Opublikowano: 16 kwietnia 2011

Realizacja grantu badawczo-rozwojowego PBR8/RMT2 pt.: „Badanie i analiza właściwości oraz określenie warunków kształtowania cech geometrycznych i materiałowych podzespołów, niezbędnych do innowacyjnej konstrukcji wagonów towarowych”, pociągnęła za sobą konieczność wykonania badań elementów konstrukcyjnych wytworzonych na bazie kompozytów włóknistych.

Andrzej Baier, Michał Majzner

Wpierwszej kolejności postanowiono utworzyć schemat wykonywania modelu komputerowego laminatu, w celu wstępnej weryfikacji próbek badawczych, wykonywanych na dalszym etapie. Cały proces symulacyjny wykonano w systemie NX7.5.

Modelowanie kompozytów
Modelowanie elementów konstrukcyjnych kompozytowych można zrealizować w dwojaki sposób. Pierwsze podejście modelowe to modelowanie bryłowe, z wykorzystaniem polecenia Block (rys. 1). Utworzony w ten sposób model umożliwia zdefiniowanie grubości elementu kompozytowego. Docelowa grubość nie jest wartością wiążącą w trakcie modelowania laminatu na dalszym etapie.
Jeżeli istnieje potrzeba wykonania analizy wyodrębnionego elementu konstrukcyjnego możliwe jest zamodelowanie go za pomocą obiektu, typu powłoka (rys. 2), przy założeniu – w postaci geometrycznej – zerowej grubości ścianki. Postać analizowanego przykładu wykonano w pierwszej kolejności w module Sketch, rysując odcinek o zadanej długości, a następnie, stosując funkcję Extrude, wyciągnięto odcinek na odpowiednią długość, tworząc powierzchnię, na której miał zostać zbudowany laminat.
Zestaw komend Laminat Modeler jest dostępny w module Advanced Simulation. W celu przeprowadzenia analizy kompozytu należy uruchomić New FEM and Simulation. Na tym etapie należy wybrać Solver oraz typ analizy. Analizę wytrzymałościową laminatów można wykonać za pomocą NX Nastran, Ansys lub zewnętrznego modułu obliczeniowego MSC Nastran (rys. 3). Wybór rozwiązania Solution Type (rys. 4) uzależniony jest od stopnia skomplikowania przeprowadzanej analizy; np. SESTATIC 101 Single Constrain umożliwia wykonanie analizy różnych wariantów, przy założeniu stałych więzów oraz obciążeń.
Budując siatkę elementów skończonych na wybranym elemencie wybrano siatkę 2D. Analizowany kompozyt jest w postaci dwuwymiarowej i jak wcześniej wspomniano postać laminatu będzie budowana na powłoce lub na pojedynczej płaszczyźnie obiektu 3D. Aby „dostać się” do modułu Laminat Modeler trzeba wykonać kilka kolejnych kroków. W okienku konfiguracyjnym siatki (rys. 5) w zakładce Destination Collector należy utworzyć New Collector.

W nowo otwartym okienku Mesh Collector (rys. 6), w zakładce Properties, ustawiono Type, jako Laminate, a następnie wybrano Create Physical. Na ekranie ukazuje się zestaw funkcji Laminat Modeler. Okienko jest podzielone na kilka ważnych sekcji:

• Solver Properties – podstawowe parametry tworzonego laminatu
• Laminate Properties – parametry służące do konfiguracji ułożenia warstw laminatu
• Validation – eksport postaci laminatu do pliku Excela, sprawdzenie poprawności laminatu
• Optimization – optymalizacja laminatu
• Ply Layup – edytor warstw
• Ply Sketcher – wizualizacja warstw
• Laminat Modeler umożliwia tworzenie laminatów warstwowych, których pojedyncze warstwy będą wykonane z materiałów izotropowych oraz anizotropowych (rys. 7). Po naciśnięciu przycisku Create New Ply zostaje dodana pojedyncza warstwa, uzupełniając puste pola takie jak: Thickness (grubość), Angle (kąt ułożenia warstwy), Material (materiał z bazy danych lub zdefiniowany przez użytkownika). Po zaznaczeniu opcji Ply Material, a następnie dodaniu materiału, pojawia się okienko Laminate Ply Material Manager.

Do dyspozycji są cztery rodzaje kompozytów:

• Unidirectional – zbrojenie jednokierunkowe (rys. 9a)
• Particulate – zbrojenie cząstkami dyspersyjnymi (rys. 9b)
• Random Short Fiber – dowolnie rozłożone krótkie włókna (rys. 9c)
• Woven – tkanina (rys. 9d)

Wybierając dany rodzaj kompozytu uruchamiamy okno, w którym deklarujemy m.in. rodzaj materiału zbrojenia, osnowy, grubości pojedynczej warstwy oraz stosunek zbrojenia do osnowy.
Dodając wymagany materiał do biblioteki oraz definiując laminat w postaci tkaniny, utworzyliśmy stos warstw. Pierwsza warstwa to stal, pozostałe cztery to kompozyt szklano-epoksydowy o orientacji 0°/45°/-45°/180° (rys. 10).
Przed rozpoczęciem obliczeń należy zadać warunki ograniczające na analizowany model. Z jednej strony nałożono więzy Fix Constrains, jako stałe zamocowanie, a z drugiej zadano wektor siły, o stałej wartości oraz kierunku. Postać analizowanego modelu przedstawiono na rysunku 11.
Uruchamiając Solve, uzyskano wyniki w postaci pól odkształceń, przemieszczeń, rotacji, naprężeń oraz sił i momentów reakcji w miejscu zamocowania dla kompozytu potraktowanego, jako jedna całość. Jednocześnie, w zakładce Ply Stress, uzyskano wyniki naprężenia w poszczególnych warstwach całego laminatu. Możliwa jest weryfikacja sposobu ułożenia każdej warstwy. Przykładowe wyniki przedstawiono w tabeli 1.

Typ wyników	Wyniki przeprowadzonej analizy
Displacement Nodal Średnie przemieszczenie
Rotation Nodal Średni kąt obrotu
Reaction Force Nodal Średnia siła reakcji
Reaction Moment Nodal Średni moment
Ply Stress – Ply 3 Von-Mises Naprężenia w 3. warstwie

Schemat postępowania modelowania laminatów został zastosowany do modelowania elementów w postaci płyt, o wymiarach odpowiadających wybranym elementom konstrukcji wagonu kolejowego. Obiektem badań jest zastosowanie optymalnej, ze względu na nałożone kryteria, postaci laminatu do naprawy lub wytworzenia nowego elementu konstrukcyjnego wagonu. Aby prawidłowo określić wstępne własności kompozytu zaprojektowano kilka stanowisk badawczych.

Na rysunku 12 zaprezentowano stanowisko do statycznego badania wytrzymałości płyt kompozytowych oraz weryfikacji sposobu łączenia blachy z kompozytem. Kolejne stanowisko jest wykorzystywane do badania zmęczeniowego płyt kompozytowych.




Rys. 13. Stanowisko do badań zmęczeniowych

W celu przebadania (w skali) jaki będzie wpływ kompozytu na przyszły wytwór, wykonano stanowisko w postaci połowy ściany wagonu kolejowego (rys. 14). Wszystkie stanowiska zostały w pierwszej kolejności zamodelowanie, następnie poddane symulacji wytrzymałościowej. Ostatecznie na podstawie modeli 3D wygenerowano dokumentację techniczną.




Rys. 14. Ściana wagonu kolejowego w skali 1:4

Metoda doświadczalna
Tensometria zajmuje się metodami odkształceń ciał stałych. W praktyce laboratoryjnej pomiary odkształceń ogranicza się najczęściej do mierzenia wydłużeń na powierzchni ciała. Wynika to bezpośrednio z charakteru przyrządów pomiarowych jak również faktu, iż ekstremalne wartości odkształceń (naprężenia) występują zazwyczaj na powierzchni ciała. Pomiarów odkształceń wewnątrz ciała, ze względu na ich kłopotliwość, dokonuje się bardzo rzadko.
W układach pomiarowych stosowanych w pomiarach metodą tensometrii oporowej można wyróżnić cztery podstawowe części (rys. 15).



Część zasilająca w postaci generatora lub źródła prądu;
Mostek tensometryczny wraz z tensorem pomiarowym;
Wzmacniacz zwiększający bez zniekształceń wielkość impulsu z czujnika;
Urządzenie rejestrujące zmiany mierzonej wielkości.
Najczęściej stosuje się mostki, których zasada działania oparta jest na mostku Wheatstone’a. Schemat przedstawiono na rysunku 16.


Rys. 16. Schemat ideowy układu pomiarowego

Stanowisko badawcze zbudowano z uniwersalnego wzmacniacza pomiarowego HBM MGCPlus, tensometrycznego wzmacniacza CanHEAD, pięciu stojaków do mocowania belek. Do akwizycji danych zastosowano oprogramowanie CATMAN Easy. Do wykonania badań doświadczalnych użyto tensometrów oporowych o rezystancji 120Ω. Schemat toru pomiarowego przedstawiono na rysunku 17.
Uzyskane wyniki przedstawiono w tabeli 2.

Tabela 2. Wyniki przeprowadzonych badań doświadczalnych

Są to wartości maksymalne, które zostały odczytane z programu CATMAN.


Rys. 18. Wykres siły od odkształcenia

Zależność siły od odkształcenia przedstawiono na rysunku 18. Na wykresie zaobserwowano liniową zależność pomiędzy uzyskanymi wynikami wykonywanego pomiaru.

Tabela 3. Zestawienie porównawcze wyników analizy metodą doświadczalną i komputerową

W tabeli 3 zestawiono wyniki analizy metodą komputerową oraz doświadczalną.


Rys. 19. Porównanie dwóch metod badawczych

Na wykresie (rys. 19) przedstawiono różnicę w wynikach analizy przeprowadzonej dwoma metodami. Różnica wynika z nieliniowości postaci materiału kompozytowego wytworzonego ręcznie, chociaż własności żywicy oraz jej ilość została precyzyjnie dobrana zgodnie z zaleceniami producenta oraz wstępnych założeń wytrzymałościowych.

Wnioski
Modelowanie, a następnie symulacja komputerowa warunków pracy przyszłego wytworu umożliwia wstępną weryfikację założeń projektowo-konstrukcyjnych. W szczególnym przypadku, stosując kompozyty do budowy elementów konstrukcyjnych, symulacja pozwala na optymalne dobranie własności materiałowych poszczególnych warstw laminatu, poprzez dostosowanie rodzaju zbrojenia oraz osnowy.
Badania doświadczalne prototypu są drugą w kolejności, zaraz po symulacji komputerowej, analizą nowego wytworu wprowadzanego na rynek. Sprawdzenie czy dany podzespół spełnia warunki wytrzymałościowe, w warunkach eksploatacji, jest obecnie jednym z podstawowych warunków do spełnienia. Zastosowanie techniki tensometrycznej jest łatwą w użyciu, wszechstronną i precyzyjną metodą pomiaru odkształceń, w miejscach wyznaczonych, wcześniej przeprowadzoną, symulacją komputerową.
Zastosowanie materiałów kompozytowych, daje możliwość między innymi zmniejszenia masy, zwiększenia wytrzymałości oraz odporności na oddziaływanie substancji czynnych i agresywnych chemicznie. Cena wytworzenia elementu konstrukcyjnego, z zastosowaniem kompozytów, może być wyższa od materiału standardowego, ale biorąc pod uwagę właściwości kompozytu niejednokrotnie warto zastanowić się nad zastosowaniem nowoczesnych materiałów.

Andrzej Baier, Michał Majzner

Opublikowano: 16 kwietnia 2011

W dobie coraz szybciej postępującej miniaturyzacji wyrobów, stanowiących fragmenty różnych, bardziej złożonych urządzeń o niewielkich gabarytach, jak również rosnącej potrzebie wykonywania elementów o wadze nieprzekraczającej dziesiątych części grama i rozmiarach rzędu kilku mikrometrów, bardzo istotnym problemem stała się możliwość wykonywania na dużą skalę precyzyjnych i powtarzalnych w swym kształcie mikroform.

Wojciech Kociuba

Wszczególności zagadnienie to pojawia się w takich branżach, jak: przemysł zegarmistrzowski, medycyna (implanty), modelarstwo, jubilerstwo, a także wszędzie tam, gdzie poprawne i dokładne funkcjonowanie maszyn i ich zespołów, warunkowane jest wsparciem ze strony mikromaszyn, czy mikroukładów.

Metoda addytywno – substratywna
Przełomem w tym zakresie stała się nowa technologia, opracowana przez zespół naukowo-badawczy amerykańskiej firmy Solidscape Inc, a polegająca na tworzeniu, czy też właściwie budowaniu precyzyjnych modeli woskowych, stanowiących fizykalne odwzorowanie zaprojektowanego komputerowo elementu, o zupełnie dowolnym kształcie, którego minimalne rozmiary mogą wynosić nawet 0,254 mm. Osiągana w tej technice porowatość powierzchni nie przekracza 0,8 μm, co umożliwia odlanie modelu w metalu i uzyskanie jego dokładnej repliki, będącej na przykład mikroformą, która w dalszej fazie posłuży uzyskaniu finalnego produktu, poprzez wtryśnięcie doń wybranego materiału.



Technika ta, określana, jako DODJET (wtrysk kropli na żądanie), nie jest co prawda zupełną nowością, gdyż w pewnym zakresie korzystały z niej już wcześniej niektóre rodzaje drukarek, niemniej została ona w ogromnym stopniu ulepszona i zmodyfikowana po to, by możliwe stało się otrzymywanie modeli przestrzennych.
Generalnie proces jego tworzenia polega na stosowaniu dwóch rodzajów materiału, dla zapewnienia wierności odtwarzania zaprojektowanego elementu. Model w swej podstawowej geometrii budowany jest przez główny materiał i nakładany kolejnymi warstwami, podczas gdy materiał pomocniczy, który nie wnika we właściwą strukturę modelu, daje stabilność konstrukcji (układany jest w zagłębieniach i wspiera występy). Każda warstwa składa się z kropel materiału, których wielkość i pozycjonowanie jest niezwykle dokładne, dzięki dwóm głowicom sterowanym elektrycznie z wykorzystaniem zjawiska piezoelektrycznego. Odpowiednia grubość warstwy oraz jej gładkość zachowywane są dzięki zabiegowi wygładzania (frezowania) powierzchni, stosowanemu każdorazowo po nałożeniu kolejnej warstwy. Grubość nakładanych warstw jest bez przerwy monitorowana i utrzymywana w przedziale 12,7 do 76,2 mikrometra, co skutecznie zapobiega powstaniu niepożądanego efektu „schodków” na powierzchni gotowego modelu.
Następnie materiał pomocniczy zostaje z gotowego modelu selektywnie usunięty poprzez rozpuszczenie, tak aby uzyskać całkowitą jego wierność w stosunku do zaprojektowanego wzorca. Dzięki temu nie ma potrzeby stosowania żadnych dodatkowych zabiegów, jak szlifowanie, czy korekta kształtu, jako że obiekt jest pozbawiony wad strukturalnych, które często pojawiają się w technikach tworzenia modelu woskowego za pomocą obróbki pojedynczego kawałka materiału, lub gdy warstwy posiadają grube uziarnienie.
Wprowadzenie systemu DODJET pozwoliło na uzyskanie porowatości stanowiącej 1/10 tego co proponowały dotychczas stosowane techniki tworzenia woskowych wzorców.
Ta wysoka precyzja jest nadzwyczaj użyteczna przy tworzeniu najbardziej złożonych i skomplikowanych mikroform.
Właściwy materiał konstrukcyjny tworzący model, jak i materiał pomocniczy są cyfrowo nanoszone na podłoże w postaci ciekłych kropelek, z których każda z kolei stanowi serię jednorodnych objętościowo „mikro kropelek”, co jest istotą techniki nakrapiania wtryskowego w systemie Solidscape. Technologia ta pozwala na ulokowanie kropelek w dowolnie wybranym miejscu podłoża z całkowitą dokładnością do 25,4 mikrometra. Kropelki mają znamionową średnicę 76,2 mikrometra i przyklejają się jedna do drugiej w fazie zestalania modelu, tj. w trakcie przechodzenia fazy ciekłej w stałą, tworząc w ten sposób jednolitą, stałą masę.



Proces twardnienia przebiega na tyle szybko, iż pozwala na wygładzenie powierzchni, wkrótce po jej nałożeniu.
Ponieważ wtrysk jest sterowaną cyfrowo funkcją DODJET, kropelki są zsynchronizowane z cyklami przesuwu głowicy, co sprawia iż model jest w sposób ciągły i jednorodny rozbudowywany wzwyż. Stopień, w jakim kropelki na siebie zachodzą lub są od siebie dystansowane, jest precyzyjnie sterowany przez binarny program roboczy ModelWorks.
Program ten umożliwia ponadto: import plików STL i SLC, orientowanie elementów w przestrzeni w trakcie tworzenia modelu, przesuwanie i skalowanie jego części, odnajdywanie i korygowanie pustych przestrzeni, luk i otwartych powierzchni, obserwację trójwymiarowych, cieniowanych obrazów fragmentów modelu, korektę powierzchni, podział na warstwy i rastrowanie, graficzną ilustrację pliku binarnego danego przekroju, wielokrotne tworzenie i replikowanie elementów dla pojedynczego cyklu budowy. Gładkość powierzchni zapewnia również powadzenie ciągłej analizy długości obwodu, jaki ma w swoim obrysie każda porcja nakładanego materiału – przed wypełnieniem wnętrza modelu materiałem konstrukcyjnym. W celu wzmocnienia wytrzymałości i trwałości ścianki, jak również uzyskania należytej jakości, odpowiedni plik programu roboczego, który odpowiada za konfigurację, automatycznie buduje dwie lub więcej, przylegających ścianek wewnętrznych.



Gdy struktura ścianki jest już przygotowana, pozostający w części wewnętrznej obszar jest szybko wypełniany, naprzemiennie wzdłuż osi X i Y, to jest w kierunkach do siebie prostopadłych. Taka ortogonalność procedury powoduje wewnętrzne związanie i zwarcie struktury modelu co zwiększa jego wytrzymałość i trwałość.
Po wypełnieniu materiałem konstrukcyjnym, na tę samą warstwę nanoszony jest materiał pomocniczy, który, jak wspomniano, nie wnika jednakże w konstrukcję modelu. Dzięki temu nie tworzy się struktura „rusztowania”, charakterystyczna dla innych metod posługujących się jednym tylko materiałem konstrukcyjnym.
Opisana powyżej technologia stanowi przykład addytywno - substratywnej metody tworzenia mikroform, jako że z jednej strony urządzenie rozpoczyna od pustej przestrzeni, w której umieszcza (dodaje) materiał; z drugiej zaś, na koniec procesu, materiał pomocniczy zostaje usunięty (odjęty) z właściwej konstrukcji modelu. Jako ciekawostkę można podać fakt, iż główny jej pomysłodawca i twórca czerpał swoje inspiracje z technik wykorzystywanych do tworzenia pisma Braille’a.

Metoda substratywna
Inną, podobnie skuteczną i dokładną technologię, ale o charakterze ściśle substratywnym oferują grawerki laserowe z oprogramowaniem 3D. W tym przypadku tworzenie mikroformy polega na jej bezpośrednim wykonaniu w metalu poprzez wiązkę promienia laserowego, który penetruje metal ze ściśle określoną mocą i dokładnością, oraz w sposób ustalony na podstawie uprzednio przygotowanego projektu komputerowego. Włoska firma „Sisma”oferuje bardzo szeroką gamę urządzeń, z których jedna z najbardziej popularnych i uniwersalnych – posiada laser diodowy Nd:Yag i jest zdolna do grawerowania z maksymalną prędkością 5000 mm/s. Przy odpowiednim zawężeniu pola roboczego, co przy mikroformach stanowi normę, koniec wiązki laserowej, zwany popularnie „plamką”, może osiągać minimalną średnicę o wielkości 23 μm, przy mocy 50 W.



Rozdzielczość położenia natomiast osiąga wartość 1,7 μm, co zapewnia wykonanie zadania z najwyższą dokładnością.
Właściwości te oraz gwarancja całkowitej powtarzalności procesu przy danych, ustawionych parametrach, zapewniają szybkie i precyzyjne wykonanie matrycy, która może następnie stanowić idealną formę do produkcji mikroelementów.

Wojciech Kociuba

Opublikowano: 15 kwietnia 2011

Programowanie maszyn CNC to zespół działań zmierzających do utworzenia programu sterującego (kodu NC) pracą maszyny w określonym języku oraz formacie. Powinno przebiegać tak, aby w możliwie krótkim czasie otrzymać kod NC spełniający określone warunki oraz gwarantujący wykonanie przewidzianych przez technologa zadań obróbkowych.

Witold Habrat, Roman Wdowik

Zasadniczo programista może opracować taki kod samodzielnie lub też wykorzystać narzędzia wspomagające programowanie, aby skrócić czas tworzenia torów ruchu narzędzi dla bardziej złożonych części. Kluczem do sukcesu firm bazujących na sterowaniu numerycznym procesami wytwarzania jest między innymi idea efektywnego programowania, którego celem jest utworzenie optymalnych torów ruchu narzędzi i dobranie właściwych, ze względu na przebieg procesu oraz czynniki ekonomiczne, parametrów technologicznych. Programowanie powinno przede wszystkim skutkować wytworzeniem efektywnego kodu NC, zapewniając jednocześnie względną prostotę i szybkość realizacji, oraz możliwość współbieżnego projektowania procesu produkcyjnego.

Metody tworzenia programów sterujących

Bezpośrednie tworzenie kodu NC przez programistę (tzw. programowanie ręczne) jest uzasadnione dla części o prostszych kształtach lub dla takich, które cechować będzie mała liczba skomplikowanych torów ruchu narzędzia. W przypadku części o złożonych kształtach uzasadnione jest stosowanie narzędzi wspomagających programowanie. W tym zakresie można wskazać powszechnie znane zintegrowane systemy CAD/CAM wspomagające zarówno proces projektowania jak i programowania obróbki. Oczywistym jest również fakt, że w określonych sytuacjach (np. ze względu na wymagania procesu technologicznego) możemy stosować obydwie wskazane wyżej metody programowania, bez względu na stopień złożoności wytwarzanej części.


Przykład części wykonanej metodą programowania ręcznego wysokiego poziomu (program do grawerowania tekstu, gdzie wielkość, kształt liter oraz inne właściwości tekstu zostały sparametryzowane i mogą być edytowane według potrzeb użytkownika)

Przykłady komercyjnych systemów CAM (lub zintegrowanych CAD/CAM): AlphaCAM, CATIA, Edgecam, ESPRIT, Gibbscam, GTJ-2010, Mastercam, NCGCam, NX CAM, Pro/ENGINEER, SolidCAM;
Przykłady bezpłatnych systemów CAM: CAMBAM (http://www.cambam.co.uk), GCAM (http://gcam.js.cx/index.php), GSIMPLE (http://www.gsimple.eu);
Przykładowe symulatory i programy do edycji kodu NC: AutoEditNC (http://www.betatechnical.com/autonc.htm), CNC SIMULATOR (http://www.cncsimulator.com);
Spełnienie wzrastających wymagań współczesnej produkcji jest możliwe przy stosowaniu nowych lub udoskonalaniu istniejących i sprawdzonych metod wytwarzania. Ma to również odzwierciedlenie w obszarze automatyzacji procesów technologicznych, a w szczególności w zakresie sterowania numerycznego. Można tutaj wskazać wyzwania stojące przed osobami zajmującymi się tworzeniem narzędzi wspomagających tworzenie kodów NC oraz samymi programistami maszyn CNC:

• tworzenie i wykorzystanie globalnych baz narzędzi i technologii obróbki,
• zwiększanie intuicyjności narzędzi programistycznych,
• normalizacja oparta o najlepsze rozwiązania,
• stosowanie idei sterowania adaptacyjnego procesami wytwarzania, gdzie parametry technologiczne procesu będą zmieniane, w zależności od aktualnych warunków w strefie obróbki,
• tworzenie zaawansowanych i sprzężonych ze sobą metod projektowania (CAD) i programowania (CAM),
• tworzenie innowacyjnych języków programowania umożliwiających prostsze programowanie nawet bardzo złożonych torów ruchu narzędzi.

Z uwagi na ograniczenia, jakie posiadają programy CAM, jak również ze względu na brak wystarczających informacji o przebiegu obróbki podczas programowania ręcznego, może zaistnieć potrzeba zoptymalizowania utworzonego kodu NC. Tworzone są systemy służące specjalnie do tego celu. Koncepcję optymalizacji kodu przedstawiono w sposób uproszczony na powyższym rysunku.
W przedsiębiorstwach produkcyjnych bardzo ważną rolę odgrywa prawidłowy przepływ danych. Na schemacie (rys. obok) przedstawiono koncepcję przepływu programów sterujących. Kluczową rolę odgrywa na nim technologiczna baza danych, w której zapisywane są informacje, z których (z różnymi uprawnieniami) mogą korzystać pracownicy.
Wielu zadaje sobie pytanie o przyszłość metod programowania maszyn CNC. Wszystko wskazuje na to, że coraz częściej stosowane będą metody oparte o wspomaganie komputerowe. Metody te będą dostosowywane do rosnących możliwości technologicznych maszyn, które powinny umożliwiać coraz dokładniejszą obróbkę części.

Oprócz dokładności ważne są również: obróbka z dużymi prędkościami, wzrost znaczenia obróbki kompletnej części, tworzenie zautomatyzowanych linii produkcyjnych oraz stosowanie rozwiązań zwiększających bezpieczeństwo pracy. Firmy produkujące systemy CAM dążą przede wszystkim do maksymalnego uproszczenia całego procesu programowania, ale również zwiększają skuteczność algorytmów tworzących dane geometryczne i technologiczne dla określonych zadań obróbkowych (dane pośrednie).


Schemat procesu optymalizowania kodu NC

W systemach CAM pojawiają się bazy danych, z których można korzystać w trakcie programowania. Pojawiają się również moduły lub oddzielne programy optymalizujące przebieg ruchu narzędzi i parametry obróbki, celem np. skrócenia czasu trwania obróbki lub też zwiększenia trwałości narzędzia.


Koncepcja przepływu programów sterujących w przedsiębioprstwie produkcyjnym

W przemyśle istotnym jest uzyskanie określonych efektów wytwarzania, a także wytwarzanie bez zbędnych kosztów- dla osiągania większych zysków i stabilnego rozwoju. Istnieje potrzeba takich zmian metod programowania, które zagwarantują realizację przedstawionych wyżej celów.

Witold Habrat, Roman Wdowik

Opublikowano: 15 kwietnia 2011

Projektując elementy przewidziane do produkcji metodą wtrysku należy uwzględnić wiele ważnych czynników. W zależności od przeznaczenia wypraski stosuje się odpowiednią grubość ścian, odpowiednie ich pochylenia oraz dobiera się materiał.  Te i wiele innych aspektów wpływają na ostateczny wygląd i jakość wypraski. SolidWorks (SW), jako wielomodułowe narzędzie, dostarcza wielu przydatnych funkcji ułatwiających pracę projektową z elementami z tworzyw sztucznych.

Paweł Kęska

Na wstępie, należałoby wyodrębnić dwa sposoby pracy w przygotowaniu elementu do wtrysku:
• Projekt od początku do końca wykonany w środowisku SolidWorks.
• Praca z plikiem zaimportowanym do SW z innych systemów CAD (bez możliwości edycji).
W pierwszym przypadku konstruktor korzysta z niezbędnych narzędzi dostępnych w konkretnym programie, mając możliwość edycji operacji na dowolnym etapie. Ponadto plik parametryczny umożliwia szybką aktualizację dokumentacji technicznej i łatwiejszą współpracę z oprogramowaniem typu CAM, zintegrowanym z SW.
Sytuacja druga, która najczęściej jest wynikiem wymiany plików pomiędzy różnymi aplikacjami CAD, skutkuje brakiem operacji w tzw. drzewie operacji oraz, w niektórych przypadkach, wymaga naprawy błędów w importowanej geometrii.
Program SolidWorks już w podstawowej wersji zawiera szereg narzędzi ułatwiających projektowanie wyprasek. Oprócz standardowych operacji bryłowych bardzo często wykorzystuje się narzędzia do modelownia powierzchniowego, gdyż w wielu przypadkach elementy przygotowywane do wtrysku cechuje skomplikowana budowa pod względem kształtu. Oprócz tego można włączyć specjalny pasek narzędziowy o nazwie Narzędzia do form.



Jak widać, dostępne polecenia (w pomarańczowym odcieniu) są to typowe narzędzia modelera powierzchniowego. Pozostałe operacje z tej grupy, też wykorzystują powierzchnie – powierzchnię zamknięcia stykowego, powierzchnie neutralne oraz te, powstałe w wyniku wstawienia linii podziałowej, formujące część od strony matrycy i stempla.
Wypraski cechują się określoną budową, która wynika z jej przeznaczenia. Jednocześnie muszą spełniać szereg wymagań technologicznych, takich jak:

• grubość oraz ukształtowanie ścian
• odpowiednie pochylenia
• wzmocnienia (żebra)
• otwory i podcięcia
• zaokrąglenia
• linie podziałowe i wiele innych

Na początku, po wczytaniu modelu, należy przewidzieć płaszczyznę podziału. Od tego wyboru będą w dalszej kolejności zależeć pochylenia, położenie otworów oraz zaczepów montażowych, sposób wykonania gwintów itp. W przypadku plików importowanych do SolidWorks najczęściej są to kompletne trójwymiarowe części, dla których należy przygotować część matrycy i stempla oraz ewentualne skorygować niektóre rozwiązania. Właśnie te zmiany mogą w pewnym zakresie powodować trudności. Wyobraźmy sobie sytuację, że otrzymujemy do dalszej obróbki element, któremu nie nadano pochylenia (lub przewidziano zbyt małe).
Analiza pochylenia wykryła w modelu ściany bez wymaganego pochylenia – dlatego należy wprowadzić korektę.

Nie zawsze można dodać pochylenie bez usunięcia zaokrąglonych ścian, im bardziej skomplikowane styczne przejście pomiędzy ścianami tym mniejsza szansa, że automat zadziała poprawnie. Rozwiązaniem pośrednim będzie usunięcie ścian, dodanie niezbędnego pochylenia i ponowne wypełnienie powstałego otworu.

W przypadku pracy prowadzonej od początku w SolidWorks można, a w zasadzie należy przewidzieć konsekwencje mogące wystąpić na dalszym etapie rozwoju produktu. Wybierając operacje bazowe, jak np. wyciągnięcie dodania czy dodanie przez obrót, jeżeli jest to możliwe, od razu stosujmy wymagane pochylenie.

Należy również zwrócić uwagę, by operacje wykańczające, jak sfazowania, a szczególnie zaokrąglenia, dodawać na końcu. Dlaczego? Otóż ściany gładko (z zachowaniem styczności) przechodzące w inne ściany będą sprawiały trudności podczas próby ich pochylenia. Naturalną zatem kolejnością jest pochylenie ściany zakończonej „ostrą krawędzią”, a następnie wprowadzenie odpowiedniego pochylenia – dotyczy to oczywiście sytuacji, kiedy nie można zaznaczyć pochylenia w samej operacji bazowej.
W niektórych sytuacjach należy zastosować pochylenie względem płaszczyzny podziału ze wskazaniem krawędzi. To rozwiązanie będzie poprawne, jeżeli ściany do pochylenia nie mają wspólnej krawędzi ze ścianą planarną, znajdującą się w płaszczyźnie podziału.

Rys. 12. Różnica w wyborze typu pochylenia (w tym przykładzie 3°) dla nieprzelotowego otworu znajdującego się w górnej części bryły

W takim przypadku zaznaczenie, jako typu pochylenia płaszczyzny neutralnej spowodowałoby obliczenie zadanego kąta od płaszczyzny, co w efekcie (w zależności od odległości wskazanej ściany od tej płaszczyzny oraz od wartości kąta) skutkuje znaczną zmianą w geometrii.
SolidWorks zyskał, od kilku ostatnich wersji, narzędzia w technologii SWIFT, między innymi DraftXpert pochyleń, które to narzędzie powala w pewnym zakresie na dowolność tych operacji, gdyż automatycznie zamienia kolejność, lecz nigdy nie zmienia wartości kątów.
W ten sposób przygotowane detale, zawierające niezbędne pochylenia (dobrane w zależności od budowy wypraski oraz użytego materiału) są gotowe do dalszego etapu pracy.
Jedną z pierwszych operacji jest przeskalowanie modelu zgodnie z przewidywanym skurczem. Następnie, w zależności od budowy części, należy odnaleźć najlepszą powierzchnię podziału – nie zawsze jest to płaszczyzna. Jeżeli jednak ściana, na której następuje podział jest płaska, zaznaczenie linii neutralnej i w dalszej kolejności – płaszczyzny neutralnej będzie o wiele prostsze. Linie neutralne można wskazać ręcznie lub wybrać analizę pochylenia, dzięki której program sam zaznaczy zamkniętą pętlę stanowiącą linie graniczną podziału.

Powierzchnia neutralna utworzona w odniesieniu do linii i rozchodząca się prostopadle do kierunku otwierania zostanie przycięta i będzie stanowiła granicę dla formowanej części.

Ważną opcją wydaje się wygładzenie, które warto zaznaczyć w sytuacji, kiedy powierzchnia neutralna tworzy przejścia bez zaokrągleń. Będzie to miało wpływ na dalszą obróbkę gniazda na maszynach CNC, gdzie jak wiadomo narzędzia skrawające mają określoną średnicę i nie umożliwiają pozostawienia zupełnie ostrego narożnika.
W przypadku elementów z otworami przelotowymi należy wybrać powierzchnie zamknięcia stykowego, aby wypełnić przerwy.



Operacja ta działa jak wypełnienie powierzchni, zatem generuje łatę stycznie do wszystkich krawędzi. W niektórych przypadkach lepszy efekt uzyskamy stosując operacje powierzchniowe, jak wyciągnięcie po profilach lub powierzchnię według granicy. Należy jednak pamiętać, by powstałe w ten sposób powierzchnie umieścić w odpowiednim folderze poprzez przeciągnięcie.
Wykonując tych kilka kroków uzyskujemy obiekt docelowy zamknięty w powierzchniach od strony matrycy i stempla. Ostatnim etapem będzie operacja o nazwie oprzyrządowanie formy, która wykorzystując wcześniej wstawione powierzchnie formuje w prostopadłościanie o zadanych wymiarach gniazdo – dzieląc je na część matrycy i stempla.
W najprostszej sytuacji, która jednak w praktyce występuje rzadko, dla obiektu typu elipsoida obrotowa można zastosować operację Boole’a, odejmując od niewydrążonej części matrycy i stempla bryłę znajdującą się wewnątrz.



Rys.21. Elipsoida wewnątrz dwóch niepołączonych prostopadłościanów

Lepszym rozwiązaniem w przypadku prostych brył jest zastosowanie operacji odciśnięcia umożliwiającej zdefiniowanie prześwitu; jednocześnie obiekt narzędzia nie jest usuwany po zatwierdzeniu tej operacji.
Oprócz przedstawionych powyżej operacji skupionych w obrębie paska narzędziowego do form, SolidWorks dostarcza kilka interesujących narzędzi skierowanych głównie do projektantów elementów z tworzyw sztucznych. Jedną z takich operacji jest dodanie mocujące, które w zależności od wyboru może zawierać tzw. kołek lub otwór. Dodanie takie polega na wskazaniu miejsca występowania w jednej z dwóch części będącej edytowaną w złożeniu (lub w jednym z dwóch obiektów bryłowych w obrębie części wieloobiektowej), a następnie wyborze odpowiedniego pochylenia, ilości żeber wzmacniających oraz ich orientacji. W przypadku drugiego dodania mocującego można wskazać krawędź cylindryczną z pierwszej operacji, dzięki czemu program sam wyrówna koncentrycznie te obiekty.
Występ/rowek umożliwia wykonanie podcięcia w jednej z części oraz występu w drugiej, w sposób automatyczny tworząc tak zwany zamek. Wystarczy wskazać krawędzie wewnętrzne lub zewnętrzne w zależności od sposobu umieszczenia rowka. Oczywiście, program uwzględnia wymagane pochylenie i umożliwia dodanie prześwitu ułatwiającego spasowanie elementów.

W grupie operacji mocowania znajduje się haczyk zatrzaskowy. Operacja ta również znajduje zastosowanie w procesie projektowania elementów z tworzyw, automatyzując w dużej mierze sposób wykonania połączenia zatrzaskowego. Idea tego narzędzia polega na wstawieniu w jednej części lub w jednym z obiektów bryłowych wystąpienia ściętego pod kątem ułatwiającym ruch w jednym kierunku i blokującym – w przeciwnym. Haczyk tego typu współpracuje z otworem, który należy wykonać w drugiej połówce np. obudowy, odnosząc się oczywiście w kontekście do pierwszej operacji.
Zarówno dodanie mocujące jak i haczyki można powielać używając szyków oraz lustra.
Większość zagadnień w procesie projektowania części formujących gniazd opiera się o modelowanie powierzchniowe. Same wypraski często charakteryzują się skomplikowanym kształtem, co wymaga zastosowania modelera powierzchniowego zamiast bryłowego (stosuje się również modelowanie hybrydowe). Ważne jest, by w importowanych częściach nie było żadnych błędów, a jeżeli diagnostyka importu takowe wykryje należy je naprawić. Modelując elementy od początku w środowisku SolidWorks dobrze jest, przewidując ewentualne zmiany, zaplanować operacje zadając odpowiednią ilość parametrów (np. łącząc równaniem lub połączoną wartością wymiary ścian o jednakowym pochyleniu). Poprawne przygotowanie modelu a następnie użycie w odpowiedni sposób narzędzi do projektowania form wtryskowych (w rzeczywistości tylko części formujących gniazda), umożliwi prawidłowe przebudowanie modelu w momencie zastosowania zmian projektowych.

Paweł Kęska