NÁVRH 3D MODELU VÁLCE MOTORU JAWA 50 A JEHO MOŽNÁ REALIZACE VÝROBY

NÁVRH 3D MODELU VÁLCE MOTORU JAWA 50 A JEHO MOŽNÁ REALIZACE VÝROBY DESIGN 3D MODEL JAWA ENGINE CYLINDER 50 AND ITS POSSIBLE REALIZATION OF PRODUCTION

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR THESIS

AUTOR PRÁCE

Michal DUSBABA

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR

BRNO 2014

doc. Ing. Josef SEDLÁK, Ph.D.

Místo tohoto listu bude vloženo zadání (oboustranně). Zadání musí být vevázáno v obou vyhotoveních práce. Do druhého výtisku bude vložena kopie. Tento list není třeba tisknut!

FSI VUT

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

List

4

ABSTRAKT Tato práce se zabývá návrhem 3D modelu válce motoru Jawa 50 s využitím CAD softwaru a výrobou pomocí moderních technologií. V práci byla shrnuta historie vybraných motocyklů Jawa 50. Dále zde byla uvedena charakteristika a rozbor použitých materiálů (aditivní, odlévaný) pro výrobu válce motoru Jawa 50. K návrhu válce motoru Jawa 50 byl použit parametrický program SolidWorks. Součástí práce byl popis a rozbor aditivní technologie Rapid Prototyping včetně aplikace jedné z metod – Fused Deposition Modeling na prototypovém modelu válce motoru Jawa 50. Práce se dále zabývá prototypovou výrobou reálného odlitku válce motoru s využitím slévárenské technologie – přesné lití pomocí vytavitelných modelů. Práce je ukončena diskusí, která popisuje problematické kroky, ke kterým docházelo v jednotlivých etapách výroby. Klíčová slova Master model, válec motoru Jawa 50, Rapid Prototyping, Fused Deposition Modeling, SolidWorks, vytavitelný model.

ABSTRACT This thesis deals with the 3D model design of the Jawa engine cylinder 50 produced by means of modern technologies with the use of CAD software. History of selected Jawa 50 motocycles was summarized in this thesis. In addition characteristics and analysis of used materials (additive and cast) were given to describe the Jawa 50 engine cylinder production. The parametric programme named SolidWorks was used for the Jawa engine cylinder 50 design. The principle of Rapid Prototyping additive technology was described and analysed as a part of this thesis as well as the detailed demonstration of one of these methods called Fused Deposition Modeling on a pilot model of the Jawa engine cylider. The thesis also elaborates on a pilot production of the real engine cylinder casting using technology of casting - namely the technology of precise casting with the use of meltable models. The thesis is concluded with discussing disputable steps undertaken in particular production phases. Key words Master model, Jawa engine cylinder 50, Rapid Prototyping, Fused Deposition Modeling, SolidWorks, meltable model.

BIBLIOGRAFICKÁ CITACE DUSBABA, Michal. Návrh 3D modelu válce motoru Jawa 50 a jeho možná realizace výroby. Brno 2014. Bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Ústav strojírenské technologie. 53 s. 4 přílohy. Vedoucí práce doc. Ing. Josef Sedlák, Ph.D.


FSI VUT

List

5

PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Návrh 3D modelu válce motoru Jawa 50 a jeho možná realizace výroby vypracoval(a) samostatně s použitím odborné literatury a pramenů, uvedených na seznamu, který tvoří přílohu této práce. 28.5.2014 Datum

Michal Dusbaba

FSI VUT


List

6

PODĚKOVÁNÍ Děkuji tímto doc. Ing. Josefu Sedlákovi, Ph.D. za cenné připomínky a rady při vypracování bakalářské práce. Dále bych rád poděkoval Ing. Martinu Macků za pomoc při výrobě silikonové formy a voskových modelů. V neposlední řadě patří poděkování mým rodičům za umožnění studia na vysoké škole a podporu během studia.

FSI VUT


List

7

OBSAH ABSTRAKT .......................................................................................................................... 4 PROHLÁŠENÍ....................................................................................................................... 5 PODĚKOVÁNÍ ..................................................................................................................... 6 ÚVOD .................................................................................................................................... 9 1

HISTORIE A VÝVOJ MOTOCYKLU JAWA 50...................................................... 10 1.1 Prototyp Jawa 50 typ 349........................................................................................... 10 1.2 Jawa 50 typ 550 ......................................................................................................... 11 1.3 Jawa 50 typ 555 ......................................................................................................... 11 1.4 Jawa 50 typ 05 ........................................................................................................... 12 1.5 Jawa 50 typ 20 a 21 Sport .......................................................................................... 13

2 CHARAKTERISTIKA A ROZBOR POUŽITÉHO MATERIÁLU (ADITIVNÍHO, ODLÉVANÉHO)................................................................................................................. 14 2.1 Aditivní materiály ...................................................................................................... 14 2.1.1 ABS plast - akrylonitril butadien styren ............................................................. 14 2.1.2 PLA - polymléčná kyselina................................................................................. 16 2.1.3 PC - polykarbonát ............................................................................................... 16 2.2 Odlévaný materiál ...................................................................................................... 17 2.2.1 Slitiny hliníku pro odlitky ................................................................................... 17 3

KONSTRUKCE VÁLCE MOTORU V APLIKACI SOLIDWORKS ....................... 19 3.1 Charakteristika CAD programu SolidWorks ............................................................. 19 3.1.1 Tvorba dílu .......................................................................................................... 19 3.1.2 Tvorba sestavy .................................................................................................... 19 3.1.3 Tvorba výkresu ................................................................................................... 19 3.2 Vlastní konstrukce válce motoru Jawa 50 ................................................................. 20

4 VÝROBA VÁLCE MOTORU POMOCÍ ADITIVNÍ (METODA FMD) A SLÉVÁRENSKÉ TECHNOLOGIE .................................................................................... 27 4.1 Aditivní technologie Rapid Prototyping .................................................................... 27 4.1.1 Princip technologie Rapid Prototyping ............................................................... 27 4.1.2 Použití technologie Rapid Prototyping ............................................................... 28 4.1.3 Rozdělení metod Rapid Prototyping ................................................................... 28 4.2 Metoda Fused Deposition Modeling - FDM.......................................................... 29 4.3 Tisk válce motoru Jawa 50 ........................................................................................ 30 4.3.1 Příprava 3D modelu válce motoru Jawa 50 v softwaru CatalystEX ................... 30 4.3.2 Nastavení tisku 3D modelu válce motoru Jawa 50 v software CatalystEX........ 31 4.3.3 Tisk master modelu válce motoru Jawa 50 3D tiskárnou Dimension uPrint...... 34

FSI VUT


List

8

4.4 Úprava modelu válce motoru Jawa 50 ....................................................................... 36 4.5 Výroba silikonové formy válce motoru Jawa 50 ....................................................... 37 4.5.1 Výroba jednotlivých částí silikonové formy ....................................................... 37 4.6 Odlití voskových modelů válce motoru Jawa 50 ....................................................... 38 4.7. Konečná úprava voskových modelů ......................................................................... 40 4.8 Slévárenská technologie - Přesné lití do keramických forem .................................... 41 4.8.1 Charakteristika technologie přesného lití ........................................................... 41 4.9 Výroba válců motoru Jawa 50 slévárenskou technologií pomocí vytavitelných modelů ............................................................................................................................. 43 5

DISKUSE..................................................................................................................... 46 5.1. Zhodnocení tvorby master modelu aditivní technologií Rapid Prototyping – metoda FDM ................................................................................................................................. 46 5.2. Zhodnocení výroby silikonové formy válce motoru Jawa 50................................... 46 5.3. Zhodnocení výroby voskových modelů válce motoru Jawa 50 ................................ 46 5.4. Zhodnocení výroby odlitků válce motoru Jawa 50 ze slitiny AlSi7Mg0,6 .............. 47 5.5 Náklady na použitý materiál válce motoru Jawa 50 .................................................. 47

6

ZÁVĚR ........................................................................................................................ 48

FSI VUT


List

9

ÚVOD Dnešní doba sebou nese rozvoj nových technologií ve výrobě, nejen v oblasti strojírenského průmyslu, ale také v mnoha průmyslových oblastí, které používají strojírenské výrobky. Nároky na intenzitu výroby jsou ovlivňovány neustálým pokrokem, a proto jsou rozvíjeny nové technologie. Mezi tyto moderní technologie patří i aditivní technologie Rapid Prototyping (RP). Rozvoj aditivní technologie RP přináší používání široké oblasti netradičních materiálů. Tato technologie poskytuje rychlejší produktivitu výroby prototypových součástí, které však podléhají několika výrobním požadavkům. Tvarově složité součásti, vysoká přesnost, nízké náklady na výrobu a s tím spojená kratší doba potřebná ke zhotovení prototypu, než je tomu tak u tradičních metod obrábění. Cílem technologie RP je vytvoření reálné součásti nebo sestav součástí z virtuálního 3D modelu/ů v co v nejkratším výrobním čase a v co nejvyšší kvalitě zpracování. Redukce času má za následek zrychlení celého výrobního procesu v kooperaci se snížením výrobních nákladů. Technologií RP je možné vyrobit bez omezení jakkoliv tvarově složitou funkční součást z různých materiálů - plast, vosk, kov atd. V dnešní době je technologie RP používána pro názornou představu tvarově složitých prototypů, kontrolu designu navrhovaného prototypu a případnou úpravu během jakékoliv fáze výroby, simulace v oblasti namáhání apod. Správnou volbou konkrétní metody RP se zvoleným aditivním materiálem je možné vyrobit součást s požadovanou přesností a možností případného obrobení funkčních ploch. Jedna z metod technologie RP včetně použitého materiálu byla v práci popsána a aplikována pro výrobu master modelu válce motoru Jawa 50. Master model byl následně povrchově upraven a použit pro výrobu silikonové formy. Zhotovená silikonová forma sloužila k odlití čtyř voskových modelů, které byly základem pro výrobu skořepinové formy. Do skořepinové formy byla odlita slitina hliníku AlSi7Mg0,6 a po zchladnutí slitiny byla provedena destrukce skořepinové formy. Hliníkové odlitky válce motoru Jawa 50 byly odděleny od vtokové a výfukové soustavy. Pomocí dokončovacích operací (řezání, broušení a tryskání) bylo možné jednotlivé hliníkové odlitky klasifikovat jako finální výrobky. Výroba skořepinové formy a odlitků z hliníkové slitiny AlSi7Mg0,6 byla provedena v tuzemské firmě s několikaletou praxí.

Obr. 1 Finální odlitky válce motoru Jawa 50 ze slitiny AlSi7Mg0,6.


FSI VUT

List

10

1 HISTORIE A VÝVOJ MOTOCYKLU JAWA 50 Motocykl Jawa 50 od svého prvního navržení prodělal několik vývojových etap. Během vývoje se na motocyklu měnily nejenom vzhled, ale i výkonové charakteristiky. Vše začalo roku 1953, kdy pánové Josef Jozíf, Miroslav Kubíček, Josef Šťastný, Jiří Mráz a Karel Mareš začali pracovat na starých archivovaných výkresech Jawa 50, které do té doby nebyly realizovány. Během celé vývojové éry motocyklu Jawa 50 až po současnost vzniklo mnoho typů motocyklu:      

prototyp Jawa 50 typ 359, Jawa 50 typ 550, Jawa 50 typ 555, Jawa 50 typ 05, Jawa 50 typ 20 a 21 Sport, a další [1].

1.1 Prototyp Jawa 50 typ 349 V roce 1954 byl navržen prototyp s názvem Jawa 359 viz obr. 1.1. Později bylo rozhodnuto, že výroba bude uskutečněna v Povážských strojírnách na Slovensku [1].

Obr. 1.1 Prototyp Jawa 50 typ 349 [1].

Tento prototyp měl však několik vad, které byly postupem času upravovány. Ovládání tohoto motocyklu nebylo snadné až nebezpečné. Jezdec musel řadit jednotlivé rychlostní stupně pomocí otočné rukojeti, která neměla zajištěnou aretaci. Páčka od spojky byla umístěna na levé straně řídítek, přišroubovaná nad páčkou zadní brzdy. Motocykl nebyl vybaven zadním světlem, nýbrž jen odrazkou. Po několika ověřovacích zkouškách bylo rozhodnuto o dalších konstrukčních vylepšeních a následné sériové výrobě [1].

FSI VUT


List

11

1.2 Jawa 50 typ 550 Předchůdce typu 550 měl několik konstrukčních nedostatků. Nově navržený typ 550 motocyklu Jawa viz obr. 1.2 prošel několika konstrukčními změnami. Byla použita nová technologie výroby některých dílů v motoru, ale také změna vizáže, některých dílů motorového ústrojí např. změna obohacování směsi u karburátoru. Technologie odlévání bloku a skříně motoru do pískové formy se nahradila tlakovým litím do kovových forem. Vznikla tak větší přesnost odlitků a zrychlila se výroba jednotlivých částí. Odrazku na zadním blatníku nahradilo světlo s přídavným osvětlením poznávací značky. Prvním modelům byly vytýkány další nedostatky z důvodu rychlé výroby. Během prvního roku výroby bylo provedeno celkem 50 úprav a další nedostatky byly opravovány v rámci garančních prohlídek. I přesto tak vznikla první sériově vyráběná Jawa 50 s označením typ 550 [1].

Obr. 1.2 Jawa 50 typ 550 [1].

1.3 Jawa 50 typ 555 Roku 1958 se začal prodávat model 555, který byl doplněn o několik modernizačních prvků, které setrvaly několik let v další výrobě. Na pohled byl tento typ líbivějšího a ucelenějšího vzhledu. Na začátku prodeje byl dostupný ve dvou provedeních a to standart a de-luxe. V provedení de-luxe byly velice účelné tzv. ,,revmaplechy“, které chránily jezdcovi nohy. Vyráběn byl samozřejmě v několika barevných konfiguracích, nejčastěji byl prodáván v barvě višňově červené. U majitelů tohoto motocyklu je možné vidět toto nejčastější barevné provedení i dnes. Jawa 50 typ 555 dostal zcela novou kapotáž zakulacených tvarů viz obr. 1.3. Přední blatník byl protáhlejší a hlubší, tím více bránil proti zašpinění. Rám byl otevřený jako u předchozího modelu, aby vyhovoval všem uživatelům a ulehčoval nasednutí. Přední a zadní kolo byly zaměnitelné, obě vybaveny celonábojovými bubnovými brzdami. Výkonově se od svého předchůdce nelišil, nicméně bylo vyrobeno pár závodních speciálů, které dosahovaly rychlosti až 77km/h [1].

FSI VUT


List

12

Obr. 1.3 Vlevo Jawa 50 typ 555, vpravo Jawa 50 typ 555 s tvz. ,,revmaplechy“ [1].

1.4 Jawa 50 typ 05 Vývoj motocyklů pokračoval kupředu a v roce 1962 se v Povážských strojírnách vyráběla nová série typu 05. Tento typ viz obr. 1.4. se od svých předchůdců významně lišil už napohled. Motocykl byl vybaven dvoumístným sedadlem. Jelikož mohl motocykl přepravovat dvě osoby, musely být samozřejmě provedeny i motorové úpravy. Zvláštní na tomto motocyklu také je, že tento typ nebyl brán jako licence Jawy, nýbrž se na konstrukci podíleli pouze pracovníci Povážských strojíren. Jak již bylo řečeno motor byl přepracován, aby snesl větší zátěž. Úprava spočívala v zpřesnění výroby všech kanálků ve válci, zvýšením komprese, nastavením časování, novým karburátorem a výfukovým systémem. Díky těmto úpravám byl výkon navýšen z 2,2 HP na 3 HP. Úpravy neskončily jen navýšením výkonu, bylo zapotřebí přizpůsobit ostatní součásti motoru. Primární řetěz byl širší, spojka přizpůsobena tak, aby přenášela bez jakéhokoliv rychlejšího opotřebení větší výkon. Převodovka zůstala třístupňová, ale oproti předchozím modelům měl každý převodový stupeň jiné převodové číslo [1].

Obr. 1.4. Jawa 50 typ 05 [1].


FSI VUT

List

13

1.5 Jawa 50 typ 20 a 21 Sport Roku 1967 byl na trh uveden nový typ s číslem 20 a jeho sportovní varianta Sport 21 viz obr. 1.5. Od svých předchůdců typu 05 Standart a 05 Sport se tento typ o mnoho nelišil. Byla provedena pouze modernizace motoru, kde se povedlo zvýšit výkon z původních 2,2 kW(3k) na 2,6 kW(3,5k). Zvýšení výkonu bylo dosaženo pomocí několika prvků. Byl použit nový karburátor firmy Jikov typ 2917 PSb. Byla zvýšena komprese z 7,5:1 na 9,2:1 za pomoci ,,ledvinkového“ spalovacího prostoru hlavy motoru. Úprava nastala i v časování (rozvodu) motoru. Technické parametry typu 20, 21 Sport jsou uvedeny v příloze P1 [1].

Obr. 1.5 Vlevo Jawa 50 typ 20, vpravo Jawa 50 typ 21 Sport [1].

FSI VUT


List

14

2 CHARAKTERISTIKA A ROZBOR POUŽITÉHO MATERIÁLU (ADITIVNÍHO, ODLÉVANÉHO) V této kapitole jsou popsány použité aditivní materiály ke zhotovení master modelu válce motoru Jawa 50 pomocí technologie RP. Dále jsou zde uvedeny materiály používané pro odlévání výrobků metodou přesného lití pomocí vytavitelných modelů. 2.1 Aditivní materiály Aditivní technologie Rapid Prototyping (RP) má své zastoupení v široké oblasti použití nejen ve strojírenství, ale také ve zdravotnictví a spotřebním průmyslu. Výběr konkrétní metody RP pro daný případ je závislý na:  požadované přesnosti vyrobeného modelu,  dodatečném obrobení funkčních ploch modelu,  volbě vhodného materiálu pro výrobu modelu [2, 3]. Technologie RP je možné rozdělit na několik metod, které se od sebe liší použitím odlišných materiálů. Základní rozdělení technologie RP z hlediska používaných materiálů je uvedeno v tab. 2.1 [3]. Tab. 2.1 Základní rozdělení technologií Rapid Prototyping [3].

Základní technologie rapid Prototyping Stereolitografie Solid Ground Cutting Selective Laser Sintering Direct Metal Laser Sintering Laminated Object Manufacturing Fused Deposition Modeling Multi Jed Modeling

Zkratka

Materiál modelu

SLA, SL SGC SLS DMLS LOM FDM MJM

Fotopolymer Fotopolymer, nylon Polyamid, nylon, vosk, kovové prášky Kovové prášky Papír s jednostranným pojivem ABS, PLA, vosk, polykarbonát Termopolymer, akrylátový fotopolymer

Válec motoru Jawa 50 byl vyroben aditivní technologií FDM, proto budou v další části práce zmíněné příslušné materiály uvedené v tab. 2.1. 2.1.1 ABS plast - akrylonitril butadien styren ABS plast je termoplastický kopolymer, který je složen z akrylonitrilu, butadienu a styrenu. Chemickou odolnost (vůči kyselinám, louhům, uhlovodíkům, olejům a tukům), pevnost a odolnost vůči teplu zajišťuje kombinace akrynolonitrilu a styrenu. Odolnost vůči rázu zajišťuje butadien [4, 5]. Kopolymery styren - akrylonitril (SAN) byly používány již od roku 1940, neboť měly větší pevnost oproti styrenu a nacházely tak širší využití. V průběhu válečného programu, který byl zaměřen na výrobu syntetického kaučuku, bylo přidáno třetího monomeru - butadien, což mělo za následek vytvoření nového plastu pod zkratkou ABS [4, 5].


FSI VUT

List

15

Mechanické vlastnosti materiálu ABS ABS materiál je možné kvalifikovat v následujících bodech:      

vysoká pevnost v tahu, rozměrová stálost, tvrdost povrchu a tuhost v široké oblasti teplot, flexibilní, chemicky odolný, dobrá rázová houževnatost v nízkých teplotách od -40 °C [4, 5].

Kombinací určitých látek je možné vyrobit celou řadu ABS plastů viz tab. 2.2 s různými mechanickými vlastnostmi, avšak konečné mechanické vlastnosti jsou ovlivňovány tepelným zpracování při výrobě a tvarování. ABS plasty lze zpracovávat až do 280 °C, zhotovené výrobky odolávají teplotám do 105 °C [4, 5]. Tab. 2.2 Různé modifikace ABS plastů [6, 7, 8].

Zkratka

Stručná charakteristika

ABS

Základní materiál s nízkou mezí pevnosti v tahu 22 MPa. Vhodný pro rychlou produkci prototypových modelů.

ABSplus

Pevnější materiál až o 40 % než ABS plast. Mez pevnosti v tahu 36 MPa. Při použití s technologií FDM vznikají pevnější a hladší modely s výraznější strukturou pro detail.

ABSi

Rázová houževnatost toho materiálu je vyšší než u základního ABS plastu. Mez pevnosti v tahu 37 MPa. Vhodný materiál pro funkční prototypy.

ABS-M30

Oproti základnímu ABS plastu má tento plast o 25 až 70 % vyšší mez pevnosti. Obvyklá mez pevnosti 36 MPa. Výsledný model prokazuje podobnou drsnost povrchu a strukturu detailu jako materiál ABSplus plast.

PC/ABS

Spojením polykarbonátu (PC) a ABS plastu je docíleno získání nejlepších vlastností obou plastů. Vyšší mez pevnosti a odolnost vůči teplu poskytuje PC, flexibilitu zajišťuje ABS plast. Mez pevnosti v tahu 41 MPa. Použití nachází v automobilovém průmyslu, elektronice, ve výrobě hraček atd.

Na neupravený ABS plast je možné snadno nanášet různé vrstvy laku, chromu či samotný plast obarvit různými barvivy. Dále je možné ABS plasty lepit rozpouštědlovými lepidly na bázi toluenu a metylenchloridu nebo pomocí polyakrylátových lepidel [4, 5]. Použití ABS plastu Díky své universálnosti jsou ABS plasty nejpoužívanější materiál v širokém okruhu produktů viz obr. 2.1. Své podstatné zastoupení má i ve strojírenství, zejména při výrobě prototypových modelů [4, 5].


FSI VUT

List

16

Obr. 2.1 Produkty vyrobené z ABS plastu [5].

2.1.2 PLA - polymléčná kyselina Kyselina polymléčná (PLA) je zařazena mezi biodegradabilní polyestery, neboť má tu schopnost postupného štěpení na oligomery až samotný monomer díky účinkům životního prostředí. Tento biologicky plně odbouratelný materiál je vyráběn z kukuřičného škrobu nebo cukrové třtiny [9, 10]. Mechanické vlastnosti materiálu PLA Největší předností PLA je sklon ke kroucení, který je daný minimálním rozpínáním při tavení. Při nižších teplotách tisknutí má model stále velkou pevnost a jednotlivé vrstvy tisknutého materiálu jsou kvalitně spojené. Po tisku lze model vyrobený z materiálu PLA dále opracovat běžnými metodami, ale z důvodu nízkému bodu tavení, není strojní broušení vhodná varianta, neboť materiál je rychle zahřán brusným papírem až k bodu měknutí. Tento problém lze snadno odstranit vhodným chlazením materiálu při samotném broušení. Ručním broušením a vrtáním lze materiál opracovat prakticky bez omezení. Povrchové úpravy jako je lakování, je možné po nanesení základní barvy pro tvrdé plasty [9, 10]. Použití PLA  potravinářský průmysl (obaly potravin),  lékařství,  strojírenský průmysl (technologie RP) [9, 10]. 2.1.3 PC - polykarbonát Specifická skupina tvořena termoplastickými polymery - polykarbonáty jsou snadno opracovatelné, formovatelné a tepelně tvarovatelné. Díky těmto vlastnostem mají polykarbonáty zaručenou širokou oblast použití včetně technologie RP [11]. Mechanické vlastnosti materiálu PC Specifickým znakem polykarbonátů je kombinace velice dobré mechanické odolnosti, na pohled sklovité průhlednosti, vynikající rozměrové stálosti a vysoké tepelné odolnosti. PC poskytuje návrhářům svobodnou vůli designu pro širokou škálu výrobků. Ačkoliv polykarbonát disponuje vysokou odolností vůči rázovému zatížení, nevýhoda PC spočívá

FSI VUT


List

17

v nízké odolnosti vůči poškrábání. Tato nevýhoda je odstraněna pomocí aplikace speciální ochranné vrstvy zejména u brýlových skel a vnějších součástek automobilů. Vlastnosti polymetylmetakrylátu (PMMA, akryl) jsou velice blízké vlastnostem PC, nicméně PC má vyšší pevnost a je použitelný v širším rozsahu pracovních teplot. Polymer PC je vysoce transparentní pro viditelné spektrum světla, disponuje vyšší propustností světla oproti jiným druhům skla [11]. Použití PC V roce 1953 byl PC objeven a v následujících letech byl používán pro komerční využití. Zpočátku byl PC používán pro elektrické a elektronické součásti např. obrazovky, konektory, později pro zasklívání skleníků a veřejných budov. Díky bezkonkurenční pevnosti materiálu a nízké hmotnosti je výčet možností použití téměř nekonečný od neprůstřelných oken až po kompaktní disky (CD, DVD). Polykarbonátové čočky vybaveny filtrem proti UV záření jsou použity ve slunečných brýlích, které jsou ideální pro sportovní využití díky zmíněné vysoké pevnosti PC. Uplatnění nachází ve stavebním průmyslu jako je výroba skleníků, venkovních staveb, ale také v automobilovém průmyslu ve výrobě světlometů a v neposlední řadě v oblasti zdravotnictví [11]. 2.2 Odlévaný materiál Slitiny hliníku je možné rozdělit podle různých kritériích. Nejčastěji se uvádí rozdělení podle způsobu zpracování jednotlivých slitin. Ke dnu 1. 1. 1995 bylo registrováno 18 slitin hliníku, které jsou vhodné pro tváření a 16 slitin hliníku, které se používají na odlitky. Dalším možným kritériem dělení slitin hliníku je zda jsou schopny měnit svoje mechanické vlastnosti jako je zvýšení tvrdosti nebo zvýšení pevnosti tepelným zpracováním - vytvrzováním. Tato schopnost je spjata s chemickým složením slitin, konkrétně s jejich polohou v rovnovážném diagramu odpovídající soustavy a mimo to je podmínkou dostatečné přesycení tuhého roztoku na bázi hliníku přísadovými prvky. Obecné rozdělení hliníku podle vhodnosti použití ke tváření a slévání a tepelnému zpracování ukazuje rovnovážný diagram obr. 2.2 [12].

Obr. 2.2 Schéma obecného rovnovážného diagramu binárních slitin hliníku [12].

2.2.1 Slitiny hliníku pro odlitky Svoje uplatnění získávají u výroby tvarových odlitků litím do písku, do kovových forem nebo tlakovým litím. U první metody mají odlitky hrubou strukturu a nejhorší pevnostní

FSI VUT


List

18

charakteristiky. U lití do kovových forem a tlakovým litím se dosahuje jemné struktury a lepších mechanických vlastností. Oproti slitinám hliníku ke tváření mají podstatně nižší mechanické vlastnosti, např. mez pevnosti v tahu je okolo 250 MPa [12]. Podle slitinových bází je možné rozdělit hliníkové slitiny pro odlitky na: Slitiny Al-Si (Binární siluminy) Tyto slitiny se rozdělují na podeutektické, eutektické a nadeutektické. Nejlepší slévárenské vlastnosti však mají nadeutektické. Eutektikum, které představuje tuhý roztok α a krystaly téměř čistého křemíku, přináší slitinám několik pozitivních vlastností. V poměrně velkém obsahu (40 až 75 hm%) podporuje vysokou zabíhavost a snižuje lineární smrštění. Dále snižuje sklon k tvorbě trhlin za tepla a sklon ke vzniku mikropórovitosti. K přednostem slitin Al-Si patří dobrá odolnost proti korozi. Přesto se pro tvarové odlitky používají méně, neboť větší zastoupení pro tvarové odlitky získaly pevnější speciální siluminy [12]. Speciální siluminy Ke zlepšení pevnostních charakteristik binárních siluminů přispěly přísady hořčíku a mědi. Takto vznikají speciální siluminy Al-Si-Mg a Al-Si-Cu, které lze ještě po odlití vytvrzovat. Slévárenské vlastnosti těchto siluminů jsou horší než u binárních siluminů Al-Si. Použitím přísadových prvků (Mn, Ti, Zn, Ni) se některé vlastnosti opět zlepšují. Speciální siluminy mají zastoupení v široké oblasti tvarově složitých a tenkostěnných odlitků, které se nacházejí v automobilech a v ostatní dopravní technice, např. skříně spalovacích motorů a převodovek, písty, hlavy válců, řemenice, pouzdra, disky kol, součásti pro letadla a další [12]. Pro výrobu odlitků válce motoru Jawa 50 pomocí vytavitelných modelů byla zvolena hliníková slitina AlSi7Mg0,6. Tento speciální silumin je běžně používán pro odlévání tvarově složitých odlitků s různě proměnlivým průřezem. Slitiny Al-Cu Binární slitiny Al-Cu se používají málo, avšak slitiny polykomponentní, které jsou ze základní báze Al-Cu odvozené mají své uplatnění větší. Přísady niklu a železa disperzně zpevňují tuhý matriční roztok, ve kterém jsou nerozpustné [12].

FSI VUT


List

19

3 KONSTRUKCE VÁLCE MOTORU V APLIKACI SOLIDWORKS V kapitole je popsán postup navrhování tvarově složitého 3D modelu válce motoru Jawa 50. Pro modelování dané součásti byl zvolen parametrický program SolidWorks. 3.1 Charakteristika CAD programu SolidWorks Program SolidWorks je konstrukční software, který umožňuje konstruktérům, inženýrům a dalším tvůrčím profesionálům realizovat své výrobky v 3D rozměru. Mimo to nabízí návrhy plechových dílů, forem, svařenců a celou řadu simulačních programů, které mají pomoci ověřit návrhy 3D modelů před uvedením do výroby. Program je rozdělen na tři části, které může uživatel použít: díl, sestava a výkres viz obr. 3.1 [13, 14].

Obr. 3.1 Rozdělení programu SolidWorks [13].

3.1.1 Tvorba dílu Díl je nejdůležitější část celého programu. Za použití skic uživatel navrhuje daný předmět v rozměru 2D. V první fázi je tedy vše vytvořeno ze základní skice, která musí být správně okótována. K přeměně skici z rozměru 2D do hmotného 3D tvaru je poskytována uživateli celá řada modelových prvků. Nabízené prvky jsou např. Rotace kolem osy, Přidání vysunutí, Spojení profilů, Odebrání vysunutí a mnoho dalších. 3.1.2 Tvorba sestavy Do sestavy je možné vkládat navržené díly pomocí vazeb, které zajišťují správné uložení navržených dílů a mohou tak uživateli prezentovat finální výrobek. Záložka analýza poskytuje uživateli několik typů kontrol, které jsou před samotnou výrobou a hlavně montáží velice důležité. Použitím Rozměrové analýzy, Kontroly přesahů, Ověření vzdáleností, Zarovnání děr a spoustu dalších kontrol umožní uživateli celý výrobek zkontrolovat a případné chyby rovnou v sestavě opravit. 3.1.3 Tvorba výkresu Tvorba výkresu je poslední část, která je nedílnou součástí každého výrobního procesu ve strojírenství. Program poskytuje vytvoření výkresové dokumentace jak jednotlivých dílů nebo sestav daného výrobku. Uživatel je schopen pomocí programu vytvořit plnohodnotný výkres součásti podle stanovených pravidel kótování s použitím kót, pozic, zobrazení řezu, zobrazení detailu apod. Plná asociativita souborů programu SolidWorks spočívá

FSI VUT


List

20

v automatickém generování výkresové dokumentace po provedení změn v 3D modelu. Díky této výhodě je tvorba výkresové dokumentace snazší a časově méně náročná. 3.2 Vlastní konstrukce válce motoru Jawa 50 Před navrhováním vlastní konstrukce válce motoru Jawa 50 bylo zapotřebí celou konstrukci modelování důkladně promyslel. Šlo především o to, jak by modelování bylo co nejefektivnější z hlediska časové náročnosti a také složitosti některých konstrukčních prvků. Nejprve byla skicována polovina válce viz obr. 3.2 včetně žeber, která mají funkci chlazení.

Obr. 3.2 Tvorba skici válce motoru Jawa 50.

Při skicování bylo použito z panelu Skica několik tvarových skic jako jsou kružnice, přímka a tečný oblouk. Snadnou manipulaci při vyndávání voskových modelů ze silikonové formy při dalším zpracování zajistilo správné zakótování úhlů žeber pasivního chlazení. Po zakótování všech potřebných rozměrů jako byly rádiusy, rozteče a úhly žeber bylo možné skicu považovat za plně určenou a dále s ní pracovat. K přeměně z 2D rozměru do 3D modelu byl použit prvek Přidání vysunutím. Aby mohlo být tento prvek použit, bylo zapotřebí mít danou skicu plně uzavřenou. V tomto případě byla uzavřena pomocí osy, která byla použita záměrně. Dále už sám program nabídl možnost zadání délky v milimetrech do jaké bylo potřebné růžově vybarvenou plochu vysunout viz obr. 3.3.

FSI VUT


List

21

Obr. 3.3 Přeměna 2D skici do 3D modelu.

Potvrzením volby byla polovina válce vysunuta na potřebnou délku. Následně pro dokončení druhé poloviny válce bylo použito dalšího prvku a to Zrcadlení. Při volbě tohoto prvku musí být určeno jaká plocha nebo celkové vyhotovené prvky mají být zrcadleny. Dále je nutné zvolit rovinu či plochu, které určují pomyslnou hranici zrcadlení. Hranice zrcadlení byla zvolena Pravá rovina, která zároveň procházela pomyslnou osou válce motoru Jawa 50, jak je možné vidět na obr. 3.4.

Obr. 3.4 Zrcadlení poloviny válce motoru Jawa 50.

Po zhotovení hrubého modelu válce motoru byly dále modelovány jednotlivé kanálky. Jako první byly modelovány vnitřní přepouštěcí kanálky válce motoru. Skicování přepouštěcích kanálků bylo uskutečněno ze strany, kde je přišroubována hlava válce. V první řadě bylo nutné rozvrhnout rozteče a umístění děr pro spojovací šrouby tzv. ,,štefty“ z důvodu snadné montáže finálního výrobku válce motoru Jawa 50. Tvar skici, který představoval ohraničení přepouštěcích kanálků viz obr. 3.5, byl zhotoven tvarově složitou křivkou. Při konstruování bylo použito několik zaoblení skici, tečných vazeb mezi jednotlivými přechody a středových oblouků. Tím vznikl přibližně stejný tvar, který byl

FSI VUT


List

22

oproti originálu o 2 mm širší, což bylo záměrem. Poté byl použit prvek Přidání vysunutí a skica mohla být vysunuta do patřičné délky.

Obr. 3.5 Ohraničení přepouštěcích kanálků válce motoru Jawa 50.

Dále zbývalo vymodelovat výsledný vnitřní tvar přepouštěcích kanálků. Tvar byl zachován z tovární produkce, nicméně zaoblení a celková šířka byla oproti původnímu návrhu zvětšena o 2 mm. Zvětšení mohlo být provedeno jen do určitých rozměrů, neboť by úprava nepřinesla žádné pozitivní účinky. Docházelo by k nežádoucímu opotřebení ostatních součástí uvnitř motoru (těsnění), následnému úniku převodového oleje do spalovacího prostoru a velkému rozdílu spotřeby paliva. Po konečném zakótování viz obr. 3.6 byl použit prvek Odebrat vysunutím.

Obr. 3.6 Skica vnitřních přepouštěcích kanálků motoru Jawa 50.

Následně byla zadána potřebná hloubka odebrání materiálu v milimetrech. Poté bylo zapotřebí zaoblit a zkosit příslušné hrany, které vznikly předchozím odebráním materiálu. Pomocí prvků Zkosit viz obr. 3.7 a Zaoblit viz obr. 3.8, které tuto operaci provádějí, byly po zadání potřebných rádiusů a úhlů dokončeny vnitřní přepouštěcí kanálky.

FSI VUT


List

23

Obr. 3.7 Zkosení hran přepouštěcích kanálků válce motoru Jawa 50.

Obr. 3.8 Zaoblení hran přepouštěcích kanálků válce motoru Jawa 50.

Dalším krokem bylo vymodelování výfukového kanálku. Nejprve byla vytvořena skica, která ohraničovala velikost a tvar. Skica byla konstruována v rovině žebra, kde je výfukový kanálek při montáži spojen s výfukem. Skica byla vytažena do 3D prostoru za použití prvku Přidání vysunutí. U zadávání potřebné délky vysunutí byla zvolena možnost vysunout danou skicu na obě strany. Na stranu ven z válce k výfuku byla pevně stanovená délka vysunutí číselnou hodnotou v mm. Druhým směrem k válci byla zadána možnost vysunout po plochu. Jako omezující plocha byla vybrána díra pro vložku válce viz obr. 3.9.

FSI VUT


List

24

Obr. 3.9 Skica ohraničující tvar výfukového kanálku válce motoru Jawa 50.

Po zaoblení hran, které vznikly vysunutím, byl dále modelován otvor výfukového kanálku. Zde bylo použito prvku Odebrat spojením profilů. Před použití tohoto prvku bylo nutné zkonstruovat dvě soustředné skici (kružnice a rovnoramenný lichoběžník se zaoblenými rohy) ve dvou rovnoběžných rovinách vzdálených od sebe 41 mm. Použitím prvku Odebrat spojením profilů vznikl konečný tvar výfukového kanálku, který představoval odebrané objemové těleso s podstavami zmiňovaných skic dle obr. 3.10.

Obr. 3.10 Otvor výfukového kanálku válce motoru Jawa 50.

Při modelovaní sacího kanálku válce motoru Jawa 50 byl použit stejný postup jako u výfukového kanálku. Skica, která představovala ohraničení tvaru (elipsa) viz obr. 3.11, byla vysunuta do patřičné hloubky s omezující plochou obdobně jako při skicování výfukového kanálku - díra pro vložku válce.

FSI VUT


List

25

Obr. 3.11 Skica ohraničující tvar sacího kanálku válce motoru Jawa 50.

Následně byl použit prvek Odebrání spojení profilů. Skici, které představovaly podstavy objemového tělesa, byly dva obdélníky se zaoblenými rohy vůči sobě zarovnané k delší straně obdélníka viz obr. 3.12. Odebrané objemové těleso představovalo konečný tvar sacího kanálku válce motoru Jawa 50.

Obr. 3.12 Otvor sacího kanálku válce motoru Jawa 50.

Pro dokončení 3D modelu válce motoru Jawa 50 v aplikaci SolidWorks, bylo použito prvku Zaoblení hran. Bylo nutné všechny vzniklé hrany zaoblit z důvodu správné zabíhavosti materiálu při výrobě silikonové formy a voskových modelů. Výsledný řez 3D modelu válce motoru Jawa 50 viz obr 3.13 bylo ještě nutné pomocí analýzy měření zkontrolovat zda sací a výfukový kanálek jsou ve správné pozici, aby nevznikly komplikace při nastavení časování a samotného předstihu motoru.

FSI VUT


Obr. 3.13 Řez 3D modelu válce motoru Jawa 50.

List

26

FSI VUT


List

27

4 VÝROBA VÁLCE MOTORU POMOCÍ ADITIVNÍ (METODA FMD) A SLÉVÁRENSKÉ TECHNOLOGIE Tato kapitola pojednává o postupu výroby navrženého tvarově složitého modelu válce Jawa 50 s využitím technologie RP. Dále je popsána výroba silikonové formy, sloužící pro odlévání voskových modelů. Voskové modely byly použity pro slévárenskou technologii přesného lití za pomoci vytavitelných modelů. 4.1 Aditivní technologie Rapid Prototyping Aditivní technologie má své podstatné zastoupení v dnešních moderních trendech. Jedna z nově rozvíjených technologií je i Rapid Prototyping (RP). Historie RP sahá do 80. let 20. století, kdy byla vyvinuta technika stereolitografie. Výhoda technologie RP spočívá v redukci času, který je potřebný pro návrh nového prototypu a zároveň potřebný pro samotnou výrobu. Lze tak snadno vyrobit funkční tvarově složitou součást a správným výběrem technologie i pevnostně vyhovující za kratší dobu, než tomu bývá u klasických metod obrábění. Redukce výrobního času poskytuje snížení výrobních nákladů součásti [2, 3]. 4.1.1 Princip technologie Rapid Prototyping Technologie RP poskytuje stavbu fyzických prototypových součástí z prostorových virtuálních 3D modelů. 3D model může být vytvořen v libovolném CAD systému s podporou tvorby objemového či plošného modelu nebo pomocí naskenování reálné součásti prostorovým skenerem. Vytvořený model je poté převeden do příslušného formátu (nejčastěji *.stl) za nutné podmínky, kdy všechny povrchy vytvořeného modelu jsou uzavřené. Tento proces zajišťuje automatické převedení vytvořeného 3D modelu do příčných řezů trojúhelníkové sítě polygonů, kde je možné definovat vzdálenosti jednotlivých vrstev viz obr. 4.1 [2, 3, 18].

Tvar vyrobené součásti.

Tvary jednotlivých vrstev vypočítané softwarem.

Proces tvorby součásti, schéma.

Obr. 4.1 Obecný princip technologie RP [3].

Všechny metody RP vyžadují navržení tzv. podpůrné konstrukce, která zabraňuje případnému zborcení materiálu v místě, kde není v určité etapě tisku součásti zajištěna samonosnost. Vhodné navržení orientace v softwaru tiskárny před samotným tiskem snižuje spotřebu podpůrného materiálu, software vždy automaticky nastavuje určitou vrstvu podpůrného materiálu pod tištěnou součástí. Výrobek zhotovený technologií RP je tedy zhotoven opakovaným nanášením materiálu po vrstvách konstantní tloušťky v řádu setin až desetin mm (metoda aditivní), naproti tomu u konvenčních metod obrábění je z daného výrobku materiál odebírán ve formě třísky (metoda subtraktivní) [2, 3, 18].

FSI VUT


List

28

4.1.2 Použití technologie Rapid Prototyping Technologie RP má v dnešní době zastoupení nejen v automobilovém a leteckém průmyslu viz obr. 4.2, ale její potenciál vzrůstá ve spotřebním průmyslu i zdravotnictví. Použitím technologie RP lze vyrobit prostorově složitý model s cílem získání názorné představy o celkovém provedení a tvaru. Následně slouží jako kontrola designu navrženého modelu, v kterékoli fázi vývoje je snadné upravit stávající geometrii a případně korigovat další vývojové fáze výrobku. Technologie RP má významné zastoupení v oblasti výroby nástrojů a uzavřených forem. Využití RP nachází také u simulací v oblastech namáhání, proudění, koncepčního konstruování, designu a archivace 3D modelů [2, 3, 18].

Obr. 4.2 Součásti vyrobené technologií RP [15, 16]. 4.1.3 Rozdělení metod Rapid Prototyping Společným principem všech metod technologie RP při výrobě modelu je opakované přidávání vrstev materiálu o dané tloušťce. Samotné přidávání materiálu je založeno na několika principech, kdy je použito specializovaných zařízení. Tato zařízení zahrnují spékání/slinování prášků o různém chemickém složení (kov, plast), nanášení vrstev roztaveného materiálu a spojování speciálních fólií. Základní rozdělení komerčně dostupných technologií RP z hlediska různých principů nanášení a použití materiálu je na obr. 4.3 [2,3].

Obr. 4.3 Schéma základního rozdělení metod RP [17].

FSI VUT


List

29

Válec motoru Jawa 50 byl vyroben aditivní technologií FDM na bázi tuhých materiálů (plast ABSplus), proto bude dále popsána tato metoda. 4.2 Metoda Fused Deposition Modeling - FDM Historie metody FDM sahá do roku 1988, kdy byla vynalezena společností Stratasys, Inc. Výroba modelu metodou FDM je založena na postupném nanášení polotekutého termoplastického materiálu navinutého ve formě tenkého drátu na cívce, ze které je pomocí podávacího a dávkovacího systému vytlačován z vyhřívané trysky na podložku viz obr. 4.4. Vše začíná použitím softwaru CatalystEX vyvinutým firmou Statasys, Inc., ve kterém jsou nastaveny veškeré atributy potřebné pro tisk, tloušťka jednotlivých vrstev nanášeného materiálu, nastavení způsobu vyplnění stavebního a podpůrného materiálu, měřítko tisku, orientace v pracovním prostoru atd. 3D tiskárny, které pracují na principu FDM používají materiály jako jsou ABS nebo ABSplus plast, polykarbonát, elastomer, vosk atd. Zásobu materiálu poskytují 2 speciální kazety - jedna se stavebním materiálem, druhá s materiálem pro vytvoření podpor, neboť tato metoda vyžaduje stavbu podpůrné konstrukce. Podpůrná konstrukce zabraňuje případnému zborcení stavebního materiálu během tisku a je následně po vytisknutí modelu mechanicky nebo chemicky odstraněna. Pomocí kladek je stavební a podpůrný materiál dopravován do extruzivní trysky, ve které je ohříván o 1 °C vyšší než je jejich teplota tavení. Po styku vytlačovaného materiálu s vytvářeným modelem je materiál ochlazen okolním vzduchem a ihned ztuhne. Extruzivní tryska pracuje v souřadnicovém systému v rovině X, Y dokud není dokončena jedna celá vrstva tisknutého modelu. Poté dojde k posunutí celé základní podložky o tloušťku nanášeného materiálu ve směru osy Z. Tento proces tisknutí jednotlivých vrstev v rovině X, Y a následné posunutí podložky o tloušťku materiálu v ose Z, se opakuje dokud není vyroben celý model. Správná volba orientace modelu na pracovní podložce a výrobního postupu výrazně ovlivňuje pevnost vyrobeného modelu [3, 18]. Výhody: Metoda FDM poskytuje vyrobení funkčního prototypu, který má mechanické vlastnosti blízké vlastnostem konečného produktu. Při procesu výroby modelu je vznik odpadu minimální (pouze materiál tvořící podpůrnou konstrukci). Podpůrnou konstrukci lze snadno odstranit mechanicky nebo chemickým způsobem. V průběhu procesu výroby modelu je možné samotné tisknutí pozastavit z důvodu výměny prázdné kazety s materiálem za novou a pokračovat dále v tisknutí [3]. Nevýhody: Nevýhoda metody FDM spočívá v omezené přesnosti dané tvarem použitého materiálu pro výrobu modelu a průměrem na výstupu extruzivní trysky. Rychlost procesu výroby nelze urychlit z důvodu principu metody FDM a vlastnostmi použitých materiálů. Další nevýhodou je smrštění zhotoveného modelu během chladnutí. Tato nevýhoda je spojena s vlastnostmi použitého materiálu, nicméně ji lze určitým způsobem korigovat vhodným nastavením samotného tisku v softwaru CatalystEX, což ale vyžaduje určitou zkušenost uživatele s daným softwarem [3].


FSI VUT

List

30

Obr. 4.4 Schéma metody FDM [19].

4.3 Tisk válce motoru Jawa 50 Příprava a nastavení tisku navrženého válce motoru Jawa 50 byly provedeny v programu CatalystEX. Tisk navrženého válce byl proveden 3D tiskárnou uPrint od firmy Dimension, která pracuje s metodou FDM. Stavebním materiálem válce motoru byl termoplast ABSplus. 4.3.1 Příprava 3D modelu válce motoru Jawa 50 v softwaru CatalystEX Příprava tisku 3D modelu válce Jawa 50 byla provedena v softwaru CatalystEX. Zhotovený model válce motoru byl z aplikace SolidWorks převeden do formátu *.stl viz obr. 4.5 [20].

Obr. 4.5 Import dat válce motoru Jawa 50 do softwaru CatalystEX [20].


FSI VUT

List

31

4.3.2 Nastavení tisku 3D modelu válce motoru Jawa 50 v software CatalystEX Model válce motoru byl umístěn do pracovního souřadného systému a bylo provedeno jednotlivé nastavení parametrů tisku viz obr. 4.6, které bylo nezbytné pro vlastní tisk modelu válce motoru tiskárnou uPrint [20].

Obr. 4.6 Nastavení vlastností 3D tisku válce motoru Jawa 50 [20].

Nastavení vlastností tisku 3D modelu válce motoru Jawa 50: Velikost vrstev (Layer resolution) Nastavení velikosti vrstev bylo možné provést ve třech variantách:  0,178 mm,  0,254 mm,  0,330 mm [20]. Tloušťka vrstvy byla již přednastavena od výrobce tiskárny uPrint tj. 0,254 mm. Vzdálenost jednotlivých vrstev výrazně ovlivňuje kvalitu povrchu zhotoveného modelu a má podíl i na délce času potřebné k vyhotovení modelu [20]. Vyplnění modelu (Model interior) Způsob vyplnění 3D modelu bylo možné nastavit ze tří možností:  Solid,  Sparse - high density,  Sparse - low density [20]. Možnost výplně 3D modelu je zvolena podle dalšího zpracování prototypu a nároků na požadované mechanické vlastnosti. Model válce motoru Jawa 50 bylo nutné vytisknout s nastavením výplně Solid z důvodu namáhání chladicích žeber při následném opracování modelu (broušení povrchu) a tvorby silikonové formy [20].

FSI VUT


List

32

Solid Varianta výplně Solid je použita v případě, kdy je kladen důraz na vyšší pevnost a odolnost zhotovené součásti. Stavební materiál je takřka vyplněn v celém objemu součásti viz obr. 4.7 a jeho spotřeba je také u tohoto nastavení největší. Z tohoto důvodu je také čas potřebný pro 3D tisk nejdelší [20].

Obr. 4.7 Možnost výplně Solid [20].

Sparse - high density Pro následné obrábění součásti je použita možnost výplně Sparse - high density. Tato možnost výplně zajistí dostatečnou pevnost součásti při samotném obrábění, úsporu stavebního materiálu viz obr. 4.8 a snížení potřebného času pro 3D tisk [20].

Obr. 4.8 Možnost výplně Sparse - high density [20].

Sparse - low denstity U součástí sloužících pouze k vizualizaci bez požadavků na pevnost a odolnost je používána možnost výplně Sparse - low density. Spotřeba stavebního materiálu viz obr. 4.9 a čas potřebný k 3D tisku jsou u této volby nejnižší [20].

Obr. 4.9 Možnosti výplně Spase - low density [20].

FSI VUT


List

33

Vyplnění podpory (Support fill) Volba výplně podpůrného materiálu byla vybrána z několika provedení:  Basic,  Sparse,  Minimal,  Break-away,  Surround [20]. Podpůrná konstrukce je používána během tisku pro podepření přečnívajících tvarů tisknutého modelu, aby bylo zabráněno případnému zborcení stavebního materiálu v místě tisku. Po vytisknutí modelu je možné podpůrnou konstrukci odstranit mechanicky nebo chemickým způsobem. Varianta podpůrného materiálu pro tisk válce motoru Jawa 50 byla zvolena Sparse [20]. Basic Volba Basic je nejčastější nastavení u většiny modelů. Je zde použito konzistentní vzdálenosti mezi rastrovými drahami [20]. Sparse Možnost Sparse minimalizuje množství potřebného podpůrného materiálu. Vzdálenost mezi jednotlivými rastrovými drahami je větší než u nastavení Basic [20]. Minimal Tato varianta je použita u malých modelů, kde je zapotřebí podpůrnou konstrukci co nejsnadněji odstranit [20]. Break-away Nastavení Break-away má podobný charakter jako podpora Sparse. Odlišnost spočívá v delším času tisknutí dané podpory, ale nejjednodušším odstranění podpůrného materiálu, než je tomu tak u ostatních variant nastavení [20]. Surround Při tisknutí protáhlých a štíhlých modelů, kdy je celý model obklopen podpůrným materiálem je volen tento druh podpory [20]. Počet kopií (Number of copies) Možnost, ve které lze nastavit počet tisknutých kopií daného modelu [20]. Volba jednotek (STL units) Zde je možné nastavení jednotek 3D tisku (milimetry/palce). Před tiskem válce motoru Jawa 50 byly zvoleny jednotky v milimetrech [20]. Měřítko (STL scale) Toto nastavení určuje velikost měřítka daného modelu. V případě tisknutí válce motoru Jawa 50 bylo nastaveno měřítko 1:1 [20].

FSI VUT


List

34

Software CatalystEX po zpracování dat ve formátu *.stl automaticky generuje podpůrnou konstrukci podle orientace 3D modelu v pracovním prostoru viz obr. 4.10 [20].

Obr. 4.10 Automatické generování podpůrné konstrukce válce motoru Jawa 50 [20].

Dále je možné zjistit stav zbývajícího objemu materiálu v kazetách, množství objemu stavebního a podpůrného materiálu potřebných pro zhotovení samotného modelu a potřebný výrobní čas viz tab. 4.1 [20]. Tab. 4.1 Základní informace o tisku master modelu válce motoru Jawa 50 [20].

Základní informace o 3D tisku master modelu válce motoru Jawa 50 Spotřebovaný stavební materiál

452,53 cm3

Spotřebovaný podpůrný materiál

37,78 cm3

Celkový čas potřebný pro tisk

23:53 hod

4.3.3 Tisk master modelu válce motoru Jawa 50 3D tiskárnou Dimension uPrint Po nastavení všech potřebných vlastností tisku, byl soubor odeslán z osobního počítače do tiskárny Dimension uPrint. Základní informace o 3D tiskárně Dimension uPrint jsou uvedeny v tab. 4.2. Zmačknutí tlačítka start tisku byl jediný úkon, který byl proveden u samotné tiskárny osobně viz obr. 4.11. Před samotným procesem výroby tiskárna automaticky předehřeje pracovní prostor na provozní teplotu 74 °C. Poté byla na pracovní desku jako první nanesena 5 mm vrstva podpůrného materiálu, na kterou byl dále nanášen stavební materiál viz obr. 4.12. Vrstva podpůrného materiálu slouží ke snadnému oddělení zhotoveného master modelu od pracovní desky a zabraňuje nechtěnému poškození vyrobeného modelu.


FSI VUT

List

Obr. 4.11 Spuštění 3D tisku tiskárnou Dimension uPrint. Tab. 4.2 Základní informace o 3D tiskárně Dimension uPrint [21].

Specifikace produktu Dimension uPrint Modelovací materiál

ABSplus - barva slonová kost

Modelovací prostor

203 x 152 x 152 mm

Tloušťka vrstvy

0,254 mm

Podporované operační systémy

Windows XP, Vista, 7

Síťové připojení

Ethernet TCP/IP 10/100 base T

Rozměry a váha

635(š) x 660(h) x 940(v) mm, 94 kg

Požadavky na napájení

220-240 VAC 50/60 Hz, jištění min. 7 A

35


FSI VUT

a)

List

36

b)

Obr. 4.12 a) Začátek tisku modelu, b) Dokončený tisk modelu.

4.4 Úprava modelu válce motoru Jawa 50 Vytisknutý model bylo nutné v prvé řadě zbavit podpůrného materiálu, který byl v otvorech sacího a výfukového kanálku a mezi pracovní deskou a modelem. Pomocí šroubováku a kleští byly opatrně mechanicky odstraněny větší části podpor. Poté byl master model se zbylými částmi podpor vložen do ultrazvukové čističky P702 naplněné speciálním rozpouštěcím roztokem o teplotě cca 65 °C. Zařízení omývalo master model pomocí ultrazvukových vln do doby než byl zbaven zbytku podpůrného materiálu viz obr. 4.13.

a)

b)

Obr. 4.13 a) Vytisknutý master model s podpůrným materiálem, b) Odstranění zbylého podpůrného materiálu v ultrazvukové čističce P702.

Získaný master model válce motoru Jawa 50 byl po odstranění podpůrného materiálu rozměrově shodný s virtuálním 3D modelem s vroubkovaným povrchem. Tento nedostatek vzniká jednotlivým nanášením vrstev stavebního materiálu během 3D tisku. Úprava povrchu byla nutná z důvodu dalšího využití master modelu k výrobě silikonové formy a voskových modelů, kdy voskový materiál při odlévání špatně zabíhal do silikonové formy a samotné vyndávání voskových modelů ze silikonové formy by nebylo snadné. Vyhlazení povrchu master modelu bylo docíleno opakovaným nanášením tekutého tmelu


FSI VUT

List

37

ve spreji v kombinaci ručního broušení velice jemným brusným papírem ve vodní lázni. Tekutý tmel byl nanášen po tenkých vrstvách. Bylo vždy nutné nechat zaschnout předchozí nástřik nejméně 25 minut, aby došlo k rovnoměrnému pokrytí daného povrchu. Na model byly vždy naneseny 3 vrstvy v časovém intervalu 30 minut. Po nanesení třetí vrstvy bylo nutné nechat model vyschnout po dobu nejméně 24 hodin k dosažení správného vytvrzení tmelu. Následně byl master model ručně broušen jemným brusným papírem o zrnitosti 600, 800, 1200 ve vodní lázni. Z důvodu tvarově složitého modelu a vzniku malých vad z předchozího tmelení, bylo nutné tento proces opakovat 3 krát, přičemž tímto postupem bylo dosaženo co nejhladšího povrchu master modelu. Úprava povrchu master modelu pomocí tmelu a ručního broušení ve vodní lázni viz obr. 4.14 byla z celé výrobní etapy nejvíce náročná na čas a manuální zručnost.

a)

b)

Obr. 4.14 a) Proces ručního broušení ve vodní lázni, b) Finální master model válce motoru Jawa 50 po vybroušení.

4.5 Výroba silikonové formy válce motoru Jawa 50 Před výrobou silikonové formy je velice důležité správné zvolení dělicí roviny. U master modelu válce motoru Jawa 50 byla tato volba dělicí roviny jednoduchá, neboť master model byl osově symetrický. Vzhledem k tvarové složitosti master modelu a výskytu sacího a výfukového kanálku byla silikonová forma složena z 5 samostatných částí - 3 jádra pro otvory a 2 poloviny silikonové formy, které charakterizovaly tvar chladicích žeber. Životnost silikonových forem je podstatně nižší než u neželezných forem a obrobených forem z oceli. Běžná trvanlivost forem je okolo 10 kusů při zachování přesnosti odlitků až do několika desítek kusů (30 až 40), u kterých není kladen důraz na přesnost. 4.5.1 Výroba jednotlivých částí silikonové formy Při vytváření jednotlivých částí formy byl vždy master model podepřen nařezanými tabulkami skla, které byly vždy slepeny pomocí tavné pistole, čímž bylo zabráněno možnému překlopení master modelu při samotném odlévání silikonové formy. Následně bylo odlévané místo ohraničeno plastelínou, aby nedošlo k přetečení silikonu. Ke zhotovení jednotlivých forem byl použit silikon SILASTIC T-4 smíchaný v poměru 10:1 s vytvrzovacím tužidlem viz příloha P2. Před každým odlitím jednotlivých částí formy bylo nutné směs silikonu a vytvrzovacího tužidla umístit do vakuového licího systému MK Mini, jak je možné vidět na obr. 4.15. Vakuová komora odsává vzduch na hodnotu o 1 bar nižší než je hodnota atmosférického tlaku, čímž je potlačen vznik


FSI VUT

List

38

nežádoucích bublin v silikonové směsi, kterou je master model zalit. Ke zvýšení kvality silikonové směsi bylo vakuování provedeno u každé směsi 3 krát. První fáze 2 vakuování musely být vždy zastaveny jakmile silikonová směs vystoupla po okraj kelímku z důvodu vzniklého podtlaku, u třetí fáze vakuování již tento jev nenastal a doba vakuování byla 20 minut.

a)

b)

Obr. 4.15 a) Vakuové licí zařízení MK mini, b) Kelímek se silikonovou směsí.

Poté mohla být upravená silikonová směs zalita na připravené místo master modelu. Při odlévání jader sacího a výfukového kanálku byly použity tenké drátky pro zajištění přesné polohy při následném skládání hotové formy pro odlévání voskových modelů. Na obr. 4.16 je možné vidět zhotovené jádro pro otvor vložky válce a přípravu sacího kanálku před odlitím silikonové směsi.

Obr. 4.16 Postup výroby jednotlivých částí silikonové formy.

4.6 Odlití voskových modelů válce motoru Jawa 50 Po zhotovení všech 5 částí silikonové formy byla forma složena dohromady a připravena k odlévání voskových modelů. Sestavení jednotlivých dílů silikonové formy je možné vidět na obr. 4.17. V průběhu skládání jednotlivých dílů formy byl kladen důraz na přesnou pozici sacího vůči výfukovému kanálku, aby odlité voskové modely odpovídaly reálné součásti. Přesné pozice bylo dosaženo pomocí předchozího použití tenkých drátků, které zanechaly v místě spoje mezi jádrem pro vložku válce a oběma kanálky malý otvor.

FSI VUT


List

39

Nedílnou součástí formy bylo vytvoření licího otvoru pro samotné odlévání vosku, odvzdušňovacích a výfukových kanálků ke správnému zaběhnutí vosku do všech míst.

Obr. 4.17 Jednotlivé díly silikonové formy válce motoru Jawa 50.

Před odléváním voskových modelů bylo nutné složenou silikonovou formu kovovými sponami nahřát v troubě o teplotě 75 °C po dobu 20 minut pro lepší zaběhnutí voskového materiálu. Samotný vosk byl mezitím vakuován a zároveň ohříván na teplotu 80 °C v kalíšku vakuového licího zařízení MK Mini viz obr. 4.18.

Obr. 4.18 Kalíšek vakuového licího zařízení MK Mini pro nahřívání vosku.

K zamezení vzniku staženiny v nejvyšším místě byly vymodelovány výfukové kanálky z plastelíny. Do licího otvoru byl umístěn trychtýř, přes který bylo možné odlít předehřátý a vyvakuovaný voskový materiál. Z důvodu tuhnutí voskového materiálu bylo odlévání voskového modelu provedeno co nejrychlejším způsobem. Po odlití každého voskového modelu byla silikonová forma položena na nakloněnou rovinu pro snadnější zaběhnutí odlévaného materiálu viz obr. 4.19.


FSI VUT

List

40

Obr. 4.19 Odlitý voskový model válce motoru Jawa 50.

Odlitý voskový model byl ponechán v klidu do druhé dne, kdy byla silikonová forma postupně rozložena. Celé rozebírání silikonové formy bylo provedeno velice jemným a opatrným způsobem, aby nedošlo ke zničení křehkého voskového modelu a poničení samotné silikonové formy. Nejprve byly za pomoci kleští odstraněny kovové spony, spojující jednotlivé části silikonové formy. Použitím roztahovacích kleští bylo možné formu rozdělit na dvě poloviny, kde v jedné polovině byl voskový model se třemi jádry a druhá polovina zůstala prázdná viz obr. 4.20. Následně byly postupně vytaženy jádra pro sací a výfukový kanálek. Jádro pro otvor vložky válce bylo vytaženo jako poslední.

a)

b)

Obr. 4.20 a) ,b) Průběh rozložení silikonové formy válce motoru Jawa 50.

4.7. Konečná úprava voskových modelů Každý odlitý voskový model, vyjmutý ze silikonové formy, vyžadoval několik individuálních úprav před dalším použitím. Dokončovací úpravy jednotlivých voskových modelů zahrnovaly:  odstranění vtokové a výfukové soustavy,  oprava míst nezaběhnutého vosku,  úprava povrchu voskového modelu. Nejprve byly odstraněny vtokové a výfukové kanálky použitím skalpelu, který byl v průběhu odstraňování nahříván nad plamínkem benzínového zapalovače. Nahřívání

FSI VUT


List

41

skalpelu umožnilo snazší manipulaci při samotném odstraňování. Další proces dokončovacích úprav spočíval v přidávání roztaveného voskového materiálu do míst, kde materiál úplně nezaběhnul. Tato úprava byla nutná především v oblasti rohů chladicích žeber. Poslední úpravou bylo zkvalitnění povrchu voskového modelu. Povrchová úprava byla provedena nahříváním dané plochy voskového modelu plamínkem benzínového zapalovače. Tímto způsobem vznikla celistvá plocha díky nízké teplotě tavení voskového materiálu a veškeré nerovnosti povrchu tak zatekly roztavenou hmotou. Po dokončení povrchových úprav bylo možné použít voskové modely pro slévárenskou technologii přesného lití s využitím vytavitelných modelů viz obr. 4.21. Vlastnosti voskového materiálu jsou uvedeny v příloze P3.

Obr. 4.21 Dokončovací úpravy voskových modelů válce motoru Jawa 50.

4.8 Slévárenská technologie - Přesné lití do keramických forem Technologických postupů a metod přesného lití do keramických forem je celá řada. Nalezené vykopávky uměleckých předmětů ze zemí jako Čína, Egypt a Indie ukazují, že princip metody vytavitelného modelu byl znám již před 4000 lety. Netrvalé modely je možné rozdělit do dvou způsobů odstranění ze zhotovené formy a to vytavitelné a spalitelné. Pro výrobu navrženého válce motoru Jawa 50 byla aplikována metoda přesného lití pomocí vytavitelného modelu. Metoda vytavitelného modelu je posunuta v dnešní době na popředí používaných metod ve slévárenském průmyslu, neboť odlitek svými rozměry a strukturou povrchu je považován za skoro finální výrobek [22, 23, 24, 25]. 4.8.1 Charakteristika technologie přesného lití Technologie přesného lití metodou vytavitelného modelu je poměrně nákladný výrobní proces. Proto je nutné dopředu zvážit, zda je použití této technologie efektivní pro konkrétní výrobu součásti. Technologie přesného lití se především uplatňuje u přesných a tvarově složitých modelů, jejichž výroba jinými způsoby by byla vysoce nákladná. Z tohoto důvodu je také lepší tuto metodu použít u větších výrobních sérií, kde náklady na výrobu forem příliš nezvýší cenu odlitků. Technologii přesného lití lze výhodně uplatnit i při výrobě tvarově jednoduchých dílů za předpokladu, že se materiál daného výrobku např. kvůli velké houževnatosti dá obrábět jen velmi obtížně nebo není třískově obrobitelný vůbec [22, 23, 24, 25].


FSI VUT

List

42

Technologii přesného lití lze popsat v několika fázích: Výroba matečné formy Voskový model je nejčastěji odléván do kovových forem. Příslušný tvar formy může být vyroben obráběním nebo odléváním (galvanoplasticky nebo metalizováním). Formy podle materiálu jsou rozděleny na:  ocelové,  z nízkotavitelných slitin,  slitin Zn,  plastických hmot,  sádry,  kaučuku apod. [22, 23, 24, 25]. Odlití voskového modelu Voskový model je možné odlévat do formy několika způsoby:  gravitačním litím při teplotě likvidu a výše,  litím za zvýšeného tlaku (0,5 až 1 MPa) těsně pod teplotou likvidu,  litím za vysokého tlaku (2,5 až 5 MPa) [22, 23, 24, 25]. Nalepování modelů na vtokový kůl Jednotlivé voskové modely jsou přilepeny na vtokový kůl za pomoci obyčejné pájky. Je zapotřebí určitá trpělivost a zručnost. Na potřebná místa jsou zavedeny další vtoky pro lepší zaběhnutí roztaveného vosku [22, 23, 24, 25]. Výroba skořepiny Celý tzv. stromeček, složený z jednotlivých voskových modelů a vtokového kůlu, je ponořen do obalové keramické kapalné hmoty tzv. „břečka“. Tato hmota je tvořena plnivem a pojivem. Poté je celý stromeček posypán ostřivem určitého chemického složení. Tento žáruvzdorný materiál může zastupovat křemen, korund, mullit aj. Celý tento proces je nutné opakovat většinou 6 až 8 krát, než je dosaženo požadované tloušťky keramického obalu. Po ztuhnutí vznikne keramická forma, v níž je uzavřen celý voskový stromeček. Výrobu skořepiny je možné provést několika způsoby viz obr. 4.22 [22, 23, 24, 25].

Obr. 4.22 Příprava skořepiny před odléváním [22].


FSI VUT

List

43

Vytavení voskových modelů a vypalování skořepin Vytavování modelové hmoty je možné provádět dvěma způsoby: Za vysokých teplot Keramická forma je vložena do pece tak, aby se veškerý vosk mohl snadno vytavit. Teplota pece je okolo 750 °C. Následně je keramická skořepina žíhána na teplotu v rozmezí 900 až 1100 °C pro lepší zabíhavost odlévaného materiálu [22, 23, 24, 25]. Za nízkých teplot Toto vytavení je méně časté, nicméně je několik způsobů provedení:  ve vroucí vodě,  v předehřáté páře (při tlaku 0,3 až 0,6 MPa, za teploty 135 až 165 °C),  dielektrickým ohřevem (v poli vysokofrekvenčních oscilací),  proudem teplého vzduchu (do středu vtokového kůlu) [22, 23, 24, 25]. Obecně platí, že čím větší tepelný náraz působí na vosk, tím rychleji je odtaven povrch voskových modelů. Zbylý vosk následně dilatuje, aniž by došlo k porušení souvislého vnitřního povrchu skořepiny, která dilatuje oproti voskovému modelu podstatně méně a hlavně pomaleji [22, 23, 24, 25]. Odlévání příslušného materiálu Roztavený kov je nejčastěji odléván do předehřátých skořepin, méně často do studených. Po odlití a následném ztuhnutí materiálu následuje operace oddělování jednotlivých modelů a dokončovací operace (broušení, tryskání, leštění, natírání) [22, 23, 24, 25]. Všechny fáze metody přesného lití s použitím vytavitelného modelu jsou schematicky znázorněny v příloze P4. 4.9 Výroba válců motoru Jawa 50 slévárenskou technologií pomocí vytavitelných modelů Upravené voskové modely byly pečlivě zabaleny pro export do tuzemské slévárny, která je zaměřena na metodu přesného lití pomocí vytavitelných modelů. Proces celé výroby byl aplikován tak, jak je popsán výše. Nejdříve bylo nutné navrhnout vtokovou soustavu k voskovým modelům, aby došlo k úplnému vytavení voskového materiálu ze skořepiny a správnému zaběhnutí hliníkové slitiny při samotném odlévání viz obr. 4.23.

Obr. 4.23 Návrh vtokové soustavy.

FSI VUT


List

44

Nalepování voskových modelů na vtokový kůl bylo provedeno vždy po dvou kusech. Voskový stromeček byl následně ponořen do keramické kapalné hmoty. Kapalná hmota břečka tvořená plnivem a pojivem musela být nanesena na voskové modely konstantní tenkou vrstvou, aby se předešlo vadám keramické formy, které by měly za následek vyrobení neshodného produktu. Jednalo se zejména o oblast mezi chladicími žebry. Následně byla nanesena vrstva žáruvzdorného materiálu - ostřiva. Po nanesení ostřiva bylo nutné nechat voskový stromeček dostatečně vyschnout, aby bylo možné celý proces opakovat. Proces nanášení břečky a ostřiva proběhl 8 krát než byla skořepina považována za hotovou viz obr. 4.24.

Obr. 4.24 Zhotovená skořepina ze dvou voskových modelů.

Při prvních dvou vrstvách bylo naneseno jemnější ostřivo z důvodu přesného kopírování tvarově složitého povrchu. Zhotovená skořepina byla vložena do předehřáté pece na 740 °C otočená tak, aby mohl veškerý voskový materiál vytéct ze skořepiny ven. Poté byla skořepina žíhána na teplotu okolo 1000 °C a následně byla do skořepiny odlita hliníková slitina AlSi7Mg0,6, jak je možné vidět na obr. 4.25.

Obr. 4.25 Skořepina po odlití hliníkové slitiny AlSi7Mg0,6.

FSI VUT


List

45

Po zchladnutí odlité slitiny následovala destrukce keramické formy. Pomocí vibračního zařízení byla odstraněna veškerá keramická hmota, která tvořila formu. Na obr. 4.26 je možné vidět odlitek dvou válců motoru Jawa 50 s nálitky a vtokovým kůlem.

Obr. 4.26 Odlitek válců motoru Jawa 50.

Následně byly odlité válce motoru Jawa 50 odděleny od vtokové soustavy. Poté byly jednotlivé válce motoru Jawa 50 tryskány a místa, kde byl válec spojen s vtokovou soustavou, byla zabroušena. Válec motoru Jawa 50 po odstranění nálitku a vtokové soustavy viz obr. 4.27.

Obr. 4.27 Průběh odstraňování nálitku a vtokové soustavy.

FSI VUT


List

46

5 DISKUSE V této kapitole je obsažen souhrn výsledků moderních technologií, které byly použity pro design a výrobu válců motoru Jawa 50. Dále jsou zde zhodnoceny klady a zápory použitých technologií, komplikace v konkrétních etapách výroby (master modelu, silikonové formy a samotných odlitků ze slitiny AlSi7Mg0,6). 5.1. Zhodnocení tvorby master modelu aditivní technologií Rapid Prototyping – metoda FDM Model válce motoru Jawa 50 byl vytvořen pomocí moderní 3D tiskárny od firmy Dimension uPrint. Technologie FDM umožnila rychlé a přesné vytvoření master modelu bez větší spotřeby odpadového materiálu jako u klasických subtraktivních metod obrábění. Hlavní nevýhodou výroby master modelu byla struktura povrchu, která byla vroubkovaná. Tento nedostatek byl odstraněn opakovaným nanášením tekutého tmelu ve spreji a následným ručním broušením ve vodní lázni. Proces úpravy struktury povrchu byl velice náročný v prostoru mezi jednotlivými chladicími žebry, sacího a výfukového kanálku. Samotné tmelení a broušení zabralo více času než ostatní etapy celé výroby válce motoru Jawa 50, nicméně výsledné povrchové úpravy bylo dosáhnuto s vysokou kvalitou. 5.2. Zhodnocení výroby silikonové formy válce motoru Jawa 50 Výhoda silikonové formy spočívala v její pružnosti. Díky tomu byla manipulace při vyndávání následně odlitých voskových modelů snazší, než by tomu bylo u jiných typů forem (ocelová, z neželezných materiálů aj.). Pružnost silikonové formy byla na druhou stranu její hlavní nevýhoda, neboť jednotlivé díly formy byly také pružné (jádra pro otvory). Při opakovaném sestavování mezi odléváním voskového materiálu bylo zapotřebí použít vyztužení. Způsob vyztužení byl proveden použitím kovových drátků, které zvýšily tuhost jednotlivých jader pro otvory. Zavedením kovových drátků do jader pro otvory byla dodržena stejná poloha sacího a výfukového kanálku při opakovaném rozložení a sestavení silikonové formy. Ke správnému doléhání obou polovin a těsnosti při sestavování silikonové formy sloužily vodicí zámky. Použitím těchto opatření bylo dosaženo při opakovaném rozložení a skládání rozměrově stejných voskových modelů. Nedílnou součástí silikonové formy bylo vyříznutí vtokového a výfukového otvoru v nejvyšším místě silikonové formy. V oblasti žeber bylo nutné silikonovou formu navrtat vrtákem o malém průměru pro vytvoření odvzdušňovacích kanálků. Při výrobě jednotlivých dílů silikonové formy došlo ke zničení jádra pro sací kanálek, proto bylo nutné odlít díl silikonové formy znovu. Pochybením při nánosu velké vrstvy nátěru mezi styčné plochy jednotlivých dílů silikonové formy způsobilo utržení kousku jádra sacího kanálku. 5.3. Zhodnocení výroby voskových modelů válce motoru Jawa 50 Před odlévání voskového materiálu do předem nahřáté silikonové formy bylo důležité vosk nechat vakuovat v zařízení MK Mini. Vakuováním voskového materiálu bylo zamezeno vzniku nežádoucích bublin. Nevýhoda procesu vakuování spočívala v potřebném času pro dosažení kvalitního voskového materiálu k odlévání. Při samotném odlévání voskového materiálu bylo velice důležité správné zaběhnutí odlévaného materiálu do všech míst silikonové formy. Přestože byly vyrobeny odvzdušňovací kanálky v oblasti chladicích žeber, nedošlo vždy ke správnému vyplnění - nezaběhnutí všech míst voskovým


FSI VUT

List

47

materiálem. Tato vada nemá na funkci válce motoru Jawa 50 žádný vliv, jde pouze jen o vadu estetickou. 5.4. Zhodnocení výroby odlitků válce motoru Jawa 50 ze slitiny AlSi7Mg0,6 Zhotovení keramické formy, vytavení voskových modelů a následné odlití válců motoru Jawa 50 ze slitiny AlSi7Mg0,6 proběhlo v tuzemské firmě, která se odléváním pomocí vytavitelných modelů zabývá několik let. Voskový stromeček byl složen ze dvou voskových modelů válce motoru Jawa 50, potřebných nálitků a vtokové soustavy včetně vtokového kůlu. Počet obalů, složených z pojiva, plniva a ostřiva, byl celkem 8. Výroba keramické skořepiny proběhla bez výrazných obtíží. Po oddělení jednotlivých odlitků válce motoru Jawa 50 ze slitiny AlSi7Mg0,6, bylo možné odlitky prohlédnout a rozhodnout zda má odlitek nějaké vady, kvůli kterým by byl klasifikován jako neshodný výrobek. Objevila se vada při odlévání - vznik drobných bublin. Tato vada většinou vzniká při samotném odlévání materiálů v horních částech odlitku. Tavenina během odlévání proudí turbulentně a dochází tak k mísení přítomného vzduchu s taveninou. Vzduch v tavenině ulpěl v prostoru sacího, výfukového kanálku a v oblasti vtokové soustavy ve formě drobných bublin. Následkem této vady však nevznikl neshodný výrobek, protože místa vzniku vady byla následně obrobena a funkčnost válce motoru Jawa 50 nebyla ovlivněna. 5.5 Náklady na použitý materiál válce motoru Jawa 50 V tab. 5.1 jsou uvedeny ceny jednotlivých materiálů, které byly použity pro výrobu master modelu, silikonové formy a voskových modelů. Dále je zde uvedena částka za originální válec motoru Jawa 50 vyráběného v České republice. Náklady na výrobu skořepinové formy a odlévaný materiál – AlSi7Mg0,6 zde nemohou být uvedeny z důvodu výrobního tajemství tuzemské firmy, která se zabývá metodou přesného lití pomocí vytavitelných modelů. Tab. 5.1 Náklady na použité materiály.

Materiál

Množství spotřebovaného materiálu

Cena materiálu 3

Materiál modelu: 452,53 cm3

Náklady na výrobu [Kč]

ABSplus

14,40 Kč/cm

Silastic T-4

726 Kč/kg

1,9 kg

1379,40

Vosk

5-6 GPB/kg

1,8 kg

331,65

Materiál podpory: 37,78 cm3

Celkové náklady na použitý materiál Cena originálního válce motoru Jawa 50 – 1149,50 Kč/ks

7060,50

8771,55

FSI VUT

6


List

48

ZÁVĚR

Tato bakalářská práce se zabývá návrhem 3D modelu válce motoru Jawa 50 a jeho možnou realizací výroby. Pro výrobu válce motoru Jawa 50 byl po rešeršním průzkumu zvolen vhodný aditivní a odlévaný materiál včetně reálně aplikovaných moderních technologií. Dosažené cíle bakalářské práce jsou shrnuty v následujících bodech:  Byla zpracována rešerše na téma historie a vývoj vybraných motocyklů Jawa 50.  Byla provedena charakteristika a rozbor použitých materiálů (aditivních a odlévaných). Pro výrobu master modelu válce motoru Jawa 50 aditivní metodou FDM byl zvolen ABSplus plast. Pomocí slévárenské technologie s využitím vytavitelných modelů pro výrobu odlitků válců motoru Jawa 50 byla jako odlévaný materiál použita slitina hliníku AlSi7Mg0,6.  V parametrickém CAD programu SolidWorks 2010 byl navržen a zkonstruován 3D model válce motoru Jawa 50.  Výroba prototypového master modelu válce motoru Jawa 50 byla realizována aditivní metodou Fused Deposition Modeling na 3D tiskárně Dimension uPrint.  Master model byl použit pro výrobu silikonové formy, do které byly odlity 4 ks voskových modelů pomocí vakuového licího systému MK mini.  Voskové modely sloužily ke zhotovení keramické formy, do které byly následně odlity finální válce motoru Jawa 50 z hliníkové slitiny AlSi7Mg0,6. Válce motoru Jawa 50 byly odlity v tuzemské slévárně zaměřené na hliníkové odlitky. Všechny cíle bakalářské práce byly splněny.

Obr. 6 Funkční prototyp válce motoru Jawa 50.

FSI VUT


List

49

SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ [1]

Jawa 50, [online]. 2003 [vid. 2014-04-02]. Dostupné z: http://www.jawa-50.cz/.

[2]

ŘASA, J., KEREČANINOVÁ, Z. Nekonvenční metody obrábění 9. Díl. MMspektrum [online]. 2008. č. 11 [vid. 2014-03-12]. Dostupné z: http://www.mmspektrum.com/clanek/nekonvencni-metody-obrabeni-9-dil.html.

[3]

PÍŠKA, M. a kolektiv. Speciální technologie obrábění. CERM 1.vyd. 246 s. 2009. ISBN 978-80-214-4025-8.

[4]

PS: ABS Thermoplast [online]. 2014 [vid. 2014-04-19]. Dostupné z: http://tiefziehen.com/cz/ABS/.

[5]

YAMAMUSIC Slováček: Vysvětlení pojmu ABS plast [online]. 2007 [vid. 2014-04-19]. Dostupné z: http://www.dhn.cz/pom/ABS%20plast.pdf.

[6]

Xpress3D: Prototype Materials [online]. 2005-2013 [vid. 2014-04-19]. Dostupné z: http://www.xpress3d.com/materials.aspx.

[7]

MatWeb: Material Property Data [online]. 1996-2013 [vid. 2014-04-19]. Dostupné z: http://www.matweb.com/search/datasheettext.aspx?matguid=14193b776a7b4c1ca6 d4ecf86497204b.

[8]

Statasys: Polycarbonate - ABS Blend (PC-ABS). In: [online]. 2005 [vid. 2014-04-19]. Dostupné z: http://www.artcorp.com/pdf/PCABS.pdf.

[9]

Easycnc: Affordable 3D Printers [online]. 2013 [vid. 2014-04-19]. Dostupné z: http://www.easycnc.cz/inpage/pla/.

[10] CHEMPOINT: Kyselina polymléčná nejen jako biodegradabilní polymer [online]. 2011 [vid. 2014-04-19]. Dostupné z: http://www.chempoint.cz/kyselina-polymlecnanejen-jako-biodegradabilni-polymer. [11] PS: PC Thermoplast [online]. 2014 [vid. 2014-04-19]. Dostupné z: http://tiefziehen.com/cz/PC/. [12] PTÁČEK, L. a kolektiv. Nauka o materiálu II. CERM 1. vyd. 248 s. 2002. ISBN 80-7204-130-4. [13] VLÁČILOVÁ, H., VILÍMKOVÁ, M., HENCL, L. Základy práce v CAD systému SolidWorks. 1. vyd. Brno: Computer Press, a.s., 2006. 319 s. ISBN 80-251-1314-0. [14] SOLIDWORKS: Proč SolidWorks. [online]. 2011 [vid. 2014-03-15]. Dostupné z: http://www.solidworks.cz/proc-solidworks. [15] MINDTRIBE: A Drool-Worthy Process for Rapid Prototyping of Metal Parts [online]. 2008 [vid. 2014-03-20]. Dostupné z: http://www.mindtribe.com/2008/03/adrool-worthy-process-for-rapid-prototyping-of-metal-parts/. [16] CAD SERVICES LONDON: Rapid Prototyping services, Londýn, UK. [online]. 2009 [vid. 2014-03-20]. Dostupné z: http://www.cadserviceslondon.com/rapidprototyping.php. [17] EIS, J. Technologie výroby kopie osobního automobilu pomocí digitalizace. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2010. 87 s. Vedoucí diplomové práce Ing. Josef Sedlák, Ph.D.

FSI VUT


List

50

[18] ŘASA, J., KEREČANINOVÁ, Z. Nekonvenční metody obrábění 10. Díl. MMspektrum [online]. 2008. č. 12 [vid. 2014-03-12]. Dostupné z: http://www.mmspektrum.com/clanek/ nekonvencni-metody-obrabeni-10-dil.html.

[19] DRÁPELA, M. Modul Rapid Prototyping. Brno. 44 s. Učební text. Vysoké učení technické v Brně. [20] CatalystEX 4.0.1®, ©2010 Stratalys Inc. Eden Prairie, MN. Všechna práva vyhrazena [online]. [vid. 2014-03-19]. Dostupné z: http://www.dimensionprinting.com/applications/ rapid-prototyping.aspx.

[21] MCAE SYSTEMS, spol. s.r.o., Kuřim, ČR. Dimension uPrint [online]. [vid. 2014-03-19]. Dostupné z: http://www.mcae.cz/dimension-uprint. [22] HORÁČEK, M. Slévárenská technologie I. 2. vyd. Brno: VUT Brno, 1990. 166 s. ISBN 80-214-0217-2. [23] KŘÍŽ, R.; VÁVRA, P. Strojírenská příručka-3. svazek. Praha : Scientia, 1993. 254 s. ISBN 80-85827-23-9. [24] DOŠKÁŘ, J. a kolektiv. Přesné lití do keramických forem. Praha : Státní nakladatelství technické literatury, 1961. [25] HERMAN, A. Lití na vytavitelný model. [online]. Praha: České vysoké učení technické v Praze, Fakulta strojní, Ústav strojírenské technologie. 30 s. [vid. 2014-3-20] Dostupné z: http://u12133.fsid.cvut.cz/podklady/MPL/presne%20liti%20na%20vytavitelny%20m odel.pdf.


FSI VUT

List

SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLŮ A ZKRATEK Zkratka

Jednotka

2D

[-]

Two Dimensional

3D

[-]

Three Dimensional

ABS

[-]

Akrylonitril butadien styren

CAD

[-]

Computer Aided Design

CAM

[-]

Computer Aided Manufacturing

DMLS

[-]

Direct Metal Laser Sintering

FDM

[-]

Fused Deposition Modeling

LOM

[-]

Laminated Object Manufacturing

MJM

[-]

Multi Jet Modeling

např.

[-]

například

Obr.

[-]

obrázek

PC

[-]

Polykarbonát

RP

[-]

Rapid Prototyping

SGC

[-]

Solid Ground Cutting

SLA

[-]

Stereolitography

SLS

[-]

Selective Laser Sintering

tzv.

[-]

takzvaný

UV

[-]

Ultra Violet

viz

[-]

odkaz na

mm

[-]

milimetr

kg

Popis

kilogram

cm3

[-]

centimetr krychlový

Kč

[-]

Koruna česká

51


FSI VUT

*.stl

[-]

List

označení výměnného formátu dat

52


FSI VUT

List

SEZNAM PŘÍLOH Příloha 1 (P1) Příloha 2 (P2) Příloha 3 (P3) Příloha 4 (P4)

Jawa 50 typ 20, 21 Sport - Technické parametry. Silastic T-4: Vysoce pevný silikonový tepelně odolný kaučuk. Vosk A7-TGG/09. Slévárenská technologie přesného lití pomocí vytavitelných modelů.

53

NÁVRH 3D MODELU VÁLCE MOTORU JAWA 50 A JEHO MOŽNÁ REALIZACE VÝROBY

Recommend Documents