Metody skracania czasu projektowania i wytwarzania
Transkrypt
Metody skracania czasu projektowania i wytwarzania
Nowoczesne techniki przyspieszające wytwarzanie Z. Rudnicki Techniki skracające czas projektowania i wytwarzania Sukces rynkowy nowego produktu zależy od jego jakości i szybkości pojawienia się w sprzedaży. W procesie projektowania należy, zatem przebadać wiele różnych rozwiązań a następnie szybko wytworzyć prototyp. Można to zrobić dzięki technikom komputerowym skracającym czas (projektowania i wytwarzania) - Time Compression Technologies (TCT), ©Zb.Rudnicki 2 1 Time Compression Technologies (TCT) - techniki przyspieszajace wytwarzanie: 1) Virtual Prototyping - wirtualne prototypowanie (badanie prototypu istniejącego w komputerze) 2) Rapid Prototyping - szybkie wytwarzanie rzeczywistych prototypów maszyn i urządzeń 3) Rapid Manufacturing - szybka produkcja seryjna 4) Rapid Tooling - szybkie wykonywanie narzędzi 5) Reverse Engineering - inżynieria wsteczna, czyli tworzenie modelu bryłowego w komputerze na podstawie rzeczywistego obiektu ©Zb.Rudnicki 3 1) Virtual Prototyping - wirtualne prototypowanie to badania dotyczące prototypu „wirtualnego” czyli sztucznego bo istniejącego tylko w komputerze ©Zb.Rudnicki 4 2 Prototypowanie wirtualne (Virtual Prototyping) - to proces tworzenia oraz badania wirtualnego prototypu. Obejmuje: • komputerowe zaprojektowanie obiektu • symulację procesu wytwarzania (np. odlewania czy obróbki mechanicznej) • badania symulacyjne własności np.: – – – – – wytrzymałościowych (analizy Metodą Elem. Skończonych i inne) funkcjonalnych (kinematyka, dynamika, ...) ergonomicznych (obsługa, serwis) możliwości recyklingu .... ©Zb.Rudnicki 5 Badania obiektu wirtualnego czyli modelu komputerowego mogą obejmować: • • • • • sprawdzanie wielu wariantów rozwiązań sprawdzanie wykonalności (na obrabiarce numerycznej) symulacje procesu odlewania sprawdzanie możliwości montażu i wykrywanie kolizji badania wytrzymałościowe (MES - FEM) statyczne i dynamiczne • wyznaczanie przepływów ciepła i rozkładów temperatury • symulacja pracy: kinematyczna (ruch) i dynamiczna (ruch + siły, momenty, tarcie, ...) • ... ©Zb.Rudnicki 6 3 Komputerowe programy do wirtualnego prototypowania Oprogramowanie “Virtual prototyping”pozwala zbudować realistyczny model poruszającego się prototypu i prowadzić na nim badania dotyczące kinematyki ruchu a także dynamiki z uwzględnieniem mas, sił, tarcia, tłumienia, odkształceń, naprężęń, drgań i.t.d. Pozwala to optymalizować projekt przed rzeczywistym wykonaniem prototypu. ©Zb.Rudnicki 7 Niektóre systemy do modelowania i badań symulacyjnych WorkingModel - symulacje obiektów dwuwymiarowych Visual Nastran - symulacje obiektów trójwymiarowych ADAMS (analiza kinematyki i dynamiki), ADINA (liniowa i nieliniowa, statyczna i dynamiczna analiza metodą elementów skończonych), • FIDAP (analiza przepływów), • MATLAB + SIMULINK (modelowanie i symulacja układów dynamicznych - w tym układów sterowania). • • • • ©Zb.Rudnicki 8 4 Przykład symulacji w programie Workingmodel ©Zb.Rudnicki 9 2) Rapid Prototyping - szybkie wytwarzanie prototypów ©Zb.Rudnicki 10 5 Rapid Prototyping Systems (RPS) Systemy szybkiego wytwarzania prototypów to grupa urządzeń i technologii wchodzących w skład CAM – (Computer Aided Manufacturing) komputerowego wspomagania wytwarzania. Jest to automatyczne wytwarzanie elementów maszyn lub innych przedmiotów za pomocą urządzeń sterowanych z komputera na podstawie opracowanego wcześniej modelu bryłowego. Pierwsze RPS powstały w latach 80-tych, początkowo tylko do produkcji prototypów a obecnie znajdują coraz szersze zastosowanie także do produkcji narzędzi lub krótkich serii wysokiej jakości elementów. W odróżnieniu od metod ubytkowych stosowanych przez obrabiarki, metody RP są addytywne - to znaczy polegają na stopniowym nakładaniu (dodawaniu, doklejaniu) kolejnych warstw materiału. Słowo "szybkie" oznacza w praktyce okres od kilku do kilkudziesięciu godzin zależnie od metody i zastosowanego sprzętu oraz złożoności modelu. Stosuje się coraz więcej materiałów, np. materiały o wysokiej temperaturze topnienia dla końcowego produktu i o niskiej temperaturze topnienia jako ©Zb.Rudnicki 11 wypełniacze separujące poszczególne części. Szybkie Prototypowanie - Rapid Prototyping jest wspólną nazwą procesów szybkiej budowy obiektów fizycznych na podstawie ich modeli komputerowych. [źródło: Laboratorium Szybkiego Rozwoju Produktu Centrum Zaawansowanych Systemów Produkcyjnych (CAMT) w Instytucie Technologii Maszyn i Automatyzacji Politechniki Wrocławskiej. www.camt.pl/wyp_rprt.htm] ©Zb.Rudnicki 12 6 Technologie “Rapid Prototyping”: • Stereolitografia • LOM - Laminated Object Manufacturing - wytwarzanie objektów laminowanych (z warstw papieru) • Fused deposition modeling - jak plotter lecz przykleja stopiony drut lub włókno • Selective laser sintering - selektywne zgrzewanie laserowe • 3D printing - drukowanie trójwymiarowe ©Zb.Rudnicki 13 SL - Stereolitografia - była pierwszą technologią szybkiego wytwarzanie prototypów. Zapoczątkowało ją wynalezienie przez R. Hulla fotoinicjatorów, tj. dodatków do płynnych żywic, które powodowały po naświetleniu, rozpoczęcie procesu polimeryzacji. W 1987 powstała firma 3D Systems, która zaczęła rozpowszechniać metodę SL i sprzedawać maszyny do szybkiego wytwarzania prototypów metodą SL. W 1999 r. maszynę SLA250/30 firmy 3D Systems do stereolitografii kupił Instytut Mechaniki i Konstrukcji Politechniki Warszawskiej. ©Zb.Rudnicki 14 7 Stereolitografia • Komputerowy model bryłowy utworzony w systemie CAD zostaje zaimportowany do programu sterującego maszyną do stereolitografii • Wytwarzanie modelu polega na warstwowym utwardzaniu żywic epoksydowych lub akrylowych pod wpływem promieniowania ultrafioletowego, którego źródłem jest laser małej mocy. ©Zb.Rudnicki 15 Stereolitografia Polega na tworzeniu kolejnych warstw prototypu przez utwardzanie laserem warstw płynnej żywicy ©Zb.Rudnicki 16 8 Stereolitografia c.d. • Proces stereolitografii w maszynie SLA polega na zmianie płynnej żywicy w ciało stałe pod działaniem promieni UV lasera (fotopolimeryzacji). • Tor wiązki lasera sterowany jest poprzez zwierciadło sterowane komputerem. • Polimeryzacja przebiega tylko w obszarze naświetlania, w ściśle określonej objętości - stąd duża dokładność. ©Zb.Rudnicki 17 Maszyna stereolitograficzna SLA250/30 1. laser, 2. układ optyczny, 3. przestrzeń robocza, 4. zestaw kontrolny z komputerem sterującym. ©Zb.Rudnicki 18 9 Stereolitografia - przykłady wytworów ©Zb.Rudnicki 19 Stereolitografia - przykłady wytworów ©Zb.Rudnicki 20 10 LOM - Laminated Object Manufacturing ©Zb.Rudnicki 21 LOM - Laminated Object Manufacturing Instytut Odlewnictwa w Krakowie posiada urządzenie RPS-LOM 2030E. Proces tworzenia modelu przebiega następująco: • Po zaprojektowaniu przestrzennego modelu bryły w programie CAD rysunek jest zapisywany w formacie STL i przesłany siecią do komputera sterującego maszyną LOM. • Oprogramowanie RPS-LOM sprawdza poprawność modelu i tnie komputerowy model bryłowy na cienkie warstewki • Maszyna laserem wycina poszczególne warstewki z podawanego z rolki specjalnego samoprzylepnego papieru i nakleja je na siebie • Dla łatwiejszego usuwania papier poza bryłą jest cięty na kwadraty • Otrzymany model laminowany (warstwowy) jest czyszczony a czasem i malowany. ©Zb.Rudnicki 22 11 LOM czyli Laminated Object Manufacturing Sklejanie modelu z wycinanych laserowo warstw papieru. Model papierowy pozwala utworzyć formę odlewniczą i wykonać metalowy odlew prototypu ©Zb.Rudnicki 23 LOM czyli Laminated Object Manufacturing ©Zb.Rudnicki 24 12 LOM - Laminated Object Manufacturing • wykonane prototypy są niezastąpione przy weryfikacji projektu i mogą być używane jako modele-matki dla sporządzania form dla odlewów metalowych • modele LOM są łatwo obrabialne, mogą być np. szlifowane, frezowane, wiercone i malowane • praktycznie nie ma ograniczeń co do złożoności • wymiar prototypu jest niemal nieograniczony z uwagi na możliwość budowy prototypu w częściach i ich dokładnego sklejenia. ©Zb.Rudnicki 25 LOM - Laminated Object Manufacturing Tak otrzymany model może być wykorzystywany na różne sposoby: 1) jako model służący do bezpośredniego formowania; 2) jako rdzennica do wykonania rdzeni odlewniczych; 3) jako modele "matki" na podstawie których wykonuje się modele odlewnicze z żywic syntetycznych do formowania ręcznego i maszynowego, 4) jako model do wykonania matrycy z gumy silikonowej służącej do wykonywania modeli woskowych, 5) jako model wypalany po naniesieniu powłoki ceramicznej. Wykorzystanie metody RPS-LOM w P.I.O. Specodlew do wykonywania odlewów jednostkowych spowodowało skrócenie procesu technologicznego , obniżenie kosztów produkcji, podniesienie jakości i podwyższenie dokładności wymiarowej odlewów. ©Zb.Rudnicki 26 13 3DP - 3D Printing Drukowanie trójwymiarowe ©Zb.Rudnicki 27 3DP - 3D Printing Drukowanie trójwymiarowe ©Zb.Rudnicki 28 14 Drukarka 3D ©Zb.Rudnicki 29 FDM - Fused deposition modeling • Metoda FDM polega na warstwowym nakładaniu przez dwu dyszową głowicę, rozpuszczonego materiału modelowego i podporowego. • Urządzenie sterowane numerycznie naprzemian nanosi ma stół modelowy materiał bazowy (np. ABS) i podporowy, według kolejnych poziomych przekrojów utworzonych na podstawie modelu 3D w programie obsługującym drukarkę. • Powstały model wiernie odwzorowuje wirtualny projekt i praktycznie od razu gotowy jest do użycia. • Możliwe jest wykonanie prototypów w jednym z 7 kolorów podstawowych, bądź dowolnym - na życzenie klienta. ©Zb.Rudnicki 30 15 3) Rapid Manufacturing - szybkie seryjne wytwarzanie ©Zb.Rudnicki 31 Szybkie Wytwarzanie (Rapid Manufacturing) - jest raczej zastosowaniem powyższych technologii niż technologią nową. Kiedy maszyna do szybkiego prototypowania wykonuje z docelowego materiału setki lub tysiące części, z których każda ma inny kształt lub strukturę, mamy do czynienia z produkcją masową indywidualnie kształtowanych produktów. ©Zb.Rudnicki 32 16 4) Rapid Tooling - szybkie wytwarzanie narzędzi ©Zb.Rudnicki 33 Szybkie Tworzenie Form i Narzędzi - Rapid Tooling - z pojedynczego obiektu, najczęściej wytworzonego w procesie szybkiego prototypowania, można szybko wykonać całą serię podobnych obiektów. [źródło: Laboratorium Szybkiego Rozwoju Produktu Centrum Zaawansowanych Systemów Produkcyjnych (CAMT) w Instytucie Technologii Maszyn i Automatyzacji Politechniki Wrocławskiej. www.camt.pl/wyp_rprt.htm] ©Zb.Rudnicki 34 17 Rapid Tooling w Laboratorium Szybkiego Rozwoju Produktu - CAMT Politechniki Wrocławskiej. Technologie powielania prototypów, dostępne w Laboratorium, to m.in.: • technologia form silikonowych do odlewania próżniowego, • technologia wykonywania skorup gniazd form wtryskowych z naparowanego metalu oraz • technologia gniazd form z żywicy epoksydowej. Wszystkie one mogą służyć do wytwarzania serii produktów z tworzyw sztucznych poliuretanów bądź tworzyw termoplastycznych, ale możliwe jest także zastosowanie prototypów z materiału podobnego do wosku jako wzorców w odlewaniu metodą traconego rdzenia. ©Zb.Rudnicki 35 CAMT Politechniki Wrocławskiej Komora MCP/TAFA do napylania metali ©Zb.Rudnicki 36 18 5) Reverse Engineering - inżynieria wsteczna czyli tworzenie modelu komputerowego na podstawie istniejącego przedmiotu z zastosowaniem skanerów 3D ©Zb.Rudnicki 37 Inżynieria Wsteczna (Reverse Engineering) Z rzeczywistego fizycznego przedmiotu tworzy się model komputerowy, który następnie może być użyty do wytwarzania technologią szybkiego prototypowania. [źródło: CAMT PW www.camt.pl/wyp_rprt.htm] ©Zb.Rudnicki 38 19 Skanery 3D MDX-15 to trzyosiowa frezarka i skaner w jednym. Aby rozpocząć skanowanie należy zainstalować piezoelektryczny moduł skanujący zamiast głowicy frezującej. MDX-20 skanuje z dokładnością do 0,05 mm, a frezuje z dokładnością do 0,00625 mm Jest kompatybilny z większością programów CAD/CAM/3D, obsługuje formaty przemysłowe DXF, IGES, VRML, Point Cloud; ©Zb.Rudnicki 39 Skanery 3D ©Zb.Rudnicki 40 20 CAMT Politechniki Wrocławskiej - Laserowy skaner 3D Digibot II firmy Digibotics, Inc. ©Zb.Rudnicki 41 Skanowanie trójwymiarowe ©Zb.Rudnicki 42 21