytwarzania
elementu z dwóch różnych materiałów bazowych, np.
przeźroczystego i nieprzeźroczystego, sztywnego i elastycznego. Pozwala to na wyeliminowanie łączenia
w montażu takich elementów [6]. Dalszy rozwój w tym
kierunku doprowadził do powstania metody wytwarzania
6.
Dietrych J.: System i konstrukcja. WNT Warszawa,
1985.
Szenajch W.: Pneumatyczne i hydrauliczne manipulatory przemysłowe. WNT Warszawa, 1992.
Tubielewicz K., Turczyński K.: Nowe rozwiązania
połączeń przegubowych stosowane w urządzeniach. Technologia i Automatyzacja Montażu, nr
1/2009, s. 13 − 17.
Chojnowska K., Mikulski P.: Czy to już produkcja?
Szybkie prototypowanie, nr 38(39)/2009 (Biuletyn
firmy BIBUS MENOS).
Kiełpińska M.: Potencjał rynku Rapid Prototyping.
Design News Polska, No. 5/2008, s. 18 − 19.
Chojnowska K.: Model wirtualny wsparty wydrukiem
3D. Design News Polska, No. 3/2008, s. 20 − 22.
_____________________________
Prof. dr hab. inż. Michał Styp-Rekowski jest profesorem
w Bydgoskiej Szkole Wyższej w Bydgoszczy, a dr inż.
Janusz Musiał jest adiunktem na Wydziale Inżynierii
Mechanicznej Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego w Bydgoszczy.
13