1. A megmunkálási módok osztályozása Bővebb értelmezésben: - tömeg csökkentő (anyagszétválasztó) - tömeg megtartó - tömeg növelő
Különleges gyártástechnológiák (BSc)
pl. forgácsoló megmunkálások pl. hőkezelések, öntés, szinterelés pl. bevonatolás, hegesztés, ragasztás
Alaptechnológiák:
www.uni-miskolc.hu/~ggytmazs
- forgácsolás - képlékeny alakítás - egyéb
2
A forgácsoló eljárások osztályozása sokféle szempont szerint lehetséges
c) A leválasztott forgács elméleti jellemzői alapján - forgácskeresztmetszet • állandó • változó - a forgácsleválasztás jellege • folyamatos • szakaszos d) Az alakképzés geometriája alapján - profilozás ( a szerszám alakjának negatívja alakul ki a munkadarabon) - generálás,lefejtés: a szerszám él és a mdb relatív mozgása alakítja ki a felületet - (másolás): mesterdarab alakját követi a szerszám
a) Szerszámgép (megmunkálási mód) alapján - esztergálás - fúrás - marás - gyalulás - köszörülés - stb. b) Szerszám élgeometria alapján - határozott élű szerszámokkal - határozatlan élú szerszámokkal
3
4
2. Különleges megmunkálások
e) A megmunkálás mozgásviszonyai (főmozgás) alapján - egyenesvonalú - forgó - rezgő - stb.
- Kifejlesztésüket a megmunkálandó anyagok fejlődése indikálta - anyagválasztás anyagkészítés Új anyagszétválasztási technológiák
f) A hasznosított energia tipusa alapján - mechanikai - hő (elektro-termikus) - kémiai - elektro-kémiai
- A szerszám (ha van) nem kell keményebb legyen a munkadarabnál - Különböző energia formák hasznosítása: - Mechanikai - Hő Különleges megmunkálás: - Kémiai Fizikai folyamatuk lényegében vagy - Elektrokémiai folyamatjellemzőkben jelentősen különböznek a hagyományos eljárásoktól
5
Különleges megmunkálások csoportosítása Mechanikai energiát hasznosítók
Kémiai energiát Elektro-kémiai energiát hasznosítók hasznosítók
2.1. Elektroeróziós megmunkálások (Szikraforgácsolás, EDM Electro Discharge Machining) Hőenergiát hasznosító eljárás (A hőenergiát különféle módokon hozhatjuk létre, e szerint különböztetjük meg az eljárásokat)
Ultrahangos
Vízsugaras
Abrazív vízsugaras
Kémiai
Elektro-kémiai
Hőenergiát hasznosítók
Elektro-eróziós
Lézersugaras
Elektronsugaras
Ionsugaras
Plazmasugaras
- szokták ezt az eljárást az ún. villamos megmunkálások közé is sorolni - a villamos energiát nem mechanikaivá alakítja, hanem hőenergiává - az anyagleválasztásra fordított hányad kevés, a hatásfok kicsi - csak villamosan vezető anyagok munkálhatók meg így - szerszáma: elektróda, a mechanikai tulajdonságok nem fontosak - vezetőképesség - hőkapacitás - olvadáshő
A szikraforgácsoló rendszer felépítése
Elektroeróziós megmunkálások
Szikraforgácsolás: - elektródákat (T – W) egyenfeszültségre kapcsol - dielekrikumba (szigetelő folyadékba) merülve - kisüléssorozat létrehozása az elektródák között
Erózió: Külső hatásra létrejövő jelentős mértékű roncsolódás Elecktro-erózió:
Elektromos kisülés hatására jön létre
- szikrakisülés - ívkisülés - (hideg kisülés)
Kisülések szabályozása
1: dielektrikum 2: előtoló mű 3: generátor E: szerszám W: munkadarab
hatására megy végbe
Elektroeróziós megmunkálás
Tömbelektródás szikraforgácsolás
2.1.1 Az anyagleválasztás folyamata szikraforgácsoláskor
- feszültség kapcsolása az elektródákra - potenciálkülönbség létrejötte a dielektrikumban az elektródás között (80-250V) - ionizáció a folyadékban (a) - a szigetelő „átüt”, vezető csatorna jön létre (szikra, ív) (b, c, d) - az ív hőmérséklete nő (10000K), gázbuborék keletkezik (c, d, e) - az anyag megolvad, gőzzé válik, szétfröccsen (e) - az ívfeszültség gyorsan esik, az energia utánpótlás megszűnik, a kisülési csatorna összeomlik, a gázbuborék szétrobban (f) - a megolvadt fém apró cseppekben szilárdul, kényszeröblítés - deionizáció, a teljes ciklusidő ~ 10-50µs 11
12
2.1.2. A szikraforgácsoló rendszer elemei
Tömbelektródás szikraforgácsoló gép felépítése
Tömbelektródás szikraforgácsoló gép felépítése
13
a) A szikraforgácsoló gép gerjesztése
14
b) Dielektrikum Szükséges tulajdonságok:
A megmunkálási ciklust ún. impulzusgenerátorokkal vezéreljük - vezérelt impulzusgenerátor a generátor egyenfeszültségét tranzisztor és kapcsoló segítségével visszük az elektródákra - relaxációs generátor (olcsó) kapcsoló és tároló elemként kapacitást és induktivitást alkalmaznak - számítógépes vezérlés 15
- kis vezetőképesség (kisebb távolságnál jön létre a kisülés, nagyobb energiasűrűség, jobb leképzés) - viszkozitás: nagyoláshoz nagy simításhoz kicsi - ne legyen egészségre ártalmas, - nagy forráspont ill lobbanáspont - anyaguk jellegzetesen: petróleum bázisú paraffinok vagy deionizált víz (kis furatok pl.) - hűteni és szűrni kell - a munkatérben mindig friss kel (áramoltatás)
16
Öblítési technikák
c) Szerszám elektróda Szükséges tulajdonságok:
Normál
- magas olvadáspont - jó elektromos vezető - könnyen megmunkálható
Sugár
Leggyakoribb szerszámanyagok: - vörösréz, sárgaréz - grafit
Fordított
Rezgetéses
17
A grafit napjainkban kezdi kiszorítani a rezet:
18
2.1.2 Technológiai jellemzők
Hőtágulási együtthatója a negyede a rézének, (alak és mérethűség) Sűrűsége ötöde a rézének, (könnyebb)
- a leválasztott anyagrész annál nagyobb, minél nagyobb a kisülés energiatartalma
Leválasztóképessége 1,5-3 –szor nagyobb Az elektróda kopása
Kisebb a kopása Nagyobb méretek alakíthatók ki belőle Nagyobb hősokk-kal szembeni ellenállás Megmunkálhatósága sokkal könnyebb
- mennyiségi - sarok - frontális - oldal
Egyszeri szikrakisülés okozta kráter fémfelületen
A grafit szublimál 3550 °C-on, fekete füstfellegek kísérik a EDM-et
19
20
Az áramerősség hatása a relatív kopásra
Technológiai jellemzők
- anyagáram, mm3/min, időegység alatt leválasztott anyag - az elektróda relatív kopása, %, elektróda kopás/mdb fogyás Az optimumérték 3-4 A áramerősségnél van
általában <10% elérhető (van példa 2 %-ra is)
- áramerősség: Iv - ciklusidő: ti
21
22
2.1.3 A felület minősége - irányítottság nélküli kráterek áthatása
d, h (Rmax) méretekkel jellemezhető - a felületi rétegben jelentős változások történnek - a ciklusidő és az áramerősség befolyásolja elsősorban Azonos energia esetén Ie növelésével d csökken, h nő tc növelésével d nő, h csökken
Azonos energia esetén Ie növelésével d csökken, h nő tc növelésével d nő, h csökken 24
Az áramerősség és a ciklusidő hatása a felület érdességére
2.1.4 A felület alatti rétegek tulajdonságai A hőhatás zónájában megváltozik a szövetszerkezet ill. az anyag tulajdonsága pl. edzett acél - Felület nagyon kemény - Maradófeszültség: az ujraszilárdult rétegben húzó, alatta nyomó (kedvezőtlen) - Rossz kifáradási tulajdonságok - Felületi réteg hálós repedésének veszélye
A felületi érdesség a ciklusidő és az íváram növelésével növekszik
2.1.5 A megmunkálás pontossága
2.1.6 A szikraforgácsolás változatai
Elsősorban az alkképzés pontosságát értjük alatta. Több tényező befolyásolja:
- a gép kinematikai pontossága - beállítás pontossága - szerszám gyártási pontossága - hő okozta deformációk - elektróda rés egyenetlensége - elektródafogyás - egyenlőtlen anyagleválasztás
Valódi változatok: - tömbelektródás - huzalelektródás
Huzalos szikraforgácsolás - huzal: 0,05-0,3 mm átmérőjű vörös- vagy sárgaréz - szigetelő folyadék: deionizált víz - a huzal lassan fogy, pótolják - elektróda rés egyenetlensége - elektródafogyás - egyenlőtlen anyagleválasztás
Ma már CNC vezérlésűek Léteznek kombinált berendezések is.
2.2 Lézersugaras megmunkálások Az első lézer: rubin lézer
(LBM, Laser Beam Machining)
Theodore Maiman (1960)
L
A
S
E
R
Ipari megmunkálások: vágás, fúrás, hegesztés, feliratozás, hőkezelés, átolvasztás, felületi mikroötvözés
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation magyarul: fényerősítés indukált emisszióval Lézer: erős, párhuzamos fénysugarat adó fényforrás.
Lézersugár: nagy energiasűrűségű (koncentrált), párhuzamosított fénynyaláb, mintha végtelenben lévő fényforrásból jönne, kis átmérőben szabályozható.
Lézersugárzás: 1917 Einstein elmélete: megelőlegezte, hogy bizonyos feltételek együttállásakor a fény adott közegben nem csak gyengülhet, hanem erősödhet is
1/
2
3
4
2.2.1 Stimulált emisszió (áttekintés)
A stimulált emisszió útján felszabaduló foton energiája, frekvenciája, fázishelyzete és haladási iránya azonos a stimulálást kiváltó fotonéval, továbbá az így „megszaporodott” fotonok további kölcsönhatások révén még újabb fotonokat szabadíthatnak fel.
Spontán emisszió
Stimulált emisszió
5
6
2.2.2 Optikai rezonátor
• Azok a fotonok melyek haladási iránya nem merőleges a tükörre, kiszöknek az optikai üregből • a két tükör tengelye mentén haladó fotonok száma nagyon megnövekszik, és fényerősítés történik stimulált sugárzás kibocsátással
7
8
Optikai rezonátor
A lézer közeget két tükör közé helyezik. A fénysugár ide-oda verődik, így a fotonok átlagos úthossza megnő, s vele együtt a stimulált emisszió valószínűsége. 9
10
Az erősítő interferencia feltétele
2.2.3 Lézersugár előállítása
Állóhullám kialakulása: L m
A frekvencia: ‐ Energia bevitellel (fény, hő) gerjesztjük az atomok, molekulák, ionok elektronjait, vagy megváltoztatjuk a molekulák rezgési állapotát. ‐ A gerjesztett elektronok magasabb energianívójú elektronpályára kerülnek. ‐ Az alapállapotba történő visszatérés során a két elektronpálya energiakülönbségének megfelelő hullámhosszúságú fényt sugároznak ki. ‐ A kisugárzott fényt rezonanciával erősítjük (a lézerkamra a hullámhossz felének egész számú többszöröse, egyik vége teljesen visszaveri a fényt, a másik részlegesen).
11
c
hullámhossz, m: nagy egész szám
2
.
mc 2L
12
Energia szint diagram
2.2.4 A lézerfény jellemzői
• A fény színe (hullámhossza) az elektronpályák közötti energiaszint különbségtől függ
Párhuzamos fénynyaláb (egy közönséges izzóval ellentétben). Monokromatikus, mivel a gerjesztett atomok meghatározott frekvenciájú sugárzást bocsátanak ki (a közönséges izzó fehér fénye különböző frekvenciájú sugárzások keveréke).
E4 E3
Koherens: azaz a fényhullámok azonos fázisban vannak
E2
Polarizált (egy síkban rezgő) fény. A lézerek energiája kis térrészben koncentrálódik, impulzus üzemmód esetén nagyon rövid időtartamban.
E1
A lézerfény teljesítménysűrűsége nagy (a megszokott fényforrásokénak sokszorosa lehet). A lézerek hatásfoka nagyon kicsi (0,1‐18%). 13
14
2.2.5 Lézerek típusai (a lézerközeg alapján)
A lézerfény tulajdonságai
• Nem befolyásolja a mágneses tér.
• Szilárdtest (szennyezettionkristály)‐lézer, lézer közeg: ionos szigetelő, amely kis koncentrációban szennyező fémiont tartalmaz. ‐ Rubin lézer ‐ Nd‐YAG lézer (Neodímium‐Yttrium‐Alumínium‐Gránát) ‐ Titán‐zafír‐lézer • gázlézer
• Nem szükséges, hogy a munkadarab elektromos vezető legyen. • Minden anyaggal kölcsönhatásba lép (fém, műanyag, fa, kerámia). • Működéséhez nem kell vákuum. • Nem keletkezik röntgen‐sugárzás
• félvezetőlézer • folyékony festéklézer • plazmalézer
15
16
Rubin lézer
Jellegzetes lézer fényforrások - Rubin lézer - Nd-YAG lézer (Neodímium-Yttrium-Alumínium-Gránát) - CO2 lézer - stb Rubin lézer
-csak azok a sugarak maradnak meg a rendszerben, amelyek szigorúan párhuzamosak a kristály hossztengelyével. -amikor a fény energiája meghaladja azt a mértéket, amely már ki tud lépni a féligáteresztő tükrön, a lézer világítani kezd. -a két tükör miatt a kilépő fény már nagyon párhuzamos nyalábokból áll -a sugár széttartása (divergenciája) elhanyagolhatóan kicsi.
17
18
19
20
Gázlézerek ‐ CO2 lézer , 10.600 nm ‐ He‐Ne lézer, 632.8 nm elektromos gerjesztés
Pumpálás: elektromos energiával (gázkisülés)
2.2.6 Lézerek alkalmazása
He-Ne lézer
Megmunkálások: Vágás Fúrás Hegesztés Jelölés, gravírozás Felület strukturálás Marás, üregképzés Ötvözés, hőkezelés Bevonás
Speciális alkalmazások: Prototípus gyártás (SLA, SLS, LOM..) Speciális bevonatok (LCVD, ..) Képalkotás, optika Spektroszkópia Mérés Lézer sebészet Lézer fogászat
21
22
23
24
2.2.7 A lézersugaras megmunkálások lényege - A lézeres megmunkálások során a foton energiáját visszük át a céltárgyra termikus vagy fotokémiai energia formájában - Az energia átvitel eredményeként a céltárgy anyaga megolvad, és az olvadékot gázsugárral eltávolítjuk, vagy közvetlenül elpárologtatjuk - A lézeres megmunkálások lokalizált, kontaktusmentes eljárások, az erőhatások mikro-skálán mozognak (a foton-nyomás hatása elhanyagolható)
2.2.8 A lézeres megmunkálógépek felépítése Mozgató rendszerek
- lézer előállítása - sugárvezetés - fókuszálás - relatív mozgás
A relatív mozgás többféleképp megoldható
A relatív mozgás többféleképp megoldható
25
26
2.2.9 Lézersugaras vágás
Megmunkáló gépek
- Nagy energiasűrűségű, erősen fókuszált (d = 0,1 mm), koherens fény hatására a fém megolvad és részben elpárolog vagy elég - Az energia 10-11 s alatt hővé alakul - Vágási sebesség: 1-10 m/min - energiasűrűség: 104-105 W/mm2 - a munkagáz (pl. argon) a megolvadt anyagot kifújja - vékony vágórés - relatíve keskeny hőhatás zóna
27
28
Lézersugárral vágható anyagvastagságok • A tükrökkel a sugár irányítható • A lencsékkel fókuszálható • A segédgáz eltávolítja az ömledéket - acél: 15 mm - műanyag. 25 mm
29
Lézersugárral vágható anyagvastagságok
30
Lézersugárral vágható anyagvastagságok
31
32
Lézersugárral vágható anyagvastagságok
2.2.10 Lézersugaras technológiák
33
Lézersugaras technológiák
34
Lézersugaras technológiák
Lézersugaras fúrás
Lézersugaras hegesztés
35
36
Lézersugaras technológiák
Lézersugaras gravírozás
37
2.3. Plazmasugaras megmunkálások
A plazma
(Plasma Beam Machining, PBM) • 2.3.1 A plazma - nagy energiaállapotú gáz - az anyag „negyedik halmazállapota” - ionok és elektronok halmaza - egyenáramú ív segítségével állítják elő - 107 K hőmérséklet hozható létre
Fogalma – 4. halmazállapot (anyag energia szintje) – Magas hőmérsékletű, elektromosan vezető,ionizált állapotú gáz
• Jellemzői – töltések összekeveredve , egyenletesen helyezkednek – Könnyen elmozdítható töltéshordozók → jó elektromos vezető→ hőmérséklettel növelhető
2
Az anyag halmazállapotai
A plazma kialakulásának tényezői
3
4
Jellegzetes plazmaállapotok
Az anyag plazma állapotban előfordul: • világűrben • igen magas hőmérsékleten • természetes- vagy mesterséges úton létrejött gázkisülésekben Csillagködök: ködszerű, látható plazmaképződmények (Cygnus köd) Villám: Gázkisülés atmoszférikus nyomáson
5
6
Plazmatechnológia – – – –
Felületek tisztítása Plazma képernyők Kémiai alkalmazások Plazma-megmunkálás, felületi rétegek felvitele, plazmaszórás
Fluoreszcens lámpa
Plazma alapú fényforrások
Plazmaszórás
Az univerzum látható anyagának 99,9%-a plazma állapotban van (csillagok, csillagközi és bolygóközi anyag)
Ívlámpa 7
8
2.3.2 Plazmasugaras megmunkálás Plazma előállítása:
- elektróda (-) általában wolfram - munkadarab (+) - kettő között ív jön létre - a részecskék ütköznek a gázatomokkal, ionok jönnek létre - vágógáz és védőgáz - gáz: ne legyen eróziós hatása ne károsítsa az elektródát és a fúvókát
9
2.3.3 Plazmasugaras vágás elemei
A plazmasugaras vágás lényege • • • • • •
11
Áramforrás, plazmaégő, munkadarab, vágóasztal, gázellátó-, hűtő rendszer
12
A plazmavágás berendezései
A plazmavágás berendezései
14
2.3.4 Plazmavágási eljárások
2.3.4 Plazmavágási eljárások
Egygázos eljárás
Vízzel védett plazmavágás
– Kézi eljárásoknál – Levegő vagy nitrogén
– – – –
Segédgáz helyett víz Hűtés Jobb felületminőség Korrózióálló anyagokhoz
Víz-befecskendezéses plazmavágás
Kátgázos eljárás – Munkagáz (plazmagáz) – Segédgáz (védőgáz) – Többféle variáció
– Munkagáz oxigén vagy nitrogén – Víz fecskendezés a sugárba – Kisebb sugár átmérő – Jobb felület 15
16
2.3.5 Plazma- és segédgázok, technológiai adatok
A plazma sugár hőmérsékleteloszlása (4mm –re a kilépéstől)
Plazmagázok: Technológiai adatok: Levegő Oxigén O2 – Előtoló (vágási) sebesség Nitrogén N2 – Íváram Argon - Hidrogén gázkeverék Ar (65%) H2 (35%) – Gázösszetételek Nitrogén – Hidrogén gázkeverék N2 (95%) – Gáznyomások - H2 (5%) Védőgázok: Levegő Nitrogén N2 Széndioxid CO2 Védőgáz helyett használnak vizet is.
– Fúvókamagasság – Fúvóka anyag és kialakítás
18
2.3.6 A plazmasugaras vágás minősége és hatékonysága – – – –
A plazmavágás hatékonysága
Jellegzetes vágási felület Elhajlási vonalak Salak Viszonylag nagy vágási mélység
19
20
A plazmavágás hatékonysága
A plazmavágás hatékonysága
21
A plazmavágás költéghatékonysága
22
2.3.7 Plazmával segített forgácsolás
23
2.4. Elektronsugaras megmunkálás (Electron Beam Machining, EBM)
Megmunkáló gép
Elektron ágyú: - Kibocsátja az elektronokat (katódsugárcső) - katód: volfrám, tantál - Felgyorsítja az elektronsugarat 200 000 km/s - a fénysebesség 66%-a! - Elektromágneses mező: kis- (< 30 kV) és nagyfesz. (> 100 kV) rendszerek - Fókuszálja a munkadarabra (elektromágneses lencse ) - Nagy energiasűrűség 1 MW/mm2 - Röntgen-sugár veszély 26
Elektronsugaras hegesztőgép
A vákuum feladata: - csökkenti a szennyeződéseket (hatása azonos a tiszta argonéval) - megakadályozza a levegőt alkotó gázok molekuláival való ütközéseket - megakadályozza az égést
Elektronsugár vákuumban
27
Elektronsugár levegőben
Precíziós finommegmunkálásokhoz: pl finomfúrás (<10m)
Elektronsugaras megmunkálások alkalmazása - Speciális szűrők készítése (saválló acélból) - Fémek (Ti ötvözetek) és nemfémek, ultrakemény, rideg és törékeny anyagok (kerámiák, zafír, kvarc) precíziós fúrása - lemezvastagság 0,01-5mm
- A mdb a másodperc milliomod része alatt 1000 °C-ra hevül, helyi olvadás és elpárolgás - az üreg belsejében kialakult nagy nyomás ki- és felfelé préseli az olvadékot a lyukból, - rendkívül pontos, kis átmérőjű furatok
- a sugár könnyen eltéríthető - hátrány: vákuum kell
Az elektronsugaras megmunkálás energiasűrűsége
2.5. Kémiai megmunkálások (Maratás) (Chemical Machining, CHM)
Kémiai megmunkálások Maratás A megmunkálandó munkadarab felületet a megfelelő marószerrel közvetlen kapcsolatba kell hozni.
A kémiai megmunkálások a • marandó munkadarab és a • marószer között lejátszódó vegyi reakciókon alapulnak.
Amelyeket nem akarunk megmunkálni, a marószer elől el kell takarni.
Az anyagleválasztás tehát közvetlenül a marószer és a munkadarab kölcsönhatásában történik, nincs szükség áramforrásra.
Az alkatrészek felülettel párhuzamos rétegeinek meghatározott helyen való eltávolítására ill. vékony lemezek külső kontúrjának, áttöréseinek kialakítása.
A folyamatokat legfeljebb hevítéssel vagy keveréssel
Foto-kémiai eljárások
intenzifikáljuk. Elsősorban agresszív maró anyagok alkalmasak. Alumínium, színesfémek és nemfémek (pl. üveg megmunkálására alkalmasak). Nem nagyméretű alkatrészek gyártásakor. (i) Clean
(ii) Apply resist
(iii) UV exposure
(iv) Development
(v) Etching
(v) Stripping
1
2
Kémiai megmunkálások
A maratás jellegzetességei
Maratás Technológiai paraméterei: ‐ A munkadarab és a vegyszer anyaga ‐‐‐‐‐ elsősorban ez határozza meg ‐ a merítés időtartama ‐ a hőmérséklet
Pontosság: elsősorban a munkadarab pontossága határozza meg Felület minősége: Érdesség: - munka jellegéből adódóan nem lényeges.
‐ közelítőleg eredeti felületnek felel meg ‐ Lehet finomabb is!
Oldószerként acélnál: sósav, kénsav, foszforsav keveréke üvegnél: hidrogénfluorid (folyékony – üvegszerű, fényes gázállapot – matt )
Felületi réteg állapota : - változásokat (keménység,szövetszerkezet, felkeményedés) a megmunkálás (!) nem okoz. - Kifáradást rontó tényező nincs.
Takaráshoz: acélnál: tisztítás után különböző állapotú gumi, amit rászárítanak üvegnél: viasz, parafin Védő réteggel részben fedett felületeknél a bevonat határánál alámaródás tapasztalható (maratás mélységével egyezik meg).
3
4
A maratás sajátosságai
A maratás sajátosságai
Kémiai polírozás Megfelelően választott erős savba mártott érdes felületről a csúcsok lemaródnak, míg a mélyedésekben az anyag nem oldódik. Ennek oka, - a csúcsokon és a mélyedésekben különböző az oldószer koncentrációja (és ennek megfelelően a pH értéke is), - a mélyedésekben passziváló hártya képződik, amely gátolja a fém oldódását. - Túlmaratás lehetséges!
- nincsenek erők, „szerszámok” - a maszk szélén alámetszés képződhet, kb. a rétegvastagság nagyságának felel meg
5
A maratás alkalmazásai
6
Jellegzetes alkalmazások
Leggyakoribb alkalmazása: • finommechanikában, műszertechnikában főként vékony (néhány tized mm vastagságú) lemezekből készült, bonyolult alakú alkatrészeket gyártása • üveg maratása • félvezetőtechnika • nyomatott áramkörök készítése • homogén és heterogén szövetszerkezetek vizsgálata, egyes fázisok megkülönböztetése és a szemcsehatárok láthatóvá tétele
7
8
2.6. Elektrokémiai megmunkálások (Electron Chemical Machining, ECM)
A maratás sajátosságai
A folyamat lényege az ún. anódikus oldódás
Kémiai polírozás
Anód (+):
Elektrolit: NaCl vizes oldata
- töltéscsere - fémleválás - O2 keletkezik
- Az egyenlőtlen maródás következtében a felület fokozatosan simább lesz, fényesedik. - Polírozáshoz általában foszforsav–salétromsav–ecetsav megfelelő keverékét használják. - Leggyakoribb alkalmazási területe : különböző munkadarabok fényesítése
- csapadék keletkezik (Fe-OH) - FeCl disszociál - hőfejlődés Katód (-): - csak a vizet kell pótolni - töltéscsere - az intenzitás az - fémkiválás áramerősségtől - H2 keletkezik függ
9
Elektrolit: Anód (+): - Fe = Fe2+ + 2e- O2 keletkezik
NaCl →molekulái felbomlanak, nátrium + víz → nátrium hidroxid + hidrogén 2 Na + 2 H2O → 2 NaOH + H2
fémleválás, Fe kationok
anód: vas oldódik, vasklorid 2 Cl + Fe → FeCl2
Katód (-): - H2O + 2e- = H2 + 2OH- az elektronok a vízmolekulákkal reagálnak, H2 képződik OH- anion - fémkiválás - H2 keletkezik
a nátriumhidroxid és a vasklorid reakciója következtében nátriumklorid és vashidroxid 2 NaOH + 2 FeCl2 → 2 NaCl + Fe(OH2)
Elektrolit: -Fe2+ + 2OH- = Fe(OH)2 az Fe kationok és az OH anionok
reakcióba lépnek vashidroxid kicsapódás
11
12
2.6.1 Elektrokémiai süllyesztés Jellegzetes eljárások • Szerszám (katód): vörösréz, sárgaréz vagy rozsdaálló acél • A szerszámba furatokat készítenek, ezeken keresztül vezetik be az elektrolitot mintegy 10‐25 bar nyomáson. • Az elektrolit áramlási sebessége a munkahézagban 10÷50 m/s.
- Elektrokémiai süllyesztés - Elektrokémiai polirozás - Elektrokémiai köszörülés (elizálás) Elektrokémiai süllyesztés vázlata
Az elektrokémiai megmunkálások előnyei: •A szerszámkopás elmaradása. •Az alacsony megmunkálási hőmérséklet. •A szövetszerkezeti változások elmaradása.
14
Elektrokémiai süllyesztés
Elektrokémiai süllyesztés Jellemző adatok (techn. adatok):
NaCl →molekulái felbomlanak, nátrium + víz → nátrium hidroxid + hidrogén 2 Na + 2 H2O → 2 NaOH + H2 anód: vas oldódik, vasklorid 2 Cl + Fe → FeCl2 a nátriumhidroxid és a vasklorid reakciója következtében nátriumklorid és vashidroxid 2 NaOH + 2 FeCl2 → 2 NaCl + Fe(OH2)
Elektrolit: Munkafeszültség: Áramsűrűség: Munkarés (s): vf előtolósebesség:
NaNO3, NaCl, KCl, HNO3 vizes oldata 5 ÷ 20 V 0,1 ÷ 4 A/mm2 0,05 ÷ 1 mm 0,2 ÷ 10 mm/min
Jellemzői: • A munkakéregből a vashidroxidot tartalmazó elektrolitot elszívjuk, tisztítás és szűrés (ülepítés) után az elektrolitot ismét visszavezethetjük az elektrolit tartályba. • A katód, az elektrolit nátriumklorid része nem fogy; a víz fogy → utánpótlás + koncentráció biztosítás.
15
16
Elektrokémiai süllyesztés Jellemzői:
Elektrokémiai süllyesztőgép
• A katódon hidrogén válik ki, robbanásveszélyes gázbuborék formájában ... → csökken az anyagleválasztási sebesség. • Öntöttvas, acélok megmunkálásakor az ionsav gyakran mérgező anyagokat tartalmaz → környezetvédelmi utasítások. • Elektrolit elektromos ellenállása miatt hő keletkezik, hűtésről gondoskodni kell. Felületminőség: igen kedvezően alakul példák
• ausztenites, saválló, rozsdamentes acéloknál Rmax < 1 μm
• szénacélok Rmax = 5‐10 μm • szemcseszerkezet nem szenved változásokat • jól tükrösíthető Alkalmazási terület: Nagy keménységű, nehezen megmunkálható anyagok.
Néhány nemesfém és nem nemvasfém (karbidok miatt) nem. 17
2.6.2 Elektrokémiai sorjátlanítás
• A szerszám nem dolgozó részeit szigetelik. • Hatásmechanizmus azonos az elektrokémiai süllyesztéssel, de nincs előtoló mozgás. • Az elektródákat a munkafeszültség bekapcsolása és az elektrolit hozzávezetése előtt megfelelő távolságra (0,5–1 mm) beállítják
19
20
Elektrokémiai sorjátlanítás
2.6.3 Elektrokémiai polírozás ‐ Munkadarabot elektrolittal megtöltött kádba helyezzük. ‐ Elektródok közötti távolság lényegesen nagyobb mint elektrokémiai süllyesztésnél.
• Az áramerősség a csúcshatás és a kis elektródaköz miatt a kiálló sorjánál (csúcs‐hatás) a legnagyobb. • Faraday –törvény – itt a legnagyobb az anyagleválasztási sebesség is. • Az elektródák megfelelő kialakításával, különösen bonyolult alakoknál, nagysorozat és tömeggyártásban rendkívül gazdaságosan alkalmazható.
Következmény: + áramsűrűség nagyon alacsony + mdb. felületéről nagyon vékony réteg válik le + az áramsűrűség a mdb. érdesség csúcsain nagyobb (mélyebb rétegeket az elektroliton képződő sófilm tölti ki) + a felület egyenetlenségei fokozatosan lemunkálódnak, a felületi érdesség javul 21
22
Elektrokémiai polírozás
Elektrokémiai polírozás
- speciális alkalmazások, finom felületek létrehozása
kiindulási állapot
durva sorjátlanítás csiszolással
10 perc elektro polírozás
Orvosi implantátumok, térdizület
24
2.6.2 Elektrokémiai köszörülés (elizálás) • •
•
A hagyományos köszörülés és az elektrokémiai anyagleválasztás kombinációja. Az elektrokémiai megmunkálás előnyeit (szerszámkopás elmaradása, az alacsony megmunkálási hőmérséklet, szövetszerkezeti változások elmaradása) a köszörülésre tudjuk átültetni. Szerszám: fémkötésű (elektromosan vezető) köszörűkorong A mdb. felületén keletkező anód‐filmet (amely az elektrokémiai oldást hátráltatja) a mozgó szemcsék eltávolítják.
25
Elektrokémiai köszörülés (elizálás) - szerszám: abrazív szemcsék, pl. bórnitrid (szigetel) fémes kötőanyagban (vezető) - alapvetően anódos megmunkálás - a szemcsék csak a leválasztott anyag eltávolításában segítenek - fontos a megfelelő résméret biztosítása 1: csiszoló szemcsék 2: fémes kötőanyag 3: munkadarab 4: fellazított réteg 5: elektrolit
26
Elektrokémiai köszörülés (elizálás)
Alkalmazás - NC köszörűgépen komplex profilok kialakítására - Kemény anyagok (zsugorított karbidok, alaktartó ötvözetek: Inconel, Nimonic, titánötvözetek, fémkompozitok: Al-Al2O3) megmunkálása - Speciális szerszám-elektródokat használnak polikristályos gyémánt (PCD) csiszolóporral
Speciális alkalmazás: Elektrokémiai korongszabályozás • fordított polaritás • elektrokémiai úton a korong fém kötőanyagát oldja, a szemcsékre nincs hatással • minden szemcse hasznosan, a megmunkálás során kopik el, majd a kopott szemcse kihullása biztosítja az új, éles szemcsék felszínre kerülését • az intenzitást (a kötőanyag oldásának sebességét) az áramsűrűség (A/m2) értéke határozza meg, amit az anód‐katód távolságával (az elektrolit réteg vastagságával) állíthatunk be • folyamatosan, megmunkálás közben is alkalmazható, kiküszöbölve a korong szabályozása által igényelt holtidőket 30
Az áramerősség hatása az elektrokémiai megmunkálások jellemzőire
2.7. Ultrahangos megmunkálások (Ultrasonic machining, USM)
Ultrahangos megmunkálás Ultrahang: Rugalmas közegben terjed mechanikai hullám
Ultrahang: azok a hangok, amelyek az emberi hallásküszöb, azaz 20 kHz feletti frekvenciatartományba esnek.
- terjedésükhöz közvetítő közeg kell - a közegek határától visszaverődnek - a jellemző ultrahang frekvencia: 16 kHz - 100 MHz - hallható: 20 Hz - 20 kHz. - infrahangok: 20 Hz alatt
Két csoportra osztjuk az ultrahangot, aszerint, hogy a hang intenzitása 1W/m2‐ nél kisebb vagy nagyobb. • aktív ultrahangok, 1 W/m2‐nél nagyobb intenzitás esetén, • passzív ultrahangok, 1 W/m2‐nél kisebb intenzitás esetén.
- energiasűrűség: 10W/cm2 - ágyú elsütésekor az ágyúcső nyílása mellett közvetlenül 0,001 W/cm2 hangenergia mérhető, - 10 000 ágyút kell elsütni egyszerre
Gázban, folyadékban: longitudinális hullám, szilárd anyagokban emellett transzverzális és tágulási hullámok is jellemzőek
1
Aktív ultrahangokat a műszaki életben megmunkálásra (forgácsolás, vágás, hegesztés, forrasztás, hőfejlesztés, gáztalanítás, tisztítás, stb.) alkalmazzák. Ilyenkor a mechanikus rezgés munkavégző képességét használják ki.
Aktív ultrahangok alkalmazási területe elsősorban a kemény, rideg anyagok megmunkálása: o üveg o zafír o korund (alumínium oxid) o ferrit o PCD (polikristályos gyémánt) o piezokerámia o kvarc o szilícium karbid bevonat o műszaki kerámia
Passzív ultrahangokat elsősorban a mérés‐ és híradástechnikában, valamint a katonai felderítésben alkalmaznak. Az ultrahangok (általában) longitudinális, azaz hosszirányú hullámok, melyek az átvivő közeg molekuláinak gerjesztésével terjednek, elhanyagolhatóan kicsi csillapítással. A levegőben hangsebességgel terjed (20 °C‐on 343 m/s). A terjedési sebesség a közvetítő közegtől függ: • acél és alumínium: 5100 m/s, • beton: 3800 m/s, • víz: 1460 m/s. 3
4
Ultrahangos anyagleválasztó berendezés elvi felépítése
Ultrahangos anyagleválasztás:
1. Munkadarab 2. Rezgő szerszám 3. Csiszoló-szuszpenzió (bór-karbid vagy szlicíum-karbid)
6
Ultrahangos megmunkálógépek
Koncentrátor kialakítások
Magnetosztriktor és koncentrátor Piezoelektromos generátor
8
Ultrahangos megmunkálások paraméterei
Ultrahangos megmunkálások paraméterei
1.A szerszám oszcilláció amplitúdója (a0) ( 15 ‐50 µm) 2.A szerszám oszcilláció frekvenciája (f) (19 kHz ÷ 25 kHz) 3.A szerszám előtoló ereje (F) 4.Szerszám anyaga (lágyacél, titán ötvözés) 5.Az abrazív anyag típusa (bórkarbid, szilícium karbid, alumínium oxid) 6.Az abrazív anyag mérete (d) (100‐800um) 7.A szerszám érintkező felület nagysága (A) 8.Az abrazív anyag koncentrációja (C) 9.A munkadarab és a szerszámanyag szilárdságának aránya λ=σw/σt
9
11
10
Különleges megmunkálások alkalmazása
Eljárások összehasonlítása
2.8 Az abrazív vízsugaras vágás technológiája
2.8.1. Az abrazív vízsugaras technológiák történeti áttekintése I.e. : természetes folyósodrás ásványok tisztításához (Egyiptom) I.e. : mesterséges vízsugár ásványok tisztításához (Róma) 1850: vízsugár használata az arany bányászatában (USA) 1930: vízsugár alkalmazása a szénbányászatban (Oroszország, 7 bar) 1950: vízsugaras tisztítás 1960: a vízsugaras vágás kutatása 1970: nagynyomású rendszerek kifejlesztés ( 4000 bar) 1972: első ipari alkalmazások (FLOW) 1980: abrazív por adagolása a vízsugárhoz 1983: kereskedelemben beszerezhető abrazív vízsugaras berendezések
2.8.2 Az abrazív vízsugaras vágás elve
Vízsugaras vágófej
Vágófej kialakítások
Megmunkáló gép
2.8.3 A vízsugaras rendszerek elemei z
y x
Nyomásnövelő szivattyú
Abrazív adagoló készülé k Abrazív vízsugaras vágófej Munkadarab
Rezgős adagoló te x t
Vízsugár energiát elnyelő tartály
A rendszer vázlata
Nyomásfokozó
Nyomás: max. 360 MPa Löketszám: max. 60 1/min Dugattyúarány: 21.5
Nyomásfokozó
2.8.4 CAD/CAM tervezés lépései MegaCAD Program
Elhelyezési terv, szimuláció
Formátum konverzió MG Converter Program
Különböző alakzatok előállítása
Nesting Program
Üvegek Kerámiák
Fémek Műanyagok
Különböző alakzatok előállítása
Különböző alakzatok előállítása
Fa
Acél Nagy vastagságban is !! pl. 132 mm Kompozitok 14
2.8.5 Vágósugarak fajtái
2.8.6 A megmunkáló sugár jellegzetességei -Szuperszonikus sebesség v=500-1400 m/s
Víz
Víz
Víz
Nyomás létrehozása
Nyomás létrehozása
Nyomás létrehozása
Abrazív anyag tároló Vízfúvóka
Vízsugaras vágás (WJ)
Abrazív anyag nyomástartó
v 2p
Vízfúvóka Szívótér (keverőtér)
Abrazív fúvóka
Injektoros abrazív vízsugaras vágás (AWJ)
Bernoulli törvény:
Abrazív anyag szuszpenzió Szuszpenziós fúvóka
Abrazív szuszpenziós vágás (ASJ)
Sebesség és energiaeloszlás a sugárban
v: a sugár sebessége p: víznyomás p=150-500 MPa ρ: a közeg sűrűsége
A sugár belső struktúrája
A sugár becsapódásának iránya - Becsapódási szög: 0-90o a) merőleges sugár: ~90o b) ferde sugár: <90o c) érintő sugár: ~0o
Kölcsönhatás a környezettel: Közvetlenül a kilépésnél - a koherens sugár sérül célszerű forgácsolni ! - a levegő mennyisége növekszik - megkezdődik a divergencia - a terhelésváltozhat: statikus – dinamikus - a környezet elnyli az energia egy részét
Injektoros sugár alkotóelemei víz, abrazív szemcsék, levegő
- Kis vízáram 0.5-5 l/min - Kis forgácsoló erők, max. 100 N - Alacsony hőmérséklet 60-90 oC - Nincs károsodás az anyagban
2.8.7 Az anyagleválasztás lányege abrazív vízsugaras vágáskor Erózió: szilárd részecskékkel való ütközés hatására bekövetkezett jelentős anyagveszteség
Nagy energiasűrűség
Tömegarány
Térfogatarány
•képlékeny alakváltozás nyírással • kopás • repedések összenövése • rideg törés • helyi megolvadás (szikrázás)
Felgyorsult erózió Megmunkálás
Rideg és szívós erózió vízsugaras vágáskor
Szívós erózió
Rideg erózió
- forgácsolási zóna - átmeneti zóna - elhajlási zóna
HV
AWJ
Berendezés
Anyag
Eredmény
abrazív anyag vágási sebesség keménység abrazív mérete fúvóka magasság repedési abrazív tömegáram tulajdonság fúvóka hossz és keménység átmérő szilárdság nyomás lemez vastagság
Jellegzetes vízsugárral vágott felület Szívós anyagokra tipikus anyagjellemző:
2.8.8 A vízsugaras vágás paraméterei
anyagleválasztási sebesség t űrés felületi érdesség vágórés szélesség és forma
Rideg anyagokra tipikus anyagjellemző: Kc
1.7.9 Pontossági kérdések
A pontosság növelése a vágófej döntésével
Változó vágási font
v
v
Vágófej döntése az előtolás síkjában
2
1
v
v
Az irányváltás okozta pontatlanságok Vágófej döntése az előtolás síkjára merőlegesen Megmunkálási hiba > 0.1 mm
A vágórés lehetséges alakjai
v
v
2.8.10 Bevágási mélység értelmezése
1 mm
2.8.11 A technológiai paraméterek hatása
Wtop Wi Wj We
A vágórés alakja az egyik legnehezebben kézben tartható minőségi jellemző
1 mm
30 mm
Átvágott felület
Wb,min Wb,max
Bevágott alumínium ill. üveg Alapvetően az időegység alatt bevitt energiával szabályozható Az anyagleválasztás a bevágási mélységgel jellemezhető Bevágási mélység: kmax
kmax
Bevágási mélység
Bevágási mélység
A technológiai paraméterek hatása
Előtolás
Bevágási mélység
Bevágási mélység
Nyomás
Fúvóka magasság
Abrazív áram
Influence of parameters on the cutting gap
A technológiai paraméterek hatása
ma=5 g/s
ma=4 g/s
depth of kerf k, mm
ma=6 g/s
Az előtolás és az abrazív áram hatása a bevágási mélységre
18,00 16,00
m=400 m=200 m=100
0
100
14,00
200
300
400
500
600
700
800
10,00
p=3000 bar
8,00
50
60
70
80
90
100
110
120
130
traverse rate f ,mm/min
X12Cr13
140
150
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
p=250 MPa
45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
m=400 m=200
f=700 f=800
m=400g/min 300
350
45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 150
f=300
depth of kerf k, mm
AlMgSi0.5, p=2000 bar
f=500 f=700 f=800
m=200g/min 200
250
300
350
pressur p, MPa
f=100 f=300 f=500 f=700 f=800
AlMgSi0,5
250 pressure p, MPa
300
marble, p=2000 bar
880
p=200 MPa
Steel X12Cr13, p=2000 bar
Kétféle lehetséges erózió
50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
Rideg (pl. márvány) Szívós (pl. alumínium)
0
250
500
750
1000
1250
1500
traverse rate f, m/min
m=100g/min 200
680
f=100
pressure p, MPa
45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 150
480
Különböző anyagminőségek bevágási mélységei
depth of kerf k, mm
f=500
depth ofkerf k, mm
f=300
250
280
rozsdamentes acél
f=100
AlMgSi0,5
m=100
traverse rate f, m m /m in
A nyomás és az előtolás hatása a bevágási mélységre
depth of kerf k, mm
m=100
traverse rate f, m m /m in
80
200
m=400 m=200
12,00
6,00
45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 150
p=300 MPa
900
45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
traverse rate f, m m /m in
depth ofkerf k, mm
depth of kerf k, mm
20,00
45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
depth of kerf k, mm
Az előtolás és az abrazív áram hatása a bevágási mélységre
350
AlMgSi0,5
márvány
acél
Acél: Nehézkes szívós erózió Jelentéktelen rideg erózió
2.8.12 A megmunkált felület érdessége (200 mm/min)
A megmunkált felület átlagos érdessége
(250 mm/min)
77 6,5 6,5
aluminium aluminium f=127 f=127mm/min mm/min garnet garnet80 80 ma=3,8 ma=3,8g/s g/s dn=0,25 dn=0,25mm mm dm= dm=0,76 0,76mm mm
66 5,5 5,5 55 4,5 4,5 44 3,5 3,5 33
p=207 p=207Mpa Mpa p=345 p=345Mpa Mpa 00
55
10 15 10 15 de depth pthof ofke kerf, rf,mm mm
A megmunkált felület átlagos érdessége
12
p=200, 250, 300 Mpa, ma= 200, 400 g/min
10
20 20
99 surfaceroughness roughnessRa, Ra,um um surface
surfaceroughness roughnessRa, Ra,um um surface
Irodalmi adatok [B. Havlik, Z. Krajny] aluminium aluminium p=345 p=345Mpa Mpa dn=0,25 dn=0,25mm mm dm=0,76 dm=0,76mm mm garnet garnet80 80 ma=3,8 ma=3,8g/s g/s
88 77 66 55
f=64 f=64mm/min mm/min f=191 f=191mm/min mm/min
44 33
f=254 f=254mm/min mm/min 00
55
10 15 10 15 de depth pthof ofkerf, ke rf,mm mm
20 20
25 25
A megmunkált felület érdessége p=250 MPa,ma=400 g/min ,f=100 mm/min p=200 MPa,ma=400 g/min ,f=300 mm/min
Ra, um
8
f=100 mm/min Ra ~ 5÷8 m
6
f=300 mm/min Ra ~ 5÷10 m
4
Ra= 6.03 m Rz=69.41 m
Ra= 6.74 m Rz=68.25 m
2
0 0
100
200
300
feed rate, mm/min
400
500
600
f=500 mm/min Ra ~ 4÷10 m
Ra= 6.21 m Rz=57.51 m
p=200 MPa, ma=200 g/min , f=300 mm/min
A megmunkált felület topográfiája Scanning elektron mikroszkóppal vizsgálva
2.8.13 Abrazív anyagok
35x
Használatos abrazív porok: természetes vagy mesterséges
AlMgSi p=320 MPa dn=0,25 mm dm=0,8 mm garnet 80 ma=6 g/s s=3 mm
f=100
170x
17x
f=300 mm/min
Gránát homok
•Gránát homok •Olivin •Cu salak •C salak •Kvarc homok •Korund Al2O3 •SiC •Porcelán
Szempontok: •fizikai tulajdonságok •környezeti hatások •költséghatékonyság •technológiai hatások •ár
Új állapotú gránát 80 abrazív por elektronmikroszkópos képe
A gránát azon szilikátok (SiO4)összefoglaló neve, melyek tetraéderesen kristályosodnak pl. Mg, Ca, Fe, Mn vegyületei. Pl.: almadin pyrope Mg3Al2[SiO4]3 andradit uvarovit Ca3Cr2[SiO4]3
andradit
almadin
25x
100x
150x
250x
kvarc
olivin
Használt gránát 80 abrazív por elektronmikroszkópos képe
38x
200x
2.8.14 A vízsugaras vágás költséghatékonysága
77x
200x
2.8.16 Laminált szerkezetek és térbeli alakzatok vágása
2.8.15 A vízsugaras vágás előnyei és hátrányai
hw
t1
magas zajszint higroszkópos anyag nem megmunkálható por és gőz termelődés rövid a fúvóka élettartama pontossági problémák (vágási hézag formája, felületi érdesség, stb.) költésges
t2
széles tartományú anyag megmunkálható relatív nagy vastagságú lemez vágható folyamat alatt nincs hőfejlődés minimális alátámasztó erő kevés hulladék anyagra nézve nincs káros kihatás (repedés, edződés) nincs megolvadás és füst termelődés
Hátrány
hp
Előny
tw
Térbeli alakzatok vágása •Többtengelyes robotok alkalmazása •Biztonságtechnikai feltételek megoldása
2.8.17 További lehetséges megmunkálások Lehetséges műveletek
•vágás •fúrás •esztergálás •marás
„Műveleti sorrend” – sakkfigura készítés
Fúrás
Esztergálás
•körpályán mozgó sugárral (vágás) •álló sugárral – a megmunkált átmérő a sugárátmérővel azonos
Korrekt geometria biztosítása nehéz
A befejező megmunkáláshoz: •finomabb abrazív anyag •Fogásvétel nélküli megmunkálás
Marás
Marás
Vízsugaras anyagleválasztási kísérletek
Probléma: A bevágási mélység kézbentartása
3D-s megmunkálási kísérletek
Marás
2.8.18 További nagynyomású vízsugaras technológiák alkalmazási területei Üzemi nyomás [MPa]
Vízsugaras anyagleválasztási kísérletek 400
1. Vízsugaras vágás 2. Falazatok bontása 3. Burkolatok, bevonatok eltávolítása 4. Nagy sík beton felületek gépi eltávolítása 5. Aszfalt érdesítése, eltávolítása 6. Felülettisztítás 7. Bányászat 8. Csatornatisztítás
350 300
1
250
2
200 150
4
3
100 50
6
7
8
0 0
50
100
5
150
200
250
Szállított vízmennyiség [l/min]
2.8.19 Munkavédelmi kérdések Azonnali orvosi intézkedés szükséges !!
Munkavédelmi kérdések
3. Gyors prototípus készítés
3.2 Elnevezések
3.1 Történeti áttekintés •
1983: kísérletek 3D „nyomtatás” előállítására, kalifornia, Nagoya, Minneapolis
•
1986: C. Hull megalapítja a 3D System nevű céget
•
eljárása a fotopolimerizáción alapul (sztereolitográfia)
•
1987: 3 amerikai, 3 japán, 1 német cég kezd el működni ezen a területen
•
Rapid Prototyping
•
Desktop Manufacturing
•
3D Hardcopy
•
Solid Free Form Fabrication
•
Tool Less Manufacturing
•
Automated Fabrication
•
Layered Fabrication
3.4 Az eljárások csoportosítása
3.3 A gyors prototípus készítés sajátosságai
A termék funkciója alapján: •
„gombnyomásra történő” gyártás
•
rétegenkénti testfelépítés
•
elsődleges alaklétrehozás
•
nincs szerszám
•
minden darab önálló termék
•
gyors (átfutási idő, változatok)
•
pontról-pontra
•
automatizált
•
vektor mentén
•
felületről felületre
•
Szemléltető modell
•
Gyártást támogató modell
•
Funkcionális modell
A rétegelőállítás stratégiája alapján:
Eljárások csoportosítása Az eljárás fizikai tartalma alapján: •
SLA: Stereolitography (foto-polimerizáció) 3D System, Cubital
•
SLS: Selective Laser Sintering (lézer szinterelés) EOS, DTM
•
FDM: Fused Deposition Modelling (3D plotting) (huzalfelkrakás) Stratasys
•
LOM: Laminated Object Manufacturing (lemezelt technikák) Helisys
•
DSP Direct Shell Production (Droplet Deposition, 3D Printing): (keramikus vagy műanyag por ragasztása) Solingen
•
Egyéb technikák : felrakó hegesztés, lemezkivágás, vízsugaras vágás,
3.5 A gyors prototípus készítés lépései •
CAD rajz elkészítése: kimenet .STL formátumban
•
Szeletelés és letapogatási stratégia elkészítése
•
„Nyers” darab előállítása (Green part)
•
Utólagos kezelés Töltőanyag ill. támaszok eltávolítása, tisztítás, hőkezelés, anyagkezelés-keményítés, felületkikészítés
3.6 SLA, Sztereolitográfia Anyag: folyékony gyanta, viasz Rétegvastagság: 0,1-0,2 mm
SLA, Sztereolitográfia Utólagos hőkezelés (kikeményítés) mindig szükséges. Polírozás, festés lehetséges Sztereolitográfiáhosz használt epoxigyanta tulajdonságai Epoxi2 Epoxi1
Mivel folyadékban van támaszról kell gondoskodni
Szakítószilárdság (Mpa)
46-47
59-60
Szakadási nyúlás (%)
11-2
7-19
33
27-30
1628
2920
Ütőmunka (kJ/m2) Rugalmassági modulus (Mpa)
3.7 STL, Szelektív lézer szinterelés
Szelektív lézer szinterelés
Anyag: gyanta, műanyag fémpor keverék (Rm=400MPa) DTM Laser Sinterstation 2500 berendezés
Funkcionális alkatrészek
Három különböző eset: •A szemcsék a határfelületen egymásba folynak (műanyag porok) •Keverék fémpor alacsony olv. pontú részei megolvadnak •Műanyaggal bevont fém v. kerámia por összeolvasztása, majd beitatása pl bronzzal
Szelektív lézer szinterelés
Technológiai jellemzők Por összetétele
Szemcsenagys ág Um
Rétegvastagsá g mm
Bronz-Nikkel
10-150
0,1-0,3
10-200
20-200
Bronz-Vas
30-90
0,1-0,3
150-200
150-200
Alumíniumoxid
20
0,1-0,3
-
-
Réz-poliamid
-
0,1
15
50/0
RapidSteel2.0
-
0,075
17
1250
Duraform
25-90
0,1
4
1675
3.8 FDM, Huzalfelrakás
Anyag: hevített (200 oC) gyanta, műanyag
Lézer teljesít ménye, W
Pásztázási sebesség
FDM, Huzalfelrakás
3.9 LOM, lemezelt technikák
• Olcsó • Gyors • Komplex geometria Anyag: papír, polyester film, szövet, kompozit
LOM, lemezelt technikák
3.10 3D nyomtatás, por ragasztása
3D nyomtatás, por ragasztása
Anyag: keramikus vagy műanyag por + ragasztó • rideg • utókezelés mindig • gyantával beitatás
22
3D nyomtatás, por ragasztása
3D nyomtatás, por ragasztása
A munkatér kibontás Munkatér
A gép látképe Kész darabok
3D nyomtatás PolyJet – Objet technológia
Rétegvastagság: 16 -30 μm függőlegesen elkészíthető falvastagsága 0,6 mm, Pontosság: ± 0,05 mm.
3D nyomtatás PolyJet – Objet technológia
25
26
9.11 Egyéb technikák
• • • •
vízsugaras vágás felrakó hegesztés fémlemezek összeszerelése stb
3.12 Előnyök és hátrányok Előnyök •
Hátrányok
„gombnyomásra” történő gyártás
•
pontosság •
vetemedés
•
automatizált
•
zsugorodás
•
gyors (átfutási idő, változatok)
•
porozitás
•
nincs szerszám
•
komplex alkatrész(ek)
•
szerelt alkatrészek (ún. „benszülöttek” is készíthetők)
•
• felületminőség mechanikai tulajdonságok
•
„lassú”
3.13 A gyors prototípus készítés alkalmazási területei
Öntőminta; 6,3 Gyors szerszámozás; 13,4
Szerszámozás (közvetlen); 3,7
Mérnöki modell; 16,9 Szerszámgyártói modell; 5,4
Javaslatok; 3,6 Árajánlatok; 1,4 Szerelés Ergónómiai; 4,6 ellenőrzés; 18,2
A termék funkciója alapján:
A gyors prototípus készítés alkalmazási területei
Egyéb; 3,8
• • •
Funkcionális modell; 22,7
Szemléltető modell Gyártást támogató modell Funkcionális modell
3.14 A gyors prototípus készítés térhódítása A világban évente installált RP rendszerek száma
Hadiipar 9%
Egyéb 8%
Akadémiai szekt. 7%
Autóipóip. 23%
Repülőgépip. 8%
Orvosi szekt. 10% Keresk.term. 26%
Gépipar 9%
A világban évente elkészített RP modellek száma
RP módszerek alkalmazási területei (2002 Wohlers Associates)
A gyors prototípus készítés térhódítása
Piaci részesedések
% Kína 5%
A gyors prototípus készítés térhódítása
Egyéb 10%
Korea 2%
USA 42%
A világban 1998-ban installált RP rendszerek százalékos megoszlása (Wohlers Associates)
Japán 19% Olaszo. 4% UK 4%
Svédo. 1% Franciao. 3%
Németo. Kanada 1% 9%
Kb 7000 rendszer Magyarországon: < 50 db
3.15 Esettanulmányok
Gyors prototípus készítés alkalmazása közvetlen szerszámozáshoz •Lézer szinterelt bélyeg és matrica, mélyhúzó szerszámhoz •Kissorozatgyártásban •Vékony alumíniumlemezek húzásához
Mélyhúzandó alkatrész 3D geometriai modellje
Mélyhúzó szerszám konstrukciós felépítése
3D testmodellek elkészítése
Bélyeg
Matrica Kimenet: STL formátumban
A teljes tervezés folyamata
Szelektív lézer szinterelés Anyag: nikkel-bronzrézfoszfid
•
Alak felismerés
Geometria
Rm=200 Mpa, 70HB CAD
Lézer szinterelt bélyeg és matrica Geometriai ellenőrzés
Technológia
•
Adatbázisra épülő elemkiválasztás
CAM
Dat Result a
Mérés Computer Aided Decision Support
Alkatrészek mélyhúzása
Különböző alkalmazások
- 19 alkatrész 30perc alatt - 15 perc várakozás (hűtés) - 10 sorozat legyártása, 190 db - lemezvastagság: 0,7 mm - húzási mélység 16 mm
Kopási nyomok a szerszámon nem érzékelhetők
Orvosi alkalmazások
1.
Szivattyúalkatrész
Művészetek
2.
3.
Térdprotézis
4.
3.16 Kitekintés
Kultúrtörténet
A jövőbeni lehetőségek szinte korlátlanok ?? Múmia rekonstruálása roncsolásmentesen
•új anyagok és •új technológiák
Kereskedelemben beszerezhető háztartási RP rendszerek ??
