Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Lesnická a dřevařská fakulta
Využití CNC obrábění ve výrobě hudebních nástrojů Bakalářská práce
2009
Pavel Bureš
Prohlášení Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Využití CNC obrábění ve výrobě hudebních nástrojů zpracoval sám a uvedl jsem všechny použité prameny. Souhlasím, aby moje diplomová práce byla zveřejněna v souladu s § 47b Zákona č.111/1998 Sb., o vysokých školách a uložena v knihovně Mendelovy zemědělské a lesnické univerzity v Brně, zpřístupněna ke studijním účelům ve shodě s Vyhláškou rektora MZLU o archivaci elektronické podoby závěrečných prací. Autor kvalifikační práce se dále zavazuje, že před sepsáním licenční smlouvy o využití autorských práv díla s jinou osobou (subjektem) si vyžádá písemné stanovisko univerzity o tom, že předmětná licenční smlouva není v rozporu s oprávněnými zájmy univerzity a zavazuje se uhradit případný příspěvek na úhradu nákladů spojených se vznikem díla dle řádné kalkulace. V Žamberku, dne 14. 6. 2009
........................................ podpis studenta
2
Poděkování: Rád bych tímto poděkoval p. Ing. Janu Šrajerovi za velmi konstruktivní, vstřícné a ochotné vedení při psaní této bakalářské práce. Jeho cenné rady pomohly napravit řadu chyb, kterých jsem se v průběhu psaní dopustil, jakož to, že mne nasměrovaly na nové myšlenky a jednoduchá před tím nepředpokládaná řešení. Dále bych chtěl poděkovat paní Mgr. Lence Procházkové a panu Petru Procházkovi z firmy Procházka Custom Guitars za pomoc při hledání kontaktů na dodavatele exotických dřev pro hudební nástroje. Další poděkování patří panu Chrisu Mayovi z firmy Overwater ltd., který bez váhání souhlasil s použitím svých autorských designů zveřejněných v této práci. Můj největší dík ale patří mé ženě Janě za trpělivost a ochotu snášet moji neúčast na výchově našich tří dětí během tvorby této práce.
3
Abstrakt: Jméno: Pavel Bureš Název: Využití CNC obrábění ve výrobě hudebních nástrojů Bakalářská práce je zaměřena na posouzení možnosti zavedení a využití CNC technologie v malosériové výrobě elektrických baskytar. Hlavním cílem práce je posouzení míry využití nákladných a na kvalifikaci obsluhy náročných CNC strojů v malých výrobních podmínkách. Práce se dále zabývá všeobecným úvodem do problematiky historie výroby hudebních nástrojů, charakteristikou oboru a trhu, na kterém je výrobek prodáván, souhrnem materiálových požadavků a materiálů, které jsou používány na výrobu elektrických baskytar, přehledem současných technologií výroby a popisem technologického postupu výroby těla (korpusu) baskytary pro konvenční a CNC technologii. Práce obsahuje výkresovou a technickou dokumentaci a popis výrobku s určením jeho materiálové skladby a ukázku výrobního G-kódu. Práce zároveň ekonomicky porovnává nové CNC technologie s klasickou (do této doby používanou) konvenční technologií. Klíčová slova: baskytara, CNC technologie, G-kód, obráběcí centrum
Abstract: This bachelor's thesis is aimed at assessing the possibility of the introduction and usage of CNC technology in small volume manufacturing of electric basses. The main object was to assess how real is using of expensive and high-qualified operator demanding machines in small volume production. Thesis also deals with a general introduction to the history of musical instruments production and the market characteristics in which the product is promoted. Thesis also deals with a summary of the material requirements that are used for the production. Thesis also deals with an overview of current technologies and a description of the technological manufacturing process for conventional and CNC technology. The thesis contains a drawings, technical documentations and description of the product, identifying the material composition and samples of G-code. At its end thesis also economically compares new CNC technology with the classic conventional technology (up this time used to). Keywords: bass guitar, CNC technology, G-code, CNC routing machine
4
Obsah 1
2
Úvod ................................................................................................................................................ 7
1.1
Historie výroby kytar ................................................................................................... 7
1.2
Elektrická baskytara a její historie .............................................................................. 8
1.3
Obecný popis baskytary ............................................................................................... 9
1.4
Zkoumaná baskytara a popis trhu, na kterém je presentována. ................................ 13
1.4.1
Řada Perception ............................................................................................................ 13
1.4.2
Perception ..................................................................................................................... 14
1.4.3
Marketing firmy ............................................................................................................. 14
Výroba ........................................................................................................................................... 15
2.1
Použité dřeviny .......................................................................................................... 15
2.2
Požadavky na materiál .............................................................................................. 16
2.2.1
Požadavky na stáří dřeva ............................................................................................... 16
2.2.2
Požadavky na vlhkost .................................................................................................... 16
2.2.3
Požadavky na estetickou kvalitu.................................................................................... 17
2.2.4
Požadavky na tvarovou stálost, požadavky na typy řezu .............................................. 17
2.3
Technologie současné výroby .................................................................................... 18
2.4
Způsoby zpracování technické dokumentace ............................................................. 20
2.4.1
2.5
Popis vyráběné součásti ............................................................................................ 21
2.5.1
Ukázka těla Perception v modelovém prostředí SolidWorks (eDrawings).................... 21
2.5.2
Rozdílné znaky ............................................................................................................... 22
2.5.3
Materiálová skladba korpusu (těla)............................................................................... 23
2.6
Technologický postup výroby těla (korpusu) ............................................................. 23
2.6.1
Příprava sendviče .......................................................................................................... 24
2.6.2
Výroba sendviče – pracovní diagram ............................................................................ 25
2.6.3
Výroba korpusu konvenčním způsobem ....................................................................... 26
2.7
Teorie výroby korpusu pomocí CNC stroje ............................................................... 27
2.7.1
2.8
3
Ukázka modelace produktu v prostředí SolidWorks (pomocné prostředí eDrawings) . 20
Popis CNC frézovacího centra, použitého v projektu .................................................... 27
Princip práce na CNC ............................................................................................... 28
2.8.1
Kreslení v CAD................................................................................................................ 28
2.8.2
Tvorba ovládacího programu v CAM ............................................................................. 28
Srovnání obou použitých technologií a výsledky pozorování ....................................................... 30
5
3.1
3.1.1
Výhody CNC technologií ................................................................................................ 30
3.1.2
Nevýhody CNC technologií ............................................................................................ 30
3.2
Stanovení časové náročnosti přípravy výroby ........................................................... 31
3.3
Jednotlivé fáze výrobního procesu ............................................................................ 31
3.3.1
Ukázka práce v prostředí XILOG 3 ................................................................................. 32
3.3.2
Vývojový diagram výroby korpusu pomocí CNC ........................................................... 34
3.4
Posouzení přesnosti provedení operací obou technologií ......................................... 35
3.4.1
Konvenční technologie .................................................................................................. 35
3.4.2
CNC technologie ............................................................................................................ 36
3.5
4
Všeobecné výhody a nevýhody CNC technologie ...................................................... 30
Posouzeni variability jednotlivých výrobků ............................................................... 38
3.5.1
CNC technologie ............................................................................................................ 38
3.5.2
Příklad variability výrobku (součásti)............................................................................. 39
3.5.3
Ukázka části programu v G kódu ................................................................................... 41
3.6
Posouzení technologických možností centra v porovnání s konvekcí ........................ 42
3.7
Posouzení rizika materiálových ztrát při obou technologiích ................................... 43
3.8
Stanovení bezpečnosti práce při obou technologiích ................................................ 44
3.9
Problematika upínání dílců zejména malých rozměrů .............................................. 45
Ekonomické porovnání konvenční a CNC technologie .................................................................. 46
4.1
Metodika .................................................................................................................... 46
4.2
Váha výnosů ............................................................................................................... 46
4.3
Návratnost investice do CNC technologie ................................................................. 47
4.4
Fixní náklady ............................................................................................................. 48
4.5
Variabilní náklady ..................................................................................................... 49
4.5.1 5
Jednoduchá časová analýza........................................................................................... 50
Výsledky ......................................................................................................................................... 51
5.1
Celková analýza ......................................................................................................... 53
5.2
Návratnost zavedení CNC technologie ...................................................................... 56
6
Diskuze........................................................................................................................................... 57
7
Závěr .............................................................................................................................................. 59
8
Použitá literatura a rejstříky .......................................................................................................... 60
6
1 1.1
Úvod Historie výroby kytar
Hudební nástroje provázejí lidstvo od dávnověku. Jakmile si člověk uvědomil sám sebe, začal vnímat zvuky kolem sebe nejenom jako podněty sloužící ke komunikaci, orientaci či obraně, ale i jako prostředek vyjádření ryze inteligentní činnosti – kultury. (Sachs, 1940) Nejstaršími hudebními nástroji byly nepochybně bicí nástroje – membranofony. Historie takového bubnu určitě sahá do prvopočátků lidské civilizace. Když pračlověk poprvé natáhnul koženou blánu na vydlabaný kmen a začal do něj bušit kostí, nevědomky položil základy odvětví, které lidstvo provází dosud a které je velmi významně spjato s jeho kulturou – odvětví výroby hudebních nástrojů. Kytara vzešla z loutny a spolu s ní patří do kategorie strunných hudebních nástrojů – chordofonů. Kytara ve svém vývoji velmi dlouho zaostávala za smyčcovými nástroji. K jejímu bouřlivému rozvoji došlo až v 19. století, kdy s nástupem romantismu vzrostl zájem i o ni. Tento rozvoj významně napomohl k jejímu vývoji. Mnoho (i velmi úspěšných) houslařů se začalo věnovat stavbě a vývoji kytar. Je například známo, že i genius javorového dřeva Antonio Stradivari několik kytar vyrobil. S popularizací a rozšiřováním kytary rostl i počet jejích výrobců. (Sachs, 1940) Počátkem dvacátého století se již dá hovořit o samostatném nástrojařském řemesle – kytarář (anglicky Luthier, Guitarmaker, Guitarbiulder). V evropské kolébce kytarářství, ve Španělsku, vzniká klasická kytara, která sama sobě dodnes zachovává jméno „španělská“. Dodnes jsou v mnoha malebných městečkách významnou turistickou atrakcí dílny kytarářských mistrů, kteří „na koleně“ tvoří nádherné a zvučné nástroje. Příkladem je třeba andaluská Córdoba. Většina kytar (stejně jako ostatních nástrojů), vznikala nejdříve v malých dílničkách, ze kterých postupem času rostly první manufaktury a továrničky. S rozvojem zahraničního obchodu se některé z nich rozrostly na veliké továrny. Za zmínku stojí americká firma C. F. Martin založená již roku 1833, která je dnes již v podstatě legendou.
7
Christian Frederick Martin, rodák z východoněmeckého Markneukirchenu, přerušil dlouhou rodinou truhlářskou tradici a v patnácti letech se vydal studovat stavbu klasické kytary do Vídně. Tehdy jistě netušil, že z původního vzdoru svému otci, vyroste vášeň, která ovlivní celý hudební svět. Jeho vykročení směrem k Vídni tehdy odstartovalo vývoj, jehož výsledkem je dnes světoznámá továrna s dílenskými prostory 84tis čtverečních stop a bezmála 500-ti zaměstnanci. (Carter, 1995) Nelze jistě zapomenout na další americké ikony – firmu Taylor a firmu Gibson. V Evropě byli v prvních desetiletích ikonami německý Hoyer, Framus, italské EKO. Z českých pak třeba světově proslulá firma Breuer. Ve třicátých letech dvacátého století už na světě působí několik velkých továren, zabývajících se výrobou kytar, používajících průmyslové postupy a technologie.
1.2
Elektrická baskytara a její historie
K objevu elektrické kytary došlo v USA v roce 1941. Tehdy již poměrně známý jazzový hudebník Lester William Polsfuss (zvaný Les Paul) rozřezal akustickou kytaru od firmy Gibson. Vložil do ní kus dřevěného trámu a osadil cívkami vlastní výroby. Ty pak napojil na lampový zesilovač vyrobený ze starého rádia – ono to hrálo a první elektrická kytara byla na světě. (Bacon, 1997) Od té doby se elektrická kytara (přesněji elektrofonická) pevně usadila v hudebním průmyslu a v sortimentu mnoha firem. Jako taková se i nadále vyvíjí. Jednou z těchto vývojových odnoží je i elektrofonická baskytara, která ve velké míře nahradila těžký a rozměrný kontrabas. První sériově vyráběnou baskytarou byla Fender Precision bass, která v málo změněné podobě úspěšně přetrvala dosud.
8
Je zajímavé, jak vývoj vlastních výrobních technologií v oblasti hudebních nástrojů probíhal od původního „genia jednoho muže“ po hi-tech průmyslovou produkci s mnoha společnými znaky. Vyrábět hudební nástroje bylo a dosud je určitým kusem umění a ne každý člověk má to správné nadání. Vždy platilo, že sehnat dobrého řemeslníka je pro řadu firem značný problém. Své zaměstnance si musí vychovávat, což je dlouhodobě a finančně nákladnou věcí. Často pak adept zjistí, že to není pro něho to pravé a například po dvouletém zaučování odejde. To se může firmě velice prodražit. Společným znakem minulosti i současnosti je problematika výběru materiálů. Dřevo na hudební nástroje bylo vždy to nejlepší ze sortimentů, co se v dřevozpracujícím průmyslu nacházelo. Najdeme celou řadu článků, kde staří výrobci popisují metody a těžkosti získávání, sušení a uchování toho správného kusu. Dnes také, díky masivnímu úbytku vhodné suroviny, se ceny dřeva pro hudební nástroje šplhají do astronomických výšek. Minimalizace nákladů na výrobu je proto klíčovým tématem každého výrobce. Bez správné koncepce nákladů je šance přežití na trhu velmi malá. S nástupem moderních CNC technologií přichází silný nástroj, který se i v tomto oboru čím dál více uplatňuje. Účelem této práce je porovnat výhodnost použití klasické konvenční manufakturní technologie s možnostmi, které CNC přinášejí.
1.3
Obecný popis baskytary
Baskytara je strunný hudební nástroj v moderní hudbě nahrazující kontrabas. Její hlavní úlohou v hudebních seskupeních, spolu s bicími nástroji, je vytvoření základního rytmu a harmonice (hrát basovou linku skladby) V některých žánrech, jako například jazz nebo funky, se prosadila jako sólový nástroj. (Wikipedia:Basová kytara, 2009)
9
Svým tvarem připomíná elektrickou kytaru, ze které vývojem vzešla. Má však delší menzůru (aktivní délku struny), delší krk a masivnější mechaniky. Obvykle má čtyři struny laděné o oktávu níže než udává notový zápis (G, D, A, E). Velmi častá je pětistrunná baskytara s přidaným hlubokým H a poměrně častá i šestistrunná, kde je navíc ještě vysoké C. Sporadicky je možno narazit i na vícestrunné baskytary (osmi, devíti, dvanácti strunné), což jsou ale spíše výjimky z oblasti rarit, které se do sériové výroby prakticky nikdy nedostaly. (Wikipedia:Basová kytara, 2009) Krk basové kytary se skládá z hmatníku, hlavy, hmatu a dalších součástí: mechaniky hlavice
struny krytka svorníku pražce
nultý pražec hmatník
hmat krku 1-1. Popis baskytarového krku
Hmat je zadní část krku vytvarovaná tak, aby co nejlépe vyhovovala potřebám hráče. Hlava nese mechaniky a obvykle logo identifikující výrobce. Hmatník je vyroben z tvrdého dřeva (palisandr, eben, wenge…) a zpravidla je osazen pražci. Pražce vymezují polohy jednotlivých tonů, zkracuje se přes ně struna, která tak při rozeznění dává jiný – vyšší tón (tzv. temperované ladění). Existují i bezpražcové baskytary, které mají pouze jeden nultý pražec a ladění je plně na schopnostech hráče (tzv. přirozené ladění).
10
Tělo (korpus) baskytary je obvykle vyrobeno z dvou různých materiálů – základu a polepu. krk s hmatníkem
snímače
kleště
otvory pro potenciometry vrchní roh
kobylka
polep těla
základ těla
závěs popruhu
1-2. Popis baskytarového těla
Základ je vyroben z tvrdého listnatého dřeva různých druhů o tloušťce 35mm. Tvoří hlavní masu těla a v něm jsou uchyceny všechny konstrukční prvky baskytary. Je tvořen dvěma polovinami, které jsou slepeny v ose nástroje jako dvě zrcadlové symetrické poloviny. Jiné provedení těla, např. ze třech kusů není zákazníkem prozatím akceptováno. Na základu je nalepen polep o tloušťce 7mm, který je vyroben z pohledově zajímavého listnatého dřeva, tvořícího hlavní desénový znak nástroje. Na polep se používají vzhledově atraktivní exotická ale i tuzemská dřeva. Polepy jsou tenké přířezy řezané jak tangenciálně, tak radiálně. Poměrně často používané jsou i kořenice a různá dřeva s vadami (různé druhy rakoviny, burlwood, svaly, suky). Polep je rovněž tvořen dvěma zrcadlově symetrickými polovinami slepených v ose nástroje. Z odpadové části přířezu polepu je vyroben polep hlavice krku tak, aby dotvářel kompaktní vzhled celého nástroje (tzv. matched headstock plate). Mezi základem a polepem je vlepena tenká vrstva černěné dýhy, která tvoří optický předěl mezi oběma vrstvami a na hotovém korpusu tvoří významný desénový prvek. Konkrétní druhy materiálů jsou uvedeny v kapitole 2.1 Použité dřeviny
11
Tělo baskytary nese kobylku, snímače, potenciometry, závěsy a ostatní hardware. Kobylka je druhým uchycením struny, slouží též k správnému nastavení polohy strun nad hmatníkem a doladění přesné intonace. Snímače snímají kmity strun ve svém elektromagnetickém poli a jejich signál je přímo úměrný výšce, délce a síle tónu. Potenciometry jsou ovládacím prvkem uvnitř těla. Jejich nastavením se provádí korekce snímané hodnoty – výška, barva, balance, síla a podobně. Závěsy slouží k uchycení baskytary pomocí popruhu při hře ve stoje. Správné umístění závěsů společně s celkovým tvarem baskytary je nezbytným předpokladem správného vyvážení nástroje a jeho celkové ovladatelnosti. V každém těle najdeme ještě konektor výstupního signálu „Jack“. Standardně se používá typ ¼“, neboli 6,5mm (číslo udává průměr) Dalšími prvky jsou pak schránky baterií, přepínače různých funkcí, doplňující konektory (XLR) a podobně. Krk s tělem je obvykle spojen šrouby, případně může být vlepen do korpusu přímo. U některých luxusních nástrojů se používá tzv. varianta průběžného krku, kdy krk prochází tělem nástroje, které je tvořeno dvěma polovinami tvarovaných a přilepených přímo na krk. Vzhledem k tomu, že se v této bakalářské práci zabývám jen výrobou těla (korpusu), je varianta průběžného krku (tzv. Neck-thru) ponechána prozatím stranou.
1-3. Baskytara Overwater
12
1.4
Zkoumaná baskytara a popis trhu, na kterém je prezentována.
1-4. Team firmy Overwater
Výrobek, který je předmětem našeho zkoumání, se vyrábí pro britského klienta pod značkou Overwater. Tato firma působí na anglickém trhu již téměř 30 let. Sortiment firmy je možno vidět na webových stránkách (www.overwaterbasses.com). Hlavním nosným programem je výroba baskytar, které jsou modifikovány podle potřeb zákazníka. Jde tedy téměř výhradně o zakázkovou výrobu. To však předpokládá časově náročný proces zahrnující výrobu od samého počátku, tzv. „od prkna“. Aby firma uspokojila i zákazníky, kteří nechtějí čekat, zařadila do sortimentu výrobní řadu nazvanou Perception.
Tato řada se vyrábí v malých
sériích zhruba 6 – 8 ks. V plánu je navýšení výrobních cyklů na 15 – 20 ks, což jsme v současné nepříznivé hospodářské situaci prozatím pozastavili. 1.4.1 Řada Perception Řada Perception je převážně prodávána v Británii. Několik baskytar se prodalo i do USA, Japonska a dva nástroje jsou prodány i zde v České republice. Design baskytary navrhl Haydn Williams, jeden z předních anglických designérů hudebních nástrojů.
1-5. Haydn Williams
13
1.4.2 Perception Perception je klasickou formou ukázky jazzového designu moderní podoby, nese na sobě prvky
původních
jazzových
baskytar
(slapové
ukončení
hmatníku,
jednoduchý
neuzamykatelný nultý pražec), ale zároveň představuje křivky, charakteristické baskytarám poslední doby.
1-6. Perception I (archív firmy Overwater)
1.4.3 Marketing firmy Celkový marketing firmy je přizpůsoben britskému trhu, který je v mnoha ohledech specifický. Britský zákazník při rozhodování klade velmi velkou váhu na dobré jméno, které je tvořené doporučením či pochvalou jiného spokojeného zákazníka. Firma Overwater prezentuje nástroje osobně přímo u prodejců, což je náročné zejména na logistiku a čas. Při prezentacích jsou baskytary podrobeny poměrně velkému zkoumání potencionálními kupujícími a jakékoliv neshody nebo chyby jsou ihned odhaleny. Tato skutečnost je významným faktorem nároku na kvalitu, která se promítá v náročnosti technologie a všech ostatních výrobních procesů. V současné době je vytvořen řetězec asi patnácti prodejců po celé Británii, kteří odebírají modelovou řadu Perception. Přes současný pokles poptávky způsobené odběratelskou krizí je patrné, že tato řada – vyráběná tzv. „na sklad“, napomohla i prodeji vlastních zakázkových výrobních řad firmy Overwater, které se běžně do obchodního řetězce nedostávají. Signály jsou takové, že řada Perception upevnila celkovou pozici firmy Overwater na britském trhu jako jednoho nejvýznamnějších výrobců ve své kategorii.
14
2 2.1
Výroba Použité dřeviny
Použité materiály na základy těla – korpusy: -
mahagon khaya (Khaya ivorensis)
-
americký mahagon (Swietenia macrophylla)
-
mahagon sipo (Entandrophragma utile)
-
mahagon sapelli (Entandrophragma cylindricum)
-
evropský ořech
-
americký ořech
-
lípa
-
jasan
-
bahenní jasan
Použité materiály na polepy těla – korpusy: -
vlnkovaný javor
-
obláčkový javor
-
kořenice olše
-
kořenice ořešáku
-
kořenice jasanu
-
indický palisandr
-
brazilský palisandr
-
wenge
-
ořech Claro (Juglans hindsii)
-
Cocobolo (Dalbergia retusa)
-
Makassar (Diospyros crassiflora)
15
2.2
Požadavky na materiál
Dřevo na hudební nástroje bývá obvykle podrobeno největším nárokům ze všech dřevařských sortimentů. Hlavním důvodem je stále rostoucí poptávka a klesající nabídka. Tyto dva protichůdné trendy ženou ceny vzhůru (často i o stovky procent ročně), proto je minimalizace nákladů v oblasti úspor hlavním tématem. 2.2.1 Požadavky na stáří dřeva Čím starší, tím hodnotnější. Toto pravidlo obvykle platí, ne však vždy. Pokud se některá dřeva skladují příliš dlouho, hrozí napadení biotickými škůdci a tím jejich znehodnocení (typickým příkladem je javor). V každém případě se stárnutím správně uloženého dřeva zvyšuje počet cyklů fyzikálních změn v buňkách a tím i otupování jejich nežádoucích efektů. Do této otázky vstupuje také fenomén, který je poměrně rozšířen v celé oblasti výroby hudebních nástrojů a který je poměrně těžké pojmenovat. Výrobci totiž často komentují kvalitu materiálu počtem let uložení, čím více, tím lépe, jako by zde platila přímá úměrnost. Je jasné, že desetileté dřevo je lepší, než rok staré. Najdeme-li však nějaký rozdíl mezi dřevy desetiletými a stoletými, je velmi diskutabilní. Jako marketingový tah drobných výrobců je toto ale velmi účinné a zákazník na to slyší. 2.2.2 Požadavky na vlhkost Vlhkost je zásadním faktorem, ovlivňujícím všechnu kvalitu výrobních procesů a konečného produktu samotného. Vysušení dřev je žádoucí přirozenou cestou, což vzhledem k tenkým rozměrům přířezů není zase tak náročné. Po základním vysušení pod BNV (bod nasycení vláken) je vhodné zvolit přirozené sušení v dílenských podmínkách. Po vysušení na dílenskou vlhkost (obvykle 9-10%), je vhodné dosušení v uzavřené klimatizované sušárně až na vlhkost 4 - 5%, kde jsou polotovary obvykle drženy do úplného opracování, vyjímány vždy jen na dobu, kdy se na nich pracuje a pak zpět uloženy. Tento postup je náročný na drobnou dílenskou logistiku a organizaci skladování. Zabrání však nežádoucímu sesychání, protože drobné zpětné bobtnání není nikdy tak rizikové. Procesy bobtnání a sesychání částečně zpomalí uzavření nástroje do laku.
16
2.2.3 Požadavky na estetickou kvalitu Hudební nástroje jako obor podléhají poměrně významně módním trendům. Baskytary jsou specifickou skupinou, kde existují určité odlišnosti v chápání estetičnosti. Když nebudeme brát v úvahu pigmentově upravené nástroje, je kresba dřeva na těle hlavním prodejním znakem, podle kterého zákazník v prvním pohledu nástroj hodnotí. Většina prodejců tento první kontakt považuje za rozhodující. Když jsou pak splněny i ostatní požadavky zákazníka, zpravidla je šance, aby byl obchod uskutečněn.
Když však „první dojem“ nedopadne,
rozhodnutí je obvykle záporné, i když zbytek vlastností zákazník bere pozitivně. Pozitivním specifickým požadavkem je akceptace různých druhů vad, které u jiných nástrojů nejsou vůbec možné. Jako příklad lze uvést zákaznický požadavek, kdy vrchní deska akustické kytary musí být vyrobena z co nejčistějšího materiálu (např. smrku) a jakékoliv vady typu suky, svaly, reakční dřevo jsou neakceptovatelné. Naproti tomu požadavky na vrchní desku (polep) baskytary umožňují použití svalů, suků (dokonce i vypadlých, pokud jsou vhodně vyspraveny), reakčního dřeva a nezřídka kdy takových vad, jako jsou hniloby či poškození hmyzem. Kombinace těchto vad a dramatické kresby v tangenciálních řezech velmi často tvoří vyhledávaný atribut, který je významným prodejním artiklem.
2.2.4 Požadavky na tvarovou stálost, požadavky na typy řezu Při výrobě sendviče na baskytarové tělo se zpravidla postupuje proti dvěma hlavním zásadám, které se dodržují u obdobných truhlářských výrobků:
-
lepit vždy stejné materiály souměrně do lichých vrstev sendviče
-
používat v co největší míře radiální řez
Nesouměrnost lepených materiálů je dána požadavkem na kvalitu dřeva vrchního polepu a z toho vyplývající ceny. Vrchní polep je výrazně tenčí než základ, na kterém je nalepen. I přes všechny možné pokusy s úpravy vlhkosti u obou komponentů se nikdy nepodařilo tvarovou
17
deformaci způsobenou materiálovou nesouměrností úplně vyloučit. Proto se s ní začalo počítat a její eliminace se řeší technologickým postupem. Radiální řez je žádoucí u dřevin, u kterých kresba vynikne zejména v něm (např. vlnkovaný javor). U většiny dřevin je ale požadován řez co nejvíce tangenciální. U některých speciálních polepů dokonce ani jiný není možný, respektive v radiálním řezu se ztratí celkový efekt polepu (např. očkovaný javor). Tangenciální řez je v tomto případě jedním z největších zdrojů prohnutí po nalepení. Technologické řešení průhybů sendvičů spočívá v dostatečném naddimenzování polotovarů (čisté 35mm jádro připravujeme na sílu 42mm) a jejich následném orovnání po zalepení. Toto se provádí pomocí horizontálně otáčejících se fréz anebo kalibrační brusky. Upravovat tloušťku hoblováním je díky struktuře polepů prakticky nemožné.
2.3
Technologie současné výroby
V současnosti vychází celkový výrobní proces z koncepce jednoduchých přípravků, u kterých je žádoucí minimální potřeba nastavovat a přenastavovat. Toto je však jen teorie a v praxi se nastavování nevyhneme, i když je technologie uzpůsobena na maximální omezení těchto časově náročných prostojů. V případech, kdy je upínání obrobku složité (vlastnit několik stejných upínacích zařízení by bylo drahé), se na těchto přípravcích používají výměnné šablony. Obrobky se v přípravcích obrábějí na klasických dřevoobráběcích strojích jako jsou: -řezání (pásová, okružní pila) -srovnávání (srovnávací a tloušťkovací frézka, kalibrační bruska) -tvarové frézování (spodní a horní frézky) -vrtaní (stojanová vrtačka, horní fréza) -modelování (ruční frézky, rašple) -broušení (různé typy brusek)
18
Z hlediska bezpečnosti práce jsou při výrobě přípravků nejnáročnější disciplínou upínací prvky určené ke spolehlivému upnutí obrobku. Obráběné součásti jsou zpravidla tvarově různorodé a mají malé upínací plochy. Dalším handicapem je relativně snadná stlačitelnost upínaných dílců a vysoké riziko jejich uvolnění. Přesto, že pracujeme s velmi drahými materiály, je bezpečnost obsluhy na prvním místě. Je třeba si uvědomit, že pracujeme na strojích, jejichž pohybující se nástroje mají vysokou kinetickou rychlost a jakýkoliv defekt či neshoda mohou skončit velice tragicky. Jakýkoliv přípravek musí splňovat bezpečnostní normy, které definují bezpečnost práce na jednotlivých dřevoobráběcích strojích, pro které jsou určeny. Povinnost shody s normami ukládá zákon 22/1992 sbírky, týkající se technických zařízení uváděných na trh, byť jsou určeny pro vlastní potřebu firmy. Zejména se jedná o EN: ČSN EN 49 6110, ČSN EN 847-2 ČSN EN 847-3 ČSN EN 848-2 ČSN EN 1807 ČSN EN 1870-1 Jednotlivé normy definují rizikové chování a místa možností vzniků úrazů. Mimo to je žádoucí, aby veškeré přípravky a zařízení v maximální míře omezovaly vznik vad způsobeným nesprávně zvoleným technologickým postupem. Skutečnost, že tato konvenční technologie představuje poměrně značná bezpečnostní rizika pro obsluhu a drahý materiál, ji značně znevýhodňuje oproti moderním CNC technologiím.
19
2.4
Způsoby zpracování technické dokumentace
K vlastní konstrukci kytary byl použit modelovací program SolidWorks®. Z tohoto programu byla exportována data do programu AutoCAD, ze kterého byla vyhotovena kompletní technická dokumentace. Výstup z AutoCADu ve formátu DXF byl základem pro tvorbu Gkódu v programu XILOG3.
2.4.1 Ukázka modelace produktu v prostředí SolidWorks (pomocné prostředí eDrawings) Perception sestava
2-1. Perception sestava – přední pohled
2-2. Perception sestava – zadní pohled
20
2.5
Popis vyráběné součásti
Z hlediska zjednodušení celého experimentu jsme se rozhodli zkoumat celou problematiku jen na jedné součásti, nikoliv na nástroji jako celku. Vybrali jsme nejnákladnější součást, kde předpokládáme, že plánované úspory přinesou největší efekt. Tato vybraná součást je baskytarové tělo pro pětistrunnou baskytaru modelu Perception.
2.5.1 Ukázka těla Perception v modelovém prostředí SolidWorks (eDrawings)
2-3. Tělo Perception I v prostředí eDrawings
2-4. Tělo Perception II
21
Půdorysný tvar těla u modelu Perception je analogický pro všechna provedení. Za prvotní desénový návrh byla zvolena pětistrunná varianta. Z ní později vyšly i varianty čtyřstrunná a šestistrunná, které se tvarově liší pouze u krku, kdy na čtyřstrunné je celkový tvar zúžený, na šestistrunné je naopak rozšířen. Tato úprava reflektuje estetickou vyváženost vzhledem k diametrálně odlišným šířkám krku v místě vetknutí do těla. Tělo Perception v bokorysné rovině je v podstatě plochý sendvič, který je ohraničen rádiusem ½ palce (12,7mm). Na přední levé straně je ergonomické vybrání ve tvaru 3D (tzv. armrest – odpočinek ruky). Na zadní levé straně je pak vybrání pro tělo hráče, opět v 3D prostoru. (tzv. bodyrest) Na přední ploše je umístěn pár otvorů snímačů, souměrných s osou kytary (pick-up cavity). Dále je zde umístěno klínovité vybrání na uložení krku (Neck Cavity), ve kterém jsou čtyři nesouměrně umístěné otvory pro uchycení krku. Výše uvedené znaky jsou pro všechny varianty společné.
2.5.2 Rozdílné znaky Perception je vyráběn ve dvou modelových řadách, z nichž každá má další dvě varianty osazení elektronikou. Řada Perception Std. (standard) – nemá vybrání na kobylku. Řada Perception II (de Luxe) – má vybrání na kobylku, která je zapuštěna 6mm pod přední plochu kytary. Dalším rozdílným znakem je počet otvorů pro potenciometry elektroniky. Obě uvedené řady se vyrábějí v provedení: -
s třípásmovou elektronikou – 5 otvorů průměru 8mm
-
s dvoupásmovou elektronikou – 4 otvory
Rozměry výrobků jsou uvedeny v přílohách ve výkresové dokumentaci.
22
2.5.3 Materiálová skladba korpusu (těla) Jednotlivé materiály jsou uvedeny v kapitole „Použité dřeviny“. Principem výběru materiálů pro korpus je zajištění dostatečného kontrastu polepu nalepeném na základu. V praxi příliš nezaujaly kytary, jejichž korpus byl vyroben z podobně vyhlížejících materiálů. Obecně platí zásada, že na vrchní desku (polep) je vybírán materiál co nejtvrdší, mající dobrou schopnost vést zvukové vlny. V případě, že polep je vyroben z materiálů měkčích, je snahou tvrdost dohánět na základu. Je však třeba počítat s vyšší hmotností, která je často negativním faktorem, ovlivňujícím rozhodnutí zákazníka. Na modelu Perception se uplatňují všechny výše uvedené materiály. Za nejčastěji vyráběnou kombinaci by však bylo možno označit provedení vlnkovaný javor na polep, evropský ořech na základ. Tato kombinace se objevuje v 90% objednaných zakázek.
2.6
Technologický postup výroby těla (korpusu)
Z důvodu přehledného a jednoduchého porovnání obou zkoumaných technologií jsme se rozhodli použít strukturovaných vývojových diagramů, zejména kvůli existenci několika zásadních podmínek ovlivňujících posloupnost technologického toku. Postup zahrnuje následující fáze: -
příprava přířezů a výroba sendviče
-
bílá práce, frézování, vrtání otvorů
-
modelování a broušení
-
povrchové úpravy
23
2.6.1 Příprava sendviče Před použitím se přířezy na výrobu polepu i základu skladují min. 3 měsíce ve společném klimatizovaném prostoru, aby se jejich vlhkosti co nejvíce vyrovnaly (žádoucí vlhkost matriálu je 5 - 7%). Materiál o požadované vlhkosti se obrábí běžnými truhlářskými postupy. Pouze výroba vrchních polepů je často problematická. Z důvodu odklonu dřevních vláken, nelze polep obrábět hoblováním a je nutné téměř vždy používat k obrábění (ke kalibraci) egalizační brusky (EB). Kalibrované polotovary je nutno podrobit výběru pozice řezu. Tímto procesem se šablonou kytary vybere vhodná pozice k umístění řezu. Tomuto kroku je nutno věnovat zvláštní péči, jelikož je základem budoucího úspěchu. Je škodou podcenit tento krok a např. krásnou lokální kresbu nevypadlého suku schovat do otvoru pro krk. Vybraná pozice řezu se podle šablony nakreslí přímo na polep a poloha na ose nástroje se označí nulovým bodem. Stejně tak se postupuje i u výběru pozice řezu na základu korpusu, je-li tento rozměrově omezen nebo obsahuje-li vady, které chceme vyřezat, případně má kresbu, kterou chceme zachovat. Před lepením sestavy je nutno nalézt společnou pozici obou řezů a tyto zafixovat dřevěnými kolíky, které ochrání lepený sendvič proti posunutí obou dílců. Mezi polepem a základem je 0,5 mm silná vrstva černého vulcanfíbru, která plní funkci estetickou a konstrukční.
24
2.6.2 Výroba sendviče – pracovní diagram
2-5. Diagram výroby sendviče
25
2.6.3 Výroba korpusu konvenčním způsobem Pojem bílá práce používají výrobci hudebních nástrojů k označení procesů výroby od surového polotovaru až po přípravu před povrchovou úpravou. K popisu klasického technologického postupu jsme opět použili vývojový diagram.
2-6. Diagram výroby těla
26
Pozn. Ostatní fáze procesu (modelování, broušení, povrchové úpravy) nejsou z našeho hlediska podstatné, pro klasickou i CNC technologii jsou totožné. Odlišnost je ale v kvalitě opracování.
2.7
Teorie výroby korpusu pomocí CNC stroje
2.7.1 Popis CNC frézovacího centra, použitého v projektu Vzhledem k vysokým pořizovacím nákladům jsme se rozhodli pro pronájem centra. V nejednoduchém hledání firmy, která bude ochotna spolupracovat na projektu, napomohla náhoda. Majitel pronajímaného CNC stroje je náruživý muzikant, projekt jej velmi zaujal a podpořil ho. K dispozici bylo čtyřosé frézovací centrum SCM RECORD 3200, rok výroby 2007 s řídicím systémem
XILOG3 Plus a operačním systémem Windows XP. Centrum je vybaveno
zásobníkem na 12 nástrojů.
2-7. CNC centrum SCM Record
27
2.8
Princip práce na CNC
Celý proces lze zjednodušeně rozdělit do tří částí: -
kreslení výkresu v CAD
-
tvorba ovládacího programu v CAM
-
vlastní výroba
2.8.1 Kreslení v CAD CAD neboli Computer-aided design (počítačem podporované projektování) je používání pokročilých počítačových programů při projektování místo rýsovacího prkna. Vytvoření výrobního výkresu je prvním kokem k výrobě na CNC stroji. (Král, Šrajer, 2008) Díky těmto moderním technologiím přichází velmi efektivní způsob přípravy dat pro programování. Tyto programy, sloužící zejména k vytvoření konstrukčního návrhu, v sobě nesou schopnost exportovat data ve formátech, které jsou následně zpracovatelné CAM softwarem. Volně řečeno: vytvoření konstrukčního návrhu pomocí jednotlivých entit (částí) jako úseček, rádiusu, křivek zároveň tvoří entity jednotlivých pohybů nástroje.
2.8.2 Tvorba ovládacího programu v CAM V CAMovské části dojde ke spojení jednotlivých nakreslených entit, tak aby vznikla dráha (křivka), po které se bude pohybovat nástroj. Dále jsou k jednotlivým křivkám přiděleny nástroje a stanovena podmíněnost nástroje ke křivce (zda bude nástroj kopírovat křivku svým středem, zprava či zleva a v jaké hloubce). Dále jsou definovány hodnoty rychlosti posuvu a otáčky nástroje. Tyto hodnoty jsou ve většině případů již přednastaveny spolu s další specifikací nástrojů v tabulce nástrojů. (Král, Šrajer, 2008) Po přidělení nástrojů následuje seřazení jednotlivých operací neboli optimalizace. Ta v dnešní době probíhá většinou automaticky a obsluha ji pouze potvrzuje. Je velice důležitá, a to jak z technologického pohledu správné návaznosti operací, tak z časového hlediska. Správná optimalizace může výrazně zkrátit čas výroby. (Král, Šrajer, 2008)
28
Po definici nástrojů a seřazení operací následuje tzv. postprocesing, neboli převod vstupních informací z grafického formátu do strojového NC kódu nazývaného G kód. G kód je technologický NC program tvořen obvykle řetězcem znaků a příkazů, které začínají písmenem a obvykle následuje číselná hodnota. Například vykonání řádku technologického programu G207 X100.00 Y100.00 F5000 přesune obráběcí nástroj lineární interpolací, tedy nejbližší možnou cestou z místa původního do místa na obráběcím stroji určeného souřadnicemi X-100mm Y-100mm a rychlosti posuvu F-5000mm za minutu. (Král, Šrajer, 2008) Ukázka G-kódu vytvořeného pro výrobu baskytarového těla je umístěn v příloze. Dále následuje vlastní výrobní fáze.
Celý proces lze shrnout do schématu: 1. Vytvoření výkresu CAD 2. Export výkresu do formátu DXF 3. Načtení výkresu do CAM rozhraní 4. Sešití jednotlivých entit a určení směru obrábění. 5. Přidělení nástrojů k jednotlivým entitám a definice závislosti nástroje a křivky 6. Optimalizace neboli seřazení jednotlivých operací. 7. Postprocesing (převedení do strojového NC kódu – G kódu) a kontrola G kódu 8. Upevnění obrobku 9. Simulace obrábění 10. Obrobení prvního kusu a jeho kontrola popřípadě úprava G kódu 11. Samotná výroba (Král, Šrajer, 2008)
29
3
Srovnání obou použitých technologií a výsledky pozorování
Číslicově řízené obráběcí stroje nejsou novou technologií, jejich první použití se datuje již několik desetiletí zpět (první číslicově řízené stroje se objevují již kolem roku 1960, kdy došlo k rozvoji prvních mikroprocesorů). (Štulpa, 2006) V poslední době však došlo k tak prudkému rozvoji elektroniky, že číslicově řízené systémy začaly být běžnou součástí výrobního procesu nejen ve velkých podnicích. Firma, která nám umožnila na svém CNC stroji pracovat, zaměstnává „pouze“ 14 lidí. Jejím hlavním nosným programem jsou zakázkové sektorové kuchyně a interiérové vybavení. Nejedná se tedy o velkou továrnu s masivní sériovostí a je důkazem pravdivosti tvrzení uvedeném v začátku tohoto odstavce. 3.1
Všeobecné výhody a nevýhody CNC technologie
3.1.1 Výhody CNC technologií - bezpečnost obsluhy - možnost snadného opakování operací, rychlost nastavení operací - vysoká výkonnost - přesnost prováděných operací - zvýšení využití časového fondu - výhoda provádění více operací na jedno upnutí - automatičnost operací - dynamická pružnost výroby (jakmile jednou něco odzkoušíme, je takřka dílem okamžiku znovuobnovení výroby) - nižší nároky na zručnost a znalosti obsluhujících zaměstnanců 3.1.2 Nevýhody CNC technologií -vysoká pořizovací cena zařízení, nástrojů -vysoké nároky na odbornost zaměstnanců, kteří připravují výrobu - dynamický vývoj a rychlé zastarávání technologií
30
Stanovení časové náročnosti přípravy výroby
3.2
Celková odhadovaná/skutečná časová příprava (h/h) na výrobu CNC technologie
3.3
-
příprava dat z výkresové dokumentace
20/35
-
stanovení koncepce obrábění
10/23
-
výroba přípravků (CNC+konvence):
50/35
-
tvorba G kódu
50/34
-
odladění programu
20/ 75
Jednotlivé fáze výrobního procesu
Porovnáváme-li přípravu CNC technologie s konvenční výrobou, je zde patrný výrazně větší podíl duševní práce oproti manuální. Počátek je stejný, začíná u výkresové dokumentace. Dnes je nesporným ulehčením již zmíněný fakt, že většinu výkresové dokumentace je už možno tvořit pomocí počítače (PC) a výstupy z kreslících programů jsou přímo použitelné jako data pro tvorbu řídících programů. Pro tvorbu výkresové dokumentace byl použit program SolidWorks (návrhy modelů) a AutoCAD (tvorba výkresů, příprava dat pro XILOG3). S výstupy z AUTOCADu ve formě souborů DXF je program XILOG3 schopen přímo pracovat. Dalším krokem bylo stanovení sledu technologických operací v návaznosti na možnosti upínání obrobku. Již v této fázi se dají odhalit funkčně nemožné či drahé varianty řešení. Obecně platí: „těžko budeme levně obrábět plochu, když jí musíme draze upnout“. Z této filosofie vyplývá požadavek na důkladné rozvržení jednotlivých kroků a operací. Následuje tvorba řídícího programu (tzv. G kódu). V této fázi je již nutno mít jasnou představu o způsobu upnutí obrobku, do jaké míry je možno použít standardní upínací zařízení, či jaké přípravky budou použity. Dalším krokem je výroba přípravků. Na výrobu přípravku je možno rovněž využít CNC technologie. Je však zapotřebí si uvědomit, že v takovém případě vyrábíme vlastně jen prototyp a proto není od věci použít jistou míru improvizace a konvenční technologie.
31
Jakmile je pomocí postprocesingu vygenerován G kód, je zapotřebí jej zkontrolovat, popřípadě upravit. To je časově velice náročné. Zároveň je zapotřebí věnovat pozornost optimalizaci operací, jednak z hlediska technologického postupu jednotlivých po sobě jdoucích operací a jednak z hlediska časové efektivity, která zvyšuje výkon stroje. Ve velkosériové výrobě se této části v dnešní době věnuje nejvíce pozornosti.
3.3.1 Ukázka práce v prostředí XILOG 3
3-1. Ukázka prostředí XILOG 3
32
Vizualizační mód XILOGu (přední strana kytary)
3-2. Vizualizační mód XILOG 3
Tvorba G kódu (dole je zapisovací pole)
3-3. Tvorba G-kódu
33
3.3.2 Vývojový diagram výroby korpusu pomocí CNC
3-4. Diagram výroby korpusu na CNC
34
Vývojový diagram přípravy sendviče pro CNC je podobný jako pro konvenční technologii. Liší se pouze tím, že poslední operaci, finální kalibrace, je možno přesunout přímo na CNC centrum. Zároveň je možno použít sendvič, který je částečně prohnutý a který by v případě konvenčního způsobu musel být znovu přerovnán. CNC technologie je schopna akceptovat prohnutí až do míry 1,5mm, jelikož je v programu zahrnuta i operace pro srovnávání sendviče.
3.4
Posouzení přesnosti provedení operací obou technologií
Posouzení přesnosti provedení operací je v tomto kontextu chápáno jako porovnání stupně dosažení požadovaných výsledků. Jde o praktické posouzení, nakolik jsme danou technologií byli schopni přiblížit se absolutním hodnotám výkresů. Jelikož je posuzováno velké množství aspektů, musíme se z větší části spoléhat na hodnocení subjektivní. To však není výrazná chyba, protože konečný zákazník vyhodnocuje výrobek v této rovině také subjektivně. Otázkou je tedy nastavení naší kontrolní hladiny subjektivního pozorování.
3.4.1 Konvenční technologie Požadovaného tvaru bylo dosaženo. Na ploše kytary u rádiusu ½“ se stále objevují nežádoucí schody ve velikostech 0,5-1,2mm. Toto je způsobeno prohnutím celého sendviče a neschopností technologie vyrovnat se s tímto prohnutím (výšková poloha frézovacího ložiska je stále stejná). Hloubky vybrání pro snímače (Pick-up cavities) jsou v tolerancích +/- 1,5 mm, což odpovídá prohnutí, které na šabloně není kompenzováno. Nepřesnost je v akceptované toleranci. Hloubka vybrání pro zadní kryt (Back plate) je v toleranci +/-1,2 mm, což je tolerance nedostatečná, jelikož nejsme tímto schopni zajistit požadovanou polohu zadního krytu (musí lícovat s konečnou plochou).
Tuto toleranci bychom potřebovali dostat do rozmezí +/-
0,5mm. Rádius zaoblení těla (½“) není v celém svém průběhu provedeno čistě, v některých místech je neofrézován dokonale z důvodu nedostatečného přítlaku frézy na šablonu. Největším problémem se jeví velmi problematické vystředění otvorů pro snímače a krk vůči pohledové ose nástroje (spoji obou polovin vrchní desky – TOP).
35
Zde je běžná nepřesnost 1-1,5mm z osy, což je na celkovém optickém posunu dvojnásobek, tedy i 3mm. Toto se projevuje i na nepřesnosti umístění snímačů vůči krku, jelikož se tyto oba otvory vyrábějí samostatně. Jejich šablony se upínají na stejný přípravek pomocí kolíků, které mají zajistit stálou polohu. Toto se v rámci tolerance daří. Problematické je ale upnutí obrobku do stejného místa, jelikož se v průběhu obou operací musí obrobek z upínacího přípravku sejmout. Až na poslední bod jsou nepřesnosti opticky tolerovatelné.
Vyosení snímačů vůči ose
nástroje, či vyosení vůči krku je výrazný optický defekt, který zkušenější zákazník ihned zpozoruje a my ho těžko budeme přesvědčovat o opaku. Tento efekt se dá eliminovat zvýšenou pozorností při nastavování, které je však velmi časově náročné.
3.4.2 CNC technologie Požadovaného tvaru bylo také dosaženo.
Nejdůležitější operací z hlediska přesnosti je
nastavení CNC a to zejména seřízení nástrojů s hodnotami v knihovně nástrojů. Rozhodujícím krokem ke správnému provedení frézovacích operací je první nastavení sendviče podle nastavovací šablony (přípravek č. 1) – vystředění osy sendviče na osu zaznamenanou do frézovacího přípravku. První krok srovná horní plochu sendviče. Zde je nutno správně zvolit a nastavit frézovací nástroj, aby omezovače třísky na nástroji zajistili ofrézování plochy bez vytrhávání vláken. Zpočátku byly výsledky špatné, vrchní desky byly poměrně poškozené vytrháváním (vlnkovaný javor). Ubrání rychlosti mělo za následek pálení plochy. Nakonec se požadovaného výsledku dosáhlo vhodnou kombinací frézovacích otáček (12 000rpm), rychlosti posuvu nástroje (4,5m/min) a správného směru posuvu (nesousledné frézování). K vrtání zakládacích otvorů je zapotřebí použít výhradně ostrého vrtáku broušeného na dřevo (pr. 10mm). Jakmile není vrták ostrý nebo je špatně nabroušen, rozechvěním vyvrtá větší průměr otvoru pro fixační kolíky, které budou z tohoto důvodu volné, což má za následek nepřesnost při následném frézování. Při výměně frézovacích přípravků je třeba dbát na přesné usazení do správné polohy a toto usazení je nutno ověřit najetím frézy na ověřovací kalibrační bod. Druhá frézovací operace byla provedena s vynikající přesností. Na hloubkách frézování zadního krytu se podařilo dosáhnout nečekané přesnosti do +/- 0,3mm. Oproti konvenčnímu 36
frézování je ale výraznou nevýhodou necitlivost stroje k frézování v nerovnoměrně probíhajících vláknech. Zatímco ručně můžeme v takových to místech posuv zpomalit, v CNC technologii je prakticky nemožné vlákna registrovat a upravit rychlost posuvu. Tento nepříznivý jev se nakonec podařilo odstranit pomocí nastavení pomalejšího posuvu nástroje (z 3m/min na 2,2m/min) a zvýšením otáček na maximum stroje (z 18 000rpm na 24 000rpm). Dalším významným vylepšením bylo použití sousledného frézování. Třetí operace byla provedena také s vynikající přesností.
Souosost snímačů s krkem a
celkovou osou nástroje byla provedena s vysokou přesností. U prvního zkušebního kusu došlo k nehodě. Při projíždění oddělovacího frézu se uvolnil odpad a došlo ke kolizi odpadu a nástroje. Zkušební kus byl zničen a nástroj zlomen. Problém byl odstraněn ponecháním mostíků, které drží odpadovou část na svém místě. Ta se po odstavení hlavy do čekací polohy odlomí, zůstane jen čistý polotovar a stroj se znovu spustí. U kořenicových polepů se objevilo vytrhávání vláken při frézování snímačů. Toto se podařilo vyřešit použitím frézy s negativní spirálou, která má tendenci tlačit třísku zpět do obráběcího místa. Sousledné frézování bylo nutné změnit zpět za nesousledné u frézování rádiusu ½“, jelikož fréza nebyla vyrobena pro frézování na CNC a omezovač třísky pro ruční posuv zabraňoval odcházení třísky. Vznikalo vysoké zahřívání a docházelo k pálení povrchu. U rádiusu obvodu tvaru se objevili podobné schody jako u konvenčního obrábění, jen nebyly v ploše, ale na hraně nástroje. Toto jediné se nepodařilo odstranit zcela spolehlivě a domnívám se, že je to způsobeno určitou nepřesností v naražení na středící trny. Celkově je možno označit CNC frézování za mnohonásobně přesnější než frézování konvenční. Možnost jednoduchých korekcí přímo v programu je fantastickou možností zvyšující akceschopnost a přesnost nastavení.
37
3.5
Posouzeni variability jednotlivých výrobků
Je chápáno jako posouzení variability, jako významného faktoru, ovlivňující smysl zavedení CNC technologie a zároveň posouzení z hlediska výsledné produktivity práce.
3.5.1 CNC technologie Řada perception obsahuje zmíněné tři modely – čtyř-, pěti- a šestistrunnou variantu. Každá z těchto variant má odlišný tvar. Základní design vychází z pěti strunného modelu, který je nejfrekventovanější v portfoliu firmy. Od něho jsou odvozené zbývající dva modely. Čtyřstrunný model má spodní část stejnou s pětistrunným, horní část s rohy je zúžena tak, aby opticky ladila k užšímu krku. Šestistrunná varianta má horní i spodní část rozšířenou. Původním záměrem bylo vyrobení upínacích přípravků tak, aby byly universální pro všechny tři varianty kytar. Tento záměr se ale podařil jen částečně. První fáze, kdy se srovnává přední plocha, vrtají se zakládací otvory a druhá fáze, kdy se frézují otvory na zadní ploše kytary sloučit do univerzálních šablon šlo. Ale přípravek pro frézování třetího souboru operací však bylo nutno vyrobit jako individuální pro každý z modelů. To bylo způsobeno nemožností spolehlivého upnutí z důvodu malé přísavné plochy. Plochy vhodné k vakuovému upnutí, které zbyly po sloučení všech tří modelů, byly nedostatečné a nezajistily by spolehlivé upnutí obrobku při obrábění. Jednalo se zejména o horní část („velký roh“), kde zbyla plocha užší než 6mm (viz obrázek).
3-5. Analýza plochy využitelné k vakuovému upnutí (AutoCAD)
38
Ostatní prvky variability: -
možnost změny tvaru a velikosti a tvaru snímačů (záměna soapbar tvaru za lockingbar)
-
přidání zafrézované kobylky (u modelu Perception II)
-
změna počtu otvorů pro potenciometry elektroniky (2Band – 4 otvory, 3Band – 5 otvorů)
-
možnost změny schránky na baterii (battery cavity)
V porovnání s konvenční technologií je variabilita CNC výroby nesrovnatelně vyšší. U konvenční technologie i malá změna vyžaduje komplikovanou úpravu šablon a upevňovacích přípravků. Oproti tomu v CNC lze jednoduše upravit změnou programu, přidáním nových řádku, úpravou stávajících rozměrů anebo voláním podprogramu. Není nutno nijak upravovat upínací zařízení.
3.5.2 Příklad variability výrobku (součásti) Zavedení změny battery cavity (schránka na baterii) na příkladu výrobku v praxi. Zákazník standardně požaduje schránku na baterii se záklopným zámkem a snadnou demontáží bez šroubováku, nože nebo jiného nástroje. Tato teorie vychází z praktického požadavku, kdy uživateli baskytary dojde baterie v nástroji v exponované chvíli (např. během koncertu) a je zapotřebí ji urychleně vyměnit. Hledat v takovéto chvíli nářadí, kterým otevřete kryt bateriové schránky je zdlouhavé a nepraktické. Musí postačit otevření například prstem, bez dalších pomůcek. Typy schránek na baterii
3-6. Battery box typ Korea vs. Americký typ
V počáteční fázi výroby byla použita schránka na baterii, která byla dodávána přímo od anglického zákazníka. Schránka byla americké výroby s poměrně vysokou cenou a její
39
dodávky měly časté výpadky. Proto bylo přistoupeno k druhé variantě a byl nalezen druhý dodavatel z Jižní Koreje, který nabízel výrobek podobný, ale s daleko nižší cenou. Po obdržení vzorků bylo zjištěno, že celkové rozměry korejského výrobku jsou menší a bude zapotřebí upravit šablony nebo vyrobit nové. Vyrobit celou šablonu znova by bylo příliš zdlouhavé a zalepit původní otvor, vyfrézovat nový menší, bylo také zavrhnuto. Nová schránka na baterii nebyla ještě odzkoušena, a proto tu byla šance, že se u zákazníků neosvědčí a bude nutno se vrátit k původní variantě. Tento úkol byl nakonec vyřešen vyrobením vložky z texgumoidu, která byla vložena do stávajícího otvoru. Výroba takovéto vložky však představovala plných osm pracovních hodin, jelikož bylo nejprve nutno vyrobit šablony, upínací přípravek a pak šablonu vyfrézovat. Po odzkoušení několika kusů nových battery boxů jsme však zjistili, že zámek je příliš slabý a brzy se ulamuje. Zákazník tedy rozhodl, že se vrátíme zpět k americkému výrobku. Snažili jsme se dořešit problém s korejským výrobcem a ten odpověděl, že o problému vědí, a že ho řeší. Na celou věc se pak zapomnělo a znovu byla otevřena až v době, kdy bylo řešeno využití CNC v rámci této bakalářské práce. Korejský dodavatel nám nečekaně poslal nové vzorky, které měly zámek již zesílený. Proto bylo rozhodnuto využít možností CNC a vytvořit obě varianty. Vzhledem k jednoduchosti převodu dat z programu AutoCAD se jednalo o nakreslení nového tvaru bateriového zahloubení (cca 5 minut), přenosu pomocí převodníku do programu XILOG3 a následné implementace do řídícího programu. Celá realizace zabrala cca 30 minut. V porovnání s osmi hodinami u konvenční metody je rozdíl patrný. Stejným způsobem lze posoudit výrobu všech tvarových šablon, kdy u konvenční metody je nutno nejprve stanovit křivku, poté ji ručně přenést na šablonu, dotvořit její plynulost a pak je teprve možné ji kopírovat do přípravku. Výroba stejné šablony na CNC je časově méně náročná, jelikož vypouští časově nejnáročnější fázi přenosu a dolaďování křivky.
40
3.5.3 Ukázka části programu v G kódu ( battery cavity ) 00 619 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
620 621 622 623 624 625 626 627 628 629 630 631 632 633 634 635 636 637
XGIN G0 XG0 X=380 Y=222.46 Z=-8 V=5 S=24000# N="BATT_NEW" T=104 F=1 C=1 ;N=12 XL2P X380.00 Y170.34 XAR G2 r-8.00 X378.59 Y165.80 XAR G2 r-8.00 X375.01 Y162.92 XL2P X368.91 Y160.46 XL2P X352.09 Y160.46 XL2P X345.99 Y162.92 XAR G2 r-8.00 X343.15 Y164.88 XAR G2 r-8.00 X341.00 Y170.34 XL2P X341.00 Y222.46 XAR G2 r-8.00 X343.13 Y227.89 XAR G2 r-8.00 X349.00 Y230.46 XL2P X372.00 Y230.46 XAR G2 r-8.00 X377.79 Y227.98 XAR G2 r-8.00 X380.00 Y222.46 XGOUT C0 XGREP Z=-16 N="BATT_NEW" C=1 XGREP Z=-23 N="BATT_NEW" C=1
Vysoká variabilita CNC technologie je citelně znát nejen u přípravy technologických zařízení a přípravků, ale také u samotné výroby, kde významně ovlivňuje výslednou produktivitu. V konvenční výrobě, když potřebujeme změnit například tvar snímačů, je třeba sejmout stávající šablonu, usadit a vystředit ji na přípravek. Pak následuje ověření nastavení a teprve pak můžeme začít pracovat. Tato jednoduchá výměna šablony zabere zhruba jednu hodinu čisté práce, zatímco v CNC je přehození programu otázkou třiceti vteřin. Variabilnost CNC technologie je tedy zejména patrná ve schopnosti rychle a pružně reagovat na požadované změny na výrobku, které v konvenční technologii zvyšují časovou náročnost a celkový počet nevýrobních časů.
41
3.6
Posouzení technologických možností centra v porovnání s konvekcí
Z hlediska technologických možností je CNC na vysoké úrovni oproti konvenčnímu obrábění. Jednou z nejvýznamnějších výhod je možnost sousledného obrábění. Zatím co na konvenčních strojích je sousledné obrábění až na výjimky nemožné. Normou ČSN EN 848-2 (Bezpečnost dřevozpracujících strojů - Jednostranné frézky s rotujícím nástrojem) je sousledné obrábění dokonce důrazně zakázáno. Na CNC sousledného obrábění využít lze a ve vhodných případech (např. dokončující frézování „na čisto“) je jeho kvalita mnohonásobně větší. Nelze ale říci, že sousledné obrábění je lék na všechny neduhy. Při některých operacích je nevhodné (např. při odběrech větší třísky). Možností jeho využití zvyšujeme kvalitu opracování a tím šetří čas na konečných úpravách výrobku (např. broušení). Nevýhodou CNC strojů je omezení rozsahem funkčních pracovních os. Centrum, které jsme využili, je čtyřosé. Výroba složitějších tvarovaných ploch pomocí čtyřosého centra je časově náročná a v těchto případech se vyplatí kombinace s konvenční technologií. Na tento problém jsme narazili při otázce, jak obrobit tvarovou plochu vybrání pro tělo (bodyrest) a vybrání pro ruku (armrest).
3-7. Frézovaní BODYREST pomocí konvenčního přípravku
42
Vyrobit tyto tvary pomocí „našeho“ CNC by sice bylo možné, ale bylo by nutno využít CAM softwaru upraveného pro výrobu tvarových ploch. CAM software bohužel nemáme k dispozici a proto je tato varianta zatím zavrhnuta. Vzhledem k tomu, že se obě operace provádějí až na úplném konci a CNC technologie na nich tedy není závislá, je možné přesunout je do fáze „modelování“ a použít k jejich provedení stávajících konvenčních technologií.
3.7
Posouzení rizika materiálových ztrát při obou technologiích
Jak již bylo zmíněno v úvodu této práce, materiály na výrobu hudebních nástrojů jsou velmi drahé a eliminace ztrát je prvořadým úkolem. Z tohoto pohledu nelze provést hodnocení CNC technologie příliš pozitivně. Než se obvykle podaří vyladit programy, spotřebuje se poměrně hodně vzorků. Přesto, že na tyto zkušební vzorky lze použít levný materiál, je nutno použít stejnou technologii výroby polotovarů, kterou používáme pro „ostré kusy“, což je poměrně finančně náročné.
Zatímco u konvenční technologie je možnost kontroly při
provádění operací takřka okamžitá, na CNC musíme nechat prováděný cyklus nejdříve doběhnout, abychom se dobrali nějakého výsledku. Je tedy nutné, abychom při odlaďování programu měli vždy dostatek zkušebních vzorků z podřadných materiálů, na kterých vidíme nedostatky zvoleného algoritmu. Pro pětistrunnou variantu byly vyrobeny dva zkušební kusy z masivních materiálů a čtyři z MDF desky. Jelikož byl první masivní kus zničen hned u první zkoušky, zbyl na další testy jen jeden. Další testy byly posléze prováděny jen na vzorcích vyrobených z MDF desek. Na těchto se ale neprojevily všechny nežádoucí vlivy anizotropie dřeva a několik závažných vad jsme později odstraňovali až na výrobních kusech. V podstatě lze říci, že riziko materiálových ztrát u CNC technologie není o mnoho vyšší než u klasické konvenční technologie, odladění programu je však nákladnější, vzhledem k uvedené nutnosti existence více zkušebních kusů. Tento nepříznivý faktor je vyvážen mnohem kvalitnějším zpracováním povrchu než u konvenční technologie.
43
3.8
Stanovení bezpečnosti práce při obou technologiích
Bezpečnost práce u obou technologií hraje zásadní roli. Bez omezení rizika pracovního úrazu na bezpečné minimum nelze použít žádnou z technologií. Konkrétní požadavky na bezpečnost práce řeší normy: ČSN 49 6110 Bezpečnostní požadavky pro frézky ČSN EN 847-2 Bezpečnostní požadavky na stopkové frézovací nástroje (Část 2) Pro konvenční frézování pak bezpečnost řeší norma: ČSN EN 848-2 Bezpečnost práce na jednovřetenových horních frézkách s ručním posuvem Pro CNC frézky pak hlavně: ČSN EN 848-3 (496123) Bezpečnost obrábění na číslicově řízených (NC) vyvrtávačkách a horních frézkách (Část 3) Shrnutí hlavních bezpečnostních požadavků z těchto norem pro obě technologie: -
použití jen ostrých a nepoškozených fréz
-
soustředěnost a rozvaha při práci
-
spolehlivé a bezpečné upnutí obrobku
-
dostatečné zakrytování rotujících částí stroje
Pro konvenční technologii pak dále: -
striktní použití nesousledného frézování
-
šablony provedené z pevných materiálů, nepoškozené a spolehlivě upnuté
-
šablony dostatečně přesahující obrobek zajištující bezpečné najetí
-
úchopová místa na přípravcích chráněna a dostatečně vzdálena od rotujících částí stroje
-
pevné a spolehlivé upnutí fréz a kopírovacích trnů
Pro CNC technologie výhradně: -
upínací přípravek s dostatečně konstruovanou plochou vakuového upnutí
-
kvalitně a správně seřízený stroj, fungující všechny bezpečnostní okruhy
-
zajištění použití správných programů
-
optimálně stanovené frézovací otáčky a rychlosti posuvu
-
optimální odběry materiálů, nepřekračování dovolených hodnot
-
vědomí, že vždy víme, co CNC právě bude provádět
44
3.9
Problematika upínání dílců zejména malých rozměrů
Při zavádění výroby na CNC jsme narazili na problémy, které se u konvenční technologie nevyskytly. Na centru je upínání řešeno převážně pomocí vakuového upínacího stolu. U malých dílců, které jsme později frézovali na CNC (jejich zkoumání není obsahem této práce) se objevil jev, kdy přisávací plocha byla natolik malá, že síla vytvořená vakuem je menší než síla řezného odporu nástroje. Pak obrobek odpadne a stroj se zastaví. Stroj je pro tyto případy opatřen bezpečnostním okruhem – vakuostatem. Vakuostat vyhodnocuje rozdíl mezi minimálním nastaveným podtlakem a skutečným, co je naměřen na pracovním stole. Dojde-li k utržení obrobku od vakuového upínacího přípravku, podtlak na stole klesne a stroj se zastaví. Tento okruh má však určité reakční zpoždění a nedokáže stoprocentně zajistit nezničení obrobku či nástroje v rizikových případech. Jelikož již došlo při obrábění k uvolnění menšího dílce (krytu svorníku), předpokládali jsme, že ke stejnému problému může dojít i u frézování konečného tvaru kytary, kde máme k dispozici pouze omezenou plochu zadní strany těla. Proto je tento problém řešen třemi různými upínacími přípravky pro jednotlivé strunové varianty. U malých dílců, u kterých není možné zajistit upnutí pomocí vakua, je nutno vyrobit mechanické upínaní v přípravku, který bude mít dostatečnou plochu a jeho upnutí bude spolehlivé. Zde je však nutno dbát na zásadu, že veškeré upínací prvky musí ležet mimo všechny možné přesouvací dráhy nástroje. Je tedy nutno počítat s maximálními rozměry nikoliv podle obrobku, ale podle celkových rozměrů přípravků. To komplikuje tvorbu programu, protože výchozí hladina osy bude výše než hladina, ze které jsou počítány hloubky frézovaných částí obrobku. Veškeré jmenovité hloubky se pak následně musí zvětšit o rozměr posunutí hranice přesouvací roviny.
45
4 4.1
Ekonomické porovnání konvenční a CNC technologie Metodika
K porovnání ekonomické efektivity budeme posuzovat celkové náklady (fixní a variabilní), vynaložené při použití jednotlivých technologií vázané na počty kusů v jednotlivých výrobních sadách. K porovnání dat použijeme metodu analýzy bodu zvratu. Získaná data zakreslíme do společného grafu a vyhodnotíme je vzájemně. Tato metoda je vhodná zejména pro to, že lze jednoduše oddělit variabilní i fixní náklady a vypočítat tak celkové úspory.
4.2
Váha výnosů
Otázka první: Potřebujeme znát výnosy? Vzhledem k tomu, že stávající prodejní cena se při použití CNC technologie nezmění, je možné brát výnosy z obou technologií jako stejné (zákazník nám zaplatí stejně, bez ohledu jakou technologii použijeme). Směrodatným a přehledným faktorem, který budeme porovnávat, je úspora zdrojů (jak časových, tak finančních). Úspora času a financí, které jsou dosaženy změnou technologie, se promítne v celkové míře snížení nákladů a tím zvýšení vlastních výnosů. Celkové výnosy tedy znát nepotřebujeme. Za předpokladu, že bychom se výší výnosů zabývali, je důležité si uvědomit, že jsou kalkulovány na kompletní výrobek. Z našeho pohledu tedy ani není nutné analyzovat poměry, jakými se námi zkoumaná součást na celkových výnosech podílí. Pokud bychom potřebovali důkladnější rozbory těchto podílů, zjistili bychom to podrobnější analýzou. Z našeho pohledu je však plně dostačující zjištění, že snížení nákladů na výrobu těla bude mít významný vliv na snížení celkových nákladů. Ostatní součásti se podílí na celkových nákladech u obou technologií stejně a můžeme je tedy proti sobě vykrátit.
46
4.3
Návratnost investice do CNC technologie
Otázka druhá: Jak zjistíme, za jak dlouho se nám CNC technologie zaplatí? Celkové náklady na pořízení CNC technologie (výroba přípravků, vývoj programů) můžeme považovat za výdaje a je nutno započítat jej proti úsporám dosažených zavedením nové technologie. Úhrnem těchto investičních nákladů dostaneme částku X, kterou podělíme výší úspor za jednotku času (např. kalendářní měsíc). Výsledkem bude počet jednotek času, který potřebujeme k zaplacení celé investice. Po této době začne nová technologie přinášet zisk. Tímto výpočtem dostaneme také počet výrobků, které musíme novou technologií vyrobit, aby se nám jejich zavedení vyplatilo. K stanovení grafu nákladů máme k dispozici naměřená časová data z výroby tří skupin výrobních sad, rozdělených podle počtu kytar v každé skupině. Toto rozdělení je sestaveno z měření přímo ve výrobě, kdy v takovémto rozložení obvykle reflektuje tři běžné množstevní požadavky zákazníka. Tyto jednotlivé sady byly v průběhu sběru dat pro bakalářskou práci skutečně vyrobeny.
-
1. skupina – 1 kus kytary na sadu (obvykle u vzorků, případně zakázkových kusů či zkoušek nových materiálů či komponentů)
-
2. skupina – 4 ks kytar v sadě (u dražších modelů použití speciálních materiálů či materiálů dodaných zákazníkem)
-
3. skupina – 10 ks kytar v sadě (nejběžnější varianta, obsahuje standardní modely bez speciálních úprav, možno vyrábět i na sklad)
47
4.4
Fixní náklady
zahrnují celkové náklady na výrobu, které nejsou závislé na množství vyrobených výrobků: -
pronájem výrobních prostor
-
ceny služeb (např. plyn, voda, telefon, internet, účetnictví, banky, ostatní služby)
-
použití soukromého auta pro služební účely
-
amortizace strojů
-
fixní daně (např. silniční daň a daň z nemovitosti)
-
nepřímý spotřební materiál (např. čisticí prostředky, zářivky, filtry, ochranné pomůcky)
-
pojištění majetku
Průměrné měsíční fixní náklady činí 24 800 Kč. Časový fond pracovní doby je 250 dní v roce. Při 8,5-hodinové pracovní době činí fixní náklady po zaokrouhlení 150 Kč za 1hodinu.
Vzorec:
AFC (hod )
AFC (m) *12 250 * 8
AFC (hod )
148,82 Kč / hod
Hodinová fixní sazba je 148,82 Kč/hod = 150 Kč/hod
48
4.5
Variabilní náklady
Variabilní náklady se u jednotlivých modelů baskytar liší, závisí na modelu, typu jeho provedení (jednoduchý Perception I oproti honosnému Perception Pro Deluxe). Z našeho pohledu není tato variabilita příliš významná. My potřebujeme porovnat zejména rozdíl nákladů u obou technologií. Z tohoto důvodu použijeme zprůměrňovanou kalkulaci variabilních nákladů, kterou máme vyhotovenu v účetnictví pro účely administrativní evidence (např. kalkulace nedokončené výroby do inventury). Tyto kalkulace jsou vyhotoveny na základě zpětně analyzovaných záznamů z účetní evidence (kolik čeho bylo na daný kus vydáno) a je možno je tedy pro náš účel brát jako velmi přesné. Hlavním variabilním nákladem je mzda. Mzdové náklady celkem činí: 230 Kč/hod Ostatní variabilní náklady: energie (elektřina), doprava, přímý materiál, nepřímý materiál, obaly, náklady na likvidaci odpadů. Jelikož jsme se zaměřili jen na jednu součást, můžeme opět tyto ostatní variabilní náklady zanedbat, jelikož se u obou technologií projeví podobně. Výjimku tvoří elektřina. Bohužel však elektřinu měříme v provoze jako celek a spotřebu vyhodnocujeme 1x za rok, je časový úsek experimentu příliš krátký. Předpokládáme však, že s rostoucím použitím pronajatého CNC stroje (kde je elektřina zahrnuta v pronájmu), nám mírně poklesne spotřeba vlastní elektrické energie. O jakou míru poklesne, to zatím nejsme schopni přesně určit. Toto hledisko je pozitivním faktorem pro hodnocení výhod CNC technologie. K výpočtu spotřeby elektrické energie u konvenční technologie jsme použili souhrn spotřebovávané energie při obvyklém použití provozu (při souběhu max. dvou strojů – vlastní stroj + motor odsávání). Z těchto hodnot byl stanoven energetický náklad na 1 hodinu stroje = 25 Kč/hod
49
4.5.1 Jednoduchá časová analýza Základní analýzu provedeme porovnáním časových nároků na jednotlivé technologie v závislosti na počtu vyráběných výrobků (těl baskytar) v jedné sadě. Zjištěné hodnoty časových spotřeb z výkazu práce (v hod.): Konvenční technologie: - fixní čas potřebný pro nastavení strojů, nástrojů a výrobu přípravků pro jednu výrobní sadu (součet časů netechnologických operací) = 4h - čas potřebný pro výrobu jedné kytary (součet časů technologických operací) = 2h
CNC technologie: - fixní čas potřebný pro přípravu CNC stroje (naprogramování) a výrobu přípravků pro jednu výrobní sadu (součet časů netechnologických operací) = 9h - čas potřebný pro výrobu jedné kytary (součet časů technologických operací, celkový výrobní čas/počet ks) = 0,8h
4-1. Perception I Burl Alder
50
5
Výsledky
Tabulka 1: Porovnání časové efektivity CNC a konvenční technologie
Počet výrobků v jedné výrobní sadě [ks] 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Čas potřebný pro jejich výrobu *hod+ (součet technologických a netechnologických operací) Konvenční technologie
6,5
9
11,5
14
16,5
19
21,5
24
26,5
29
CNC technologie
9,8
10,6
11,4
12,2
13
13,8
14,6
15,4
16,2
17
Čas potřebný pro výrobu [hod]
Porovnání časové efektivity CNC a konvenční technologie k počtu výrobků v jedné sadě 35 30 25 20
Konvenční technologie
15
CNC technologie
10 5 0 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Počet kytar v jedné výrobní sadě [ks]
Graf 1: Porovnání časové efektivity CNC a konvenční technologie. Z grafu je patrný vztah časové náročnosti k počtu vyrobených kusů. Při výrobě do 3ks výrobků se z časového hlediska vyplatí použití konvenční technologie. Při výrobně nad 3ks výrobků je již výhodnější použití CNC technologie.
51
Graf 1 a tabulku 1 můžeme také jednoduše vztáhnout na časový výkon uplatněný na jeden vyrobený kus. To provedeme prostým dělením celkového času počtem ks výrobků (kytar) pro jednu výrobní sadu (tabulka Y).
Tabulka 2: Porovnání časové efektivity CNC a konvenční technologie na jeden kus Počet výrobků v jedné výrobní sadě [ks] 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Čas potřebný pro výrobu jednoho kusu výrobku (kytary) *hod+ 6,5
4,5
3,83
3,5
3,3
3,17
3,07
3
2,94
2,9
CNC technologie
9,8
5,3
3,8
3,05
2,6
2,3
2,09
1,93
1,8
1,7
Čas potřebný pro výrobu jednoho kusu výrobku [hod]
Konvenční technologie
Porovnání časové efektivity CNC a konvenční technologie k počtu výrobků v jedné sadě 12 10 8 6
Konvenční technologie
4
CNC technologie
2 0 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Počet kytar v jedné výrobní sadě [ks]
Graf 2: Porovnání časové efektivity CNC a konvenční technologie. Graf znázorňuje závislost časové náročnosti jednoho kusu výrobku k množství výrobků v jedné sadě. Z grafu 1 a grafu 2 je patrné, že časová náročnost přepočtená na jeden kus výrobku se při použití CNC technologie vyplatí už v počtu 3 ks ve výrobní sadě. Toto zhodnocení nám ale nedává celkovou míru efektivity, protože do celku vstupuje řada dalších proměnných nákladů.
52
5.1
Celková analýza
Po započítání všech uvažovaných fixních a variabilních nákladů dostaneme celkový obraz nákladů, který vyneseme do grafu, jak bylo stanoveno v úvodní metodice. Zjištěné fixní náklady na 1 hodinu u konvenční technologie činí: Mzda operátora včetně odvodů:
230Kč
Fixní náklady:
150Kč
Variabilní náklady ostatní (el. energie):
25 Kč
Celkem:
405 Kč/hod
Zjištěné fixní náklady na 1hodinu u CNC technologie činí: Pronájem CNC stroje byl dohodnut na částku 1000 Kč za hodinu čisté práce (tzv. provozní hodinu). Provozní hodinou se rozumí čistý frézovací čas, který stroj měří na počítadle. Pokud spočítám všechny prostoje, přípravy a časy nutné k obsluze stroje, lze stanovit, že jedna pracovní hodina na stroji odpovídá 1/3 provozní hodiny. Fixní náklad na jednu hodinu práce na CNC lze počítat na 333 Kč. Mzda operátora včetně odvodů:
230Kč
Fixní náklady:
333Kč
Celkem:
563 Kč/hod
Variabilní náklady ostatní (el.energie) jsou již započítány v pronájmu stroje.
Tabulka 3: Porovnání celkových nákladů na výrobní sady v Kč pro CNC a konvenční technologii. Počet výrobků v jedné výrobní sadě [ks] 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11745
Celkové náklady na výrobní sany *Kč+ Konvenční technologie
2632,5
3645
4657,5
5670
6682,5
7695
8707,5
9720
10733
CNC technologie
5488
5936
6384
6832
7280
7728
8176
8624
9072
9520
Rozdíl na sadu *Kč+
-2856
-2291
-1727
-1162
-597,5
-33
531,5
1096
1660,5
2225
53
Výrobní náklady na jednu sadu [Kč]
Porovnání výrobních nákladů CNC a konvenční technologie k počtu výrobků v jedné sadě 14000 12000 10000 8000
Konvenční technologie
6000
CNC technologie
4000 2000 0 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Počet kytar v jedné výrobní sadě [ks]
Graf 3: Graf celkových nákladů v závislosti na počtu kusů v sadě Pro lepší názornost uvedeme tabulku 3 a graf 3 ve formě vztažených hodnot na jeden výrobek v závislosti na velikost sady. Tabulka 4: Porovnání nákladů na výrobu jednoho výrobku v Kč pro CNC a konvenční technologii. Počet výrobků v jedné výrobní sadě [ks] 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 1175
Náklady na výrobu jednoho kusu výrobku *Kč+ 2633
1823
1553
1418
1337
1283
1244
1215
1193
CNC technologie
5488
2968
2128
1708
1456
1288
1168
1078
1008
952
Rozdíl na kus *Kč+
-2856
-1146
-576
-291
-120
-6
76
137
185
223
Výrobní náklady pro jeden výrobek [Kč]
Konvenční technologie
Porovnání výrobních nákladů CNC a konvenční technologie k počtu výrobků v jedné sadě 6000 5000 4000 Konvenční technologie
3000
CNC technologie
2000 1000 0 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Počet kytar v jedné výrobní sadě [ks]
Graf 4: Graf nákladů pro jeden výrobek v závislosti na počtu kusů v sadě 54
Porovnání úspor Odečteme-li celkové náklady na zavedení n-kusé série u CNC od konvenční technologie, dostaneme graf, který znázorňuje průběh celkových úspor v závislosti na počtu kusů ve zpracovávané sérii.
Rozdíl výrobních nákladů [Kč]
Rozdíl výrobních nákladů konvenční a CNC technologie k počtu výrobků v jedné sadě 500 0 -500 -1000 -1500 -2000 -2500 -3000 -3500
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 Rozdíl na kus *Kč+
Počet kytar v jedné výrobní sadě [ks]
Graf 5: Rozdíl nákladů na výrobu jednoho kusu výrobku konvenční technologií k CNC technologii v závislosti na počtu kusů v jedné výrobní sadě (sérii)
Záporné hodnoty úspor ukazují, kde je ještě CNC technologie dražší než konvenční. Bod přelomu nastává mezi hodnotou 6 až 7 ks výrobků (kytar) v sérii. Od sedmi kusů je použití CNC technologie v našem případě výhodnější.
Z uvedených hodnot jasně vyplývá minimální počet ks výrobků (kytar), který musí být v sérii, aby se jí vyplatilo vyrábět pomocí CNC technologie. Tyto výstupy však mají jen kvantitativní charakter a nezahrnují jiné výhody CNC technologie.
55
5.2
Návratnost zavedení CNC technologie
K výpočtu návratnosti zavedení CNC technologie potřebujeme znát celkové náklady na její zavedení. Počítač se software na převody z AutoCADu nám poskytla firma, které patří CNC centrum. Součet nákladů: MDF desky na výrobu upínacích přípravků
3200 Kč
Spojovací materiál:
250 Kč
Těsnící guma
600 Kč
Investice do speciálních řez.nástrojů
6500 Kč
Software AutoCAD LT 2009-04-21
19 600 Kč
Celkem
30 150 Kč
Jestliže uvažujeme výrobu o 10-ti kytarách v sérii, je úspora na jednom kuse kytary 223 Kč. K tomu je nutno připočítat časovou úsporu 1,2 hodiny práce na jednom kuse (zkrácení výroby u CNC oproti konvenci) vyjádřenou souhrnem úspor fixních a mzdových nákladů ve výši 486 Kč (405 Kč/hod). Celkem je tedy úspora CNC technologií na jednom kuse (v sérii 10ks) = 709 Kč. Investice do zavedení nové technologie ve výši 30 150 Kč se tedy vrátí během 43 ks kytar, což je při průměrné měsíční produkci 6 ks kytar (1,5ks týdně) návratnost za 7,16 měsíců (28,6 týdne).
56
6
Diskuze
U obou vyzkoušených technologií jsme nalezli kladné i záporné stránky. Výhodou konvenční technologie je relativně snadná použitelnost i v minimálních kusových sériích. V podstatě lze s nadsázkou říci, že minimální množství, které je možné řešit pomocí konvenční technologie, je 1ks.
Další výhodou je poměrně snadná dostupnost vstupů
potřebných k vyrobení a zavedení technologických prostředků. Celou technologii lze jednoduše postavit na běžně dostupných truhlářských strojích s pomocí běžně dostupných materiálů (překližky, MDF, kovy, běžné spojovací materiály). Výraznou nevýhodou je obrovská časová náročnost přípravy celého vybavení a to zejména speciálních přípravků. Přestože jsou přípravky poměrně jednoduché a materiálově nenáročné, požadavky na přesnost a bezpečnost zvyšují nutnou míru pracnosti na takovou úroveň, že cena práce daleko převyšuje cenu použitých materiálů. Celková příprava konvenční technologie výroby těla modelu Perception nám například reálně zabrala přes čtyři sta pracovních hodin, což je hodnota velmi veliká. Další nevýhodou konvenční technologie je nízká variabilita změn. Jakékoliv úpravy a změny přestavují opět časově náročné zásahy do technologických prostředků, případně pořizování nových. I malá změna součásti (např. při změně dodavatele) představuje těžkopádné změny, které se promítnou do mnoha výrobních operací. Přes nižší přesnost konvenční technologie přesto představuje ideální variantu výroby, jedná-li se o malé série. U výrobního množství 2-3 ks je její ekonomická výhodnost oproti CNC technologii natolik významná, že menší přesnost oželíme.
U větších sérií (4-7ks) je
konvenční technologie sice levnější než CNC, zde je však nutno zvážit, nakolik je nižší přesnost a kvalita obrobení pro danou sérii akceptovatelná.
57
Pokud porovnáváme obě technologie jen z hlediska časových úspor, je patrné, že již při 4 ks je CNC technologie rychlejší. Zde je potřeba vzít na vědomí časové náročné prostoje vlivem lidského faktoru (neúplnost připraveného nářadí, zapomenutý přípravek či fréza). Ekonomicky se začínají vyplácet počty 7 a více kytar v sérii. Zde je nutno připomenout výrazně větší přesnost a kvalitu obrobených ploch, která se projeví v dalších návazných operacích (např. broušení). Tato vzájemnost je často citována v odborné literatuře: Je nutno si uvědomit, že dobře připravené plocha strojem, potřebuje malé úsilí při broušení člověkem. To platí i naopak. (Šplíchal, Votavová 2007) Zajímavých výsledků bylo dosaženo při porovnávání sériích o 10-ti kusech. Zde je nutno podotknout, že série o tomto počtu jsou naším cílem. Tento objem není žádoucí jenom z výrobního hlediska, ale i z důvodů úspor na nákupu materiálu a úspor při logistickém řešení hotových výrobků. Zde je úspora jak časová tak i ekonomická. Podstatným výsledkem celé ekonomické analýzy je výpočet návratnosti celé investice do CNC technologie. Zde jsme očekávali mnohem delší časový úsek a výsledek je tedy pro nás příjemným překvapením. Zde je nutno sebekriticky podotknout, že celý výzkum a výsledky stojí z hlediska praktického využití na tenkých základech. CNC, které bylo a je k dispozici, je pronajímáno za nekomerčních podmínek. Cena, kterou platíme za pronájem je poměrně nízká a je ovlivněna výraznou náklonností majitele centra k námi prováděnému projektu. Jestliže by z jakýchkoliv příčin nebyla nadále spolupráce možná, bylo by nutno přijmout některou z komerčních nabídek, která bude výrazně finančně a organizačně náročnější. Tím by se celá analýza musela přepracovat a hodnoty dosažených výsledků by jistě pro CNC technologii nehovořili tak příznivě.
58
7
Závěr
Použitelnost CNC technologií v tak úzce specializovaném oboru jako jsou hudební nástroje je důkazem, jak se tyto moderní technologie masivně rozšiřují do všech dřevozpracujících oborů. Námi provedený experiment byl iniciován jednak potřebami naší firmy, jednak hledáním vhodného tématu pro bakalářskou práci. Na počáteční myšlenku: „chtělo by to zkusit to céencéčko…“ navázalo rozhodnutí: „…a proč tedy ne…“ a zbývala už jen odpověď na otázku: „…Jak na to?“ Tato odpověď byla hlavním cílem této práce. Druhým cílem této práce bylo zhodnotit, zda-li je ekonomicky smysluplné zavádět tuto nákladnou technologii do výroby našeho rozsahu. Celý postup byl v průběhu experimentu zdokumentován, posuzován a měřen. Výsledky zkoumání byly zaznamenány a pomocí jednoduchých metod vyhodnoceny. Výsledky ukázaly, že i v tak malém měřítku soukromé firmy je možné CNC technologii použít, zvládnout a dokonce i zaplatit. Opakovatelnost, možnosti dosáhnout skvělých povrchů v konvenčních technologiích jinak nemyslitelných, bezpečnost, variabilita jsou vedle ekonomických úspor hlavními přednostmi, které pro CNC technologii hovoří. Souběžně bylo také zjištěno za jakých podmínek je CNC technologie v našem případě výhodná a jak tenká je hranice k jejímu otočení do nevýhody. Jako největší pozitivum bylo vyhodnoceno zvládnutí CNC technologie autorem samotné práce, které by bylo možno označit za větší přínos než vznik práce samotné.
7-1. Těla Perception v lakovně
59
8
Použitá literatura a rejstříky 1. MODR, A. 2002: Hudební nástroje. 9. vyd. Praha: Editio Bärenreiter, 283 s. ISBN 80-86385-12-4. 2. WILLIAMS, J. 2003: Piano : [průvodce hudebním nástrojem a jeho místem v dějinách]. [Praha]: Slovart, 160 s. ISBN 80-7209-473-4. 3. KRÁL, P., ŠRAJER, J. 2008: CNC obráběcí centra. Zemědělská 1, 613 00 Brno: Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně, 79 s. ISBN 978-80-7375-163-0. 4. PLÁTENÍK, J. 2008: Vliv anizotropie dřeva na posuv do řezu. In TESAŘOVÁ, D. -HARASLÍNOVÁ, L. Informační bulletin a sborník statí 2008. Ediční středisko MZLU Brno: Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně, s. 81--85. ISBN 978-80-7375-173-9. 5. ŠPLÍCHAL V., OTAVOVÁ M. 2007: Zlaté ruce, Poselství dřeva : most mezi minulostí, přítomností a budoucností, Golempress, ISBN: 78-80-903883-0-7 6. HOPKIN, B., 1996: Musical Instrument Design: Practical Information for Instrument Design See Sharp Press ISBN: 1884365086 7. CARTER, W. 1995: The Martin Book: A Complete History of Martin Guitars Backbeat Books, ISBN: 0879303549 8. BACON, T. 1997: The Ultimate Guitar Book Alfred A. Knopf publishing, ISBN 0375700900 9. SACHS, C. 1940: The History of Musical Instruments WW Norton & Co Inc, ISBN 978-0393020687 10. ŠTULPA M., 2006: CNC obráběcí stroje a jejich programování Nakladatelství technické literatůry – BEN, ISBN 80-7300-207-8 Webové stránky: www.overwaterbasses.com www.wikipedia.org
60
Seznam použitých obrázků 1-1. Popis baskytarového krku ................................................................................................. 10 1-2. Popis baskytarového těla................................................................................................... 11 1-3. Baskytara Overwater ......................................................................................................... 12 1-4. Team firmy Overwater ...................................................................................................... 13 1-5. Haydn Williams ................................................................................................................ 13 1-6. Perception I (archív firmy Overwater) .............................................................................. 14 2-1. Perception sestava – přední pohled ................................................................................... 20 2-2. Perception sestava – zadní pohled .................................................................................... 20 2-3. Tělo Perception I v prostředí eDrawings .......................................................................... 21 2-4. Tělo Perception II ............................................................................................................. 21 2-5. Diagram výroby sendviče ................................................................................................. 25 2-6. Diagram výroby těla ......................................................................................................... 26 2-7. CNC centrum SCM Record .............................................................................................. 27 3-1. Ukázka prostředí XILOG 3 ............................................................................................... 32 3-2. Vizualizační mód XILOG 3 .............................................................................................. 33 3-3. Tvorba G-kódu .................................................................................................................. 33 3-4. Diagram výroby korpusu na CNC .................................................................................... 34 3-5. Analýza plochy využitelné k vakuovému upnutí (AutoCAD) .......................................... 38 3-6. Battery box typ Korea vs. Americký typ .......................................................................... 39 3-7. Frézovaní BODYREST pomocí konvenčního přípravku ................................................. 42 4-1. Perception I Burl Alder ..................................................................................................... 50 7-1. Těla Perception v lakovně ................................................................................................. 59
Seznam použitých tabulek Tabulka 1: Porovnání časové efektivity CNC a konvenční technologie………………….….51 Tabulka 2: Porovnání časové efektivity CNC a konvenční technologie na jeden kus……….52 Tabulka 3: Porovnání celkových nákladů na výrobní sady u obou technologií………….…..53 Tabulka 4: Porovnání nákladů na výrobu jednoho výrobku u obou technologií……………..54
Seznam použitých grafů Graf 1: Porovnání časové efektivity CNC a konvenční technologie…………………………51 Graf 2: Porovnání časové efektivity CNC a konvenční technologie…………………………52 Graf 3: Graf celkových nákladů v závislosti na počtu kusů v sadě…………………………..54 Graf 4: Graf nákladů pro jeden výrobek v závislosti na počtu kusů v sadě……………..…..54 Graf 5: Rozdíl nákladů technologií u jednoho kusu výrobku konvenční k CNC…… …….55
61
Související normy Dřevozpracující průmysl ČSN EN 1001-1/2 (490001) Trvanlivost dřeva a materiálů na bázi dřeva ČSN 49 0010 (490010)
Tolerance pro dřevozpracující průmysl
ČSN 49 6110 (496110)
Dřevozpracující zařízení. Bezpečnostní požadavky pro frézky
ČSN EN 847-2 (496122)
Nástroje na strojní obrábění dřeva - Bezpečnostní požadavky -
Část 2: Požadavky na stopkové frézovací nástroje ČSN EN 847-3 (496122)
Nástroje na strojní obrábění dřeva - Bezpečnostní požadavky -
Část 3: Upínací zařízení ČSN EN 848-2 (496123)
Bezpečnost dřevozpracujících strojů - Jednostranné frézky s
rotujícím nástrojem - Část 2: Jednovřetenové horní frézky s ručním/strojním posuvem ČSN EN 848-3 (496123)
Bezpečnost dřevozpracujících strojů - Jednostranné frézky s
rotujícím nástrojem - Část 3: Číslicově řízené (NC) vyvrtávačky a horní frézky ČSN EN 1807 (496125)
Bezpečnost dřevozpracujících strojů - Pásové pily
ČSN EN 1870-1 (496130)
Bezpečnost dřevozpracujících strojů - Kotoučové pily - Část 1:
Stolové kotoučové pily (s posuvným a bez posuvného stolu) Hudební nástroje ČSN 89 0000 Hudební nástroje. Třídění a názvosloví hudebních nástrojů (vydáno 1973) (zrušena bez náhrady ke dni 6.1.2000)
Přílohy: - Výkresová dokumentace baskytary Overwater Perception I - G-kód pro CNC SCM Record 3200
62
Summary The application of CNC technology in such a narrow field, such as musical instruments is a proof of how these modern technologies massively expanding in all fields of woodworking.
Our experiment was initiated by the needs of our company, and finding a suitable topic for thesis. The initial idea "I would try to CNC..." had made a decision: "... and why not ..." and left unanswered question: "How to ...?" The answer to the question was the main goal of this thesis. The second goal was to assess whether it is meaningful to introduce this expensive technology to manufacture of our range.
The whole process has been documented during the experiment, assessed and measured. The results of the examination were recorded and evaluated by using of simple methods. The results showed that even such small-scale private firms can use CNC technology, manage them and even pay off. Repeatability together with the possibility of achieving an excellent surfaces, safety and economic savings are the main advantages, which speaks for the CNC technology. In parallel, it was also found the conditions under which the CNC technology is useable in our case. It was also found, how advantageous it is a how thin is the border to turn it into disadvantages.
As the largest positive effect was management of CNC technology by author of the thesis, which could be described as greater benefits than the creation of the thesis itself.
63
