Odbor reverzního inženýrství a aditivních technologií
Výroční zpráva 2015 3Dlaboratory.cz
Předmluva Vážení čtenáři! Dostává se vám do rukou roční report činnosti odboru Reverzního inženýrství a aditivních technologií na Ústavu konstruování, Fakulty strojního inženýrství VUT v Brně. Tento ucelený přehled výsledků za rok 2015 obsahuje výstupy základního a aplikovaného výzkumu, ale i vybrané výsledky spolupráce s průmyslovými partnery. Odbor si při svém vzniku v září roku 2014 vytyčil několik hlavních priorit. Kromě edukační činnosti je to především výzkum a vývoj v oblasti 3D digitálních technologií, jako jsou 3D tisk kovů nebo 3D optická digitalizace. Jako univerzitní pracoviště stejně významně vnímáme potřebu intenzivní spolupráce s průmyslem, a to jak v oblasti zavádění technologií do praxe, tak i oblasti vývoje a výzkumu. Jako součást Ústavu konstruování jsme zapojeni do výzkumného regionálního centra NETME Centre. Mezi naše největší projekty řešené v roce 2015 patří projekt grantové agentury ČR a projekt pro Evropskou kosmickou agenturu. Na financování odboru se významně podílí i projekty smluvního výzkumu realizované s řadou tuzemských podniků. Těšíme na příští rok, na výzvy, které nás čekají a také na spolupráci, ke které vás srdečně zveme!
Za tým David Paloušek vedoucí odboru
3D laboratoř Zabýváme se 3D skenováním součástí, jejich inspekcí, reverzním inženýrstvím, průmyslovým designem, 3D tiskem kovových, plastových a barevných modelů, robotickým obráběním forem a soch. Jsme Odbor reverzního inženýrství a aditivních technologií Ústavu konstruování Fakulty strojního inženýrství VUT v Brně a jsme součástí Divize virtuálního navrhování a zkušebnictví regionálního výzkumného a vývojového Centra NETME.
3dlaboratory.cz
[email protected]
Vývoj pokročilých materiálů s využitím metody SLM doc. Ing. David Paloušek, Ph.D. vedoucí odboru
Projekt GAČR 15-23274S Selective laser meltig patří mezi aditivní technologie schopné pomoci laseru tisknout 3D díly z kovových materiálů. Některé aplikace vyžadují použití materiálů se speciálními vlastnostmi, jako je např. vedení tepla, odolnost proti vysokým teplotám, vynikající mechanické vlastnosti nebo korozivzdornost. Projekt se zabývá hliníkovým materiálem 2618. Jedná se o hliníkovou řadu 2 s vyšším procentuálním zastoupením mědi. Materiál byl mimochodem použit na letadlech společnosti Airbus a Boeing. Vývoj procesních parametrů pro technologie SLM primárně obnáší zjištění vhodných parametrů laseru, které ovlivní porozitu a mechanické vlastnosti. Kvalita zpracovaného materiálu je však ovlivněna i dalšími parametry, jako je předehřev, inertní atmosféra, po výrobní tepelné zpracování atd. Za rok řešení projektu se podařilo získat základní
procesní parametry a určit tzv. procesní okno. Byly otestovány i ůzné strategie stavby jako je remelting a remelting s nanášením prášku bez posunu základní stavěcí desky.
[email protected]
Aditivní výroba pokročilých kovových materiálů a struktur Ing. Daniel Koutný, Ph.D. odborný asistent
Konzola pro fixaci telekomunikačních antén orbitálního satelitu Aditivní laserové technologie patří aktuálně mezi nejperspektivnější průmyslové oblasti. Není to jenom díky možnostem rychlé výroby prototypových dílů s komplexními tvary, ale především proto, že přináší nový pohled na možnosti návrhu dílů. Zajímavým příkladem jsou kovové struktury, které jsou jinými technologiemi velice obtížně vyrobitelné a umožňují významně snížit hmotnost dílů. Využití takto aditivně vyrobených kovových struktur při návrhu strukturálních dílů ovšem vyžaduje správnou predikci jejich mechanických vlastností, které jsou významně ovlivňovány použitými procesními parametry. Právě studiem vlivu procesních parametrů na porozitu materiálu a mechanické vlastnosti struktur se zabýval výzkumný projekt „Design of spacecraft components for additive manufacturing“, který jsme realizovali ve spolupráci s Evropskou kosmickou agenturou a firmami L.K. Engineering a Thales Alenia Space. Projekt byl zaměřen na vývoj metodiky návrhu komponentů pro kosmické použití vyrobených aditivní technologií 3D tisku. Metodika byla aplikována při výrobě prototypu konzoly pro fixaci antén satelitu. Navržený tvar součásti musel zajistit dosta-
tečnou tuhost a pevnost konzoly při extrémních podmínkách během startu rakety do vesmíru. Vytištěný prototyp konzoly je složen z 15 400 prutů, ze kterých přibližně polovina má průměr menší než 1,5 mm. Výsledná hmotnost konzoly po obrobení funkčních ploch je nižší než 500 gramů. Podobný koncept optimalizované mikro prutové struktury dosud nebyl jinde vyroben a prezentován.
Daniel Koutný Aditivní technologie
3D tisku turbokompresorů V rámci smluvního výzkumu se zabývám vývojem různých prototypových dílů zejména z oblasti automobilového průmyslu. Spolupracuji s řadou firem jako například Honeywell, Continental, L.K. Engineering, Beznoska, Alco controls. Jelikož se jedná o vývojové a prototypové díly jsou podrobnější informace o těchto projektech neveřejné. Jedním z typických aplikačních projektů, který je možné uvést je výroba prototypových verzí skříně turbokompresoru pro formuli student. Vývoj zahrnoval optimalizaci orientace dílu ve stavěcím prostoru, návrh podpůrných struktur s ohledem na vhodný odvod tepla, fixaci dílu zabraňující deformaci tvaru při výrobě a volbu vhodného tepelného zpracování zajišťujícího eliminaci vnitřní napjatosti materiálu při zachování dobrých mechanických vlastností.
[email protected]
Počítačové modelování hydraulické rekuperace energie prof. RNDr. Ing. Josef Nevrlý, CSc. profesor
V rámci celosvětového úsilí o úspory energie a ekologický provoz pracovních strojů a vozidel hrají matematické modely spolu s počítačovou simulací a optimalizací stále větší úlohu. Proto byla činnost zaměřena na hydraulickou rekuperaci brzdné energie těžkých užitkových vozidel a výhledově i u bagrů. V prvním případě se jednalo o pneumatikový silniční válec Ammann AP 240 H švýcarské firmy, v druhém případě jde o malý bagr poháněný elektrickými akumulátory. Takové stroje v sobě zahrnují mechanické, hydraulické, pneumatické a elektrické podsystémy s jejich specifickými rysy a zvláštnostmi, které musí být v modelech podsystémů a systému jako celku náležitě namodelovány. V případě silničního válce takovými namodelovanými podsystémy byly motorová část s dieselovým motorem, čerpadlová část, rozvodný blok s ventily, blok akumulátorů apod. Modelováním se prováděla jednak kontrola realizovaných návrhů jednotlivých částí systémů
v průběžné konfrontaci s výsledky praktických měření, jednak – a to především – minimalizace spotřeby motorového paliva pro pohon stroje. Zahraniční pokusy snížit spotřebu válce bez modelování nevedly k úspěchu. Díky modelování se podařilo snížit spotřebu paliva pro válec až o jednu čtvrtinu.
[email protected]
Základy konstruování doc. Ing. Jan Brandejs, CSc. docent
Výkresová dokumentace je a zůstane základním dorozumívacím prostředkem strojního inženýra. I když ji každý inženýr nebude vytvářet, musí ji umět číst do všech obsahových podrobností, aby ji mohl používat. Při zvažování, zda technickou dokumentaci vyhotovovat podle platných norem hraje důležitou roli skutečnost, že při požadavku certifikace výrobku nebo výroby podniku je vyžadována dokumentace zpracovaná podle platných norem včetně jejich citace. Tyto normy musí mít buď platnost celoevropskou (EN) nebo celosvětovou (ISO). V ČR v současné době platí normy „státní“ (ČSN), převzaté (ČSN ISO), mezinárodní (ISO) a regionální - evropské (EN). Pro konstruktéra jsou důležité normy týkající se zpracování technické dokumentace, strojních součástí, materiálů, výpočtů, jakosti aj. Zlepšování konkurenceschopnosti klade stále vyšší požadavky na přesnost výrobků, obráběcích strojů a měřících přístrojů. Funkční požadavky na výrobek, které se vyjadřují rozměrovými a geometrickými
tolerancemi, drsností povrchu a způsobem jejich předpisu, řeší systém norem „Geometrické požadavky na výrobky“ - GPS (Geometrical Produkt Specifications). Cílem systému ISO GPS je také dosažení potřebné kompatibility mezi normami ISO a tím i normami Evropské unie (EN) a americkými ANSI/ASME (systém Geometric dimensioning and tolerancing).
[email protected]
Automatické 3D skenování a reverzní inženýrství Ing. Tomáš Koutecký, Ph.D. odborný asistent
Automatické 3D skenování plechových dílů K rozměrové a geometrické přesnosti plechových dílů v automobilním průmyslu se stále častěji využívají optické 3D skenery a k jejich nasazování dochází přímo v procesu sériové výroby. Problematické je u optických 3D skenerů zaznamenání povrchů, které jsou lesklé, což je i případ plechových dílů. Aplikace zmatňujících nástřiků, které se musí z měřeného dílu následně odstranit, je z hlediska sériového měření nevýhodná. Měřicí pozice tedy musí být voleny tak, aby se vliv odlesků minimalizoval. O to se většinou stará zkušený operátor, který pro první díl série vytvoří měřicí plán s pozicemi měření. Taková příprava pozic je časově náročná, nemusí se v nich dostatečně předejít nechtěným odleskům a počet pozic může být vyšší než by bylo potřeba. Uvedené nedostatky řeším ve svém výzkumu zaměřeném na automatické generování pozic 3D skeneru. Měřicí pozice jsou generovány na základě CAD modelu měřeného dílu. V použitém přístupu je díl rozdělený na jednotlivé
podoblasti a pro ně jsou následně vygenerovány vhodné pozice. Ty zohledňují i optické vlastnosti materiálu daného dílu a na základě simulace eliminují nechtěné odlesky. Testování provedené na dvou plechových dílech s použitím 3D skeneru ATOS III Triple Scan a obotu KUKA KR60 HA prokázalo dobrou shodu simulace s následným měřením a slibné možnosti navrženého řešení.
Tomáš Koutecký Automatické skenování a reverzní inženýrství
CAD rekonstrukce oběžných kol pro odvodňovací čerpadla Požadavkem našeho průmyslového partnera bylo vytvořit CAD model starších typů oběžných kol pro odvodňovací čerpadla, ke kterým již neexistovala výkresová dokumentace. Samotná oběžná kola však byla dostupná a bylo možné je tedy pomocí 3D skeneru ATOS III Triple Scan přenést do podoby polygonální sítě. K určení poloh některých těžko dostupných a viditelných míst byla použita i dotyková sonda Touch Probe. Především obráběné plochy, které měly lesklý povrch, bylo nutné opatřit nástřikem křídového prášku, díky kterému je možné skenovat lesklé nebo průhledné povrchy. Při tvorbě CAD modelu na základě polygonální sítě byl klasickými objemovými postupy rekonstruován základní tvar kol a pomocí plošného modelování pak tvar lopatek. Při modelování byly zároveň korigovány místní nepřesnosti dílů způsobené především odbroušením kvůli vyvážení kol. CAD data následně posloužila pro výrobu modelového zařízení a forem pro odlití nových oběžných kol. Modelové zařízení by bez použití přístupu reverzního inženýrství muselo být vyrobeno přímo z prototypu (staršího oběžného kola), což by bylo značně nepřesné a pracné řešení. Zvoleným řešením bylo tedy dosaženo vyšší přesnosti vyrobených dílů a časové úspory proti pracnému ručnímu řešení. Z vyhotovených modelů bylo také možno odvodit řezy zobrazující průběhy lopatek a tvar lopatek dále optimalizovat.
[email protected]
Průmyslový design a robotická výroba Ing. David Škaroupka, Ph.D. odborný asistent
Robotický 3D tisk 3D tisk pomocí pomocí průmyslových robotů je jedním z aktuálních trendů v aditivních technologiích. Výhodou je přitom teoreticky neomezený operační prostor, vysoký stupeň volnosti orientace tiskové hlavy a relativně vysoká přesnost vzhledem k většímu rozměru tiskových úloh. Použití šestiosého robotického ramene tak umožňuje přehodnotit tradiční tiskové strategie po rovinných vrstvách na 3D tisk obecných prostorových ploch nebo soustav prutů. Tím je možné dosáhnout lepší kvality povrchu a zejména lepší pevnosti při zachování nízké hmotnosti rozměrných dílů. Značný potenciál tkví už v samotné univerzální podstatě robota, který může být využit k řadě odlišných výrobních operací podle toho, jakým nástrojem je osazen. Naše předchozí zkušenosti s robotickým obráběním tak v další práci zúročíme zkombinováním robotického 3D tisku a následného obrábění povrchu dílů. V průběhu roku 2015 jsme ve spolupráci se studenty intenzivně pracovali na konstrukci tiskové
hlavy typu FFF (fused filament fabrication) a nalezení vlastní cesty jak řídít výrobní proces včetně generování tiskových drah v modulu KUKA PRC Grasshopperu pro software Rhinoceros. Nejbližší vývoj bude směřovat k vylepšení generování tiskových drah, standardizaci celého postupu a jeho rozšíření o nestandardní tiskové strategie.
David Škaroupka Průmyslový design a robotická výroba
Redesign krytu snímací hlavy pro Mapy.cz Panorama Snímací hlava slouží pro zaznamenávání sférických snímků ulic (streetview) pro Mapy.cz ze střechy projíždějícího automobilu. Zadavatel a provozovatel zařízení, firma TopGis s.r.o., požadovala redesign krytu při zachování stávajícího konstrukčního řešení s vysokým vyložením na robustním sloupu a patnácti snímacími kamerami. Mělo být dosaženo kulatého kompaktního tvaru. Vnitřní konstrukce zařízení a původní design krytu byly naskenovány skenerem ATOS a reverzovány. Na taková data byl pomocí pluginu Grasshopper navržen design v podobě krystalické formy vepsané do obalového elipsoidu. Řešení splňovalo zadání získat kompaktní kulový objekt a zároveň umožňovalo instalaci objektivových filtrů na povrch. V Grasshopperu byl vytvořen skript s komponentou Diamond pro geometrii vnějšího plastového krytu vyrobeného vakuovým formováním plastu na předem obrobená kopyta. Ventilační mřížky, generované skriptem s komponentou Voronoi, byly vytištěny technologií 3D tisku FDM (Fused Deposition Modeling).
[email protected]
Fotogrammetrie a reverzní inženýrství Ing. Aneta Zatočilová, Ph.D. odborný asistent
Měření přímosti osy rotačních výkovků pomocí fotogrammetrie a analýzy obrazu Rozměrné výkovky rotačního tvaru patří k z nejčastěji vyráběným artiklům v oblasti těžkého průmyslu. Výroba těchto polotovarů je velmi nákladná. Z toho důvodu stále rostou nároky na efektivitu výroby, stejně jako nároky na přesné tvarové a rozměrové měření výkovků. Hlavním problémem je deformace osy, která vzniká během kování. V současné době většina ocelárenských společností stále měří výkovky kontaktním způsobem. To je nebezpečné pro operátora, pomalé a nepřesné a kvalita výsledků měření často závisí na jeho schopnostech, navíc dochází přerušování plynulosti výroby. Cílem výzkumu bylo navrhnout automatizovaný systém pro rychlou kontrolu rozměrů a přímosti osy výkovku. Za tímto účelem byl navržen fotogrammetrický systém, který rekonstruuje model výkovku ze dvou snímků. Jádrem systému je softwarové řešení detekce hran, přizpůsobené právě pro objekty s vysokou teplotou. Kalibrace kamer je navržena pro velkou statickou scénu as využívá
kruhové značky, které jsou ve scéně trvale přítomné. Systém poskytuje výsledky měření v řádu několika sekund s hybou menší jak 2% v případě měření délky a 1% v případě měření průměru. Další vývoj systému by měl vést k vylepšení kalibrace z hlediska automatizace a zvýšení spolehlivosti detekce hran.
Aneta Zatočilová Fotogrammetrie a Reverzní inženýrství
Rekonstrukce forem pro výrobu klikového systému do osobních automobilů Rekonstrukce forem pro výrobu klikového systému do osobních automobilů byla jedním z nejzajímavějších projektů z oblasti reverzního inženýrství, který jsme řešili pro firmu ITW Pronovia s.r.o. v roce 2015. Firma požadovala rekonstruovat plochy původních CAD modelů formy, zejména v oblasti dělící roviny, s odchylkou do 0,02 milimetrů. Zachycení geometrie skutečných forem byla provedena pomocí 3D skeneru Atos III Triple Scan. Titanový nástřik forem a jemná optika zajistila vysokou kvalitu výsledné polygonální sítě a zachování velmi malých prvků, jako jsou například otvory pro žebra s šířkou pouze několik milimetrů. Polygonální síť byla následně upravena v softwaru GOM Inspect a použita pro tvorbu ploch pomocí softwaru Tebis. Rekonstrukce vyžadovala odstranění stovky původních ploch a jejich nahrazení novými. Průběžná kontrola odchylek od naskenovaných dat a kontrola kritérií pro návaznost nových i původních ploch zajistila vysokou kvalitu výsledného dílu a také spokojenost firmy ITW Pronovia.
[email protected]
Návrh strukturovaných dílu technologií SLM Ing. Radek Vrána vědeckovýzkumný pracovník / Ph.D. Student
V rámci výzkumné a zakázkové činnosti našeho odboru se zabýváme problematikou navrhování a testování odlehčujících prutových struktur (lattice structure) vyrobených technologií SLM z různých materiálů. Jde zejména o mechanické testování a predikci mechanických vlastností s využitím metody konečných prvků (MKP). Zabýváme se také výzkumem v oblasti procesních parametrů výroby lattice structure, které velmi ovlivňuje jejich výsledné mechanické vlastnosti. Pro efektivní návrh těchto speciálních dílů vyvíjíme modul do CAD softwaru. Ten zohledňuje technologii aditivní výroby, umožňuje práci s velmi náročnými kombinovanými modely, jejich úpravu a optimalizaci. Další vhodné využití lattice structure jsou ochranné prvky s řízenou absorpcí energie. V rámci řešení své disertační práce se zabývám jejich efektivnějším a přesnějším navrhováním. Téma je rozděleno do třech úzce souvisejících oblastí. Těmi je výzkum
optimálních procesních parametrů výroby a výroba vzorků lattice structure z hliníkové slitiny AlSi10Mg. Další částí je měření jejich impaktní odolnosti na testovacím zařízení vlastní konstrukce a zejména simulace impaktového testu pomocí MKP a LS-Dyna.
Vybavení laboratoří 3D tiskárny: SLM 280 HL ZPrinter 650 Dimension sst 1200es
Optická digitalizace a měření: Atos III Triple Scan systém Tritop mikroskop Olympus
Další: Charly 2U (CNC frézka) KUKA KR 60HA (prům. robot)
Průmysloví partneři
Vybrané publikace Impaktované: Palousek, D., Omasta, M., Koutny, D., Bednar, J., Koutecky, T. and Dokoupil, F. (2015) ‘Effect of matte coating on 3D optical measurement accuracy‘, Optical Materials, 40(0), 1-9. Scopus: Vrána, R.; Koutný, D.; Paloušek, D.; Zikmund, T. Impact Resistance of Lattice Structure made by Selective Laser Melting from AlSi12 alloy. MM Science Journal. 2015. Sborníky konferencí: Koukal, O.; Koutný, D.; Paloušek, D.; Vrána, R.; Zikmund, T.; Pantělejev, L. Research about the Influence of Process Parameters of Selective Laser Melting on Material EN AW 2618. In Euro PM2015 Proceedings. Reims, France. 2015. p. 1 – 6. ISBN 978-1-899072-47-7. Vrána, R.; Paloušek, D.; Koutný, D.; Koukal, O.; Zikmund, T.; Krejčí, P. Impact resistance of lattice structure made by Selective Laser Melting technology. In Euro PM2015 Proceedings. Reims, France. 2015. p. 1 – 6. ISBN 978-1-899072-47-7. D. Koutny, D. Palousek, O. Koukal, et al., “Processing of High Strength Al-Cu alloy Using 400W Selective Laser Melting – Initial Study,” in Lasers Manuf. Conf. 2015, (Munchen, Germany, 2015) Koutecký, T., Paloušek, D., Brandejs, J. Application of a reflectance model to the sensor planning system. Proc. SPIE 9530, Automated Visual Inspection and Machine Vision, 953005 (June 22, 2015). [cit. 201507-29]. DOI: 10.1117/12.2184890. Dostupné z: http://proceedings.spiedigitallibrary.org/proceeding.aspx?doi=10.1117/12.2184890 Zatočilová, Aneta, David Paloušek a Jan Brandejs. Development of a photogrammetry system for the measurement of rotationally symmetric forgings. In: Proc. SPIE 9525: Optical Measurement Systems for Industrial Inspection IX, 952516. 2015, s. 11. DOI: 10.1117/12.2184916. VRÁNA, R.; KOUKAL, O.; KOUTNÝ, D.; PALOUŠEK, D.; KREJČÍ, P. Device for Testing Impact Resistance of Lattice Structures Panels Produced by the Selective Laser Melting. Book of Proceedings of 56th International Conference of Machine Design Department. ISBN: 978-80-552-1377-4. 2015.
