Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava
RAPID PROTOTYPING učební text
Bohumil Horák Kristýna Friedrischková
Ostrava 2014
Název: Rapid prototyping Autor: doc. Ing. Bohumil Horák, Ph.D., Friedrischková Vydání: první, 2014 Počet stran: 312 Studijní materiály pro studijní obor Měřicí a řídicí technika, FEI Jazyková korektura: nebyla provedena.
Ing.
Kristýna
Určeno pro projekt: Operační program Vzdělávání pro konkurenceschopnost Název: NETFEI - Rozvoj sítí a partnerství mezi Fakultou elektrotechniky a informatiky VŠBTUO a podnikatelským sektorem a institucemi terciálního vzdělávání Číslo: CZ.1.07/2.4.00/31.0031 Realizace: Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava, FEI Projekt je spolufinancován z prostředků ESF a státního rozpočtu ČR © VŠB – Technická univerzita Ostrava ISBN 978-80-248-3533-4
2
OBSAH 1
Prototypová výroba na VŠB TU Ostrava ..................................................................... 6
2
Historie desek plošného spoje .................................................................................... 7
3
Prototypová výroba desek plošného spoje ............................................................... 13 3.1.
Příprava návrhu.......................................................................................................... 13
4
Návrhový Program Eagle ......................................................................................... 13
5
Výroba DPS mokrou cestou ...................................................................................... 41 5.1.
6 7
Realizace DPS za pomocí suché metody – frézováním ............................................... 62 Osazení plošných spojů ............................................................................................ 71 7.1. 7.2.
8
Úprava plošného spoje před osazením součástek ........................................................ 71 Pravidla osazování desek plošného spoje .................................................................... 71
Pájení ...................................................................................................................... 97 8.1. 8.2. 8.3.
9
Základní vlastnosti materiálů desek plošných spojů ..................................................... 47
Pájitelnost.................................................................................................................. 97 Ruční pájení ..............................................................................................................103 Pájení přetavením pájecí pasty (reflow pájení) ...........................................................104
Prokovování DPS ....................................................................................................116 9.1. 9.2. 9.3. 9.4. 9.5. 9.6. 9.7.
Galvanické prokovování otvorů .................................................................................116 Žárové cínování - HAL ................................................................................................117 Chemické zlacení .......................................................................................................118 Galvanické zlacení .....................................................................................................118 Celoplošné galvanické zlacení motivu DPS..................................................................119 Galvanický cín ...........................................................................................................120 Manuální prokovování ..............................................................................................120
11 CNC stroje ..............................................................................................................124 11.1. 11.2.
Systémy ....................................................................................................................125 Automatizace ............................................................................................................128
12 Řídicí systémy se souvislým řízením ........................................................................133 12.1. 12.2.
Vztažné body u CNC strojů .........................................................................................134 Druhy řídících systému NC strojů ...............................................................................136
13 Souřadnicový systém ..............................................................................................140 13.1. 13.2. 13.3. 13.4. 13.5. 13.6. 13.7.
Kartézský souřadnicový systém .................................................................................140 Polární souřadnicový systém .....................................................................................140 Souřadnicový systém CNC strojů ................................................................................141 Základní pravidla pro orientaci os v prostoru u obráběcích strojů ...............................142 CNC soustruhy...........................................................................................................144 CNC frézky ................................................................................................................145 Korekce nástrojů .......................................................................................................146
3
13.8. 13.9. 13.10. 13.11. 13.12.
Korekce při soustružení .............................................................................................147 Korekce při frézování .................................................................................................150 Korekce poloměru nástroje .......................................................................................151 Nástroje pro CNC stroje .............................................................................................152 Určování nulového obrobku W ..................................................................................153
14 CNC program ..........................................................................................................157 14.1. 14.2. 14.3. 14.4. 14.5. 14.6.
Stavba CNC programu................................................................................................157 Význam nejpoužívanějších adres................................................................................158 Postup tvorby programu............................................................................................159 Uplatnění počítačové podpory v obrábění a její struktura ...........................................160 Strukturu výroby součástí v CAD/CAM systémech ......................................................164 Rozdělení CAD/CAM systémů ....................................................................................167
15 G-kód .....................................................................................................................170 15.1. Použití vybraných přípravných (G- funkcí) a pomocných funkce (M- funkce) dle normy ISO 6983 ...............................................................................................................................171
16 CNC stroje v prototypové laboratoři SAZE ...............................................................195 16.1.
ProtoMat E33 ............................................................................................................195
Prototypová výroba 3D tisk .................................................Chyba! Záložka není definována. 18 Rapid prototyping – 3D tisk ....................................................................................211 18.1. 18.2. 18.3. 18.4. 18.5. 18.6. 18.7. 18.8. 18.9. 18.10. 18.11. 18.12. 18.13. 18.14.
Předmluva ................................................................................................................211 Digitální model ..........................................................................................................211 Stereolitografie .........................................................................................................213 Selective Laser Sintering ............................................................................................214 Laminated Manufacturing .........................................................................................216 Solid Ground Curing ..................................................................................................217 Fused Deposition Modelling ......................................................................................218 Model Maker 3D Plotting a Ballistic Particle Manufacturing .......................................219 Multi JET Modelling ...................................................................................................220 Binder jetting (ZCORP) ...............................................................................................220 LPF (Laser Powder Forming) .......................................................................................222 Polyjet Matrix Printing - PLM .....................................................................................224 Thermoplastic Inkjet With Milling ..............................................................................224 Vakuové odlévání ......................................................................................................225
19 Materiály pro 3D tiskárny .......................................................................................227 19.1. 19.2. 19.3. 19.4. 19.5.
ABS ...........................................................................................................................227 PLA ...........................................................................................................................227 Fotopolymer .............................................................................................................227 Kompositní prášek ....................................................................................................228 Materiály pro lití .......................................................................................................228
20 Základy technického kreslení ..................................................................................237 20.1. 20.2. 20.3.
Technická normalizace ..............................................................................................237 Technické výkresy .....................................................................................................238 Kótování ...................................................................................................................242
4
20.4. 20.5. 20.6.
Tolerance v technickém výkresu ................................................................................244 Operační systémy počítačů a CAD software ................................................................246 Licencování softwaru .................................................................................................247
21 CAD programy ........................................................................................................249 21.1. 21.2. 21.3. 21.4. 21.5. 21.6. 21.7.
Srovnání rýsovacích desek a CAD programů ...............................................................249 Přehled, zařazení a rozdělení CAD softwaru ...............................................................249 CAD a IS ....................................................................................................................254 Programy pro skicování .............................................................................................254 2D modeláři ..............................................................................................................256 3D modeláři ..............................................................................................................260 Konvertory a prohlížeče.............................................................................................270
22 Metodika tvorby výkresů v CAD programech ..........................................................273 22.1. 22.2. 22.3.
Metodika přípravy – skicování ...................................................................................273 Metodika přípravy – kreslení ve 2D ............................................................................281 Metodika přípravy – 3D program SolidWorks ............................................................287
23 Typy 3D tiskáren.....................................................................................................296 23.1. 23.2. 23.3. 23.4. 23.5.
Prusa i3 .....................................................................................................................296 Easy3Dmaker ............................................................................................................297 Up! mini ....................................................................................................................299 Zprinter 450 ..............................................................................................................300 Form 1 ......................................................................................................................301
24 3D tiskárny SAZE ....................................................................................................304 24.1. 24.2.
uPrint SE ...................................................................................................................304 RepRap .....................................................................................................................308
5
1 Prototypová výroba na VŠB TU Ostrava Na Vysoké škole báňské Technické univerzitě Ostrava působí skupina SAZE, která pod vedením doc. Ing. Bohumila Horáka, Ph.D disponuje prototypovou laboratoří v níž se realizují různé projekty, diplomové a bakalářské práce tak i semestrální práce. K tomu, aby bylo možné studenty neustále posouvat z technologického hlediska dopředu je možné v prototypové laboratoři použít tyto technologie:
Výroba plošných spojů suchou či mokrou metodou Osazení vyrobených spojů ručním teleoperátorem či osazovacím automatem Zapájení osazených DPS v malé/velké reflow peci Prokovování DPS 3D tisk 3 osý 2,5D CNC stroj Výroba potisků a výkresů
V níže uvedených kapitolách bude stručný souhrn historie vycházejících z výše uvedeného počtu prototypové výroby.
6
a
technologií
2 Historie desek plošného spoje Plošný spoj (také deska plošných spojů, zkráceně DPS, v angličtině PCB) se v elektronice používá pro mechanické připevnění a současně pro elektrické propojení elektronických součástek. Historie desek je delší než by se na první pohled mohlo zdát, již dlouho se jejich věk počítá na tři číslice. Již v padesátých letech devatenáctého století se objevují první prkénka, na kterých byly připevněny historicky první součástky; vodivé propojení zajišťovaly kovové pásky nebo dráty. Časem byly kovové pásky nahrazeny vodiči připevněnými na šroubové vývody součástek a dřevěné desky nahradila kovová šasi. Dokud bylo součástek málo a byly veliké, tak tato technologie postačovala. Ovšem proces minimalizace součástek již byl nastartován a bylo třeba vyvinout technologii, která by umožňovala sériovou výrobu. Skutečná historie desek plošných spojů (DPS) v dnešním slova smyslu se však začala psát v roce 1925, kdy Charles Ducas patentoval metodu tisku vodivého materiálu na izolační podložku pomocí standardní tiskové planžety.
Obr. 2.1. Charles Ducas Z této doby pochází i název tištěné spoje, neboli „tišťáky“ a tohoto přízviska se přes zásadní změny v technologiích do dnešních dnů nezbavily. 7
Dnes jim lépe sluší jméno leptané spoje nebo plošné spoje. Když jsme u pojmenování můžeme se setkat i s Circuit Boards (PCB), Printed wiring boards (PWB) atd. Původní technologie měla celou řadu nedostatků, například vodivost nebyla na požadované úrovni.
Obr. 2.2. První PCB Po pokusech z druhé poloviny třicátých let dvacátého století, byla první technologie leptání měděné fólie, použitelné v sériové výrobě, patentována v roce 1943, kdy Paul Eisler představil první výrobek – kupodivu rádio. Objevil se tak výrobek, ve kterém se objevila deska plošných spojů v takovém provedení, jaké známe dnes. Dokud každá součástka měla své samostatné pouzdro, dokud se velikost tranzistorů počítala v milimetrech a jedno pouzdro obsahovalo jediný tranzistor, držely plošné spoje s rozvojem elektroniky krok a jedna strana pro vodiče byla postačující, když se nepovedlo vše propojit pod součástkami, těch pár propojek se sneslo. V té době také bylo ještě možné říci, co je strana spojů (solder side) a co strana součástek (component side). Ovšem zejména tranzistory si neudržely svou velikost a začaly se dramaticky zmenšovat. Velikost se již nepočítala v centimetrech na jeden tranzistor, ale v mocninách desítky na čtvereční milimetr. Vznikly první integrované obvody. Ten 8
první byl představen v roce 1957 Jackem Kilby z Texas Istruments (na obrázku jsou dva tranzistory (!!) na germaniu).
Obr. 2.3. První tranzistor Je zřejmé, že takové obvody přestaly být na jedné vrstvě propojitelné a ani výpomoc drátových propojek nestačila. Teoreticky bylo samozřejmě možné vytvořit vodiče i na druhé straně – pod součástkami, ovšem problém byl, jak obě dvě vrstvy navzájem propojit. Objevily se technologie připájených drátků, pasty natlačené do otvorů, ovšem krom značné pracnosti byl jednou z vad i fakt, že takový prokov zaplnil otvor, do něhož již nebylo možno vsunout součástkový vývod. V roce 1961 však byla americkou firmou Hazeltyne patentována metoda pokovení otvorů, čímž začala nová éra desek plošných spojů. Růst hustoty integrace, popsaný tzv. Moorovým pravidlem, však již nastartoval neuvěřitelné tempo. Součástky na stále menší ploše obsahovaly stále více tranzistorů a tyto tranzistory bylo nutno připojit k dalším, podobně se rozvíjejícím součástkám. Propojitelnost rostoucího počtu vývodů na stále menší ploše mohl zajistit pouze další technologický skok – technologie vícevrstvých desek. Desku vícevrstvého plošného spoje (multilayer) netvoří jen jedna izolační deska ze skelného laminátu se dvěma vnějšími vodivými vrstvami, nýbrž obrazně řečeno je tvořena jakýmsi sandwichem střídajících se vrstev. Můžeme si ji představit jako několik dvouvrstvých desek oddělených od sebe izolačním materiálem (tzv. B-stage, 9
nebo prepreg) a za působení tepla slisovaných do jedné desky. Otvory pro součástky či prokovy se vrtají až nakonec a při pokovování stěny otvoru dojde k vodivému propojení i těch částí motivu vnitřních vrstev, které se dotýkají vyvrtaného otvoru.
Obr. 2.4. První IC Brzy však došlo k situaci, že plocha čipu vůči velikosti celé součástky byla v obrovském nepoměru například obvod 7404 v pouzdře DIL14 při rozměrech 19×7 milimetrů uvnitř skrývá čip o rozměrech pouhých 1,5×1,5 milimetrů. Rozhodujícím parametrem tohoto nepoměru byly součástkové vývody a možnost jejich připájení. Pro připojení jediného vývodu bylo nutné vyrobit otvor o průměru minimálně 0,5 mm (po pokovení, většinou ještě větší) s pájecí ploškou o průměru přibližně o 0,5 mm větším než je velikost otvoru, přičemž tyto otvory procházely celou deskou napříč, přes všechny vnitřní vrstvy. To vše „pouze“ pro připojení jediné nožičky obvodu na jediný vodič – v té době o šířce kolem 300 μm. Prvním krokem k nápravě byla výměna pájecích vývodů; uvedené plošky (zpravidla ještě větší) byly nahrazeny pájecí ploškou pouze na jedné vnější vrstvě, na níž dosedne vývod součástky bez nutnosti vytváření otvoru. K této plošce je tedy přiveden vodič a po zapájení je vytvořeno kvalitní propojení a součástka je dostatečně přesně a spolehlivě fixována v prostoru desky.
10
Obr. 2.5. SMD součástky Jen tato samotná technologie povrchové montáže sou částek (Surface-mounted technology – SMT) umožnila zmenšení pouzder součástek přibližně na polovinu, navíc součástky mohou být umístěny po obou stranách desek (označení vrstvy součástek a spojů tedy vzalo za své a začalo se používat označení horní a dolní vrstva – Top a Bottom). Druhou úsporou byl prostor uvnitř desky, který již nebyl narušován tisíci otvorů pro montáž součástek a který již slouží pouze pro propojovací vodiče. Otvory nemusely být dimenzovány podle rozměrů pájecích nožiček obvodů a začaly sloužit jen k přenesení signálu z jedné vrstvy do jiné (průchody – Vias). Proto bylo možno zmenšovat průměry těchto průchodů až na samotné limity technologií; tím je jednak průměr mechanicky zhotovitelného otvoru (v dnešní době až 0,05 mm, viz např. nástroje MicroPrima na www.ham-tools.com), jednak je to poměr průměru otvoru vůči jeho délce (tzv. aspekt-ratio), který ještě umožní vytvoření prokovu a ten se pohybuje v řádech 1:10. Menší průměry (tzv. microvia) se již vyrábí jinými technologiemi – např. pomocí laseru. Současně se snahami o zmenšování průměru průchodů a aspect-ratio se začal řešit problém jak realizovat průchod pouze mezi nezbytně nutným počtem vrstev desky; zbývající vrstvy mohou obsahovat jiné vodiče, případně i průchody. Průchody, které vedou z povrchu desky do některé z vnitřních vrstev, se označují jako slepé průchody (Blind via), průchody, které realizují přenos signálů pouze mezi vnitřními vrstvami, jsou označovány jako ztracené průchody (Buried via). Pomocí uvedených technologií B&B vias bylo možné ušetřit další místo uvnitř vícevrstvých desek – nad sebou může být několik různých průchodů a spojů. Vývody umístěné pouze po obvodu pouzdra začaly být i v SMT technologiích překážkou – na obvod nebylo možno umístit potřebný počet vývodů; potřebujeme-li navíc výrobu součástek o velikosti srovnatelné se samotnou plochou čipu (Chip 11
Scale Packages – CSP), je nutno tyto vývody umístit na spodní stranu pouzdra součástky. Moderní technologie výroby DPS tedy umožňuje realizovat pájecí plošky pro pájení součástek např. typu pBGA (plastic FBGA) s řádově tisícem vývodů pájených na plošky průměru 200 μm s roztečí 500 μm nebo pasivní součástky v pouzdrech 01005 s pájecími ploškami o rozměru 150×150 μm s roztečí 250 μm. Rozvíjí se také technologie montáže křemíkového plátku přímo na plošný spoj (Direct Chip Attachment – DCA). Vzhledem k povaze přenášených signálů, tedy přenášeným frekvencím, strmosti náběžných a závěrných hran, přestává být DPS pouhým propojovacím elementem. Stále více se její vlastnosti a kvalita promítají i do přeneseného signálu a tak se vlastně DPS stává dalším aktivním prvkem elektronického zařízení, jehož výroba musí být průběžně sledována, testována, kde impedance vybraných spojů musí být v přesně definovaných hodnotách. A to jen okrajově zmiňuji možnosti zapouzdření součástek přímo do jádra desky – jak pasivních zhotovených třeba technikami PTF (Polymer Thick Foil), tak skrytých aktivních součástek, přímo bondovaných na vodiče vnitřních vrstev (embedded components). Výroba takovýchto DPS je pochopitelně velmi náročná na strojní vybavení, na kvalitu používaných materiálů, chemikálií, data použitá pro přípravu samotné výroby a velmi významnou roli hrají i jednotlivé kontroly prováděné v průběhu celé výroby.
Další zdroje
[1.]
[2.]
Plošný spoj. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001 -, 9. 4. 2013 [cit. 2014-05-10]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Plošný_spoj PLÍVA, Zdeněk. Z historie plošných spojů. Odborný časopis pro vývoj a výrobu v oboru elektroniky. září/říjen 2010, č. 9, s. 2. Dostupné z: http://www.dpsaz.cz/media/pdf/historie/9-pliva-clanek.pdf
12
3 Prototypová výroba desek plošného spoje 3.1. Příprava návrhu K tomu, aby bylo možné vyrobit plošný spoj je nejprve nutné realizovat schéma zapojení ze kterého následně vychází deska plošného spoje (DPS). Návrh samotného schématu, rozmístění a propojení jednotlivých součástek mezi s sebou se v prototypové laboratoři skupiny SAZE realizuje za pomocí vývojového prostředí EAGLE. Program EAGLE se řadí do skupiny programu FREE s omezenou plochou desky plošného spoje (DPS).
4 Návrhový Program Eagle EAGLE (Easily Applicable Graphical Layout Editor) je u nás jeden z nejrozšířenějších zahraničních návrhových systémů pro elektroniku. Je to dáno jednak tím, že na rozdíl od většiny ostatních systémů, které pocházejí ze zámoří, se jedná o původní produkt německé firmy CadSoft Computer GmbH z Pleiskirchenu a také dlouhou tradicí, kterou má na našem trhu. Zejména v počátku devadesátých let byl vyhodnocován v odborných časopisech jako produkt s daleko nejvýhodnějším poměrem cena/výkon, i když podle mého názoru se v poslední době vývoj vlastního programu relativně zpomalil (pokud nepočítám převod na platformu WIN95/NT). Podobné hlasy ohledně stagnace vývoje EAGLU však začínají zaznívat i z německého odborného tisku. Uvidíme, čím nás CadSoft v budoucnu překvapí. Ale i s touto malou výtkou se domnívám, že aktuální verze programu EAGLE (v provedení PROFESSIONAL) je vhledem ke své ceně (v segmentu profesionálních programů) stále ještě dobrá investice. Mimo jiné, redakce Amatérského radia používá tento program, který poskytla firma CADware Liberec také, nyní v poslední verzi 3.55 pod Windows NT4.0. Program je dodáván ve třech verzích: Light, Standard a Professional. Všechny jsou shodné, verze Light a Standard mají omezen maximální rozměr desky plošných spojů. Ve Standardu můžete navrhovat desky do rozměru "EURO", tj. 100 x 160 mm, verze Light je omezena na 1/2 "EURO", tj. 80 x 100 mm. Tento plně funkční program je určen zájemcům jako "možnost osahání si programu", ale může být použit s výše uvedeným omezením velikosti desky pro praktickou tvorbu výkresové dokumentace a návrh desek plošných spojů s možností generování výstupních souborů jak pro tiskárnu, tak i pro osvitovou jednotku, fotoplotr nebo vrtačku či férku. Program může být volně používán pro potřeby amatérů, studentů apod., nesmí však být použit ke komerčním účelům. Poslední dostupná verze programu Eagle je 6.5. Tato verze je rozšířená o podporu datové struktury ASCII XML, která zajišťuje flexibilitu a přívětivost v užívání. 13
Obr. 4.1. Hlavní okno programu EAGLE 6.5
Složení návrhového systému
Program EAGLE se skládá ze tří hlavních modulů, které jsou:
EDITOR SCHÉMAT EDITOR SPOJŮ LIBRARY
Obr. 4.2. Možnosti výběru v programu EAGLE Jsou ovládány z jednoho uživatelského prostředí prostřednictvím Control Panelu. 14
Vlastnosti návrhového systému
Společné
dopředná a zpětná anotace v reálném čase nápověda orientovaná podle obsahu žádná hardwarová ochrana programu vícenásobná okna pro desku, schéma a knihovnu výkonný uživatelský jazyk integrovaný textový editor dostupný pro Windows 95/98/NT4/2000 a Linux
Editor spojů
největší rozměr výkresu 1.6 x 1.6m (64 x 64 inch) rozlišení 1/10.000 mm (0,1 mikronu) až 16 signálových vrstev klasické i SMD součástky dodává se s plnou sadou knihoven součástek snadné vytváření vlastních součástek v plně integrovaném editoru knihoven funkce vpřed/vzad pro LIBOVOLNÝ editační příkaz, do libovolné hloubky pomědění ploch = rozlévání mědi funkce kopírovat a vložit pro kopírování kompletních částí výkresu kontrola pravidel návrhu
Editor schémat
až 99 listů jednoho schématu kontrola elektrických pravidel zapojení prohazování hradel a pinů vytvoření desky ze schématu jediným příkazem
Autorouter
až 16 signálových vrstev strategie propojování nastavitelná uživatelem pomocí váhových faktorů
Verze Profesionál je plná verze bez omezení. Standard je omezena na max. 4 vrstvy desky a na velikost desky max. velikosti Eurokarty (160 x 100 mm). Light je omezena na velikost Eurokarty (80x100 mm) a není určena pro komerční použití, je plně funkční 15
Požadavky na PC PC Pentium (nebo lepší)
Windows 95/98/NT4/2000 nebo Linux myš alespoň 32MB RAM pevný disk s alespoň 20MB volného místa
Control panel (ovladací panel)
Control Panel je okno nejvyšší úrovně programu EAGLE. Okno se skládá ze stromové struktury (levá část) a informačního okna (pravá část). Položky nejvyšší úrovně stromové struktury (zcela vlevo), reprezentují různé typy souborů EAGLE. Každá z těchto položek může ukazovat na jeden nebo více adresářů se soubory daného typu. Ve sloupci „Description“ je zobrazen krátký popis jednotlivých položek stromové struktury (pokud tento popis existuje). V informačním okně vpravo je zobrazen popis právě vybrané položky stromové struktury. Pokud se jedná o knihovní prvek, je zde vidět jeho náhled.
Obr. 4.3. Control panel S objekty stromové struktury lze provádět operace také pomocí kontextového menu, toto menu, specifické pro každou položku stromové struktury, se vyvolá kliknutím pravého tlačítka myši. Zde je uveden seznam všech položek, které se mohou v kontextovém menu objevit: New Folder
vytvoří novou podsložku vybrané složky
Edit Description
otevře soubor s popisem v textovém editoru
Rename
přejmenuje vybraný objekt 16
Copy
překopíruje vybraný objekt
Delete
vymaže vybraný objekt
Use
přidá knihovnu do seznamu knihoven, které se budou prohledávat (hledá-li se device, package)
USE ALL
přidá všechny knihovny určené v options/directories do seznamu knihoven, které se budou prohledávat (hledá-li se device, package)
Use none
odebere všechny knihovny určené k prohledávání
Update
obnoví všechny součástky použité ve schématu a desce
Add to schematic
spustí příkaz ADD s tímto device (v editoru schémat)
Add to board
spustí příkaz ADD s tímto package (v editoru desky)
Open/Close Project
z
této
knihovny
otevře/zavře současný projekt
New
vytvoří nový soubor daného typu v okně editoru
Open
otevře zvolený soubor v okně editoru
Print...
vytiskne soubor na systémové tiskárně
Run in ...
spustí ULP v aktuálním schématu/desce/knihovně
Execute in ...
spustí Script schématu/desce/knihovně
Load into Board
nahraje tuto sadu návrhových pravidel (Design Rules) do aktuální desky
v
aktuálním
Další možností je metoda „Drag&Drop“ (táhni a pusť), pomocí které můžete kopírovat nebo přesouvat soubory a adresáře mimo stromovou strukturu. Takto lze vkládat součástky do schématu nebo desky, spouštět ULP a Scripty, přiřadit soubor „Design Rules“, provést „Library update“.
Postup práce ve schématickém editoru
Přechod z Control panelu do Schematic editoru a jeho nastavení Po spuštění programu se otevře okno CONTROL PANEL, který je zobrazen na následujícím obrázku. Z CP je možné přejít do jednotlivých editorů.
17
Obr. 4.4. Control panel Při tvorbě nového schématu postupujeme FILE - NEW - SCHEMATIC Pracovní prostředí SCH E je zobrazeno na následujícím obrázku.
Nastavení pracovního prostředí
Barvy vrstev a jejich zapnutí / vypnutí Provádíme pomocí ikony DISPLAY, okno je zobrazeno na obr. 4. Význam jednotlivých vrstev: 91
Nets
spoje (Nets)
92
Busses
93
Pins
vývody součástek
94
Symbols
schematické značky
95
Names
jména součástek
96
Values
hodnoty/typy součástek
sběrnice
Doporučení- při tvorbě dokumentace volíme černou barvu vrstev, viditelnost vrstev podle uvážení.
18
Návrh desky Velikost mřížky
Pohyb komponent
Zoom
Výběr knihovny Barevné filtry
Vstup do knuhoven Změna hodnoty
Vodivý spoj
Nastavení hodnoty Text Polygon
Spojení vodivých cest
Obr. 4.5. Pracovní prostředí SCHEMATIC
19
Název vrstev Číslo vrstvy
Barva vrstvy
Obr. 4.6. Nastavení vrstev Nastavení pokládacího rastru a jeho zobrazení
Použijeme ikonu GRID- nastavíme velikost pokládacího rastru, jednotky, zobrazení bodů nebo mřížky (vhodné pro závěrečnou grafickou úpravu schématu). Vypnutí/zapnut í mřížky Velikost mřížky
Max. rozšíření
Bodové zobrazení mřížky
Obr. 4.7. Okno GRID
Ohraničení pracovní plochy – formát sch.
20
Ohraničením pracovní plochy předejdeme pozdějším problémům při závěrečné grafické úpravě budoucího schématu (může se stát, že vytvořené schéma neumístíme do zvoleného formátu a musíme ho znova zdlouhavě upravovat). Zvolený formát vybíráme z knihovny. ADD (USE) - FRAMES - DIN A4-L - OK - LTM - ESC
Manipulace se soubory
Použijeme MENU - FILE - NEW vytvořit nové schéma - OPEN otevřít existující schéma - SAVE uložit - SAVE AS uložit jako Doporučení- založte si ihned soubor s názvem budoucího schématu !!!!
Organizace knihoven, umístění součástek a objektů na plochu
Organizace knihoven Všechny součástky jsou uloženy v knihovnách. Knihovny jsou organizovány podle typu součástek a nebo podle výrobců pomocí stromové struktury. Na obr. 6 je zobrazen příklad rozvinuté knihovny napěťových regulátorů vyvolané povelem ADD. Schématická značka, pouzdro vybrané součástky a popis (knihovna, typ pouzdra, rozměry pouzdra) jsou zobrazeny v pravé části. Okno SEARCH umožňuje také hledání konkrétní součástky v případě, že neznáme knihovnu kde je umístěna.
21
Obr. 4.8. Rozvinuté okno knihovny Umístění součástek na plochu Vyvolání součástky na plochu si popíšeme na příkladu:
umístit jednočipový mikroprocesor PIC od firmy MICROCHIP typu 16F84 v pouzdře DIL18 na plochu.
Postup: ADD - knihovna MICROCHIP - PIC16F8* - listujeme v knihovně a podle pouzdra DIL18 vybíráme PIC19F84AP - OK - součástka je uchycena na kurzoru, pohyb a případná rotace (PTM) - umístění na požadované místo LTM - ESC - a můžeme pokládat další součástku ze stejné knihovny a nebo jiné. Umístění objektů na plochu TEXT: ikona TEXT - v dialogovém oknu TEXT napsat znění - OK - nastavit parametry SIZE, RATIO, FONT - případná rotace PTM - umístění LTM – ESC
SIZE výška písma RATIO poměr šířky čáry a výšky písma 22
FONT styl textu
ZMĚNA TEXTU: ikona CHANGE - TEXT změna textu - SIZE, RATIO, FONT parametry
ČÁRA: Kreslení čar ve SCH E - čáry provedené tímto způsobem - nejsou elektrické spoje !!!
ikona WIRE - začátek LTM - parametry sklon, WIDTH, STYLE pomocí PTM + LAYER - vedení čáry, zlom LTM - konec dvojitý klik ve stejném bodě LTM
ZMĚNA ČÁRY: ikona CHANGE - WIDTH tloušťka čáry - STYLE provedení čáry - LAYER vrstva
Manipulace s objekty- součástky, texty, grafické prvky
Při vytváření schématu musíme součástky a další objekty přesouvat na určená místa. Rozmístění součástek musí být rovnoměrné po celé ploše formátu (zajistíme přehlednost schématu). Nejdříve umístíme "centrální součástku" a okolo ní ostatní, zde je vhodné zapnout pokládací rastr (viz. ikona GRID - body/čáry nebo F6). Součástky pokládáme symetricky v horizontální a vertikální rovině. PŘESUN: MOVE - kurzorem "uchopíme" součástku nebo objekt (text....) za uchopovací značku, změna barvy značky signalizuje připravenost k přesunu - případná rotace PTM umístění na požadované místo LTM – a přechod na další součástku.. ANALOGICKY
ROTATE
ROTOVÁNÍ
MIRROR ZRCADLENÍ DELETE VYMAZÁNÍ
Editace objektů ( jméno/ hodnota součástky)… 23
Každá součástka musí být přesně definována (i pro budoucí přechod do editoru plošných spojů) jménem (NAME) a hodnotou (VALUE). Po rozmístění součástek toto provedeme pomocí ikonek NAME a VALUE v odpovídajících editačních oknech. Tato okna použijeme i pro případné budoucí změny.
Propojení objektů
Provádíme povelem, ikonou NET se zobrazeným pokládacím rastrem pomocí ikony GRID a nebo F6. Ikona NET - začátek (kurzor) na vývodu součástky a LTM - styl vedení spoje měníme pomocí PTM - ukončení segmentu spoje (zlom, roh) LTM - konec na vývodu součástky LTM. ZMĚNA: -tloušťku spoje (segmentu spoje) měníme CHANGE - WIDTH + volba tl.
Závěrečná grafická úprava
Rozmístění součástek a spojů musí být přehledné, objekty rovnoměrně rozmístěny v rámečku (grafická úprava). Především jednotně uspořádáme pozici popisu součástek NAME, VALUE (výjimky pouze omezeně), vzdálenosti spojů a schematických značek, spojů a popisů. Pozornost věnujeme i symetrickému umístění schematických značek ve větvích obvodu (horizontálně i vertikálně). Upravíme velikost a pozici nápisů a popisů např. bloků. POUŽIJEME
MOVE
PŘESUN
ROTATE ROTOVÁNÍ MIRROR ZRCADLENÍ DELETE VYMAZÁNÍ SMASH
ODDĚLENÍ TEXTOVÝCH ATRIBUTŮ OD ELEMENTU
Schematická značka je složena ze symbolu a textu jméno/hodnota a má tedy jednu uchopovací značku = jeden objekt. Při pohybu manipulujeme s jedním objektem. Při závěrečné grafické úpravě je potřeba často přesouvat odděleně symbol, jméno, hodnotu = oddělit jednotlivé prvky = více uchopovacích značek. Na následujícím obrázku je vidět schematickou značku rezistoru po přesunu, rotaci a po provedení povelu SMASH.
24
Značka jména Uchopovací značka
Značka hodnoty
Obr. 4.9. Vliv povelu SMASH na zobrazení elementu
Výstupy sch. Editoru
Podrobně budou výstupy ze SCHEMATIC rozebrány v kapitole 4. ELEKTRONICKÁ PODOBA soubor schématu *.sch, soubor s výsledky ELECTRICAL RULE CHECK *.erc, soubor PARTLIST *.bom TISK schéma zapojení PARTLIST VÝSLEDEK ERC
Editor plošného spoje, spuštění, přechod mezi editory, nastavení e pcb Podle situace může existovat několik variant, které budou dále popsány. Kontrola dodržování vazeb mezi editory- je otevřeno sch. a deska jednoho obvodu, při změně v jednom editoru se změna projeví v druhém editoru – zpětná anotace, při vypnutí sch. editoru bude hlášeno porušení integrity- můžeme dále pracovat- nebude však garance 100% návrhu.
Tvorba / načtení sch. Souboru a přechod do E SCH
Standartní, nejvíce používaná varianta , kdy je schéma vytvořeno ve SCH E postupem výše uvedeným. Přejdeme do SCH E a vytvoříme, nebo načteme dříve vytvořené schéma obvodu. CONTROL PANEL - FILE - NEW / OPEN - SCHEMATIC
Přechod z e sch do E PCB
Použijeme ikonu BOARD
Načtení / úprava již vytvořené DPS
CONTROL PANEL - OPEN – BOARD. 25
Obr. 4.10. Načtení vytvořené DPS pro její úpravu Nebo přepnutím pomocí ikony BOARD v okně schématu.
Obr. 4.11. Přepínací ikona v okně SCH
26
Obr. 4.12. Dotazové okno při vytvoření Bard ze schématu
Popis pracovního prostředí a ovládací prvky
Po spuštění editoru plošného spoje E PCB se zobrazí pracovní prostředí, které vidíme na následujícím obrázku.
Vytvoření cest
Odroutování cest
Ped Ratsnest
Obr. 4.13. Pracovní prostředí okna Board 27
Nastavení prostředí E PCB
Opět je zde možno nastavit zobrazovací mřížku, tento krok se provede, jako v okně SCH.
Vrstvy
Editační okno DISPLAY pro nastavení barev a zobrazení jednotlivých vrstev.
On/Off vrstvy Název vrstvy
Obr. 4.14. Editační okno DISPLAY
Kontrola a případná záměna pouzder součástek
Po otevření E PCB se na obrazovce v levé části zobrazí pouzdra součástek schématu. Obrys desky (u verze STANDART 100x80 mm) doporučuji povelem DELETE smazat - bude nahrazen konkrétním rozměrem DPS. Křížek má koordináty [0,0]. Vývody pouzder jsou propojeny gumovými spoji.
28
Jednotky/Pol oha kurzoru
Pouzdra součástek
Gumové spoje
Obr. 4.15. Pouzdra součástek s gumovými spoji Provedeme kontrolu úplnosti pouzder, zda byla všechna ze schématu zobrazena a zda odpovídají po elektrické a konstrukční stránce. Záměnu pouzder řeším pomocí povelu REPLACE
Rozmístění pouzder součástek
Rozmístění pouzder je ovlivněno- konstrukčními požadavky, funkcí a typem obvodu, provozními požadavky, jednoduchostí spojů, vyrobitelností desky.
doporučený rastr: GRID - SIZE 50/ 25 mil přesunutí je provedeno -ikona MOVE
Náhrada gumových spojů
Tuto operaci provést vždy po provedeném přesunu pouzder součástek- gumové spoje jsou nahrazeny nejkratšími
doporučený rastr: SIZE 50/ 25 mil ikona RASTNEST 29
Propojení vývodů pouzder
Ruční Ikona ROUTE – vrstva 16 - BOTTOM (strana spojů- standartněmodrá barva) – WIDTH (šířka spoje) – způsob vedení spoje Postup:
ovládání pomocí pravého tlačítka myši klik na vývod pouzdra a vedení spoje za pomoci nejkratšího spoje k dalšímu vývodu, způsob vedení spoje volíme tlačítkem myši, z pájecího bodu vycházíme přímo a později spoj lomíme pod úhlem 45°
Automatické Pomocí AUTOROUTERU Kombinované Nejčastěji používaný způsob- nejdříve návrh automatický s následnou ruční úpravou.
Grafická úprava spojů
Změna šířky vybrané části spoje
CHANGE
CHANGE – WIDTH – nastavit novou hodnotuklik na segment spoje
Vymazání části spoje
DELETE
část spoje bude nahrazena nejkratším
Vymazání celého úseku sítě
RIPUP
spoje budou nahrazeny nejkratšími
Posunutí spoje
MOVE
Vytvoření zlomu na spoji
SPLIT vypnout vrstvu zobrazující obrysy pouzder – DISPLAY – 21 a provést kontrolu vedení spojůdodržení návrhových pravidel
Optická kontrola spojů
Změna pouzdra
CHANGE PACKAGE REPLACE 30
Úprava popisů pouzder
TEXT MOVE
pro přehlednost vypneme vrstvy 16, 17,18
SMASH Tab. 4.1. Možné úpravy spojů
Obr. 4.16. Pohled na navrženou DPS ze strany pouzder součástek
Vytváření polygonů
Rozlévání mědi na plochu desky – plochy je možné využít jako zemnění, chlazení……..
ikona POLYGON určit vrstvu ve které se bude polygon vytvářet 1 TOP součástky 16 BOTTOM spoje 31
Postup: ikona POLYGON - klikneme na počáteční bod budoucího polygonu- táhneme jako spoj po obvodu vyplňované plochy- ukončíme přesně v počátečním bodě- uzavřeme polygon – tloušťka čáry polygonu 10 mil – vyplnění plochy pomocí ikony RATSNEST.
Obr. 4.17. Ukázka vylití Polygonu
Výstupy z návrhového systému Výstupy z programu jsou tvořeny soubory v elektronické podobě,výkresy v tištěné podobě a soubory s výrobními daty:
tisk výstupů SCH E, E PCB generování technologických souborů filmových předloh- GERBER generování technologických souborů ovládání vrtačky- EXCELLON informační soubory- např. PARTLIST- seznam součástek
VÝSLEDKY DRC Výstupy dat pro zpracování jinými programy, např. 3D zobrazení, simulace
TISK
SCHÉMA ZAPOJENÍ FILE - PRINT Příklad: vytisknout černobílé schéma zapojení na jednu stránku orientovanou podélně 32
Postup: FILE – PRINT – BLACK SOLID ROTARE
PODÉLNÝ VÝKRES
SCALE FACTOR 1
MĚŘÍTKO
PAGE LIMIT 1
POČET STRÁNEK
Výsledek: schéma je vytištěno v měřítku 1:1 na jedné stránce, je-li větší program provede automaticky úpravu měřítka zobrazení. Je-li PAGE LIMIT = 0 – tisk bude proveden v zadaném měřítku na odpovídající počet stran. PRINTER TYP TISKÁRNY PAGE
PARAMETRY STRÁNKY
CAPTION TISK ZÁHLAVÍ (soubor, datum, čas) Tisk výstupu E PCB Postup je stejný jako při tisku schématu s respektováním zásad uvedených v tabulce Dokument
Mirror Zapnuté vrstvy
Obrazec spojů - BOTTOM
ANO
16, 17, 18, (20)
Obrazec spojů - TOP
NE
1, 17, 18
Potisk, rozložení součástek - TOP NE
20, 21, 25, 27
Nepájivá maska - BOTTOM
ANO
30
Nepájivá maska - TOP
NE
29
Tab. 4.2. Možnosti výstupu z desky Board
Informační soubory
Se vytváří pomocí překladačů uživatelského programovacího jazyka. PARTLIST- seznam součástek Ikona ULP (USER LANGUAGE) – program spustíme bom.ulp – výsledek můžeme uložit pro následné zpracování - tisk. Okno BOM je na obr.16. 33
Obr. 4.18. Okno se seznamem součástek Výsledky ERC -electrical rule chech Výsledky jsou uloženy v souboru *.erc a mohou být vytištěny. EAGLE Version 4.11 Copyright (c) 1988-2003 CadSoft Electrical Rule Check for C:/PROGRAM FILES/EAGLE-4.11/projects/New_Project _1/3.sch at 04.01.2004 18:32:01 WARNING: Only 1 Pin on net N$4 Board and schematic are consistent 0 errors 1 warnings
Editor knihoven
Editor knihoven se používá k editaci souborů součástek v knihovně (*.LBR). Po otevření nového okna editoru knihoven bude editační plocha okna prázdná a musíte použít povelu EDIT k vybrání toho prvku knihovny, který chcete editovat (package, symbol, device) nebo vytvořit.
EDIT
V editačním okně knihovny lze editovat (modifikovat či vytvořit nové) tzv. package, symbol, nebo device, což jsou různé formy součástky pro potřebu kreslení schématu či návrhu desky plošných spojů- editovat prvky knihovny
PACKAGE Definice pouzdra součástky (návrh desky) SYMBOL
Schematický symbol součástky (kreslení schématu).
DEVICE
Je definice celé součástky. Obsahuje jeden nebo více „package 34
variants“ a jeden nebo několik symbolů (např. hradel). Symboly mohou být přitom navzájem různé. Tab. 4.3. Hlavní symboly v okně knihovny Klikněte na jednu z ikon k načtení device (definice součástky), package (pouzdro) a symbolu. Pokud chcete vytvořit nový prvek knihovny, napište jeho jméno do políčka New. Pokud chcete editovat již existující knihovní prvek, napište do políčka New jeho celé jméno i s koncovkou pro rozlišení typu prvku. Když koncovku vynecháte, budete muset vybrat typ prvku v políčku Choose, které se objeví. Pokud nemáte licenci na kreslení schémat (Modul Schema), potom se tlačítka pro volbu typu prvku příslušného schématu (Dev...) neobjeví v menu.
Export Návrhu pro mokré metody návrhu DPS z programu EAGLE K tomu aby bylo možné vytvořit šablonu pro mokré technologie v prototypové laboratoři SAZE, která využívá negativních plošných spojů (více v kapitole uvedené níže) je zapotřebí otevřít program EAGLE, okno BOARD a následně v programu FILE, otevřete záložku CAM Processor. V okně CAM Processor Vyberte pro jednostrannou DPS vrstvy : a. Bottom b. Pads c. Vias d. Dimension Následně vyberte typ exportu PS_INVERTED a odškrkněte v sloupci STYL, FILL PADS. Následně zadejte místo uložení, např. C://Desktop/predloha.ps (soubor vždy s příponou ps) a exportujte tlačítkem PROCESS JOB. Při realizaci oboustranné desky plošného spoje je třeba myslet na to, že při exportu vrchní vrstvy (tedy TOP) musí být návrh exportován zrcadlově obrácen (tedy ve sloupci STYLE musí být kromě všeho ostatního zaškrtnuto MIRROR).
35
Obr. 4.19. Ukázka exportu DPS
Obr. 4.20. Okno CAM Processor Po exportu se v místě zvoleném pro uložení vytvoří soubory, které je třeba vložit do nějakého grafického programu, který podporuje vložení obrázku v křivkách. V prototypové laboratoři SAZE se k tomu účelu používá licencovaný program Corel Draw. 36
Vložte přetažením soubory exportované z programu EAGLE do dokumentu v Corelu Draw v křivkách.
Obr. 4.21. Export předlohy do grafického programu Corel
Obr. 4.22. Exportovaná předloha 37
A následně už jen zbývá předlohu vytisknout na průhlednou fólii, která je odolná proti teplu.
Obr. 4.23. Vytisknutá předloha plošného spoje V prototypových laboratořích se pro tyto účely používá Xerox transparentní fólie 003R98199.
Obr. 4.24. Xerox transparentní fólie Takto připravenu předlohu už zbývá pouze realizovat.
Export Návrhu pro suché metody návrhu DPS z programu EAGLE Nejprve je potřeba z programu Eagle vyexportovat data potřebná k frézování plošného spoje. Jedná se v základu o čtyři soubory s informacemi o layoutu mědi a 38
oblastech k odfrézování, okrajích desky a vrtaných otvorech. K tomu slouží CAM Procesor v okně pro návrh plošného spoje, který je možné spustit ikonou na vrchním panelu nebo cestou File/CAM Processor…
Obr. 4.25. Volba propozic pro export dat do frézky V otevřeném okně je nutné postupně nastavit kombinace uvedené v následující tabulce. Po každém nastavení je zapotřebí vyexportovat příslušný soubor pomocí tlačítka Process Job. Druh dat
Zařízení (Device)
Soubor (File)
Vrstvy (Layers) Top
frézování motivu
GERBER_RS274X
top.gbr
Pads Vias Top
frézování ploch
GERBER_RS274X
rubout.gbr
Pads Vias Dimension
frézování okrajů
GERBER_RS274X
dimension.gbr
39
Dimension
vrtání otvorů
EXCELLON
drill.exc
Drills Holes
Tab. 4.4. Nutné informace pro frézování Spolu s danými daty se vygenerují vždy ještě soubory se seznamem nástrojů a tvarů vyskytujících se v přidružených datech. Samotné názvy souborů nejsou kritické a mohou být změněny. Pokud na desce mohou zůstat volné oblasti mědi, které nejsou s ničím spojeny, není zapotřebí exportovat data pro odfrézování měděných ploch (rubout.gbr). Další zdroje
[1.]
[2.]
[3.]
Fólie pro výrobu plošných spojů. SEMACH: výroba plošných spojů a SMT osazovacích planžet [online]. 2008-2013 [cit. 2014-05-10]. Dostupné z: http://www.semach.cz/folie.html Fotorezist - suchý film, 2role 305mm x 30m. P2J Technology: technologie a materiály pro výrobu DPS [online]. [cit. 2014-05-10]. Dostupné z: http://www.vyroba-dps.cz/www-vyroba-dps-cz/eshop/24-1-Nanasenifotocitlive-vrstvy/0/5/170-Fotorezist-suchy-film-305mm-x30m/description#anch1 JANOUD, Jan. Technologie plošných spojů. 2008 [cit. 2014-05-10]. Dostupné z: http://www.janoud.cz/sub/jcueltech/09b_Technologie_plosnych_spoju.pdf . Výukový text, pomocný text pro předmět ELEKTROTECHNOLOGIE
[4.]
Doc. ing. Bohumil Horák, Ph.D a kolektiv. Navrhování a technologie desky plošného spoje, Úvod do problematiky návrhu plošného spoje v programu Eagle. VŠB-TUO, Fakulta strojní. 2013 [cit. 2014-05-02].
[5.]
doc. Ing. Bohumil Horák, Ph.D akolektiv. ZÁKLADY KONSTRUKČNÍCH TECHNOLOGIÍ V ELEKTRONICE -Výroba dps v laboratořích VŠB TU Ostrava, učební text a návody do cvičení. VŠB – Technická univerzita Ostrava, FEI, KAT 450. 2012 [30.6.2013]. Interní document. Kristýna Friedrischková. Příprava výukových textů v projektu MOST-TECH, Technologie propojení součástek v systému, plošné spoje – materiály, konstrukce, výroba. VŠB TU Ostrava, učební text a návody do cvičení. VŠB – Technická univerzita Ostrava, FEI, KAT 450. 2012 [30.6.2013].Dostupné z < http://mostech.vsb.cz/source/dokumenty/4_Plosne%20spoje.pdf>.
[6.]
40
5 Výroba DPS mokrou cestou
Tvorba předlohy
Aby bylo možné přenést na světlocitlivou desku dané schéma, je třeba vytvořit šablonu, kterou následně osvětlíme. Předloha se vytvoří exportem schématu v křivkách z programu, ve kterém bylo vytvořeno schéma, do grafického programu. Tisk se provádí na průhledné fólie či pauzák na běžných tiskárnách.
Obr. 5.1. Předloha plošného spoje
Materiál na výrobu desek plošného spoje Součástky jsou propojeny vodivými cestami vytvořenými leptáním či frézováním z měděných folií nalepených na izolační laminátové desce, nejčastěji typu FR4 (skelný laminát, plátovaný měděnou folií). Samotné součástky jsou na DPS připájeny za své vývody cínovou pájkou.
Požadavky na materiály pro plošné spoje
Materiály určené pro plošné spoje musí vyhovovat požadavkům na jejich elektrické a mechanické vlastnosti. Důležitými elektrickými vlastnostmi jsou:
elektrická rezistivita,
elektrická pevnost,
relativní permitivita εr,
ztrátový činitel tg δ.
V závislosti na konkrétní aplikaci je možné sledovat i další parametry (např. odlišné požadavky budou na desky s plošnými spoji používané pro nf a vf obvody).
41
Tepelná odolnost – deska plošného spoje je v průběhu pájení součástek po dobu několika sekund vystavena teplotám vyšším než 200°C, např. 250°C až 280°C. Desky jsou rovněž ohřívány při provozu, což má vliv na stárnutí materiálu. Průhyb desky; Ztráta pevnosti laminátu; Teplotní roztažnost materiálu v podélném směru; Relativní změna rozměru materiálu je dána vztahem:
, kde Δl je změna rozměru při změně teploty, L0 je rozměr materiálu při počáteční teplotě υ0, TCE je koeficient teplotní roztažnosti - je udáván v ppm/°C (ppm = 10-6), , (TCE – Temperature Coefficient of Expansion) – důležitý je koeficient teplotní roztažnosti pro podélné osy, tam, kde jsou používány prokovené otvory, je nutné počítat i s roztažností příčnou, Δυ je konečné a počáteční teploty. Následující tabulka uvádí délkové roztažnosti používaných materiálů ve směru os x a y. Pouzdra a podložky
TCExy [ppm/°C]
Plastová pouzdra
20 až 23
Keramická pouzdra
5,4 až 6,7
Laminát FR-4
12 až 24
Laminát FR-4 vícevrstvý
14 až 24
FR-4 s kovovým jádrem
8,6 až 14
(INVAR plátovaný mědí) Keramické vícevrstvé desky 6,0 až 8,3 42
Laminát Epoxy – Kevlar
6,0 až 7,0
Tab. 5.1. Délkové roztažnosti materiálů v osách x a y Aby nevznikalo mechanické pnutí, měl by mít materiál použitý k výrobě desky přibližně stejnou teplotní roztažnost jako pájené součástky. Z tohoto hlediska je vhodné použití materiálu FR-4, na který mohou být bezpečně osazovány miniaturní pasivní čipové i MELF součástky s keramickým nosičem až do velikosti 10 mm, dále integrované obvody v plastových pouzdrech typu SO, PLCC, FLAT-PACK apod.
Materiály pro desky plošných spojů Volba materiálu desky plošných spojů je důležitá pro výslednou spolehlivost celého výrobku. Výrobek, a tím i deska plošných spojů je vždy vystavena určitým okolním vlivům. Tyto externí vlivy je třeba předpokládat a podle nich volit základní materiál desky plošných spojů. Rovněž je třeba volit materiál podle požadavků elektrického obvodu umístěného na desce, např. vf obvody. Optimálním materiálem pro desky plošných spojů je vrstvený izolant - laminát. Výztuží jsou dány mechanické vlastnosti (pevnost v tlaku, v tahu a v ohybu), tvarové (rozměrové) vlastnosti v daném teplotním rozsahu a odolnost proti chemicky agresivnímu prostředí. Vyztužujícím materiálem bývá papír nebo vlákno (tkané nebo sekané). Druhou složkou laminátu je pojivo. Úlohou pojiva je přenášet mechanické namáhání rovnoměrně na všechny strany výztuže, chránit ji před mechanickým poškozením a před účinky chemikálií. Používají se různé pryskyřice. Výhodou je možnost kombinace obou složek - výztuže a pojiva, a tím ovlivnění vlastností laminátu. Požadované vlastnosti se kontrolují zkušebními metodami pro desky plošných spojů, které jsou obsaženy v ČSN EN 61189-3 a ČSN EN 61189-3:1998. Doporučené tloušťky výsledné desky plošných spojů (jednovrstvé a dvouvrstvé) jsou: 0,2 - 0,5 - 0,7 - 0,8 - 1,0 - 1,2 - 1,5 - 1,6 - 2,0 - 2,4 - 3,2 - 6,4 mm. Měděná fólie desky plošných spojů
Základní materiál je pokryt měděnou fólií elektrolyticky vyráběnou o čistotě 99,5%. Fólie se vyznačuje dobrou adhezí k povrchu laminátu, která je podmíněna drsností povrchu a vysokou pružností. Na měděnou fólii jsou kladeny požadavky, kterým musí odpovídat její vlastnosti. K základním vlastnostem fólie plošných spojů patří:
mechanické: o pevnost v loupání měděné fólie, 43
o tloušťka fólie,
elektrické: o proudová zatížitelnost plošných měděných spojů, o elektroizolační vlastnosti (šířka vodiče a mezery), o parazitní kapacita a indukčnosti.
Mechanické vlastnosti Pevnost a loupání měděné fólie
Měděná fólie musí mít dostatečnou adhezi, aby nedocházelo při technologické operaci (pájení) k jejímu odloupnutí. Odolnost se měří jako síla na jednotku šířky, která se vyžaduje k odloupnutí plošného spoje od povrchu základního materiálu. Zkouší se při dodání, po působení rozpouštědel, galvanických roztoků, a při tepelném namáhání. Běžné hodnoty pro různé materiály jsou následující (vodiče široké 0,8 mm a více):
papír impregnovaný fenolickou pryskyřicí (FR2)
0,8 N/mm,
papír a epoxid (FR3)
1,1 N/mm,
skelný laminát a epoxid (FR4)
1,1 N/mm
Tloušťka měděné fólie Tloušťky fólie se vyjadřují ve váze Cu na čtverečnou stopu, tj. oz/ft 2. Běžnou tloušťkou je 1 oz/ft2, což je přibližně 35μm, pro SMT 0,5 oz/ft 2, 18 μm, Silnější fólie mají 2 oz/ft2 (70 μm), ty se používají např. v automobilovém průmyslu.
Elektrické vlastnosti
Proudová zatížitelnost
Tato vlastnost je důležitá pro konstrukci obrazce plošných spojů. Plošné spoje mají vyšší proudovou zatížitelnost než drátové spoje. Důvodem je podstatně vyšší ochlazovací plocha plošného spoje. Na proudové zatížení má rovněž vliv tloušťka Cu fólie a základní materiál (odvod tepla). Tabulka orientačně ukazuje závislost mezního proudu, při kterém se spoj přetaví, a dovoleného trvalého proudu na šířce plošného spoje. Šířka spoje [mm]
plošného Mezní proud
Dovolený proud
[A]
[A]
1,0
5
0,8
1,5
10
1,2 44
2,0
12
1,6
3,0
15
2,4
6,0
23
4,8
Tab. 5.2. Zatížitelnost plošného spoje o tloušťce 35μm
Obr. 5.2. Proudová zatížitelnost pro tloušťky měděné fólie - plošného spoje 18μm a 35μm
Obr. 5.3. Proudová zatížitelnost pro tloušťky měděné fólie – plošného spoje 70μm a 150μm Obecně platí, že proudová zatížitelnost plošných spojů je asi 5x vyšší než u klasických vodičů. Pro stanovení celkové teploty spojů je třeba přičíst k teplotě, o kterou se zvýší teplota spoje, rovněž teplotu, ve které bude deska plošných spojů 45
pracovat. Teplota dlouhodobě nesmí překročit teplotu skelného přechodu (Tg viz dále) základního materiálu desky plošných spojů.
Elektroizolační vlastnosti (šířka vodiče a izolační mezery) Mezery by měly být tak veliké, aby byly splněny požadavky elektrické bezpečnosti a usnadňovaly výrobu desky a její montáž. Čím je mezera užší, tím mohou vznikat problémy při leptání, nanášení nepájivé masky, vzniku můstků při pájení atd. Na druhé straně, pokud jsou mezery široké, zvětšuje se rozměr desky, a tím rozměr finálního výrobku. Konstruktér musí vědět, jaké mezery jsou únosné pro výrobu a následné zpracování desky plošných spojů. Graf ukazuje závislost napětí mezi spoj i na velikosti mezery při různých atmosférických výškách.
Obr. 5.4. Závislost jmenovitého napětí mezi plošnými spoji na šířce izolační mezery (tloušťka Cu fólie 35μm). A - spoje nelakované, do výšky 3 000m, B - spoje nelakované, do výšky 15000m, C - spoje lakované, do výšky 3 000m, D -spoje lakované, do výšky 15 000m
Parazitní kapacita a indukčnosti Mezi plošnými spoji, vrstvami a stíněním se projevují parazitní kapacity a indukčnosti. Velikost je dána velikostí překrývajících ploch, vzdáleností mezi nimi a základním materiálem (relativní permitivita základního materiálu). Tato problematika je poměrně obsáhlá a specifická a přesahuje rámec této publikace. Pro informaci je uvedena kapacita dvou souběžných vodičů o šířce 0,5 mm na FR4. Šířka mezery [mm]
Kapacita [pF/cm] 46
0,5
0,4
2,0
0,3
5,0
0,15
Tab. 5.3. Kapacita dvou souběžných vodičů o šířce 0,5 mm na FR4
5.1. Základní vlastnosti materiálů desek plošných spojů Konstruktér obrazce desky plošných spojů by měl vědět, co od výsledné osazené a zapájené desky očekává, neboli jak bude umístěný elektrický obvod pracovat při různých klimatických podmínkách. Tabulka představuje typické konstrukční parametry, které je nutno při návrhu sledovat, včetně odpovídajících vlastností. U desek plošných spojů se sleduji následující tři kategorie vlastností:
elektrické,
tepelné,
mechanické.
Na úvod je uveden přehled typických vlastností desek plošných spojů. Se stále vyššími požadavky na kvalitu základního materiálu se zvyšuje počet zkoušek, které dokonale prověří požadované vlastnosti desek. Vlastnosti se ověřují přesně definovanými zkouškami. Všechny zkušební metody uvádí ČSN EN 60249-1, ČSN 61189-2.
Elektrické vlastnosti Deska plošných spojů musí mít takové elektrické vlastnosti, aby elektrický obvod, který je na ní umístěn, pracoval přesně tak, jak jej navrhl konstruktér. Výrobci sledují a udávají následující skupinu vlastností. Vnitřní a povrchová rezistivita Určuje práh vodivosti a zkratu.
Relativní permitivita
Vyjadřuje míru polarizace základního materiálu. Závisí na frekvenci, teplotě, obsahu vlhkosti a složení základního materiálu a ovlivňuje kapacitní vazby obvodů. Relativní permitivita je jeden z prvků, který je běžně sledován konstruktérem při výběru materiálu pro desku plošných spojů. Graf vyjadřuje závislost relativní permitivity na frekvenci pro laminát (sklocpoxid v hmotnostním poměru 40:60). Relativní permitivita se snižuje při vzrůstání podílu skelné složky.
47
Obr. 5.5. Závislost relativní permitivity na frekvenci (pro skloepoxidový laminát). Výrobci obvykle udávají dielektrické vlastnosti při 1 MHz Platí, že kvalitnější základní materiály mají nižší permitivitu. Ztrátový činitel Ztrátový činitel je míra dielektrických ztrát. Závisí na frekvenci a teplotě, ovlivňuje útlum signálů a ztráty vedením. Průrazné napětí Charakterizuje schopnost materiálu zachovávat elektroizolační stav, tj. bezpečnou vzdálenost mezi jednotlivými vodivými vrstvami desek plošných spojů. Povrchový izolační odpor Charakterizuje kvalitu izolace. Obvyklá hodnota je 109 až 1010Ω. Tepelné vlastnosti Přizpůsobení činitele tepelné roztažnosti (TCE) desky plošných spojů. Vzhledem k tomu, že keramický materiál má TCE asi 5-7 ppm/°C a běžné desky plošných spoj li (epoxid-sklo) od 15 do 20 ppm/°C, jsou pájené spoje při tepelných cyklech vystaveny značnému tepelnému namáhání (při pájení vlnou i přetavením). Tato skutečnost vedla k rozsáhlému hledání různých materiálů pro základní materiál anebo metod, jak zabránit základnímu materiálu v jeho normální roztažnosti. Příklady jsou uvedeny dále. Protože problém tepelné roztažnosti je pro konstrukci desky plošných spoj li závažný, je popsán podrobněji. Rozdílný činitel TCE se projevuje především u bezvývodových pouzder SMD, proto požadavky na spolehlivost vyžadují, aby desky plošných spojů s bezvývodovými keramickými pouzdry SMD byly podrobeny teplotním cyklům v peci. 48
Pokud se roztažnost pouzdra rovná roztažnosti desky plošných spojů, je zatížení pájených spojů minimální. Problém je znázorněn na následujícím obrázku v části (I), jako nepřizpůsobení TCE při použití běžných materiálů. Deska se rozpíná více než pouzdro, čímž se namáhají pájené spoje. V části (2) se roztažnost desky s vysokým TCE vyrovnává jádrem z materiálu s nízkým TCE, jako je např. Invar (slitina železa a 35,6% niklu). Podobná koncepce je v části (3). Zde je vyrovnávacím materiálem Kevlar (nebo křemenné vlákno). V části (4) pružná nebo poddajná horní vrstva laminátu do značné míry zachycuje zatížení pájených spojů. Vývodová pouzdra (5) poskytují nejlepší ochranu součástkám i pájeným spojům při ohybu desky. Vývody součástek do jisté míry pruží a tím podstatně snižují riziko poškození spoje. Komplikace mohou rovněž vznikat nestejnoměrným zahříváním při střídání stavů pod proudem a bez proudu (6). Během stavu pod proudem se nosiče čipu zahřívají a roztahují rychleji než podložka. Pájené spoje jsou tak silně namáhány, a to i tehdy, jsou-li činitele TCE nosiče a podložky přizpůsobeny, Při trvalém provozu bude pouzdro ohřívané čipem integrovaného obvodu také vždy teplejší než deska. Laminát s přizpůsobeným TCE, jehož TCE je mírně vyšší než TCE nosiče čipu, nebude v těchto podmínkách namáhat pájené spoje vůbec. Avšak při ochlazování (7) bylo zkouškami prokázáno, že keramické pouzdro SMD chladne rychleji než deska plošných spojů. To opět vyvolává námahu pájeného spoje ve směru opačném, než při zahříváni, Tato opakovaná namáhání pájených spojů smykem jsou předmětem pozornosti hlavně u zařízení, kde se střídají stavy zapnuto-vypnuto. Řešením je kombinace vhodných materiálů.
49
Obr. 5.6. Nepřizpůsobení činitelů TCE Teplota skelného přechodu Tg (Glass Transition Temperature) Charakterizuje teplotu, při které dochází k výrazným změnám TCE a deska plošných spojů přechází z elastického stavu do plastického stavu. Tepelná odolnost při pájení Deska plošných spojů musí být zpracována určitým druhem pájení (ručním, vlnou nebo přetavením) a odolat delaminaci. Trvalá tepelná odolnost Uvádí se po 100 - 500 hodinách provozu desky plošných spojů, Určuje oblast použití desek. Tepelná vodivost Množství tepelné energie tekoucí mezi plochami ve směru x je přímo úměrné teplotnímu gradientu ve směru x, ploše S a koeficientu tepelné vodivosti 1. Hořlavost 50
Určuje schopnost materiálu nepodporovat zapálení nebo oheň způsobený náhodným přehřátím elektronickou součástkou (samozhášivost).
Mechanické vlastnosti
Mez pevnosti v ohybu Charakterizuje mechanickou pevnost desek plošných spojit K, poškození zapájené desky plošných spojů SMD může dojít při jejím ohnutí. Problém je možné řešit tím, že deska plošných spojů bude vyrobena inherentně neohebná. Mnoho moderních konstrukcí záležitost řeší připojením desky plošných spojů ke kovové desce nebo kovovému jádru. Tento způsob dává dostatečně pevnou strukturu, zajišťující minimální ohyb během následné manipulace. Velké desky plošných spojů bez takové kovové podpěry by se měly po pájení ukládat do speciálních boxů a upevňovacích přípravků, aby nedocházelo ke zborcení a zabránilo se ohybu desek při manipulaci, testování apod. Rovinnost, prohnutí, zkroucení Stav desek při dodání a po zpracování. Určuje snadnost zpracování materiálu, použitelnost při montáži součástek. Tyto vlastnosti mají význam hlavně při osazování SMD. Rozměrová stabilita Zjišťují se změny rozměru, ke kterým došlo během výrobních operací. Sleduje se tepelná roztažnost v obou směrech a v tloušťce materiálu, smrštění po ochlazení a po odleptání Cu fólie, zachování rozměrů po pokovení atd. Nasákavost vodou Ovlivňuje způsob použití materiálu a určuje použití desek plošných spojů z hlediska klimatického, elektrického a tepelného namáhání. Měří se hmotnost vody absorbované deskou plošných spojů ponořené do vody.
SKLOTEXTIT ® FR4
Vrstvený materiál vyrobený z upravené nealkalické skelné tkaniny jako výztuže a epoxidové živice jako pojiva. Kromě dobrých mechanických a elektroizolačních vlastností jsou desky samozhášivé. Používá se na výrobu součástek s dobrými mechanickými a elektrotechnickými vlastnostmi, pro elektrická zařízení při vyšších teplotách nebo ve vlhkém prostředí, při namáhaných elektroizolačních součástkách, jako kostry, tělesa přístrojů, skříňových částí rozvoden, transformátorů, rozvaděčů, elektrických strojů. Výrobní rozměry: 1050x1025 mm, 1040x1570 mm, 1065x1300 mm, 1050x2050 mm Síly desek: 0,5 mm až 50 mm, jiné rozměry po dohodě s výrobcem. 51
Obchodní jméno: Sklotextit Hgw 2372.1 – tvrzená skelná tkanina Typ dle DIN – EN: 60893 ČSN – EN: 60893
EPGC 202
Typ dle DIN 7735
Hgw 2372.1
Typ dle NEMA
FR-4
Výztuha - materiál
skelná tkanina
Pryskyřice
epoxidová
Aplikace
elektroizolační, konstrukční
Mechanické vlastnosti Pevnost v ohybu při porušení kolmo na vrstvy
MPa
340
Modul pružnosti v ohybu
MPa
24x103
Pevnost v tahu
MPa
300
Pevnost v tlaku kolmo na vrstvy
MPa
350
Rázová houževnatost (Charpy) rovnoběžně s vrstvami
KJ/m2
33
Pevnost ve smyku rovnoběžně s vrstvami
MPa
30
MPa
180
(při 20°C)
Pevnost v tlaku rovnoběžně s vrstvami dle PN-83/C-89031 Dielektrické vlastnosti
52
Průrazné napětí v oleji při 90°C -kolmo na vrstvy
kV/3 mm
30
-rovnoběžně s vrstvami
kV/25 mm
35
Ztrátový činitel tan d - při 50 Hz
0,04
- při 1 MHz
0,04
Permitivita při 1 MHz
5,5
Odolnost proti plazivým proudům (CTI)
200
Izolační odpor po ponoření MΩ do vody
5x104
1 min. zkušební napětí v oleji 90°C podle PN-86/E04404 - kolmo na vrstvy (pro 3mm) - rovnoběžně s vrstvami
kV
40
kV
40
g/cm3
1,9
Fyzikální vlastnosti Měrná hmotnost Teplotní index (TI) Nasákavost (pro tloušťku 3mm)
130 mg
22
Hořlavost (kategorie)
FVO Tab. 5.4. Vlastnosti materiálu FR4
Vrstva mědi
53
Kompozity laminátů plátovaných mědí jsou vyráběny pomocí polyimidových filmů s měděnou fólií na jedné nebo obou stranách, která je na základní materiál nanesena pomocí vlastního pryskyřičného lepidla upraveného do stavu C. Veškeré lamináty plátované mědí jsou dostupné s válcovanou, žíhanou mědí nebo s elektrolytickou mědí. Kromě toho je měď obou typů také k dispozici ve dvojité aplikaci (na obou stranách měděné fólie jsou naneseny částečky elektrolytické mědi). To umožňuje vynechat procedury přípravy povrchu před plátováním rezistu nebo krycí vrstvy. Obvykle se použivá měděná folie specifikovana v ANSI/IPC-CF-150E tloušťky 18, 35, 70 a 105 mm.
Obr. 5.7. Cuprextit jednostranný
Vrstvy fotorezistu
Cuprextiti je možno koupit s již nanesenou vrstvou reagující na světlo a to pozitivní či negativní emulzí. V prototypové laboratoří SAZE bylo možno vyrábět desky s oběma variantami a to pomocí zažehlování či spojováním. Obecně jsou to roztoky organických světlocitlivých látek a filmotvorných polymerů v rozpouštědlech, pomoci kterých lze připravit na různých podložkách vrstvu citlivou k ultrafialovému světlu. 54
Po expozici a vyvolaní těchto vrstev se získá na podložce reprodukce exponované předlohy. Vrstva, která zůstala na podložce, slouží jako ochrana vůči leptadlu, zatímco místa obnažena vyvolaným jsou odleptaná. Světlocitlivé roztoky pro fotoleptání a suché rezisty Negativně pracující světlocitlivé roztoky Vhodné při použiti agresivních leptadel, alkalických leptadel, při reprodukci a leptu ploch relativně menších než jsou plochy neleptané, při zpracovaní polovodičů, při sériové výrobě plošných spojů apod. Pozitivně pracující světlocitlivé roztoky Jejich zpracovaní je poměrně jednodušší, zejména při přípravě světlocitlivé vrstvy, jejíž sila může kolísat v různých místech podložky s větší toleranci. Vyvolávaní se provádí v nehořlavé vývojce a zbytky vrstvy po zpracovaní se snadno beze zbytku odstraní rozpuštěním v acetonu nebo ředidle. Jsou vhodné pro podložky leptané středními nebo mírnými leptadly, při reprodukci a leptu ploch relativně větších než jsou plochy neleptané. Výroba světlocitlivé vrstvy zažehlováním Tato metoda je velmi snadná a rychlá. Jedná se o čirou fólii zbarvenou buď do modra nebo hněda. Z jedné strany je nanesena fotocitlivá vrstva, která přilne na povrch mědi pod teplem a tlakem. Materiál pro výrobu DPS cuprextit je potřeba nejprve důkladně odmastit, nejlépe přešmirglovat velmi jemným smirkem pod tekoucí vodou a důkladně osušit, případně před tiskem předem mírně nahřát. Poté jej položte na pevnou podložku a natištěný motiv na modré fólii položte matnou, tedy potištěnou stranou tak, aby byl celý obrazec natištěný tonerem směrem k měděné fólii po celé ploše budoucího plošného spoje. Poté nastavte žehličku na teplotu hedvábí a přiložte na ně žehličku. Není vhodné přejíždět sem a tam, mějte žehličku po dobu asi 30 s na jednom místě. Poté na chvíli oddělejte a opět na 15 s přiložte. Podle originálního návodu je vhodný čas na ukončení prohřívání prostoupení černého toneru skrze modrý povlak až k fólii, což je pod žehličkou při oddělání viditelné. Modrou fólii sundejte z cuprextitu až po důkladném vychladnutí materiálu, jinak poškodíte spoje. Na cuprextitu by měl zůstat pouze přežehlený motiv krytý tonerem, místa pro odleptání my měly být holé, měděné. Případné kazy je potřeba buď odstranit, nebo doretušovat (lak na nehty ap.). Pokud použijete příliš nízkou teplotu, nepřenese se celý motiv kvalitně, pokud zase vysokou, toner se přepálí a je nepoužitelný. Obecně platí raději déle při nižší teplotě.
55
Správně přenesená fólie je v místech přenosu průhledná, protože se modrý povlak i s tonerem přilepil na cuprextit.
Obr. 5.8. Fotorezist - suchý film Výroba světlocitlivé vrstvy roztokem Pro snadnější manipulaci se tyto roztoky dnes dají koupit ve formě spreje. V takovém to případě nanášíme emulzi ve vodorovné poloze nebo mírně šikmé. Vzhledem k tomu, že většina takto dostupných emulzí nereaguje na světle, které neobsahuje modrou složku je je možné nanášet za běžného osvětlení v místnosti pokojové teploty. Nevýhodou takto nanášených světlocitlivých ploch je malý rozptyl nanesené eulze. Dodatečné znovu přestříkání není již tak účinné a může se stát, že v místech, kde se emulze budou překrývat nedojde k dostatečnému osvícení šablony a následnému defektu při lepttání spoje. V prototypové laboratoři SAZE se na výrobu desek plošného spoje používají cuprextitové desky typu FR4, na které je nanesena negativní vrstva světlocitlivého materiálu. Desky jsou pokryty ochrannou fólií proti poškrábání a zanesení nečistot na světlocitlivý materiál.
Umístění předlohy na cuprextit se světlocitlivou vrstvou Z desek plošného spoje je vybrána taková část cuprextitu, aby rozměrově vyhovovala předloze a zbytečně ji nepřesahovala. Předloha je položena tak, aby text umístěný na předloze byl čitelný. Je důležité obzvláště při tvorbě oboustranných desek plošného spoje předlohu přichytit na cuprextit, např. lepicí páskou, která nebude zasahovat do schématu umístěného na předloze. 56
Pozn.: OCHRANNÝ OBAL z cuprextitu NEODSTRAŇUJTE!!!! Při realizaci oboustranné desky plošného spoje se vytištěné předlohy spárují, a to tak, aby na sobě vzájemně seděly a texty umístěné na předlohách byly čitelné. Takto spárované předlohy je nutno na rozích slepit lepící páskou. Do takto vytvořeného „sendviče“ se vloží oboustranný cuprextit, který se opět přichytí na předlohu lepicí páskou, tak, aby nezakrývala vytištěné části schématu.
Osvícení plošného spoje Takto připravená deska se vloží do osvitové jednotky, zavře víko a zatíží se tak, aby světlo z osvitové jednotky neunikalo ven. Po spuštění tlačítka START se spustí osvitová jednotka a po uplynutí časového intervalu (1min 30s) desku vyjmeme.
Obr. 5.9. Osvitová jednotka, osvícený kuprextit, sundání ochranné fólie V dnešní vyspělé době výpočetní techniky byla realizována oboustranná osvitová jednotka, která je automaticky řízena po přiložení ISC karty studenta. Tento počin vznikl potřebou statistiky vytíženosti prototypové laboratoře SAZE.
Obr. 5.10. Oboustranná osvitová jednotka 57
Vyvolání plošného spoje Než se osvícená deska plošného spoje vloží do připraveného roztoku uhličitanu sodného, je nutné odstranit ochrannou fólii. K urychlení vyvolávacího procesu, je možno desku plošného spoje „hladit“ měkkým štětcem do té doby, než je osvícená plocha čistá a měděná.
Obr. 5.11. Leptací roztok 1.uhličitan sodný, úprava povrchu při vyvolávání, DPS po vyvolání
Leptání plošného spoje V prototypové laboratoř SAZE je možné si vybrat ze dvou variant leptání plošného spoje a to:
Pomocí uhličitanu sodného nebo Hydroxidu sodného.
Leptání plošného spoje za pomoci uhličitanu sodného
Po vyndání desky plošného spoje z uhličitanu sodného je nutno desku plošného spoje opláchnout pod proudem tekoucí vody a osušit ji. Takto připravený spoj se vloží do leptacího roztoku, který je běžně k dostání v sítích s elektrotechnikou. Desku plošného spoje můžeme ovázat jemně drátem s uchopovacím okem, které ční nad hladinu leptacího roztoku. Desku plošného spoje je nutné následně několikrát vložit a vytáhnout z roztoku, aby se z desky plošného spoje odstranily bublinky, které by mohly způsobit podleptání spoje či nevyleptání měděných částí.
58
Obr. 5.12. Leptací roztok chlorid železitý
Leptání plošného spoje za pomoci hydroxidu sodného
V případě, že se rozhodnete vyleptat plošný spoj v roztoku hydroxidu sodného postupujete stejně jako u předchozího případu, tzn. Předloha, osvícení spoje, vyvolání spoje). Poté se plošný spoj přichytí na drátek nebo mezi úchytné prvky v leptací lázni a vloží se do leptacího akvária a zapne se ohřev se vzduchováním. Dle nasycenosti roztoku se DPS vyleptá po 5-10min.
Obr. 5.13. Leptací akvárium pro Hydroxid sodný
Očištění plošného spoje
Jakmile je měď odleptána z osvícených míst je potřeba spoj umýt a osušit. 59
Následně se provede mechanická úprava desky plošného spoje (DPS) (vrtání, úprava rozměru DPS). Předposlední úpravou je vložení upraveného tištěného spoje do roztoku hydroxidu sodného, který odstraní ochrannou vrstvou. Jako poslední se provádí nástřik ochrannými spreji, například tekutým fluxem, který se nechává zaschnout za pokojové teploty.
Obr. 5.14. Roztok hydroxidu sodného, DPS vložená do stoperu, očištěná DPS Další zdroje
[1.]
[2.]
Fólie pro výrobu plošných spojů. SEMACH: výroba plošných spojů a SMT osazovacích planžet [online]. 2008-2013 [cit. 2014-05-10]. Dostupné z: http://www.semach.cz/folie.html Fotorezist - suchý film, 2role 305mm x 30m. P2J Technology: technologie a materiály pro výrobu DPS [online]. [cit. 2014-05-10]. Dostupné z: http://www.vyroba-dps.cz/www-vyroba-dps-cz/eshop/24-1-Nanasenifotocitlive-vrstvy/0/5/170-Fotorezist-suchy-film-305mm-x30m/description#anch1
60
[3.]
JANOUD, Jan. Technologie plošných spojů. 2008 [cit. 2014-05-10]. Dostupné z: http://www.janoud.cz/sub/jcueltech/09b_Technologie_plosnych_spoju.pdf . Výukový text, pomocný text pro předmět ELEKTROTECHNOLOGIE
[4.]
Doc. ing. Bohumil Horák, Ph.D a kolektiv. Navrhování a technologie desky plošného spoje, Úvod do problematiky návrhu plošného spoje v programu Eagle. VŠB-TUO, Fakulta strojní. 2013 [cit. 2014-05-02].
[5.]
doc. Ing. Bohumil Horák, Ph.D akolektiv. ZÁKLADY KONSTRUKČNÍCH TECHNOLOGIÍ V ELEKTRONICE -Výroba dps v laboratořích VŠB TU Ostrava, učební text a návody do cvičení. VŠB – Technická univerzita Ostrava, FEI, KAT 450. 2012 [30.6.2013]. Interní document. Kristýna Friedrischková. Příprava výukových textů v projektu MOST-TECH, Technologie propojení součástek v systému, plošné spoje – materiály, konstrukce, výroba. VŠB TU Ostrava, učební text a návody do cvičení. VŠB – Technická univerzita Ostrava, FEI, KAT 450. 2012 [30.6.2013]. Dostupné z < http://mostech.vsb.cz/source/dokumenty/4_Plosne%20spoje.pdf>.
[6.]
61
6 Realizace DPS za pomocí suché metody – frézováním V prototypové laboratoři SAZE je možné realizovat DPS pomocí frézovacího nástroje LPKF ProtoMat E33. Pozn.:Více o tomto typu nástroje v kapitole CNC stroje
Import dat do CircuitPro
Při zapnutí programu dojde k inicializaci spojení mezi počítačem a frézkou. Pokud by se vyskytly komplikace, je zapotřebí spojení inicializovat pomocí Machining/Connect…, případně vyřešit potíže s fyzickým propojením. Po spuštění programu by mělo být defaultně zvoleno frézování jednovrstvého plošného spoje s top vrstvou. O tom se můžeme přesvědčit v okně vrstev (Layers), ve kterém se nebude v názvech vrstev vyskytovat označení bottom, pouze top. V opačném případě je zapotřebí zvolit File/New… a z nabídky vybrat variantu SingleSided_Top.cbf. Následně zvolíme File/Import… a v otevřeném okně označíme všechny soubory vygenerované Eaglem (včetně souborů *.gpi a *.dri, celkem 8 souborů). V tabulce se seznamem souborů ve sloupci Layer/Template přiřadíme souborům *.gbr a *.exc příslušné vrstvy dle následující tabulky. dimension.gbr
BoardOutline
top.gbr
TopLayer
rubout.gbr
RuboutTop
drill.exc
DrillUnplated
Tab. 6.1. Soubory vygenerované z programu Eagle pro frézování Tím zajistíme přiřazení těchto vrstev ke správným technologiím a fázím výroby.
62
Obr. 6.1. Importovaná data do programu pro frézování
Generování cesty pro nástroje frézky
Před samotným zahájením frézování plošného spoje je zapotřebí podle návrhu vygenerovat cesty pohybu jednotlivých nástrojů. K tomu slouží ikona na horním panelu Generate insulation and contour rating toolpath, případně nabídka Toolpath/Technology Dialog… V otevřeném okně volíme vlastnosti procesu frézování, zda má být daný proces vykonán a také typ použitého materiálu.
63
Obr. 6.2. Okno nastavení programu LPKF CircuitPro V první oblasti Insulate je možné zvolit způsob vyfrézování motivu, kdy na výběr máme 4 varianty od vyfrézování pouze izolačních mezer až po odstranění veškeré mědi dle návrhu plošného spoje. Po otevření detailů (Show Details) je možné zvolit nástroje, které mají být použity a vlastnosti izolačních mezer. Při výběru varianty pro odfrézování veškeré mědi (Complete Rubout) necháme nastavení v defaultní podobě. V druhé oblasti volíme způsob vyfrézování okraje plošného spoje. Po otevření detailů (Show Details) můžeme vybrat u různých variant například šířku nevyfrézované mezery nebo délku frézovaných úseků. Důležité je zvolit variantu Outside – motiv bude vyfrézován vně obrysu z vrstvy Dimension. V poslední oblasti – Convert to Toolpath – necháme zatrženou pouze možnost Drills. Po otevření jejich detailů (Show Details) můžeme zvolit, zda se příslušné rozměry vrtáků budou volit automaticky nebo zda vybereme jeden konkrétní typ pro odvrtání 64
všech otvorů. Tato varianta je vhodná v situaci, kdy navržené otvory neodpovídají průměrům dostupných vrtáků. Při samotném návrhu plošného spoje v Eaglu je vhodné brát tuto skutečnost v potaz a všechny vrtané otvory upravovat. Je také vhodné nechat zatrženu možnost Create parking drills. Frázka otvory nejprve naznačí frézovacím nástrojem, vrták se pak tolik neopotřebovává a lépe se chytá do mědi. Po nastavení všech možností spustíme vygenerování tlačítkem Start. V okně Compupation Results vidíme, které nástroje budou pro výrobu plošného spoje použity včetně vzdáleností, které jimi budou vyfrézovány případně kolik děr s nimi bude navrtáno. Pokud nastanou během generování nějaké komplikace, budou v tomto okně uvedeny. Nejčastěji se týkají odlišnosti rozměrů vrtaných otvorů a dostupných nástrojů – otvory budou ignorovány, nebo příliš složitých oblastí motivu, které frézka nezvládne vyfrézovat.
Zahájení frézování
Ke spuštění frézování slouží Board Production Wizard dostupný v záložce Wizards nebo pod ikonou na horním panelu. Nejprve je zapotřebí umístit na frézku pomocný materiál a na něj pak připevnit desku cuprextitu pomocí lepicí pásky. Provedení této části potvrdíme tlačítkem Start.
Obr. 6.3. Naváděcí průvodce frézováním
65
V dalším okně – Material Settings – Zvolíme typ používaného materiálu a jeho parametry. Nejčastěji se lze setkat s materiálem FR4, tloušťkou mědi 18 µm a tloušťkou cuprextitu 1,55 mm. Tloušťka používaného pomocného materiálu je 2 mm. Dále je nutné definovat použitelnou plochu. Jedním ze způsobů je manuální zaměření, kdy klikneme kurzorem do původního okna programu na znázorněnou plochu frézky a vyčkáme, až na dané místo v reálu přejede. Takto nastavíme frézovací hlavu nad levý spodní roh použitelné plochy a výběr zaznamenáme kliknutím na příslušnou ikonu v okně Material Settings. Stejně postupujeme při zaměření pravého horního rohu. Vybraná oblast se navíc na ploše frézky znázorní. Je nutné dbát na to, aby ani v okrajových pozicích nebyl frézovací nástroj ani ochranný kroužek hlavy nad upevňovací páskou, při frézování by docházelo k jejímu shrnování. Po nastavení těchto parametrů pokračujeme tlačítkem Continue.
Obr. 6.4. Okno specifikace materiálu 66
Dále se otevře okno Placement. V této fázi volíme polohu frézovaného motivu, jeho natočení a počet kopií. Přesunout motiv lze nejjednodušeji přímo v hlavním okně programu CurcuitPro metodou drag and drop. Jakékoliv změny v okně Placement potvrzujeme tlačítkem Apply, po dokončení nastavení pokračujeme tlačítkem Continue.
Obr. 6.5. Okno nastavení frézovaného obrazce Nyní začne probíhat samotné frézování. To spočívá ze série kroků, mezi nimiž je zapotřebí manuálně měnit nástroje frézky. V programu se vždy objeví výzva k výměně nástroje se specifikací požadovaného nástroje a hlava frézky se přesune do levého předního rohu.
Obr. 6.6. Informační okno o nástroji K výměně slouží šroubovák a plastový nástavec uložené napravo v pojezdu frézky.
67
Obr. 6.7. Ukázka vložení nástroje Nástavec se nasune na nástroj a uvolní se zajišťovací šroubek. Poté se nástroj vyjme, uloží do krabičky a stejným způsobem se upevní nástroj požadovaný. Pro zvýšení životnosti nástrojů je zapotřebí nedotýkat se jejich kovových částí. Po kontrole dotažení zajišťovacího šroubku potvrdíme výměnu nástroje a frézka vykoná danou fázi výroby.
68
Obr. 6.8. Vložený nástroj ve frézovací hlavě Během celého procesu dojde nejprve k navrtání děr včetně jejich předznačení, vyfrézování motivu plošného spoje od nejtenčího nástroje k nejširšímu a posléze k vyfrézování okraje plošného spoje, jehož součástí je navrtání míst pro zahájení frézování. Celý průběh práce je možné sledovat na ukazatelích a pohyb frézovacího nástroje v okně programu. Po dokončení práce se přesune hlava frézky do parkovací pozice vpravo vzadu a na obrazovce se objeví informace o ukončení výroby. Další zdroje
[1.]
[2.]
[3.]
DOČEKAL, Tomáš. Uživatelský návod k laboratorní úloze: Frézování DPS pro mobilní robot (laboratoř C112). Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava, FRVŠ 910/2013, Inovace laboratoří na katedře Kybernetiky a biomedicínského inženýrství. Ostrava 2013 [cit. 2014-05-10]. Dostupné v prototypové laboratoři skupiny SAZE CPIT C112 Fólie pro výrobu plošných spojů. SEMACH: výroba plošných spojů a SMT osazovacích planžet [online]. 2008-2013 [cit. 2014-05-10]. Dostupné z: http://www.semach.cz/folie.html Fotorezist - suchý film, 2role 305mm x 30m. P2J Technology: technologie a materiály pro výrobu DPS [online]. [cit. 2014-05-10]. Dostupné z: http://www.vyroba-dps.cz/www-vyroba-dps-cz/eshop/24-1-Nanasenifotocitlive-vrstvy/0/5/170-Fotorezist-suchy-film-305mm-x30m/description#anch1 69
[4.]
JANOUD, Jan. Technologie plošných spojů. 2008 [cit. 2014-05-10]. Dostupné z: http://www.janoud.cz/sub/jcueltech/09b_Technologie_plosnych_spoju.pdf . Výukový text, pomocný text pro předmět ELEKTROTECHNOLOGIE.
[5.]
Doc. ing. Bohumil Horák, Ph.D a kolektiv. Navrhování a technologie desky plošného spoje, Úvod do problematiky návrhu plošného spoje v programu Eagle. VŠB-TUO, Fakulta strojní. 2013 [cit. 2014-05-02].
[6.]
doc. Ing. Bohumil Horák, Ph.D akolektiv. ZÁKLADY KONSTRUKČNÍCH TECHNOLOGIÍ V ELEKTRONICE -Výroba dps v laboratořích VŠB TU Ostrava, učební text a návody do cvičení. VŠB – Technická univerzita Ostrava, FEI, KAT 450. 2012 [30.6.2013]. Interní document. Kristýna Friedrischková. Příprava výukových textů v projektu MOST-TECH, Technologie propojení součástek v systému, plošné spoje – materiály, konstrukce, výroba. VŠB TU Ostrava, učební text a návody do cvičení. VŠB – Technická univerzita Ostrava, FEI, KAT 450. 2012 [30.6.2013].Dostupné z < http://mostech.vsb.cz/source/dokumenty/4_Plosne%20spoje.pdf>.
[7.]
70
7 Osazení plošných spojů Desky s plošnými spoji mohou obsahovat nejen SMD, ale i klasické součástky. Tomu musí být podřízen způsob montáže součástek na desky s plošnými spoji i způsob pájení. Jsou možné následující způsoby montáže:
montáž pouze SMD součástek. o jednostranná, kdy na desku s plošnými spoji jsou součástky osazovány pouze na jednu stranu; o oboustranná, kdy součástky jsou osazeny z obou stran plošného spoje.
kombinovaná montáž SMD i klasických součástek. Součástky pro klasickou montáž jsou umisťovány na jednu stranu desky s plošnými spoji (na stranu součástek), SMD součástky jsou osazovány na stranu spojů. Při osazování jsou nejprve osazeny součástky pro klasickou montáž, následuje osazení dále popsaným popisem SMD součástek a pájení vlnou.
kombinovaná montáž SMD i klasických součástek, kdy jsou SMD součástky osazeny jak na straně klasických součástek, tak na straně spojů.
7.1. Úprava plošného spoje před osazením součástek Prvním předpokladem pro kvalitní osazení je výborná pájitelnost DPS. Toho se zpravidla dosahuje nanesením tavidla. Tavidlo je zpravidla kapalná látka, která při ohřátí zrychluje nebo podporuje smáčení pájených materiálů pájkou. Tavidlo za působení tepla odstraní z povrchu pájeného materiálu oxidy i jiné nečistoty a chrání jej během procesu pájení proti oxidaci. Reakce tavidla s oxidy zapříčiní zvýšení povrchového napětí a tím zlepšení smáčivosti. Přísady, pomocí kterých je dosahováno kvalitní pájení jsou nazývány aktivátory. Hlavním požadavkem na tavidlo je zajistit spolehlivý proces pájení s reprodukovatelnou kvalitou pájených spojů a s minimálním obsahem zbytkovým obsahem nečistot po pájení. Jsou preferována bezoplachová tavidla, která nevyžadují čištění (tzv. no clean typy).
7.2. Pravidla osazování desek plošného spoje Montážní a propojovací sestavy (tj. osazené desky s plošnými spoji) jsou osazeny součástkami z jedné strany (typ 1) nebo z obou stran (typ 2). Montují se elektronické součástky určené pro zástrčnou technologii (Through Hole Technology – THT) i 71
povrchovou montáž (Surface Mount Technology - SMT) s různou konstrukcí vývodů, způsobů pouzdření i mechanické prvky.
Obr. 7.1. Přehled montážních a propojovacích sestav - typ 2 Příklad značení: 1A
(jednostranná montáž vývodových součástek)
2B
(oboustranná montáž SMD prvků až po fine pitch)
2Z
(komplexní oboustranná kombinovaná montáž se součástkami CSP, COB, Flip Chip, TAB aj.).
Mechanická montáž Zahrnuje operace prováděné na montážní a propojovací struktuře, např.:
montáž nýtů, pájecích oček i konektorových pinů
montáž chladičů, konektorů, úhelníků 72
upevnění elektronických součástek nýtováním, šroubováním, pomocí montážních svorek
fixace součástek pomocí tmelů i lepidel
odizolování a upevňování vodičů a lanek
Mechanická montáž doplňuje montáž elektronických prvků s cílem dosažení požadované spolehlivosti i funkčnosti. Montáž se realizuje před nebo po montáži elektronických prvků:
Obr. 7.2. Příklady upevnění součástek Kvalita upevnění montážních prvků se posuzuje zejména opticky, sleduje se shoda s požadavky norem např. IPC-A-610 B, IPC SM-782 aj.
Montáž elektronických prvků
Vývodová montáž Na montážní a propojovací strukturu s upevněnými mechanickými prvky se montují vývodové součástky. Vlastní proces montáže spočívá v natvarování vývodů, osazení do otvorů DPS a zapájení. Některé elektronické prvky jsou ještě často fixovány mechanicky např. pomocí nýtů, šroubů na desce plošného spoje. Tvarování vývodů Hlavním úkolem natvarování je, aby byly součástky lépe fixovány na DPS během procesu pájení a po pájení zvýšily spolehlivost pájeného spoje. Před tvarováním vývodů je nutno určit rastr tvarovaných vývodů (tj. vzdálenost mezi vývody – buď z technické dokumentace nebo přímo z hotové DPS) i vlastní tvar a délku vývodu. Vývody součástky jsou fixovány v otvorech následujícími způsoby: a) vlastní hmotností viz následující obrázek. a), b), d), g) b) pružností natvarovaných vývodů viz c),e), f), i), j) c) zahnutím vývodů na druhé straně desky (tg. cut and clinch) d) pomocí upevňovacích prvků (přišroubování chladiče k DPS aj.) 73
Obr. 7.3. Tvary vývodu klasických součástek Pro zvýšení spolehlivosti při náročnějších aplikacích se požaduje vývody na spodní straně DPS zahýbat, tzv. technologie cut and clinch. Tyto zvýšené požadavky má např. automobilový průmysl, trakce, armáda, aj.
Obr. 7.4. Fixace vývodů tzv. technologií cut and clinch
Zásady pro tvarování vývodů
A - vzdálenost od ohybu- minimálně 1 x D, ne méně než 0,8 mm D - průměr vývodu součástky R - poloměr ohybu:
minimálně 1x D (D menší než 0,8 mm) 74
minimálně 1,5 D (pro D od 0,8 do1,2 m)
Obr. 7.5. Zásady pro tvarování Minimální vzdálenost L tvarovaných vývodů axiálních součástek: L = C + 2A + 3D kde L - minimální vzdálenost C – max. velikost tělesa součástky D – průměr vývodu A – minimální vzdálenost počátku ohybu od tělesa součástky.
Obr. 7.6. Zásady pro tvarování Hlavní zásady pro osazování vývodových součástek:
osazování začínáme zleva doprava, odshora dolů,
postupujeme od nejmenších součástek po největší.
Požadavky a osazení axiálních a radiálních součástek na DPS
Axiální součástky Osazované horizontálně: 75
Součástka často leží na DPS, vzdálenost součástky od DPS je volena tak aby vyhovovala elektrickým požadavkům, tepelnému zatížení součástky, eventuálně i požadavkům na čištění. Pokud osazujeme součástku nad DPS musí být vzdálenost min. 1,5 mm. Hmax = 2 mm Lmax = 1,5 mm H-Lmax = 1,25 mm
Obr. 7.7. Požadavky na osazení axiální součástky Osazované vertikálně Součástka by měla být osazena kolmo k DPS a doporučená vzdálenost axiální součástky od DPS je 0,4 – 1,5 mm. Radiální součástky Součástka by měla být osazena kolmo k DPS a doporučená vzdálenost radiální součástky od DPS je 0,3 – 2 mm. Dle IEC 61191-3:
Náklon součástky do strany: B max. 15 °
Zvednutí součástky nad DPS: o L min 0,4 mm o H max 2,0 mm
76
Obr. 7.8. Požadavky na osazení radiální součástky Délka vývodu ze spodní strany DPS:
nezahnutého: 1,5 - 2,5 mm
zahnutého: délka zahnutí vývodu minimálně 1/2 průměru pájecí plošky. Zahnutý vývod by neměl přesahovat, nebo jen minimálně pájecí plošku.
Kvalita osazení se posuzuje zejména opticky, sleduje se shoda s požadavky norem např. IPCA- 610 B, IPC SM-782 aj.
Montáž SMD součástek
Při tomto způsobu montáže součástek na plošný spoj je používána tzv. metoda přetavení pájecí pasty. Tato technologie má některé přednosti oproti technologii vlnového pájení. Pájecí pasta plní dvě funkce:
zpočátku slouží jako dočasné lepidlo, které fixuje součástku k desce (musí mít dobrou lepivost); po přetavení slouží k zajištění pevného elektrického spojení součástek s DPS.
Nanášení pájecí pasty je prováděno zpravidla sítotiskem nebo šablonovým tiskem. Při tom je naneseno definované množství pasty (pájky a tavidla) na plošný spoj, což zabezpečuje reprodukovatelnou kvalitu spoje. Důležitým faktorem je volba správné pasty a teplotního profilu. Součástky jsou osazovány osazovacími automaty (případně poloautomaty). Po přetavení je spoj lesklý a hladký. Případné zbytky pájecí pasty jsou odstraněny v etapě čištění. Je-li deska osazena součástkami SMD z obou stran, celý proces se uskutečňuje dvakrát. Nejprve pro jednu, potom pro druhou stranu. 77
Vizuální kontrola má za úkol zjistit viditelné závady, jako např. můstky cínu mezi spoji, špatně připájené součástky atd. Konečné testy vyhodnocují správnost funkcí osazené desky. Po jejich bezchybném ukončení je možné vyhotovenou desku montovat do zařízení.
Obr. 7.9. Postup osazování SMD součástkami
Kombinovaná montáž
SMD součástky na stranu spojů, klasické součástky na stranu součástek. Při kombinaci klasických a SMD součástek na jednu desku s plošnými spoji jsou klasické součástky uchyceny k plošnému spoji svými vývody zasunutými do otvorů v plošném spoji. SMD součástky jsou před pájením přitmeleny na vyznačená místa k druhé straně DPS. Jako první krok je provedeno osazení klasickými součástkami, jejichž vývody jsou zasunuty do prokovených otvorů v plošném spoji. Aby součástky z plošného spoje nevypadávaly, jsou k plošnému spoji uchycovány převážně zahnutím konců určených vývodů k desce s plošnými spoji. 78
Součástky SMD jsou osazovány na stranu spojů. Před osazením je na stanovená místa přes masku naneseno lepidlo, kterým jsou SMD součástky k desce přilepeny. Lepidlo má tyto základní vlastnosti:
jednosložkový bezrospouštědlový systém;
je tixotropní (nedochází k jeho roztékání);
je elektricky nevodivé a dielektricky stabilní (pro některé aplikace jsou používána elektricky vodivá lepidla, která jsou v tom případě využívána nejen k přilepení součástek, ale i k vodivému propojení mezi ploškami a vývody součástky);
je chemicky stabilní;
je nekorozivní;
má dobrou lepivost;
má dobrou teplotní stabilitu (stálá viskozita při změnách teploty.
je výrazně barevné – kvůli vizuální kontrole;
má dlouhou skladovatelnost;
je odolné vůči teplotám používaným při pájení.
Princip lepení SMD součástek - po přilepení součástek a vytvrzení lepidla je prováděno pájení vlnou. Vlna roztavené pájka současně pájí SMD součástky i vývody klasických součástek k plošnému spoji. SMD součástky jsou umístěny na straně pájení. Po vyčištění zapájené desky je prováděna vizuální kontrola, pomocí které jsou zjišťovány viditelné závady, jako např. můstky cínu mezi spoji, špatně připájené součástky atd. Konečné testy vyhodnocují správnost funkcí osazené desky. Po jejich bezchybném ukončení je možné vyhotovenou desku montovat do zařízení.
79
Obr. 7.10. a) Postup osazování desky klasickými a jednostranně SMD součástkami, b) Lepení SMD součástek SMD součástky po obou stranách desky s plošnými spoji, klasické součástky na stranu součástek Při této metodě jsou SMD součástky osazovány po obou stranách desky s plošnými spoji, klasické součástky jsou osazovány pouze na stranu součástek. Tato metoda je z hlediska počtu montážních operací nejsložitější. Používají se při ní oba způsoby pájení: pájení přetavením, kdy je přetavována pájecí pasta, i pájení vlnou, při kterém jsou pájeny současně SMD i klasické součástky. Nejprve je na stranu součástek tam, kde budou osazeny SMD součástky, nanesena pájecí pasta. Následuje osazení strany součástek SMD součástkami a jejich pájení přetavením. Při tom musejí být zakryty otvory určené pro montáž klasických součástek. 80
Nyní jsou na stranu součástek osazeny součástky s klasickými vývody a další postup je shodný s postupem, kdy jsou SMD součástky osazovány pouze na stranu spojů.
Obr. 7.11. Postup osazovaní desky klasickými a oboustranně SMD součástkami
Materiály pro montážní technologie
Tavidlo
Tavidlo urychluje smáčecí proces a tak napomáhá k vytvoření spolehlivého pájeného spoje. Má následující funkce:
odstraňuje nečistoty a reakční produkty ze spojovaných povrchů a umožní tak pájce, aby se dobře roztekla - tj. fyzikální funkce
zlepšuje přenos tepla - tj. fyzikální funkce
odstraňuje oxidy ze spojovaných povrchů a brání jejich reoxidaci - tj. chemická funkce 81
Jedná se převážně o kapalnou, plynnou nebo pevnou látku, která při ohřátí zrychluje nebo podporuje smáčení pájených materiálů pájkou. Tavidla pomáhají za působení tepla odstranit z povrchu pájeného materiálu oxidy, nečistoty a chrání jej i proti oxidaci během procesu pájení. Reakce tavidla s oxidy zapříčiní zvýšení povrchového napětí a tím zlepšeni smáčivosti. Přísady, pomocí je dosaženo dobrých pájecích výsledků se nazývají aktivátory. Nejstarší typ tavidla je kalafuna - tj. přírodní pryskyřice, která se skládá zejména z organických kyselin. Tavidlo volíme zejména s ohledem na:
pájitelnost součástek a DPS
způsob nanášení
vlastnosti pájecího zařízení i technologii pájení
snadnou odstranitelnost zbytků po pájení, pokud budeme čistit,
nekorozivní zbytky se stabilním a vysokým SIR i ve vlhkosti po klimatických zkouškách (nebudeme-li čistit)
minimální zbytky po pájení pro splnění náročných vzhledových kritérií
testováni / znečištění testovacích jehel/.
Základním požadavkem je při výběru tavidla zajistit spolehlivý pájecí proces s reprodukovatelnou kvalitou pájených spojů a s minimálním zbytkovým obsahem nečistot po pájení, které mohou způsobit v klimaticky náročnějších prostředích zhoršeni izolačních vlastností DPS příp. i korozi vývodů součástek a přerušeni vodivých obrazců na DPS. Dělení tavidel V tuzemsku se používá několik dělení tavidel. V následující tabulce je zpracována klasifikace tavidel pro měkké pájení dle ČSN EN ISO 9454-1. Typy tavidla
Základní složka
1. Klafuna Prysk.) 1. Plyskyřice
(přírod.
2. Bez kalafuny
1. Rozpustné 82
1. Bez aktivátoru 2. Aktivováno halogenidy 3. Aktivovano halogenidů
Syntetická pryskyřice 2. Organické
Forma tavidla
Aktivátor
ve
A tekuté B tuhé
bez C pasta
4. Bez aktivátoru
A
vodě 2. Nerozpustné vodě
5. Aktivováno halogenidy
ve
tekuté B tuhé
Aktivovano halogenidů
bez C pasta
1. NH4Cl 3. Anorganické
1. Soli
2. Bez NH4Cl
A tekuté
2. Kyseliny
3. Jiné kyseliny
B tuhé
3. Zásady
4. Aminy amoniak
nebo C pasta
Tab. 7.1. Klasifikace tavidel pro měkké pájení dle ČSN EN ISO 9454-1 Nejnovější členění tavidel dle J-STD-004 popisuje níže uvedená tabulka. Tavidla jsou na bázi přírodní pryskyřice (RO), syntetické (RE), organických kyselin (OR) i anorganických látek (IN). Norma značí aktivitu tavidla i tavidlových zbytků písmeny L (low – nízká), M (moderate- střední), H (high – vysoká). Aktivace halogenidy je indikována číslicí 1. Tavidla se značí např. jako ROL0, ORL0 ORL1 aj. Základ tavidla
Zkratka
Úroveň aktivace (%halidů) L00
L1 0,5
do
M00
M1 0,5 H1 nad H00 2 2
Přírodní pryskyřice
ROSIN
A
B
C
D
E
F
Syntetické pryskyřice
RESIN
G
H
I
J
K
L
Organické kyseliny
ORGANNIC
M
N
P
Q
R
S
Anorganické kyseliny
INORGANIC T
U
V
W
X
Y
Tab. 7.2. Členění tavidel dle J-STD-004
83
Obr. 7.12. Porovnání různých typů tavidel
Pájka
Pájka SnPb V elektrotechnice se používá nejčastěji pájka skládající se z podílu 60 - 63 hmotnostních % cínu Sn a 40-37 hmotnostních % olova Pb díky svým specifickým vlastnostem:
teplota tavení slitiny 183 - 189°C vyhovuje z hlediska návrhu (používané součástky a substráty), technologického procesu i běžných pracovních teplot elektronických zařízení
cín vykazuje velmi dobré smáčecí charakteristiky, oxidy cínu lze odstranit relativně málo aktivovanými tavidly
pájecí slitina nevytváří křehké intermetalické fáze
příznivá cena
84
Obr. 7.13. Fázový diagram SnPb SnPb pájka s různým podílem složek se dodává ve formě trubiček, drátů, kuliček, tyčí, fólií. Trubičkové pájky se používají pro ruční pájení. Zpravidla mají několik jader, která jsou vyplněna tavidlem. Pro vlastní pájecí proces je rozhodující: typ slitiny, typ tavidla, množství tavidla v trubičkové pájce, průměr trubičkové pájky, způsob čištění tavidlových zbytků po pájení. Kuličky pájky se používají do pájecích past i pro samostatné aplikace (reballing u BGA oprav aj). Rozhodujícím parametrem kromě typu slitiny, rozptylu hodnot požadovaného průměru kuliček je i množství oxidů. Pro strojní pájení se užívá měkká pájka v tyčích zejména Sn63Pb37 (eutektická) ev. Sn60Pb40, používají se i pájky s příměsí fosforu (P), india (In). Předností vakuově přetavovaných pájek je zejména nižší viskozita, zlepšení smáčecí schopnosti, jasnější spoje. Fólie pájky (často plněné tavidlem) definovaných tloušťek se používají pro speciální aplikace. V mnohých případech se na jejich přednosti i aplikace zapomíná.
85
Bezolovnaté Pájka Snaha o náhradu pájecí slitiny Sn63Pb37 je nejen z důvodu toxicity, ale i pevnosti pájeného spoje. Bezolovnaté pájky mají větší podíl cínu ve slitině a potřebují vyšší teplotu pájení, mají větší tendenci k oxidaci i teoreticky lepší smáčecí charakteristiky. Odpovídající smáčecí charakteristiky se ale uplatní pouze v dusíkové atmosféře. Evropská komise dokonce předložila návrh na v elektrotechnickém průmyslu do konce roku 2004.
ukončení používání olova
Bezolovnaté slitiny musí vyhovovat těmto požadavkům:
kompatibilita s používanými zařízeními i postupy (vlnové pájení, HAL, vhodnost pro ruční pájeni ve formě trubičkového drátu i použitelnost pro pájecí pastu zejména no-clean aplikace).
ekvivalentní a lepší materiálové charakteristiky než stávající slitiny teplota tavení >185° C
minimální rozsah plastického stavu, optimálně 4 - 15°C
Bezolovnaté pájky (lead free solder – LSF) mají výrazně odlišné zpracovatelské charakteristiky ve srovnání se slitinami obsahujícími olovo. Při implementaci bezolovnatých pájek do výrobního procesu se řeší zpravidla tyto 3 oblasti:
volba typu slitiny a odpovídajícího procesu
eliminace halogenovaných retardantů ze základních organických substrátů, teplotní odolnost ZM
volba součástek, používaných plastů, povrchových úprav i chemie, jejich slučitelnost i vhodnost pro vyšší teploty. Slitiny pod 180°C Systém
Složení (hm%)
Rozsah teplot tavení (°C)
Sn-Bi
Sn-58Bi
138e
Sn-In
Sn-52In
118e
Sn-50In
118-125
Bi-33In
109e
Bi-In
86
Slitiny 180 – 200°C Sn-Zn
Sn-9Zn
199e
Sn-Bi-Zn
Sn-8Zn-3Bi
189-199
Sn-Bi-In
Sn-20Bi-10In
143-193
Slitiny 200-230°C Sn-Ag
Sn-3,5Ag
221e
Sn-2Ag
221-226
Sn-Cu
Sn-0,7Cu
227e
Sn-Ag-Bi
Sn-3,5Ag-3Bi
206-213
Sn-7,5Ag-2Agi
207-212
Sn-3,8Ag-0,7Cu
217e
SnAgCu
Sn-Ag-Cu-Sb Sn-2Ag-0,8Cu-0,5Sb 216-222 Tab. 7.3. Přehled bezolovnatých slitin Příměsi In, Zn, Bi, Sb v bezolovnatých pájkách vykazují špatné smáčecí charakteristiky. Smáčecí úhly pro bezolovnaté pájecí slitiny na Cu substrátu jsou ve srovnání s Sn63Pb37 jsou o poznání vyšší Nové slitiny dosahuji srovnatelných smáčecích a fyzikálních charakteristik. Některé vykazují i lepší mechanické vlastnosti a charakteristiky tečení. Teploty tavení se zpravidla pohybují kolem 215 - 220°C. Otázkou zůstává cena i ekonomie provozu těchto slitin.
Spojovací materiál a volba pájecí slitiny
Výběr slitiny pájky závisí na:
druzích spojovaných materiálů i jejich povrchové úpravě
mechanických vlastnostech, požadované teplotě slitiny (solidus/liquidus), technice zpracování 87
množství příměsí
Níže jsou uvedeny kompatibilní i nekompatibilní pájky pro spojování různých kovů. U pájek plněných tavidlem je třeba volit odpovídající typ tavidla, jeho aktivitu i hmotnostní podíl v pájce. Spojovaný materiál Kompatibilní pájka
Nekompatibilní pájka
Au, Ag, Pd, Pt
In,InPb,InPbAg,AuSn
všebecně slitiny s Sn
Cu a slitiny Cu
SnPb,SnPbAg,SnPbBi
všeobecně slitiny s In
Ni
nejméně 50% Sn, SnPbAg není
Sn a slitiny
SnPb všeobecně ,SnBi
slitiny s In
Nerez ocel
nejméně 50% Sn
ne Pb pro potraviny
Tab. 7.4. Kompatibilita materiálů při pájení Trubičkové pájky s Ag, Cu a jejich přednosti Pro pájení povrchové montovaných prvků se používají pájky s obsahem Ag. Pro některé aplikace je výhodné použití pájecího drátu a externího tavidla. Pájka s příměsí Ag vykazuje větší pevnost v pájených spojích, brání rozpouštění terminálů obsahujících stříbro a má i menší povrchové napětí než slitina Sn63Pb37. Pro pájení měděných lanek se preferuje pájka s obsahem Cu.
Pájecí pasta
Technologie využívající přetavení pájecí pasty má některé přednosti ve srovnání se strojním pájením vlnou. Hlavní výhodou je nanesení definovaného množství pájky a tavidla na pájený spoj a reprodukovatelnější kvalita spoje. Základem je volba vhodné pájecí pasty i technologie zpracování. Na pájecí pasty jsou kladeny stále vyšší požadavky v závislosti na vyšších zástavbových hustotách, rychlejších procesech montáže i teplotních požadavcích, které musí splňovat teplotní profil. Z hlediska chování se pájecí pasta řadí do kategorie viskózně-elastických kapalin a její chování je charakterizováno reologickými vlastnostmi (ty jsou podmíněny složením pasty). Pro různé aplikační techniky pájecí pasty se volí následující viskozity s rozdílným množstvím kovu. TECHNIKA NANÁŠENÍ PODÍL KOVU
88
VISKOZITA
dávkovač kovu
200-450 Pa.s
82-86 hm.%
sítotisk kovu
400-700 Pa.s
86-89 hm.%
šablonový tisk
600-1.000 Pa.s 90-92 hm.%
Tab. 7.5. Dělení pájecích past Složení pájecí pasty Pájecí pasta je homogenní směs pastovité konzistence. Skládá se z práškovité pájky (65 -96% hmotnostních), gelového tavidla (tavidlový nosič, aktivátor, rozpouštědlo) a reologických modifikátorů. Prášková pájka Je charakterizována velikostí částic, jejich tvarem i typem pájecí slitiny. Prášková pájka se ve velké míře podílí na kvalitě tisku, roztékání i na smáčecích charakteristikách a předurčuje teplotu tavení. Velikost a tvar částic Preferují se kulovité částice, ale ve většině pájecích past se vyskytuje až 15% elipsoidů a cca 1% částic jiných tvarů.
Obr. 7.14. Velikost částic pájecí pasty Velikost částic pájecí pasty se volí podle nejmenší apertury šablony. Často se používá pravidlo 3D, tj. do nejmenší apertury v šabloně by se měly jak na výšku, tak i na šířku vejít 3 kuličky pájecí pasty největšího průměru. Určujícím faktorem je vzdálenost vývodů součástky a technika nanášení pasty.
89
Typy pájecí slitiny Pájecí slitiny se používají pro rozdílné zástavbové hustoty montážních a propojovacích sestav, často oboustranně pájených s různými typy pouzder. Jsou proto rozdílné i požadavky. Nejdůležitější jsou následující parametry: teploty liquidu a solidu, elektrická a tepelná vodivost, mechanická pevnost, teplotní koeficient délkové roztažnosti (TCE), povrchové napětí slitiny (hraje klíčovou roli při smáčivosti a tudíž i pájitelnosti), kompatibilita s povrchovými úpravami, aj. TYP SLITINY
TEPLOTA SOLIDU[°C] TEPLOTA LIQUIDU[°C] POZN.
58Bi42Sn
138
138
43Sn43Pb14Bi 144
163
62Sn36Pb2Ag
179
179
E
63Sn37Pb
183
183
E
60Sn40Pb
183
193
90Pb10Sn
268
302
E
E - eutektická slitina Tab. 7.6. Základní typy pájecích slitin Hmotnostní podíl kovu v pájecí pastě Výraznou měrou ovlivňuje viskozitu pájecí pasty i teplotní změny viskozity (se vzrůstem kovového podílu se zmenšuje vliv teploty na viskozitu). Oxidy v pájecí pastě Oxidy kovů musí být zastoupeny v minimální míře. Nevhodným skladováním i stárnutím pasty se zvyšuje jejich obsah. Oxidy kovů mají výrazně vyšší teploty tavení, např. SnO2 > 1930°C, PbO > 890°C. Vyšší podíl oxidů přináší mnohé problémy při pájení přetavením pasty (např. „solder balling“ aj. Větší podíl oxidů se vyskytuje u pájecích past s menšími zrny pájecí pasty (dáno větší oxidující plochou pájky). Reologický modifikátor Reologické vlastnosti popisují změny v chování pájecí pasty, zejména změny v tečení a deformaci vlivem působících faktorů: tlaku při tisku, rychlosti pohybu stěrky, teploty aj. Reologické vlastnosti se zabývají viskózně elastickými změnami v chování 90
pájecí pasty v dynamickém režimu. Reologické vlastnosti nezahrnují sledování statických a strukturálních vlastností pájecí pasty. Reologické chování pájecí pasty je dáno složením pájecí pasty, tvarem a velikostí částic, strukturou tavidlového pojiva i vzájemným fyzikálně chemickým působením mezi jednotlivými složkami pájecí pasty včetně smáčení i rozpouštění. Hlavní reologické vlastnosti u pájecí pasty jsou: viskozita a tixotropnost. Požadované reologické vlastnosti pasty se upravují reologickými modifikátory, které ovlivňují zejména:
chování pasty během tisku i po natisknutí
smáčecí charakteristiky
výslednou kvalitu pájeného spoje
Požadavky na pájecí pastu
Požadavky na pájecí pastu se liší podle jednotlivých aplikací. Hlavní důraz je kladen na tisk pasty, přetavení a testování.
během tisku a po natisknutí: dobré tiskové vlastnosti pasty, zejména tixotropnost, stabilita pasty na šabloně, minimální zasychání na šabloně, ostrý obrazec natisknuté pasty, rozměrová stabilita pasty po tisku, minimální vliv zvýšené vlhkosti i teploty na viskozitu pájecí pasty
během dávkování: minimální separace složek, malý frikční koeficient, minimální „tahání vláken“, žádné vzduchové bubliny
při osazení: dobrá lepivost, dlouhá doba lepivosti během přetavovacího cyklu a po přetavení: o přetavovací profil: velké technologické okno o pájený spoj: vzhled spoje (lesklý, hladký), tvar spoje (správný smáčecí úhel), nesmí být přítomny kuličky pájky o rezidua: minimální množství, bez migrací ve vlhku, stálý a vysoký SIR, rezidua na ploškách a spojích, čirý vzhled
čištění: snadné čištění i rozpustnost v izopropanolu
testování: kompatibilita s testovacím procesem
Nanášení cínu Součástky jako takové je nutno osazovat na desku plošného spoje do pájitelného materiálu. V našem případě se jedná o cín a to už v podobě tuhého cínu (viz ruční pájení) nebo cínu v podobě emulze. 91
Natlakování kompresoru nastavení dávkovače cínu
Nejprve je nutné zapnou hlavní přívod elektrické energie. Následně proveďte zapnutí kompresoru.
Tlačítko na zapnutí kompreso ru
Obr. 7.15. Kompresor Kompresor se nelakovává přibližně 3 – 5 minut. Po natlakování kompresoru je možné zapnout dávkovací jednotku.
Zapnutí jednotky
Ukazatel tlaku
Nastavení délky impulzu pro dávku cínu
Přepnutí mezi Obr. 7.16. Dávkovacíajednotka automatickým manuálním dávkováním cínu 92
Po zapnutí nastavte redukční ventil na cca 5barů a nanášejte pomocí stlačného pedálu potřebné množství cínu na pájecí plošky. Pozn: Regulace dávkování cínu Délka impulzu ovlivňuje množství dávky cínu. Tento čas se mění podle vlastnosti cínové pasty a podle velikosti pedu součástky. Redukčním ventilem je možné nastavit tlak. Čím je tlak vyšší, tím je cínové pájky v dávce více. Doporučené nastavení je od 3,5 do 5 barů. Dávkovač tekutého cínu
Obr. 7.17. Osazovací pracoviště
93
Pedál pro dávkování cínu
Osazování Osazování součástek na desku plošného spoje je možno realizovat za pomocí pinzety nebo pomocí poloautomatického teleoperátoru.
Osazování pomocí teleoperátoru
Nejprve zafixujte desku plošného spoje s naneseným cínem mezi vodítka umístěná na osazovací ploše teleoperátoru. Do pořadače, který je k dispozidi u teleoperátou vložte potřebné součástky a zapněte vakuovou pumpu. Výkon vákuové pumpy musí být nastaven na střední nebo maximální hodnotu. Zkontrolujte, zda jehla, kterou se budou uchopovat součástky je vyčištěna.
Otočný bod pro rotaci součástek Jehla
Obr. 7.18. Osazovací hlava s jehlou
94
Vakuov á pumpa
Osazovací teleoperáto r Box na součástky Osazovac í hlava
Obr. 7.19. Osazovací teleoperátor Po těchto úkonech začněte jehlou odebírat součástky a osazovat je na pady desky plošného spoje. A to tak, že jehlou najedete nad součástku a přitlačíte konec jehly na součástku (po zvednutí ramene by součástka měla držet na jehle), otočte součástku do příslušné polohy a sjeďte na určené místo součástky na desku plošného spoje a opět přitlačte (součástka by se měla uvolnit z konce jehly a zůstat na svém mísěe na desce plošného spoje). Řiďte se pravidlem osazování součástek od integrovaných obvodů přes nejmenší součástky až k těm velkým. Pozn: Součástkou je možno pohybovat společně s manipulační hlavou, pro rotaci součástky slouží otočný knoflík. Osaďte všechny součástky. Další zdroje
[1.]
Doc. ing. Bohumil Horák, Ph.D a kolektiv. Navrhování a technologie desky plošného spoje, Úvod do problematiky návrhu plošného spoje v programu Eagle. VŠB-TUO, Fakulta strojní. 2013 [cit. 2014-05-02].
95
[2.]
[3.]
[4.]
[5.]
[6.]
KRAUS, Alan. Návrhový systém EAGLE. Manuál programu Eagle [online]. neuvedeno [cit. 2014-05-12]. Dostupné z: http://web.quick.cz/chmelar.t/eagle/manual.htm DOČEKAL,Tomáš. UŽIVATELSKÝ NÁVOD K LABORATORNÍ ÚLOZE, Frézování DPS pro mobilní robot (laboratoř C112). VŠB-TUO, FRVŠ 910/2013, Inovace laboratoří na katedře Kybernetiky a biomedicínského inženýrství, 2013 doc. Ing. Bohumil Horák, Ph.D akolektiv. ZÁKLADY KONSTRUKČNÍCH TECHNOLOGIÍ V ELEKTRONICE -Výroba dps v laboratořích VŠB TU Ostrava, učební text a návody do cvičení. VŠB – Technická univerzita Ostrava, FEI, KAT 450. 2012 [30.6.2013]. Interní document. Ing. Martin Abel. PLOŠNÉ SPOJE SE SMD, NÁVRH A KONSTRUKCE. Nakladatelství Platan, Kunětická 101, Pardubice. Tisk Grafion Pardubice, Vydání první, dotisk. ISBN 80-902733-2-7. 2000 [20.6.2011]. Kristýna Friedrischková. Příprava výukových textů v projektu MOST-TECH, Technologie propojení součástek v systému, plošné spoje – materiály, konstrukce, výroba. VŠB TU Ostrava, učební text a návody do cvičení. VŠB – Technická univerzita Ostrava, FEI, KAT 450. 2012 [30.6.2013].Dostupné z < http://mostech.vsb.cz/source/dokumenty/4_Plosne%20spoje.pdf>.
96
8 Pájení Po osazení nastává technologický proces pájení. V prototypové výrobě může být pájení dvojího typu:
Ruční pájení o Trafo pájkou o Mikro pájkou Reflow pec
Pájení je proces metalurgického spojování kovových částí roztavenou pájkou, zpravidla za přítomnosti tavidel. Pájení součástek patří do kategorie měkkého pájení s pracovními teplotami do 450°C. Při tomto fyzikálně chemickém procesu se atomy spojovaných kovů a roztavené pájky dostávají do velmi malých vzdáleností, přičemž dochází k účinkům adhezních (přilnavých) a kohezních (soudržných) sil. Při pájení probíhá difůze a rozpouštění některých prvků pájky i spojovaných materiálů. Aby došlo k tomuto procesu, musí být povrchy spojovaných materiálů čisté a atomy kovů umístěné na rozhraní musí mít dobrou adhezi. Z fyzikálního a fyzikálně chemického hlediska musíme procesem pájení dosáhnout mechanicky pevného a dlouhodobě spolehlivého pájeného spoje, tj. vytvořit kvalitní metalurgické spojení vývodů součástky s pájecími ploškami substrátu. Minimálním požadavkem pro spolehlivě zapájený spoj je dobrá pájitelnost spojovaných materiálů, jejich kompatibilita v pájecím procesu i minimální (smáčecí) teplota. Nestačí pouze pájené komponenty zahřát na požadovanou teplotu a dodat pájku, ale je třeba pájené komponenty připravit - musí mít vyhovující pájitelnost. Termín pájitelnost povrchu je použít jako popis schopnosti povrchu být smáčitelný pájkou během procesu pájení.
8.1. Pájitelnost Je to funkce přesného procesu a práce materiálu; kontakt může vykazovat přijatelnou pájitelnost v některých procesech, ale v jiných ne. Stupně smáčení mohou být děleny následovně: Nesmáčení V tomto případě se nevytvoří metalurgická vazba a rozhraní mezi pájkou a povrchem zůstane zřetelné. Tavidlo použité k podpoře pájení nemohlo adekvátně odstranit povrchové znečištění, nebo protože je oxidační vrstva příliš silná nebo tavidlo není dostatečně aktivní. Smáčení
97
Povrchová energie čistého kovového povrchu je vyšší než roztavené pájky. Za této podmínky pájka smočí povrch a vytvoří tak na rozhraní metalurgickou vazbu. Jak smáčení postupuje, tak roste na rozhraní tenká mezikovová vrstva a vytváří základ pro spolehlivý spoj. Odsmáčení Mezi kovové vrstvy, které rostou na rozhraní, jsou bohaté na cínové směsi, které vytahují cín z cíno-olověné pájky. Jak je cín odtavován z pájky, opouští oblasti bohaté na olovo s relativně slabou pájitelností. Když teplota klesá dost dlouho, pak velikost těchto oblastí bude dostatečná k tomu, že pájka ustoupí z již dříve smáčených oblastí, tento jev se nazývá odsmáčení. Odsmáčení se může také vyskytnout zespoda – od pájeného místa, v místě vystavenému nesmáčenému povrchu, kdy je tenká pájená vrstva kovu totálně rozpuštěna do pájky. Toto může vzniknout, když se pájí kontakty z drahých kovů, které se rychle rozpustí v cínoolověné pájce. Slabá pájitelnost součástek se hlavně projevuje při špatném režimu pájení přetavením SMD. V procesu pájení vlnou je spoj omýván velkým množstvím pájky. Malá množství nečistot jsou rychle zředěna a odnesena pryč. Pájení přetavením neprovádí čisticí operaci; nečistoty, které jsou přítomny na kontaktech součástky zůstanou v hotovém spoji.
Spolehlivost pájeného spoje Spolehlivý pájený spoj je základním požadavkem v elektronické výrobě. Ideální pájený spoj je charakterizován konkávním pájecím kuželem, lesklým a hladkým povrchem pájky s dokonale smočeným vývodem součástky i pájecí ploškou/pájecím mezikružím DPS. Takto vizuálně charakterizovaný pájený spoj má i dostatečnou pevnost, která odpovídá úrovni pájecího procesu. Spolehlivost je dána kompatibilitou pájených i pájecích materiálů i pájecím procesem. Záleží na mnoha faktorech. Základním předpokladem pro vytvoření spolehlivého pájeného spoje je dobrá pájitelnost všech pájených části - přívodů součástek a plošného spoje. Pájitelnost je podmíněna dobrou smáčivosti.
98
Obr. 8.1. Faktory ovlivňující spolehlivost pájeného spoje Nedostatečné smáčení, nevytvoření odpovídajícího menisku s odpovídajícím množstvím pájky i nehomogenita pájeného spoje (vměstky, nečistoty) vedou ke snížení spolehlivosti.
„STUDENÉ SPOJE“
K tzv. „studeným spojům“ dochází v případech, kdy nenastala odpovídající difůze mezi spojovanými materiály a pájkou:
je přítomna vrstva oxidů mezi spojovanými materiály (bylo použito málo aktivní tavidlo)
je přítomna intermetalická fáze na povrchu spojovaných materiálů (nevhodná povrchová úprava i doba skladování)
nesprávný proces pájení
pájka nebo spojovaný kov byly při pájecím procesu na nízké teplotě
doba pájení není optimální
Elektrická vodivost „studených spojů“ je velmi malá, protože proud prochází přes více či méně izolační vrstvy oxidů. Adheze je též velmi špatná a po ztuhnutí spoje může pájka při mechanickém namáhání ztratit kontakt se základním materiálem. Vzhled spoje je šedý, porézní.
99
Nedostatečné smáčení, nevytvoření odpovídajícího menisku s odpovídajícím množstvím pájky i nehomogenita pájeného spoje (vměstky, nečistoty) vedou ke snížení spolehlivosti. Termomechanické namáhání pájeného spoje Pájený spoj Obr. 20. je vystaven mechanickému namáhání (v tahu i ve smyku), které je způsobeno: a) rozdílnými teplotními dilatacemi součástky a substrátu hlavní příčiny jsou:
výkonové zatížení součástky
teplotní cyklování součástky a substrátu
Obr. 8.2. Pájený spoj b) prohnutím montážního celku c) vibracemi montážního celku Mechanické namáhání pájeného spoje je kromě výše uvedených příčin ovlivněno geometrií spoje (výškou pájky mezi substrátem a čipem Obr. 21., výškou pájeného spoje, velikostí pájecích plošek a jejich přesahem), typem pájecí slitiny aj. Vlivem creepové únavy materiálu způsobené dlouhodobě zvýšenou teplotou (nad 20°C) a vlhkostí vzduchu (nad 50%) i formací intermetalické fáze při teplotním cyklování dochází dále ke zkřehnutí spoje a snížení střihové pevnosti.
Obr. 8.3. Výška pájky mezi substrátem a čipem Během únavy materiálu dochází k: 100
shlukování zrn, které jsou nejvíce vystaveny namáhání v pájeném spoji
vytváření prasklin pod spojem
růst prasklin, které jsou později viditelné a mohou probíhat na rozhraní součástka/pájený spoj
Vliv kontaminací na vlastnosti pájeného spoje Kontaminace, tj. zejména škodlivá přítomnost některých kovů v pájce má vliv na kvalitu a spolehlivost pájeného spoje. Výrazně ovlivňuje mikrostrukturu spoje, pevnost spoje, křehkost, smáčecí charakteristiky i elektrické vlastnosti rezistivitu) aj. Problémy související s pájením (krápníky, matný povrch, praskliny ve spoji, nezaplněná horní strana pokoveného otvoru aj.) mohou mít příčinu též ve zvýšené úrovni kontaminací v pájce.
Obr. 8.4. Zdroje nečistot Členění nečistot:
oxidující kovy: Al, F, Zn, Cd
kovy vytvářející intermetalické fáze: As, Fe, Co, Ni, Pd, Cu
kovy vytvářející směsné krystaly: Sb, Bi
Všeobecně:
příměsi oxidujících kovů snižují rozpouštění substrátu, snižují tloušťku intermetalické zóny, průměr krystalů narůstá,
příměsi kovů vytvářejících intermetalické fáze výrazně zvyšují rozpouštění substrátu, ale je to naopak doprovázeno minimálními průměry krystalů,
kovy vytvářející směsné krystaly nelze považovat za nečistoty, ale jsou často přidávány do pájky pro zlepšení smáčecích charakteristik, nemají vliv na vytváření intermetalických zón, vedou ke zmenšování průměru krystalů.
Max. úrovně nečistot: Al - 0,006%
Fe - 0,02%
Pd - neuvedeno Zn - 0,05%
Sb - 0,5%
Au – neuvedeno
P - neuvedeno 101
As - 0,3%
In – neuvedeno
Ag - neuvedeno
Cd - 0,005%
Cu - 0,3%
Bi - 0,25%
Vliv jednotlivých příměsí:
Al - malé množství Al se rozpouští v Sn při zvýšených teplotách nad E. 0,001% Al vede ke zhoršení adheze, zrnitosti, větší viskozitě pájky, praskání z důvodu křehkosti za tepla, podporuje oxidaci povrchu pájky. Al se používá na výrobu nosných rámečků DPS, PÚ - anodická oxidace. Sb - 0,3% výrazně zlepšují smáčivost, omezení růstu whiskerů a eliminace cínového moru. Příměs zvyšuje pevnost. Příměsi Sb nezhoršují výrazně vlastnosti pájky. As- škodlivá příměs, As je nerozpustný v solidu Sn nebo Pb, dlouhé jehlice v mikrostruktuře, způsobuje nesmáčivost. Bi - není považován za nečistotu v pájce, ale za příměs do slitiny. Bi zlepšuje smáčecí charakteristiky při solidifikaci vede k pozitivním změnám v mřížce. Cd - zanedbatelná rozpustnost v tuhé fázi, tvoří intermetalické sloučeniny, toxické, slitiny s nižší teplotou tavení, podporuje oxidaci povrchu pájky, nežádoucí, pájecí jed. Cu - zanedbatelná rozpustnost v tuhé fázi, tvoří dvě ortorombické intermetalické sloučeniny, kontaminace vede k větší zrnitosti i viskozitě, nutnost zvýšit pracovní teplotu lázně. Kontaminace Cu způsobuje křehkost. Částečné odstranění Cu ze slitiny se provádí přidáním síry S nebo odstraněním povrchové vrstvy slitiny při nižší teplotě. Au - zanedbatelná rozpustnost v tuhé fázi, tvoří intermetalické sloučeniny, matný vzhled, mnoho strusky, max 0,2% způsobuje křehkost. Koncentrace Au x 2 + koncentrace Cu celk. méně než 0,35%. Fe - žádná rozpustnost v tuhé fázi, tvoří intermetalické sloučeniny, kontaminace způsobuje křehkost, zrnitost. Mg - podobně jako Al. Ni - žádná rozpustnost v tuhé fázi, tvoří intermetalické sloučeniny s Sn, neškodí. Ag - žádná rozpustnost v tuhé fázi, tvoří intermetalické sloučeniny, zrnitost a důlky v povrchu. Zn - zanedbatelná rozpustnost v tuhé fázi, netvoří intermetalické sloučenin, škodlivý 0,005%, zrnitost povrchu, výrazně zhoršuje smáčecí charakteristiky, problémy při tuhnutí, podporuje oxidaci povrchu pájky. S - škodlivá kontaminace od 7 ppm, vytváří nežádoucí sirníky. 102
P - fosfor a arsén způsobuje nesočivost.
8.2. Ruční pájení Hlavní zásada: efektivní přenos tepla při optimálních pracovních teplotách. Cílem je dosažení co nejspolehlivějšího spoje volbou vhodného času a teploty. Pro eutektickou pájku Sn63Pb s teplotou tání 183°C se doporučuje teplota hrotu asi o 80°C vyšší. Dále je nezbytné zvolit vhodný typ tavidla a pájecí slitiny v trubičkové pájce, zajistit dobrou hájitelnost spojovaných částí při respektování správné techniky ručního pájení. Během pájení je nutno zajistit prohřátí pájeného spoje a přidávání pájky přímo na pájené místo viz Obrázek 25 a). Nesprávný postup s přidáváním trubičkové pájky na hrot je na Obrázek 25 b)
Obr. 25. Ruční pájení a) správná technika b) nesprávná technika Trubičkové pájky s Ag, Cu a jejich přednosti Pro pájení povrchové montovaných prvků se používají pájky s obsahem Ag (eliminuje rozpouštění terminálů obsahujících stříbro), pro pájení měděných lanek se preferuje pájka s obsahem Cu. Pro některé aplikace je výhodné použití pájecího drátu a externího tavidla. Typy pájecích zařízení Zařízení pro ruční pájení pracují na 2 základních principech:
Regulovatelná pracovní teplota
Teplota je snímaná čidlem poblíž hrotu ve vyhřívané části pracovního nástroje. Jako čidlo se používá termočlánek nebo laserem trimovaný rezistor. Zapojení topného tělesa je zpravidla pětivodičové (2 vodiče napájení, 2 vodiče čidlo, zem).
Fixní pracovní teplota
Hroty jsou důležité pro kvalitní pájecí proces a pro dobrý přenos tepla. Hrot bývá buď zasunut a vyhříván topným tělesem po obvodu, nebo je topné těleso umístěno uvnitř hrotu. Hroty mají pro zajištění dlouhé životnosti několik vrstev povrchových úprav. Pro dlouhou životnost je vhodné dodržovat tato doporučení: 103
Všeobecná doporučení pro zvýšení životnosti hrotů: 1. Používat co nejnižší pracovní teploty 2. Volit hrot s maximální kontaktní plochou 3. Volit hrot co možná nejkratší 4. Udržovat hrot pocínovaný a čistý bez oxidů 5. Používat pájku pro zlepšení přenosu tepla 6. Aplikovat trubičkovou pájku na spoj, ne na hrot
8.3. Pájení přetavením pájecí pasty (reflow pájení) Při tomto technologickém postupu se součástky osazují do pájecí pasty, která se přetaví při teplotě, která je vyšší, jako bod tání pájky obsažené v pastě. Během pájení jsou součástky povrchovým napětím "vycentrovány" na plošky DPS. Pájí se montážní celky osazené čistou povrchovou montáži jednostrannou či oboustrannou i typy kombinované povrchové montáže. Druhy přenosu tepla Pro přetavení pájecí pasty je možno použit prakticky všechny způsoby přenosu tepla: tj.:
vedení (kondukce)
proudění (konvekce)
záření (radiace)
Vedení (kondukce) Každá látka je charakterizována teplotou, která je mírou tepelného pohybu částic. Při kontaktu dvou látek o rozdílných teplotách předávají částice teplejší látky část své kinetické energie částicím látky chladnější, tzn. přímým fyzickým kontaktem. Přenos tepla lze zprostředkovat přes tuhá, kapalná a plynná média. Tepelný tok q, tj. množství tepla, které projde plochou S za určitý časový interval se určí ze zjednodušeného vztahu jednodimenzionální formy Fourierova zákona. q = λ x S x ΔT / L) kde q - teplotní tok (W) λ - teplotní vodivost materiálu (Wm-1K-1) S - plocha, kterou prochází teplo (m2) 104
ΔT/L - teplotní gradient Km-1 ⇒ jistá analogie s Ohmovým zákonem: q - proud, ΔT - rozdíl napětí, L/ λS odpor Touto metodou se realizuje přenos tepla z pouzder součástky/spoje na substrát. Kontaktní metodu lze použít na pájení keramických substrátů, příp. vícevrstvých DPS s kovovým jádrem, tedy materiálů, které mají velmi dobrou tepelnou vodivost. Proudění (konvekce) Teplo se přenáší pohybem celého souboru molekul kapaliny nebo plynu. Šíření tepla prouděním je tedy intenzivnější než šíření tepla vedením (neuspořádaný pohyb jednotlivých molekul). V konvekčním proudění je i jistá část energie předávaná kondukcí. Konvekce je buď přirozená, nebo nucená. Přirozená konvekce nastává v kapalinách nebo plynech působením gravitačních sil, v místech, kde je hustota vyšších částí teplotního media větší než částí nižších, klesají hustší části dolů a řidší stoupají naopak vzhůru. Nucená konvekce se používá tam, kde je potřeba větší přenos tepla. Proudění se vytváří uměle pomocí ventilátorů nebo čerpadel. qc = hc x S x (Ts - Ta) kde qc - přenos tepla prouděním z povrchu do okolí (W) hc - koeficient konvekčního přenosu tepla (Wm-2K-1) S - plocha (m2) (Ts - Ta) - rozdíl teploty povrchu Ts a teploty okolí Ta (K) ⇒ jistá analogie s Ohmovým zákonem: q - proud, ΔT - rozdíl napětí, 1/ hcS odpor Záření (radiace) Tepelná energie se přenáší zářením, tj. elektromagnetickým vlněním. Množství tepelné energie přenesené radiací mezi dvěmi tělesy teploty T1 a T2 lze vyjádřit rovnicí: q = εk (T14 -T24) kde q - množství tepelné energie ε - koeficient vyzařování k - Stefan-Boltzmanova konstanta 5,67.10-8(Wm-2K-4) T1,T2 – teploty 105
Metody pájení přetavením
Metody pájení přetavením:
konvekční pájení
infraohřev
metoda pájení pomocí laseru
kondenzační metoda
kontaktní metody o vyhřátým nástrojem o vyhřátým pásem
Ve srovnání s pájením vlnou, případně jinými technologiemi, má pájení přetavením pájecích past následující výhody:
pájka a tavidlo se vhodným technologickým postupem aplikují pouze v místech kde je třeba, výsledkem je: o úspora materiálu o pájka a tavidlo se dávkují v přesně definovaném poměru o je vyloučena "nekontrolovatelná" přítomnost nečistot, které se mohou dostat na pájený spoj při pájení vlnou, případně jiných postupech
pájecí proces probíhá bez teplotních rázů
přesný technologický postup aplikace pasty umožňuje dosáhnout vyšší hustoty montáže
oboustranná montáž SMD Faktor
IR
Kondenzace Konvekce
Řízení procesu
dobré
výborné
Pracovní teplota
regulovatelná pevná
velmi dobré regulovatelná
Homogenita pracovní teploty špatná
velmi dobrá
dobrá
Max.teplota
špatně def.
pevná
špatně def.
Univerzálnost
ucházející
velmi dobrá
dobrá
106
Citlivost na barvu materiálu
velká
žádná
malá
Tab. 8.1. Srovnání tří nejdůležitějších metod pájení přetavením Konvekční pájení je nejrozšířenější metodou. Součástky, DPS i pájecí pasta jsou ohřívány proudem vyhřátého plynu. Méně se používá infraohřev kondenzační metoda, metoda pájení pomocí laseru, případně kontaktní metody - vyhřátým nástrojem, nebo vyhřátým pásem.
Trendy v reflow pájení:
kontinuální zlepšování kvality pájení při dalším snížení koncentrace O2 v dusíkové atmosféře
nucená konvekce s recirkulací plynného média
zlepšení technického vybavení reflow pecí, např. samočištění tj. „spálení“ zkondenzovaných tavidlových zbytků krátkým cyklickým ohřevem a jejích odsátí, přídavné spodní chlazení v přetavovací sekci aj.
monitorování procesu vč. SPC
Trafopájka Trafo pájka umožňuje ve spojovací technice spojovat dva materiály pomocí páječky.
Princip
Trafopájka obsahuje několik set závitů primárního vinutí, aby bylo vytvořeno optimální magnetické pole. Sekundární vinutí, obsahuje pár závitů z obdélníkového vodiče, které jsou vyvedeny ven z těla trafopájky na železné tělo pájky, na které se upevňuje pájecí očko. Díky tomu, že sekundární vinutí obsahuje pár závitů, nevzniká nebezpečné napětí a trafopájkou prochází velký proud. Pokud mezi vyvedené železné tělo trafopájky je upevněno tenké (poměrně) pájecí očko, prochází jim zkratový proud, který očko zahřívá.
Obr. 8.5. Trafopájka 107
Vytvoření pájecího očka
Vytvoření pájecího očka a jeho následné upevnění je velmi jednoduché.
Pájecí očko je možno koupit ve specializovaných obchodech s elektrotechnickými potřebami.
Obr. 8.6. Pájecí očko
Takto zakoupené očko, je třeba ohnout pomocí kulatých tvarovacích kleští dle směru utahování šroubků na čelistech trafopájky. Není-li k dispozici kupované očko, je možné si je snadno vyrobit například ze svařovacího drátu nebo z tlustšího propojovacího drátu.
Obr. 8.7. Upevnění pájecího hrotu na trafopájku
Postup při pájení trafopájkou
Obecně platí, že zapneme trafopájku, jakmile je hrot dostatečně teplý (během několika sekund) nabereme spičkou očka potřebné množství cínu, které aplikujeme na dané místo. Trafopájka musí být stále v sepnutém stavu. Například při pocínování drátu, drát nejprve zatočíme, aby nedocházelo k uvolnění drátků, nabereme potřebné množství cínu, přiložíme k místu, které chceme pocínovat (pájka je stále zapnutá) a čekáme až se dané místo prohřeje na danou teplotu k protavení cínu části drátku. Tento proces opakujeme do té doby, než je drátek celý pocínovaný a cín je lesklý a hladký. 108
Obr. 8.8. Postup při pocínovaní drátu
Mikropájka Mikropájka pracuje na obdobném principu jako trafopájka s tím rozdílem, že teplo je vyvedeno na pevný hrot mikropájky.
Obr. 8.9. Mikropájka
Postup při pájení mikropájkou
Dle použité páječky, nastavte teplotu, obvykle 300°C. Počkejte, než indikace na pájce pohasne, nemá-li mikropájka led diodu, která signalizuje stav dosažené teploty, použijte kousek páječky, jakmile se začne na pájce tavit a rozlévat je pájecí hrot dostatečně nahřát. Oproti trafopájce nenanášíme na hrot cín, ale přiložíme hrot pájky na požadované místo a jemně vtlačujeme páječku do místa styku hrotu s objektem, který chceme zapájet. Pájka nesmí být ani hodně ani málo zahřátá, po odejmutí hrotu páječky by místo spoje mělo být lesklé a hladké.
109
Obr. 8.10. Postup při pájení klasických součástek
Obr. 8.11. Akceptovatelné stavy spoje
Obr. 8.12. Neakceptovatelné stavy spoje
Obr. 8.13. Neakceptovatelné stavy zakončení spoje Při pájení SMD součástek postupujeme následovně:
Nejprve naneste pájku na jednu pájecí plošku, 110
Vezměte do pinzety SMD součástku a přiložte na požadované místo, Nahřejte pájku a jemně vtlačte pinzetou SMD součástku na pájecí plošku, Po zatuhnutí, přiložte hrot mikropájky na druhou stranu SMD součástky a vtlačte trochu cínu do místa styku páječky a SMD součástky, Po odejmutí páječky by měla být pájka lesklá a hladká.
Obr. 8.14. Akceptovatelné pájení
Obr. 8.15. Neakceptovatelné pájení
Reflow pec Jedná se o horkovzdušnou pec s možností programovatelného programu.
Obr. 15:
Reflow pec 111
Obr. 8.16. Teplotní křivka v Reflow peci
Uživatelské rozhraní Při práci s reflow pecí musí být prostor kolem pece volný. Pec aktivujeme zapnutím hlavního vypínače. Po několika vteřinách se načte program v reflow peci a vyzve vás k otevření dvířek. Tento úkon se provádí pomocí vysouvacích tlačítek. Po vysunutí dveří s roštem, vložte desku plošného spoje na rošt a opět vyčkejte na pokyny k zavření dveří. Pozn: Probíhá předem nastavený program pro standardní pájení v peci. Deska se pájí infraohřevem, a proto není možné se dívat přímo do ohřívacích lamp ani přes dvířka, protože by mohlo dojít k poškození zraku. Po proběhnutí pájecícho cyklu se dvířka reflow pece samy otevřou. Vyčkejte na vychladnutí roštu i desky plošného spoje (HROZÍ POPÁLENÍ). Po ukončení pájení nechtě reflow pec vychladnout na cca 80°C a po vychladnutí pec vypněte pomocí hlavního vypínače. Po úplném vychladnutí přikryjte reflow pec přehozem.
112
Obr. 6: Pájecí trouba Nastavení pájecího cyklu Po prvním zapnutí se na LED displeji vypíše název programu a proběhne diagnostika pece. Po skončení této činnosti se na textovém displeji asi na 5 sekund objeví nápis: Chcete měnit program? [a/n]. Jestliže je připojena klávesnice, zvolíte možnost „a“ a dostanete se do režimu nastavení parametrů. V případě zvolení „n“ pokračujete v předešlém nastaveném programu. Při nastavování reflow peci se nastavují čtyři parametry:
Hodnota teploty předehřevu Hodnoty teploty přetavení Délka trvání předehřevu Délka trvání přetavení
113
Obr. 8.17. Nastavení parametrů Je nutné pamatovat na to, že každý programovací cyklus je třeba pojmenovat od 0199 aby jej bylo možné posléze vyvolat. Program číslo 00 je nastaven od výrobce a nelze měnit. Editování zvoleného programu se provádí pomocí klávesy „E“. Nastavení teplotních a časových proměnných je možné zadat pomocí klávesnice, listovaní mezi parametry je možné pomocí šipek a po editaci je nutné potvrdit nastavení opětovný zvolením písmene „a“. Další zdroje
[7.]
Doc. ing. Bohumil Horák, Ph.D a kolektiv. Navrhování a technologie desky plošného spoje, Úvod do problematiky návrhu plošného spoje v programu Eagle. VŠB-TUO, Fakulta strojní. 2013 [cit. 2014-05-02].
[8.]
KRAUS, Alan. Návrhový systém EAGLE. Manuál programu Eagle [online]. neuvedeno [cit. 2014-05-12]. Dostupné z: http://web.quick.cz/chmelar.t/eagle/manual.htm DOČEKAL,Tomáš. UŽIVATELSKÝ NÁVOD K LABORATORNÍ ÚLOZE, Frézování DPS pro mobilní robot (laboratoř C112). VŠB-TUO, FRVŠ 910/2013, Inovace laboratoří na katedře Kybernetiky a biomedicínského inženýrství, 2013 114
[9.]
[10.]
[11.]
[12.]
doc. Ing. Bohumil Horák, Ph.D akolektiv. ZÁKLADY KONSTRUKČNÍCH TECHNOLOGIÍ V ELEKTRONICE -Výroba dps v laboratořích VŠB TU Ostrava, učební text a návody do cvičení. VŠB – Technická univerzita Ostrava, FEI, KAT 450. 2012 [30.6.2013]. Interní document. Ing. Martin Abel. PLOŠNÉ SPOJE SE SMD, NÁVRH A KONSTRUKCE. Nakladatelství Platan, Kunětická 101, Pardubice. Tisk Grafion Pardubice, Vydání první, dotisk. ISBN 80-902733-2-7. 2000 [20.6.2011]. Kristýna Friedrischková. Příprava výukových textů v projektu MOST-TECH, Technologie propojení součástek v systému, plošné spoje – materiály, konstrukce, výroba. VŠB TU Ostrava, učební text a návody do cvičení. VŠB – Technická univerzita Ostrava, FEI, KAT 450. 2012 [30.6.2013].Dostupné z < http://mostech.vsb.cz/source/dokumenty/4_Plosne%20spoje.pdf>.
115
9 Prokovování DPS Pokovování motivů plošných spojů může velmi významně prodloužit životnost plošných spojů, ale současně vyžaduje od konstruktéra, aby dbal na technologická omezení z toho vyplývající.
9.1. Galvanické prokovování otvorů Úkolem tohoto procesu je docílit souvislého kovového povlaku na vnitřním povrchu vrtaného otvoru. Tento povlak musí pevně lnout k nosnému materiálu desky a musí být dobře pájitelný. Pro tento proces používáme galvanochemický postup vypracovaný firmou SHIPLEY. Vrtané otvory jsou chemickými lázněmi vyčištěny a v otvorech je narušen povrch základního materiálu a obnažena skelná výztuž sklolaminátu. Takto upravený povrch otvoru je chemicky aktivován v celé ploše vrtu elektricky vodivým aktivátorem a aktivovaná vrstva galvanicky pokovena v síle 4 - 5 µm. Tím, že je elektricky vodivý celý aktivovaný povrch vrtaného otvoru, dochází k hlubokému zakotvení galvanické mědi do povrchu otvoru. Po tomto základním prokovení je na DPS nanesen rezist a fotoprocesem vytvořen vodivý obrazec. Vodivé cesty a vnitřní povrch otvorů jsou zesíleny galvanickou mědí 20 - 25 µm. Zaručuje se síla prokovení 20 µm. K leptání se používá selektivní leptadlo působící pouze na Cu. Části, které mají zůstat neodleptány je nutno zakrýt galvanicky naneseným rezistem; v naší technologii je k tomuto účelu používán Sn, Ni a Au. DPS je pak odleptána. Tloušťka galvanického nánosu kovu je ovlivňována několika faktory a proto je udávána i vyšší tolerance výsledného průměru otvoru.
116
Obr. 9.1. Průřez prokoveným otvorem
9.2. Žárové cínování - HAL Žárové cínování - halování je technologický proces finální úpravy DPS nanesením 63%SnPb pájky na povrch vodičů a pájecích oček. Pokud není zákazníkem specifikováno jinak, provádí se u všech DPS pro uchování pájitelnosti. Bez provedení HAL neposkytujeme garanci pájitelnosti.
Obr. 9.2. Zakrytí vodiče PbSn pájkou 117
Z odleptané DPS je v chemické lázni odstraněn krycí Sn rezist až na čistou galvanickou měď. Části neurčené k pájení se mohou pokrýt nepájivou maskou. Na měděnou vrstvu je v technologickém zařízení HAL ponorem v roztavené lázni nanesena SnPb pájka. Přebytečná pájka je odstraňována ofouknutím proudem stlačeného vzduchu. Halování DPS je vysoce kvalitní povrchová úprava, která umožňuje dlouhodobou skladovatelnost při zachování dobré pájitelnosti DPS. Halované části mají zakryty boky spojů bez ostrých hran a vnitřní plochy prokovených otvorů). Na sílu vrstvy nanesené pájky má vliv více faktorů. Výsledná tloušťka se pohybuje od 10 do 50 µm a proto je nutné při návrhu plošného spoje uvažovat s tolerancí výsledného průměru otvoru. Nerovnoměrné překrytí pájecích ploch Pmax = 50 µm může činit potíže při osazování DPS povrchovou montáží. Tento nedostatek odstraňuje metoda celoplošného galvanického zlacení DPS.
Obr. 9.3. Nerovnoměrné překrytí pájecích ploch
9.3. Chemické zlacení Používaná technologie firmy SHIPLEY chemického zlacení umožňuje nanesení tenké vrstvy zlata na celou plochu měděných částí DPS. Z odleptané DPS je v chemické lázni odstraněn krycí rezist Sn. Na čistou galvanickou měď je nejprve naneseno cca 8 µm chemického niklu a dále 0,40 µm chemického zlata. Uvedená technologie umožňuje získání roviny všech pájecích ploch pro osazování vícevývodových součástí povrchové montáže. Při pájení je nutno použít aktivní tavidla a zvýšit teplotu pájení o 20%.
9.4. Galvanické zlacení Galvanické zlacení konektorových nožů 118
Galvanické zlacení konektorových nožů se provádí nánosem cca 8 µm galvanického niklu a cca 1-2 µm galvanického zlata. Tloušťku zlata je nutno uvést na objednávce, základní provedení je 1 µm. Pro galvanické zlacení musí být všechny měděné části pod čarou ponoru do lázně galvanicky propojeny, nebo zakryty nepájivou maskou a společný vývod vyústěn nejméně 50 mm nad čarou ponoru. Galvanicky nepropojené a nezakryté části mědi se v galvanické lázni rozpouští a lázeň znehodnocují. Chybně navržené DPS nemůžeme zlatit. Zlatící linka je navržena pouze na zlacení konektorových nožů a nelze v ní zlatit části DPS vzdálené od technologického okraje DPS více jak 25 mm. U oboustranně zlacených konektorů je vhodné propojit společné vývody prokoveným otvorem.
Obr. 9.4. Zlacení konektorů DPS
9.5. Celoplošné galvanické zlacení motivu DPS Celoplošné galvanické zlacení motivu plošného spoje nahrazuje zlacení chemickým zlatem. Protože se jedná o galvanický proces, je možno přesně výpočtem stanovit a zhotovit jednotlivé tloušťky vrstev a výsledkem je dokonalý povrch plošného spoje s rovností povrchu lepší jak +/- 0.5 µm. Povrch je dokonale pájitelný za použití běžných tavidel a skladovatelnost spoje není omezena. Další výhodou je odstranění olova z výrobního procesu. Zlacení se provádí pouze na motiv plošného spoje a galvanické propojení tvoří základní plátování Cu. Ozlacená vrstva vytváří galvanorezist odolný vůči použitému leptadlu. Tuto vrstvu tvoří 8 µm galvanického niklu a tenká vrstva galvanického zlata. Nikl zajišťuje dobrou pájitelnost a zlato zabraňuje oxidaci niklu. Touto cestou zhotovujeme DPS určené pro SMT montáž. Zákazník si může také předepsat jaká síla zlata má být na nikl nanesena, popřípadě lokalizovat v celé ploše 119
desky zesílení pouze některých míst motivu plošného spoje, například plošky klávesnic.
Obr. 9.5. Lokální zlacení plošek DPS
9.6. Galvanický cín Provedení DPS v galvanickém cínu je jednou z možných finálních úprav povrchu DPS. Odleptaná DPS s naneseným cínovým rezistem je polotovarem pro další finální výrobu povrchových úprav pokovovacími procesy. Její výhodou je možnost rychlého zhotovení levných ověřovacích vzorků DPS, určených k dalším zkouškám anebo k použití v nenáročných a vlastní konstrukcí dobře zabezpečených výrobcích. Tloušťka vrstvy galv. cínu je 7 - 10 µm . DPS v tomto provedení nelze se zárukou dlouhodobě skladovat, neboť klesá jejich počáteční pájitelnost.
9.7. Manuální prokovování Prokovení, které je možné realizovat v prototypové laboratoři SAZE je za pomocí ručního lisu, který tlakem hlavice roznýtovává polotovary pozlacených nýtků, dle velikostí. K tomuto účelu, je k dispozici ruční lis firmy FAVORIT, do kterého je možné umístit jednotlivé hlavy určitých nýtovacích hlav dle velikosti použitých nýtků. V laboratoři jsou k dispozici hlavice: 0,4; 0,6; 0,8; 1; 1,2 a k nim nýtky. Je třeba brát na zřetel, že velikost díry musí být vždy alespoň o cca 0,2mm větší než požadovaný nýtek. 120
Obr. 9.6. Technologie na realizaci nýtků a) ruční lis na nýtky, b)aplikace nýtku do DPS Postup při nýtování je následující. Do nýtovacího lisu zašroubujte nýtovací hlavy a vystřeďte je tak, aby se vodící sloupky pokud možno dotýkaly v jedné rovině.
Obr. 9.7. Uložení hlav Po té vložte desku plošného spoje na, které byly provedeny všechny ostatní výše zmíněné technologie provrtáme na příslušné velikosti děr. Po té vložíme nýtek do vyvrtaného otvoru tak, aby již zahnutá strana nýtku byla na spodní straně hlavy.
121
Obr. 9.8. Uložení nýtku do nýtovací aparatury Po tomto kroku už zbývá jen pomocí páky stlačit lisovací stroj. Další zdroje
[13.]
Doc. ing. Bohumil Horák, Ph.D a kolektiv. Navrhování a technologie desky plošného spoje, Úvod do problematiky návrhu plošného spoje v programu Eagle. VŠB-TUO, Fakulta strojní. 2013 [cit. 2014-05-02].
[14.]
KRAUS, Alan. Návrhový systém EAGLE. Manuál programu Eagle [online]. neuvedeno [cit. 2014-05-12]. Dostupné z: http://web.quick.cz/chmelar.t/eagle/manual.htm DOČEKAL,Tomáš. UŽIVATELSKÝ NÁVOD K LABORATORNÍ ÚLOZE, Frézování DPS pro mobilní robot (laboratoř C112). VŠB-TUO, FRVŠ 910/2013, Inovace laboratoří na katedře Kybernetiky a biomedicínského inženýrství, 2013 doc. Ing. Bohumil Horák, Ph.D akolektiv. ZÁKLADY KONSTRUKČNÍCH TECHNOLOGIÍ V ELEKTRONICE -Výroba dps v laboratořích VŠB TU Ostrava, učební text a návody do cvičení. VŠB – Technická univerzita Ostrava, FEI, KAT 450. 2012 [30.6.2013]. Interní document. Ing. Martin Abel. PLOŠNÉ SPOJE SE SMD, NÁVRH A KONSTRUKCE. Nakladatelství Platan, Kunětická 101, Pardubice. Tisk Grafion Pardubice, Vydání první, dotisk. ISBN 80-902733-2-7. 2000 [20.6.2011]. Kristýna Friedrischková. Příprava výukových textů v projektu MOST-TECH, Technologie propojení součástek v systému, plošné spoje – materiály, 122
[15.]
[16.]
[17.]
[18.]
konstrukce, výroba. VŠB TU Ostrava, učební text a návody do cvičení. VŠB – Technická univerzita Ostrava, FEI, KAT 450. 2012 [30.6.2013].Dostupné z < http://mostech.vsb.cz/source/dokumenty/4_Plosne%20spoje.pdf>. [19.] Izolační desky: SKLOTEXTIT ® FR4. LABARA: Obrábění elektroizolačních materiálů [online]. 2014 [cit. 2014-05-12]. Dostupné z: http://www.labara.cz/vrstvene-izolanty/izolacni-desky/155-sklotextit-r-fr4 [20.] MRÁZEK, Oldřich. Pokovovací procesy plošných spojů. HW server [online]. Firemní prezentace Printed s.r.o, 28.5.2003 [cit. 2014-05-12]. Dostupné z: http://www.hw.cz/teorie-a-praxe/dokumentace/pokovovaci-procesy-plosnychspoju.html
123
11 CNC stroje Z dnešního pohledu je podstatná část vývoje technologií třískového obrábění datována do období průmyslové revoluce, která probíhala v 18. a 19. století. Zvláště významný rozvoj tohoto výrobního odvětví nastal ve století 20., a také v době dnešních dnů vývoj i výzkum nebo aplikace obrábění nezpomaluje. Nahlédneme-li na historii také částečně z pohledu ovládání obráběcích strojů, tak o podstatném zrychlení vývoje můžeme hovořit až od okamžiku, kdy byl k dispozici první mechanický pohon stroje. Další cesta pak vedla k zapojení parního stroje a následně přes několik navazujících historických milníků až k dnešním elektromotorům. Doposud se však jednalo především o manuální výrobní činnosti. Až v průběhu 20. století začaly do procesů třískového obrábění výrazně vstupovat prvky řízení a automatizace. Historie vývoje CNC obráběcích strojů, nebo-li vývoje číslicové techniky, probíhala současně v několika oblastech: jednotlivé strojní komponenty, výrobní soustavy, řídicí systémy a strojní celky. Již okolo roku 1950 se jako pohonné jednotky začaly používat elektricky řízené hydromotory a později byly aplikovány elektricky řízené motory. Pro odměřování při polohování se využívalo optických principů (lineární a rotační odměřovací systémy). První zde ještě takzvané NC konzolové frézky byly víceméně modifikované konvenční stroje (Feranti ve Skotsku, Parson v USA). Řídicí systémy pracovaly na principu vakuových lamp (Record play back) a začalo se prosazovat i tzv. pravoúhlé řízení a systémy s magnetickým záznamem dat. V roce 1960 uvedla firma Kearney&Trecker první obráběcí (frézovací) centrum. NC systémy byly již tranzistorové. Koncem 60. let pak v USA aplikovali integrované obvody s možností parabolických a splineových interpolací. NC stroje se integrovaly do prvních výrobních linek. V 70. letech se při stavbách strojů aplikovaly kuličkové šrouby a hydrostatická vedení. Firma Herbert uvedla na trh první soustružnické centrum s rotačními nástroji pro frézování a vrtání. NC systémy byly doplňovány pamětí a umožňovaly editaci programů (Westinghouse). Od nich byl jen velmi malý krůček k prvním CNC systémům. Firma Kearney&Trecker přišla s prvním FMSPVS (FlexibleManufacturingSystem pružný výrobní systém). V 80. letech začaly být stroje vybavovány zásobníky nástrojů i obrobků a do konstrukce NC strojů se aplikovaly senzory pro sledování pohonů a jednotlivých mechanismů. Řídicí systémy byly založeny na bázi CNC/PLC s multiprocesorovými mikropočítačovými strukturami. Toto období je velmi důležité, poněvadž došlo k výraznému prosazení frézovacích i soustružnických center do technologií třískového obrábění. 124
V 90. letech minulého století byly aplikovány velkokapacitní zásobníky s mezioperační dopravou nástrojů i obrobků. Výrazně se zvyšovala přesnost výroby jednotlivých typů součástí na NC strojích, zvyšovala se produktivita výroby a CNC stroje již měly poměrně otevřenou architekturu. Rostoucí ariabilita obráběných dílů vedla k většímu uplatňování pružných výrobních systémů.
Obr. 11.1. Blokové schéma CNC řídicího systému Ve 21. století byl zahájen vývoj nové generace obráběcích center. Jsou vytvářeny především multifunkční stroje a výrazně se hovoří i realizuje sjednocování HW a SW (Hardware, Software). Běžně jsou do CNC strojů integrovány CAD/CAM systémy a dále se posiluje provázanost na externí počítačové stanice.
11.1. Systémy 125
Vývoj tzv. CAM obsahoval původně oblast plánování výroby. Zkratka CAM (z anglického ComputerAidedManufacturing), která je dnes poměrně běžně užívaná, označuje systém pro počítačovou podporu výroby, zahrnující přímé řízení NC techniky, robotů, mezioperační dopravy výrobků, polotovarů, materiálů a nářadí. Co však znamenají další dnes běžně užívané zkratky? Jaká je mezi nimi návaznost? Z pohledu historie jsme tedy rozlišovali: CIM (ComputerIntegratedManufacturing) počítačem integrovaný výrobní systém (výroba); CAM (ComputerAidedManufacturing) systém počítačové podpory výroby, který zahrnoval přímé řízení NC techniky, robotů, mezioperační dopravu materiálu, polotovarů i výrobků a nástrojů; CAE (ComputerAidedEngineering) činností;
systém
počítačové
podpory
inženýrských
CAD (ComputerAided Design) počítačová podpora procesu konstruování; CAPE (ComputerAidedProductionEngineering) systém pro tvorbu a údržbu informací v TPV (technologická příprava výroby), který zahrnuje plánování výroby, technologičnost konstrukcí, tvorbu technologických postupů, NC programů a volbu nástrojového i měřicího vybavení; CAP (ComputerAidedProgramming) systém pro zpracování NC programu stroje; CAPP (ComputerAidedPocessPlanning) systém, který zahrnuje plánování výroby, včetně návrhu a tvorby korekcí plánů s ohledem na dodržování smluvených termínů zakázek a požadavků na materiální i nástrojové vybavení (zajištění); CAQ (ComputerAidedQuality) systém počítačové podpory kontrol a řízení jakosti; CA (ComputerAided) počítačová podpora; NC (NumericalControl) číslicové řízení operací obrábění (přímé vkládání číslicových údajů); CNC (ComputerNumericalControl) počítačem řízený NC stroj; DNC (Direct NumericalControl) centrálním počítačem řízená a kontrolovaná síť NC strojů. Celková koncepce CIM byla poprvé definována již v roce 1973 Josephem Harringtonem v jeho knize ComputerIntegratedManufacturing. Schematické znázornění vzájemné návaznosti jednotlivých systémů, publikované v pozdější době, je naznačeno na obr.
126
Obr. 11.2. Schematické znázornění vzájemné návaznosti jednotlivých systémů Zavádění výpočetní techniky do prostředí výroby postupně způsobilo významné změny v technologiích. Se zdokonalováním počítačů docházelo ke zvyšování počtu jejich technických aplikací do různých fází procesu navrhování a realizace nových výrobků. Konstruování elementárních součástí i rozsáhlých sestav se z rýsovacích prken přeneslo do CAD aplikací. Navazující a související technologické činnosti mohou využít připravené elektronické formy dat. Například pomocí systému CAPE jsou tvořeny výrobní postupy a právě vzájemným propojením CAD a CAPE vznikl systém CAE, který je počítačovou podporou konstruování výrobku z hlediska jeho budoucí funkce a technologičnosti. Zpracování technického postupu výroby součástí a programu pro NC stroje je prováděno pomocí systému CAP a systém CAPP slouží k řízení a sledování výroby z pohledu termínů dodávek, požadavků na materiální i nástrojové vybavení. Zastřešující systém CAM pak pomáhá řídit výrobu a zahrnuje tak fáze plánování i přípravy a řízení výroby. Vše samozřejmě opět pomocí počítače. Postupný vývoj systému CAM do značné míry souvisel i s vývojem NC a CNC systémů. Ekonomické tlaky na vývoj a aplikace výpočetní techniky do výrobních technologií se i dnes neustále zvyšují. Již v devadesátých letech minulého století odborné studie uváděly statistiky, ze kterých vyplynulo, že během jednotlivých konvenčních výrobních operací je vyráběná součást 95 % času uložena na paletách. Jen 5 % času je tedy aktivně opracovávána. Zvýšením komunikace mezi jednotlivými odděleními, která jsou vzájemně propojena, se tento „nepříznivý“ stav výrazně změnil. 127
Rozbor jednotlivých historických milníků prokázal, že zavádění výpočetní techniky, a tedy CNC strojů do výroby, zvyšuje konkurenceschopnost firmy. Vede ke zvyšování produktivity a zkracování mezioperačních časů i doby přípravy výroby, ke zvýšení přesnosti a eliminaci chyb (odstranění tzv. lidského faktoru).
11.2. Automatizace Z historického pohledu se však vývoj automatizace odehrával v několika etapách. Běžně jsme se mohli setkat, a i dnes se setkáváme, s tzv. konvenčními obráběcími stroji, číslicově řízenými stroji jednoprofesními, obráběcími centry, vícevřetenovými obráběcími centry, jednoúčelovými stroji, pružnými výrobními linkami, pružnými výrobními soustavami, tvrdými automatickými linkami nebo automatizovanými výrobními soustavami. V současné době je poslední vývojovou etapou automatizace vytvoření automatického výrobního závodu. Omezíme-li se však jen na základní výrobní zařízení, tak je patrné, že v oblastech malosériové a středně sériové výroby je automatizace s aplikací CNC strojů zcela nezbytná. Rychle se měnící sortiment výrobků a snaha snížit výrobní náklady při maximalizaci výkonnosti vede k častému (pružnému) přizpůsobování strojů jednotlivým obrobkům. Související trendy vývoje obráběcích strojů (multifunkční stroje) rovněž potvrzují, že dosažení výrobní pružnosti je možno dosáhnout aplikací programově řízených strojů. Klíčovou předností CNC strojů je velmi snadný přechod mezi jednotlivými typy vyráběných součástí. Přechod z jednoho typu obrobku na jiný se provádí změnou řídicího programu (NC programu), který buď částečně nebo úplně využívá seřízeného nástrojového a měřicího vybavení. Další významnou předností CNC strojů je jejich zcela automatický chod. Ovládání veškerých funkcí (jednotlivé pohyby řezného nástroje, nastavení pohybových rychlostí i otáček nástrojů, výměny nástrojů nebo obrobků pro jednotlivé výrobní operace atd.) je realizováno postupným zpracováváním jednotlivých řádků NC programu (zpracováváním tzv. bloků). Všechny informace nezbytné pro obrobení součásti na stroji jsou tedy předem zaznamenány formou řad alfanumerických znaků. Mezi tyto nezbytné výrobní informace je možno zařadit:
rozměrové informace pro výrobu jednotlivých ploch součásti informace o otáčkách řezného nástroje, posuvové rychlosti, řezném prostředí atd. informace ostatní (např. velikost časové prodlevy, otevření dveří bezpečnostního krytu atd.).
CAD/CAM historie a současnost 128
Historie oboru CAD/CAM, bez kterého si současné efektivní obrábění na CNC kovoobráběcích strojích nedokážeme představit, je především spojena se snahou „ulehčit si“ a zrychlit práci s přípravou NC programů. Vždy se jedná o zkrácení vedlejších časů při přípravě NC programů a následném seřízení výroby. Vedlejší časy, spojené s přípravou výroby, zabírají velké procento časového fondu CNC obráběcího stroje. Zvýšením využití strojního času daného stroje jen o 10 % při počtu 10 strojů ve výrobě získáme trvale volnou kapacitu jednoho stroje.
Vývojové generace obráběcích strojů Nahlédneme-li ještě ve stručnosti na jednotlivé vývojové generace obráběcích strojů, pak bude již zcela patrné, že změny ve způsobech NC programování byly nevyhnutelné a že řadu změn musíme očekávat i v době dnešní a budoucí. První vývojová generace, kam zahrnujeme tzv. NC stroje, vycházela z koncepcí strojů konvenčních. V druhé generaci byly stroje vybavovány např. automatickou mezioperační výměnou nástrojů a výměna opotřebovaných řezných nástrojů v zásobníku probíhala ručně. Připojení dalších prvků, jako byl např. dopravník třísek, vyžadovalo i rozšíření databáze programovacích funkcí. U strojů zařazovaných do třetí vývojové generace byl integrován systém automatické výměny obrobků. Zvětšila se kapacita zásobníků využívající i systém tzv. duplo nástrojů, ale stále se ještě realizovala ruční výměna opotřebovaných řezných nástrojů. Stroje čtvrté generace měly již vyřešeno napojení na automatickou výměnu opotřebovaných řezných nástrojů ze zásobníků. Můžeme zde tedy hovořit o plně automatizovaných technologických pracovištích, s možností „samostatně“ pracovat ve třísměnném provozu. U strojů páté generace byly do konstrukcí postupně aplikovány mechatronické prvky, které umožňují např. elektronickou kompenzaci chyb polohování nebo měření rozměrů obrobků mezi obráběcími operacemi (improcesní kontrola). Prostřednictvím měřicích sond jsou kvantifikovány hodnoty nezbytných korekcí (odchylek od požadované hodnoty např. stanovené technickým výkresem), které jsou interaktivně aplikovány při probíhajícím procesu obrábění. V této generaci strojů se rovněž můžeme setkat s laserovým odměřováním polohy a optimalizací řezných podmínek. Stroje zatím poslední, šesté vývojové generace, mají konstrukci založenou na požadavcích minimalizace časů výměn obrobků a nástrojů, na suchém víceosém a vysokorychlostním obrábění, na dálkové diagnostice, na ultrapřesném obrábění (desetiny mikrometru) a na koncepcích pro obrábění konkrétních typů součástí (stroje na zakázku).
Způsoby řízení Číslicové řízení (NC NumericControl) obráběcích strojů prošlo v průběhu svého vývoje řadou změn. Měnila se jednotlivá záznamová média i způsoby přenosu a uložení dat (děrné štítky, děrné nebo magnetofonové pásky, diskety, DNC 129
komunikace, flash disky, až po propojení jednotlivých pracovišť do internetové či intranetové sítě s integrací centrálních serverových pracovišť). Pojem NC se dnes používá jak pro označení typu, tak pro způsob řízení. Dnes tedy běžně užívané NC programování (především CNC strojů) je označení pro řízení obráběcího stroje prostřednictvím kódovaných informací (příkazů neboli funkcí), které jsou složeny z alfanumerických znaků a dalších symbolů. Tyto jednotlivé programové věty (bloky nebo řádky) jsou složeny ze slov, které jsou strojem převáděny na impulzy elektrického proudu nebo dalších výstupních signálů pro aktivaci servomotorů nebo ostatních zařízení potřebných pro provoz stroje. Na rozdíl od konvenčních strojů nejsou tedy CNC stroje přímo ovlivněny tzv. lidským faktorem, ale jsou závislé především na kvalitě vytvořeného NC programu. Zmiňovaný lidský faktor se však (nepřímo) může negativně nebo naopak velmi pozitivně projevit v úrovni zpracování NC programů pro obrábění. Jelikož CNC stroje musí pracovat v poloautomatickém nebo zcela automatickém režimu bez zásahu obsluhy, musí být věnována převážná míra pozornosti jednotlivým detailům plánování a přípravy obrábění. Konkurenceschopnost tak opět závisí především na zkušenostech a odborných znalostech osob, které ovlivňují proces výroby, nehledě na použité počítačové vybavení.
Pracovní prostor CNC obráběcího stroje V pracovním prostoru CNC obráběcího stroje jsou určeny některé základní vztažné body: Referenční bod stroje R: je přesně stanoven výrobcem a jeho aktivací dochází k sjednocení mechanické a výpočetní části stroje. Slouží k přesnému nastavení odměřovacího systému po zapnutí stroje. Zařazení referenčního bodu do CNC programu také umožní odstranění chyb, které mohou vznikat interpolací (pokud stroj nemá zpětnou vazbu). Je realizován mechanickým způsobem - pomocí koncových spínačů. Nulový bod stroje M: je pevně stanovený bod, který je výchozím bodem pro všechny další souřadnicové systémy a vztažné body na stroji. U frézek, vrtaček (u strojů, kde hlavní pohyb vykonává nástroj) je spojnice nulového bodu stroje M a referenčního bodu R úhlopříčkou pracovního prostoru stroje. U soustruhů je nulový bod stroje M umístěn vose rotace obrobku v místě zakončení pracovního vřetena přírubou univerzálního sklíčidla. Vzdálenost nulového bodu stroje a referenčního bodu je výrobcem přesně odměřena a vložena do paměti řídicího systému jako strojní konstanta. Nulový bod obrobku W: lze nastavit v libovolném místě pracovního prostoru stroje a jeho polohu určuje technolog-programátor. Umísťuje se do takového místa, aby se co 130
nejvíce zjednodušilo programování v souvislosti přechodových bodů (konstrukční základna).
s
výpočtem
Obr. 11.3. Pracovní prostor CNC obráběcího stroje
Obr. 11.4. Pracovní prostor CNC obráběcího stroje v prostoru 131
jednotlivých
Bod špičky nástroje P: je bod, jehož pohyb se teoreticky programuje. Je nutný v souvislosti s určením korekce poloměru zaoblení ostří. Vztažný bod suportu nebo vřetene F: je to bod sup ortu (u CNC frézky vřetene), ke kterému se vztahuje délková korekce nástroje. Bod nastavení nástroje E (nulový bod nástroje): je bod na držáku nástroje, který při upnutí splyne s bodem F (na revolverové hlavě -využívá se při určování korekce nástroje mimo CNC stroj). Výrobci řídicích systémů umisťují počátek souřadnicového systému do bodu R nebo do bodu M. V rámci programu lze počátek souřadnicového systému posouvat.
Další zdroje
Seznam další literatury, www odkazů ap. pro zájemce o dobrovolné rozšíření znalostí popisované problematiky.
[1.]
[2.]
[3.]
[4.]
PBS VELKÁ BÍTEŠ, Středisko praktického vyučování. Obecný úvod do problematiky CNC programování [online]. Velká Bíteš, neuvedeno [cit. 201405-15]. Operační program Vzdělávání pro konkurenceschopnost, CZ.1.07/1.1.01/02.0084. Dostupné z: http://www.sosbites.cz/images/stories/VUKOV_TEXT_-_1.ST.pdf . Výukový materiál. Středisko praktického vyučování PBS Velká Bíteš, Vlkovská 279, Velká Bíteš. SADÍLEK, Marek. Počítačová podpora výroby [online]. VŠB-TU Ostrava, Fakulta strojní, Studijní opora. 2010/2011 [cit. 2014-05-04]. Dostupné z: http://www.346.vsb.cz/Počítačová%20podpora%20výroby.pdf Učebnice CNC [online]. Žďár nad Sázavou, 8.5.2005 [cit. 2014-05-15]. Dostupné z: http://sstzr.cz/download/cat1/ucebnicecnc.pdf. Učebnice. Střední škola technická, Žďár nad Sázavou. Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj, Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/03.0009,. Historie CNC strojů [online]. neuvedeno, 25.5.2011 [cit. 2014-05-15]. Dostupné z: http://coptel.coptkm.cz/reposit.php?action=0&id=22926&instance=2. Studijní materiál. COPTEL Internetový portál.
132
12 Řídicí systémy se souvislým řízením Systémy umocňující výpočet korekce a geometrie pohybu nástroje. Rozdělují se podle počtu současně řízených os na: Jednoosé obrábění (1D) – umožňuje pohyb jen v jedné ose. Využívané např. u vrtaček k zhotovení otvoru, pohyb jen v ose Z. Dvouosé obrábění (2D) – řízení dvou os najednou. Lze se sním setkat u soustruhů, pohyb ve dvou osách zároveň X-Z. Dvou a půl osé obrábění (2,5D) – hovoříme u frézek, kde lze provádět lineární či kruhovou interpolaci volitelně vždy v jedné rovině X-Y, X-Z nebo Y-Z, viz obrázek. Neboli najetím na hloubku řezu (osa Z) a následně obrábět v osách X - Y. Tříosé obrábění (3D) – jedná se o řízení frézek, které umožňuje obrábět ve třech osách současně X-Y-Z. Činnost interpolátoru je zde nezastupitelná, protože propočítává pohyb nástroje ve dvou osách v závislosti na třetí ose, viz obrázek. Čtyřosé obrábění (4D) a víceosé obrábění – systémy dovolující obrábění nejen v osách X, Y, Z , ale umožňuje dále rotaci kolem zmíněných os, tedy nástroj nebo obrobek může být natočen, naklopen viz obrázek.
Obr. 12.1. 2,5 D a 3D
133
Obr. 12.2. 4D a ukázka 9osého systému
12.1. Vztažné body u CNC strojů Každý řídicí systém obsahuje body, pomocí kterých se orientuje v prostoru a od kterých odměřuje zadávané souřadnice. Tyto body se nazývají tzv. vztažné body: Grafická značka
Název a označení
Popis
M Nulový bod
Je stanoven výrobcem. Jedná se výchozí počátek souřadného systému. U soustruhů bývá umístěn v ose rotace a u frézek v krajní poloze stolu frézky v rovině X – Z. Nemůže být změněn programátorem.
W Nulový bod
Jeho polohu si programátor volí sám s ohledem na tvar součástky a zvyklosti. Váží se k němu všechny programované souřadnice drah v NC programu. Většinou se nulový bod obrobku u soustružení volí na čelní ploše součástky a u frézování na nejbližší ploše k vřetenu součástky.
stroje
obrobku
R
Referenční bod
Je dán výrobcem a slouží k nalezení nulového bodu stroje při zapnutí stroje. Při zapnutí stroje se provede tzv. zreferování počátečních nastavení stroje eliminace chyb.
N
Nulový bod nástrojového držáku stroje
Jedná se o bod, ke kterému se vztahují rozměry všech nástrojů. Je stanoven výrobcem a nelze ho měnit. Při vložení držáku do zásobníku nástrojů je tento bod totožný s nulovým bodem výměny nástroje
134
T
Nulový bod výměny nástroje
Tento bod slouží k určení bezpečného místa výměny nástroje. Např.: bezpečné otočení revolverové hlavy v pracovním prostoru stroje, tak aby nedošlo k poškození nástroje, stroje ani obrobku.
P
Nulový bod nástroje
Charakteristický bod pro dané typy nástrojů. U soustružnického nože se jedná o bod ležící na teoretické špičce nástroje, zatímco u rotačních nástrojů se nachází na čelní ploše v ose rotace nástroje.
Tab. 12.1. Vztažné body u CNC strojů
Obr. 12.3. Vztažné body u soustruhu
135
Obr. 12.4. Vztažné body u frézky
12.2. Druhy řídících systému NC strojů Podle složitosti pracovních cyklů rozeznáváme tyto druhy řídicích systémů:
Systém pro stavení souřadnic
Tento systém se nejčastěji používá u číslicově řízených vrtaček a vyvrtávacích strojů pro přemísťování (polohování) obrobku vzhledem k nástroji. Pohyb probíhá rychloposuvem v osách x a y podle zadaných souřadnic a není pohybem pracovním. Ten probíhá vose z a představuje posun nástroje, např. vrtáku, výhrubníku, výstružníku do řezu. Pohyb v této ose bývá řízen narážkami
136
Obr. 12.5. Systém pro stanovení souřadnic
Systém pro pravoúhlé řízení
Při tomto systému je prováděno obrábění rovnoběžně se souřadnými osami x, y , z , vždy však pouze v jedné z nich. Teprve po skončení pohybu v jedné ose může nastat v druhé ose. To umožňuje soustružit válcové plochy a frézovat pravoúhlé obrobky - např. dělící roviny převodových skříní apod.
Obr. 12.6. Systém pro pravoúhlé řízení
Systém pro souvislé řízení
Systém se používá u soustruhů, frézek a obráběcích center. Ve srovnání s pravoúhlým řízením umožňuje současný pohyb nejméně ve dvou osách, např. obrábění rádiusů, úhlových ploch, tvarových ploch. Provádí-li se obrábění současně ve 2 osách (2 dimenzích), označuje se toto řízení jako souvislé řízení 2D.
Obr. 12.7. Systém pro souvislé řízení U některých frézek lze provádět obrábění ve 2 osách vždy v jedné z rovin X - Y, Y Z, Z - X, přepínáním těchto rovin. Toto řízení se označuje jako souvislé řízení 21/2 D. 137
Probíhá-li obrábění ve třech současně pracujících osách (3 dimenzích), je toto řízení označováno jako souvislé řízení 3D. Tímto způsobem lze obrábět složité tvary, např. dutiny kovacích zápustek apod.
Obr. 12.8. Svislé řízení 3D Číslicově řízené obráběcí stroje jsou tedy již konstrukčně uzpůsobovány pro práci v automatickém režimu. Jejich programování se realizuje prostřednictvím speciálního komunikačního (strojního) panelu nebo zcela externě na pracovištích vybavených výkonnými počítačovými stanicemi. Z pohledu NC programování tak rozlišujeme např. CAD/CAM systémy, dílensky orientované programování a tzv. ISO programování (někdy také nazývané programování v G-kódu). Hovořit by se dalo i o tzv. popisném dialogu, ale podstatnější je, že každý ze zmiňovaných způsobů tvorby programů má svou nezastupitelnou oblast použití. Nelze tedy jednoznačně konstatovat, že NC programování pomocí „supermoderního“ CAD/CAM softwaru je „naprosto nejlepší“ a hlavně nejefektivnější cesta pro konkurenceschopné obrábění. Vždyť každý z neuvěřitelně rozsáhlé nabídky CAD/ CAM softwarů dostupných na dnešním trhu končí překladačem, a tedy tvorbou např. zmiňovaného G-kódu. Správný formát zápisu jednotlivých programových vět (bloků), které umožňují realizovat proces třískového obrábění, je tedy zcela klíčovou záležitostí při CNC obrábění. Znalosti struktury NC programů a formátu jednotlivých bloků (programových řádků) umožňují realizovat tzv. ruční programování, ale jsou také zcela nezbytné pro tvorbu či editaci jednotlivých překladačů (postprocesorů). Postprocesory totiž transformují elektronická data specializovaných CAD/CAM softwarů do formátů jednotlivých obráběcích strojů. Každý CNC stroj tak mnohdy vyžaduje mírně odlišný NC program. Odlišnosti NC programů jednotlivých strojů vychází z jejich koncepce. Číslicově řízené stroje jsou většinou sestaveny ze sedmi hlavních celků: ovládací panel, vřeteno s vřeteníkem, zásobník a rameno pro výměnu nástrojů, zásobník nebo podavač obrobků (případně paletový systém), polohování nástroje a obrobků, soustavy pro přívod procesních kapalin a ochranné kryty. Jednotlivá konstrukční řešení a stupeň integrace automatizačních prvků tak vede k nezbytným odlišnostem v zápisech NC programů a rovněž k odlišnému zpracovávání těchto programových bloků PLC programem. 138
Další zdroje
Seznam další literatury, www odkazů ap. pro zájemce o dobrovolné rozšíření znalostí popisované problematiky. [1.]
[2.]
[3.]
[4.]
PBS VELKÁ BÍTEŠ, Středisko praktického vyučování. Obecný úvod do problematiky CNC programování [online]. Velká Bíteš, neuvedeno [cit. 201405-15]. Operační program Vzdělávání pro konkurenceschopnost, CZ.1.07/1.1.01/02.0084. Dostupné z: http://www.sosbites.cz/images/stories/VUKOV_TEXT_-_1.ST.pdf . Výukový materiál. Středisko praktického vyučování PBS Velká Bíteš, Vlkovská 279, Velká Bíteš. SADÍLEK, Marek. Počítačová podpora výroby [online]. VŠB-TU Ostrava, Fakulta strojní, Studijní opora. 2010/2011 [cit. 2014-05-04]. Dostupné z: http://www.346.vsb.cz/Počítačová%20podpora%20výroby.pdf Učebnice CNC [online]. Žďár nad Sázavou, 8.5.2005 [cit. 2014-05-15]. Dostupné z: http://sstzr.cz/download/cat1/ucebnicecnc.pdf. Učebnice. Střední škola technická, Žďár nad Sázavou. Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj, Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/03.0009. Historie CNC strojů [online]. neuvedeno, 25.5.2011 [cit. 2014-05-15]. Dostupné z: http://coptel.coptkm.cz/reposit.php?action=0&id=22926&instance=2. Studijní materiál. COPTEL Internetový portál.
139
13 Souřadnicový systém Řídicí systémy pro CNC obráběcí stroje používají dva typy souřadnicových systémů:
13.1. Kartézský souřadnicový systém Osy jsou na sebe navzájem kolmé a rovnoběžné se základními vodícími plochami. Osa Z je vždy rovnoběžná s osou hlavního pracovního vřetene. Kladný smysl pohybů vose X a Z při soustružení probíhá směrem od obrobku. Poloha každého bodu je jednoznačně určena pomocí souřadnic v jednotlivých osách.
Obr. 13.1. Definice kartézského souřadnicového systému
13.2. Polární souřadnicový systém Používá se např. u obrobků s víceúhlovými rozměry (otvory umístěné na kružnici a pod.).
Obr. 13.2. Zadání úhlu pro vrtání na kružnici 140
Obr. 13.3. Definice bodu P pomocí úhlu A a délky L
13.3. Souřadnicový systém CNC strojů U CNC strojů víceúčelové konstrukce (obráběcí centra) je velmi časté použití více os pro translační pohyby a přídavné osy rotační. Pro tyto účely se používá kartézský souřadnicový systém, kde kromě základního označení kolmých os X,Y,Z se používá pro stejné osy označení U,V,W, případně P,Q,R. Souřadnicový systém Základní -
Posuvné osy
-
Rotační osy
X Y Z
A B C
Pokud konstrukce stroje umožňuje provádět přídavné rotační pohyby v osách, jsou tyto označeny jako A, B, C (např. U soustruhu, který používá přídavné rotační nástroje je využita osa C pro nastavení polohy obrobku vůči nástroji)
Doplňkové osy
I
Parametry interpolace (vyjadřují určení středu poloměru oblouku na obrobku)
Sekundární doplňkové osy
U V W
J
K
Terciální doplňkové osy Tab. 13.1. Souřadnicový systém pro více os
141
13.4. Základní pravidla pro orientaci os v prostoru u obráběcích strojů Pro sjednocení pohybů na CNC strojích byla zvolena následující pravidla umístění souřadného systému:
vychází se od nehybného obrobku, vždy musí být definována osa X, osa X leží v upínací rovině obrobku nebo je s ní rovnoběžná, osa Z je totožná či rovnoběžná s osou pracovního vřetena, které vykonává hlavní řezný pohyb, kladný smysl os je od obrobku k nástroji, ve směru zvětšujícího se obrobku, pokud jsou na stroji další doplňkové pohyby v osách X,Y,Z, označují se U,V,W, pokud se obrobek pohybuje proti nástroji, označují se takové osy X´, Y´, a Z´.
Při dodržování těchto základních pravidel je pro programátora jednoduché vytvářet program na různé druhy CNC strojů. Situování os stroje je stále shodné a zhotovený program může být použit na více strojů s minimem úprav.
Obr. 13.4. 5 osé vertikální frézovací centrum 142
Obr. 13.5. Soustruh
Obr. 13.6. Kartézský souřadný systém
143
Obr. 13.7. Víceosý soustruh
13.5. CNC soustruhy Stroj koná posuvné pohyby ve směru osy X a osy Z. Osa Z je osa rotace vřetena, pohyb v kladném smyslu probíhá směrem od materiálu (od vřeteníku ke koníku). Osa X je kolmá na osu Z, její kladný směr je orientován od osy obrobku k držáku nástroje.
144
Obr. 13.8. Ukázka CNC soustruhu
13.6. CNC frézky Osy X a Y leží v rovině stolu frézky; osa X je rovnoběžná s podélným pohybem stolu, osa Y je kolmá na osu X a je rovnoběžná s příčným pohybem stolu. Osa Z je totožná s osou hlavního pracovního vřetena - pohyb v kladném smyslu směřuje od materiálu.
145
Obr. 13.9. Ukázka CNC frézky
13.7. Korekce nástrojů Všechny nástroje nemají stejné rozměry (jejich břity se nachází v různých polohách) což znamená, že při programování dráhy nástroje by při výměně nástroje bylo nezbytné přepracovávat celý program. 146
Funkce korekcí umožňuje programovat bez ohledu na změnu nástroje, neboť hodnoty potřebné k bezchybnému průběhu programu a tím celého obrábění si řídicí systém CNC obráběcího stroje dopočítává sám na základě zadaných hodnot korekcí. Tímto způsobem se tvorba programu zjednoduší a urychlí. Hodnoty korekcí j sou uloženy v paměti korekcí a j sou přiřazeny ke konkrétním nástrojům.
13.8. Korekce při soustružení Korekce polohy špičky nástroje vose X a Z vzhledem k nulovému bodu nástroje: nulový bod nástroje je stanoven výrobcem obráběcího stroje a leží většinou na dorazové ploše revolverové hlavy.
Obr. 13.10. Korekce při soustružení Tato korekce se nejčastěji zjišťuje v měřicím přístroji mimo obráběcí CNC stroj. Nástroj se vkládá do měřicího přístroje společně s držákem nástrojů. Korekce polohy špičky nástroje vose X a Z vzhledem k nástroji, jemuž byla přiřazena nulová korekce: -využívá se především při upínání nástrojů do rychlovýměnných nožových držáků. Lze ji zjistit např. přímo na CNC stroji naškrábnutím obrobené plochy; stejným způsobem se postupuje u druhého a dalších nástrojů. Tímto postupem se tak zjistí odchylky těchto nástrojů vose X a Z od nástroj e číslo 1, kterému je přiřazena korekce nulová.
147
Obr. 13.11. Korekce polohy špičky nástroje Pro přesnější určení korekcí je možné použít mikroskop nebo dotykové sondy. Zjištěné korekce se uvedou do CNC programu v adrese T nástroje, nebo přímo načtením do řídicího systému CNC stroje pro každý nástroj. Korekce poloměru špičky nástroje: mikroskopem se zjistí poloměr zaoblení špičky nástroje.
Obr. 13.12. a) teoretická špička soustružnického nože soustružnického nože
b) skutečný řezný bod
V CNC programu se využívá takto zjištěných hodnot poloměrů zaoblení nástroje pro usnadnění programování při zařazení funkcí G41 a G42. Použitím těchto funkcí koriguje daný řídicí systém pohyb nástroje po ekvidistantě na rozměry programovaného obrysu obrobku. Tyto poloměry zaoblení špičky nástroje jsou také přiřazeny k jednotlivým nástrojům.
148
Obr. 13.13. Korekce funkce G41 Korekce G41 se uvádí v případě (dle ČSN ISO 6983), když se nástroj nachází na levé straně povrchu obrobku při pohledu ve směru uvažovaného pohybu nástroje.
Obr. 13.14. Korekce funkce G42 Při programování korekce G42 se nástroj nachází na pravé straně povrchu obrobku při pohledu ve směru pohybu nástroje.
149
Obr. 13.15. Příklad dopadu zaoblení špičky nástroje při soustružení vnějšího obrysu V souvislosti s korekcí poloměru špičky nástroje je také důležité určení kvadrantu - je třeba uvést polohu nástroje vzhledem k obráběné ploše, aby řídicí systém věděl, jak má tyto korekce vypočítat.
Obr. 13.16. a) poloha nástroj e za osou
13.9. Korekce při frézování Korekce délek LkZ
150
b) polohu nástroj e před osou
Obr. 13.17. Korekce délek LkZ Má také stejný význam u osových nástrojů - vrtáků, výhrubníků, výstružníků, ...
13.10.
Korekce poloměru nástroje
Měřením se zjistí poloměr nástroje. V CNC programu se využívá takto zjištěných poloměrů nástrojů pro usnadnění programování při zařazení funkcí G41 a G42; není nutné programovat ekvidistantu nástroje, neboť se programuje pohyb teoretické špičky nástroje - průsečíku osy a čela nástroje.
151
Obr. 13.18. Korekce poloměru nástroje Použitím funkcí G41 a G42 daný řídicí systém koriguje pohyb nástroje po ekvidistantě na rozměry programovaného obrysu obrobku.
Obr. 13.19. Korekce pohybu nástroje po ekvidistantě
13.11.
Nástroje pro CNC stroje
Hlavní rozdíly mezi nástroji pro konvenční obráběcí stroje a pro CNC stroje spočívají: 152
seřizování nástrojů pro CNC stroje probíhá nejčastěji na specializovaném pracovišti mimo vlastní stroj, což vede k výraznému snížení vedlejších časů a tím i k větší produktivitě práce u CNC obráběcích strojů se jako řezné materiály používají vyměnitelné břitové destičky nejčastěji ze slinutých karbidů povlakované např. TiN, ale také jiné řezné materiály jako keramické materiály, polykrystalický kubický nitrid boritý i syntetický diamant, což vede k nárůstu řezných rychlostí nutností jsou vhodné utvářeče a děliče třísek upínání nástrojů se realizuje pomocí normalizovaného upínacího nářadí u CNC strojů se používá tzv. nástrojový systém - systematicky uspořádaná a udržovaná sada nástrojů. Nástroje jsou minimálně zdvojeny z hlediska náhodného otupení, nebo vylomení ostří, tak aby byly okamžitě při obrábění k dispozici nepoužívají se téměř tvarové nástroje - výjimkou mohou být např. závitové soustružnické nože
Na CNC obráběcích strojích lze vykonávat práce na hotovo - v mnohých případech lze úspěšně nahradit i broušení (je možné dosáhnout drsnosti Ra = 0,8 a tomu odpovídající stupeň přesnosti.
13.12.
Určování nulového obrobku W
Nulový bod obrobku je pro technologa-programátora jedním ze základních bodů. Z tohoto bodu se vychází při programování a jeho umístění musí být voleno s ohledem na optimální tvorbu řídicího programu. Na začátku obrábění (tvorby programu) je nutné posunout souřadnicový systém z nulového bodu stroje (absolutní nula) do nulového bodu obrobku. Způsoby určení nulového bodu obrobku W:
Dotykem- "naškrábnutím" nástroje na obrobku
na soustruhu je vhodné povrch obrobku lehce osoustružit ručně a tento průměr přesně změřit. Porovnáním souřadnic na obrazovce a z měřené hodnoty obrobku je možné určit polohu ostří nástroje vose X vzhledem ke zvolenému nulovému bodu. Podobným způsobem se pokračuje při určení polohy ostří nástroje vůči nulovému bodu obrobku vose Z ("naškrábnutím" na čele obrobku). na frézce dotykem nástroje v osách X,Y,Z na plochách polotovaru a výpočtem vzhledem k poloměru nástroje a přídavkům na opracování se určí poloha nástroje vůči nulovému bodu obrobku.
Určování nulového bodu obrobku W dotykem, ať již na soustruhu nebo na frézce, není nejpřesnějším způsobem, neboť přesnost ovlivňuje: 153
ovalita obrobku - polotovaru u soustružení
možná excentricita upnutí polotovaru a následkem toho „házení“ rotujícího polotovaru u soustružení
možná nepřesnost způsobená malou zkušeností obsluhy
Dotykem pomocí excentrického měřícího dotyku na frézce Základem jsou dva válcové čepy, které jsou k sobě ve vnitřní části přitlačovány pružinou. Horní čep je upnut v pracovním vřetenu a při měření se otáčí malou rychlostí. Spodní čep se také otáčí - excentricky a na tento čep se při měření najíždí obrobkem. V určitém okamžiku, kdy se spodní čep mírně dotýká obrobku dochází k soustřednému pohybu obou čepů (jejich osy jsou totožné) a tento okamžik se nazývá okamžikem odečítání. Tato metoda je výhodná zejména v případech, kdy nelze připustit byť jen nepatrné poškození upnuté součástky, ke kterému by mohlo dojít při určování nulového bodu dotykem nástroje.
Dotykovými sondami Dotykové sondy jsou různě konstrukčně řešeny; mezi nejpoužívanější patří sondy mechanické a elektrokontaktní, které signalizují dotyk, případně zastaví posuv stroje.
154
Obr. 13.20. Dotykové sondy a) na soustruhu, b) na frézce
Další zdroje Seznam další literatury, www odkazů ap. pro zájemce o dobrovolné rozšíření znalostí popisované problematiky. [1.]
PBS VELKÁ BÍTEŠ, Středisko praktického vyučování. Obecný úvod do problematiky CNC programování [online]. Velká Bíteš, neuvedeno [cit. 201405-15]. Operační program Vzdělávání pro konkurenceschopnost, CZ.1.07/1.1.01/02.0084. Dostupné z: http://www.sosbites.cz/images/stories/VUKOV_TEXT_-_1.ST.pdf . Výukový materiál. Středisko praktického vyučování PBS Velká Bíteš, Vlkovská 279, Velká Bíteš.
155
[2.]
[3.]
[4.]
SADÍLEK, Marek. Počítačová podpora výroby [online]. VŠB-TU Ostrava, Fakulta strojní, Studijní opora. 2010/2011 [cit. 2014-05-04]. Dostupné z: http://www.346.vsb.cz/Počítačová%20podpora%20výroby.pdf Učebnice CNC [online]. Žďár nad Sázavou, 8.5.2005 [cit. 2014-05-15]. Dostupné z: http://sstzr.cz/download/cat1/ucebnicecnc.pdf. Učebnice. Střední škola technická, Žďár nad Sázavou. Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj, Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/03.0009. Historie CNC strojů [online]. neuvedeno, 25.5.2011 [cit. 2014-05-15]. Dostupné z: http://coptel.coptkm.cz/reposit.php?action=0&id=22926&instance=2. Studijní materiál. COPTEL Internetový portál.
156
14 CNC program Je soubor geometrických, technologických a pomocných informací, které popisují činnost numericky řízeného stroje. Prostředky pro programování zachovávají jednoduchou skladbu slov (příkazů) seřazených v daném řetězci nazývaný programovací kód. Informace obsažené v programu lze rozdělit na: Geometrické - popisující dráhy nástroje, které jsou dány rozměry (tvarem) konkrétní obráběné součásti (způsob pohybu nástroje – přímka, kruhový oblouk). Technologické – určují technologii obrábění s ohledem na optimální řezné podmínky (hodnota řezné rychlosti, posuvu, hloubky řezu) Pomocné – zahrnují ostatní informace nutné k výrobě součásti (zapnutí nebo vypnutí řezné kapaliny, otáček, konec nebo stop programu,…) Ostatní – jsou další informace důležité v orientaci v programu (čísla bloků, poznámka...)
14.1. Stavba CNC programu Program se skládá z tzv. BLOKŮ (vět, řádků), bloky se skládají z jednotlivých PŘÍKAZŮ (slov), která obsahují adresovou část a významovou část.
Obr. 14.1. Složení CNC programu Popis struktury bloku
Druh informace
N
Číslo bloku
Ostatní
G
Přídavné funkce
Geometrické
X, Y, Z
Souřadnice
F
Rychlost posuvu
S
Otáčky vřetena
T
Volba nástroje
M
Pomocné funkce
Technologické
Pomocné
Tab. 14.1. Přehled jednotlivých označení příkazů 157
Příkazy (slova) v bloku jsou: N10, G00, X100, Y100, Z100, F0.2, S1200, T02, M8
Obr. 14.2. Složení příkazu Adresami jsou: N, G, X, Y, Z, F, S, T, M Významová část: 10, 00, 100, 100, 100, 0.2, 1200, 02, 8 Maximální velikost bloku udává formát bloku, který lze dělit podle délky na: a) Formát s konstantní (pevnou) délkou bloku b) Formát s proměnnou délkou bloku U formátu s konstantní (pevnou) délkou bloku má každé slovo přesně stanovenou polohu a to i v případě, že se funkce nevyskytuje nebo se opakuje v předchozím bloku, viz příklad 1. V případě formátu s proměnnou délkou bloku je možno vynechat slova, která se v bloku nevyskytují nebo se opakují v předchozím bloku, viz příklad 2. Příklad 1. N10 G00 X20 Y100 Z2 F10 N20 G00 X25 Y100 Y2 F10 Příklad 2. N10 G00 X20 Y100 Z2 F10 N20
X25
14.2. Význam nejpoužívanějších adres Adresy jsou označovány velkými písmeny řecké abecedy. Jejich význam je popsán v níže uvedené tabulce. Základní značení adres vychází z normy a užívá se název tzv. ISO PROGRAMOVÁNÍ. Je známo, že norma je předpis doporučující, proto firmy vyvíjející řídicí systémy CNC strojů (např. Heidenhain, Siemens, Mazak, FANUC, …), které se normou řídí, ale jen do určité míry. Každá firma chce být něčím unikátní, proto dochází u některých adres a významových části příkazů k odlišnostem například u tzv. DÍLENSKÉHO (Dialogového) PROGRAMOVÁNÍ. Písmeno
Význam
158
N
Číslo bloku (může či nemusí být uvedeno, slouží pro lepší orientaci v programu)
X, Y, Z
Základní osy souřadného systému ( souřadnice v osách X, Y, Z )
A, B, C
Rotace kolem základních os
U, V, W
Paralelní pohyb se základními osami
G
Přípravná funkce (geometrická), zadávají se geometrické informace (přímka, kruh)
M
Pomocné funkce (přípravné), spouštějí činnost strojních mechanizmů (zapnutí a vypnutí otáček, řezné kapaliny)
F
Rychlost posuvu (udává se v mm na otáčku nebo v mm za minutu nebo v mm na zub)
S
Otáčky vřetena nebo hodnota konstantní řezné rychlosti (záleží na systému)
T
Volba nástroje
R
Hodnota rádiusu nebo polární souřadnice
Tab. 14.2. Význam nejpoužívanějších adres
14.3. Postup tvorby programu
Prostudování technického výkresu a volba technologie obrábění. Volba polotovaru a upnutí součásti před programování. Zvolit vhodný nástroj a vyplnit seřizovací list pro nástroje. Založení programu pod určitým jménem (dle výkresové dokumentace). Název programu bude prvním řádkem NC programu, před kterým bude nejčastěji symbol % nebo velké písmeno P. Zadání rozměrů polotovaru, nulového bodu součásti a způsobu programování. Volba nástroje s příslušnými řeznými podmínkami. 159
Předchozím třem bodům se říká tzv. HLAVIČKA PROGRAMU, ve které jsou zadány základní informace o obráběné součásti. Za hlavičkou následuje tzv. TĚLO PROGRAMU, ve kterém jsou zadávány informace o pohybu nástroje dle konkrétního výkresu. Tělo programu lze rozčlenit na: hlavní programovou část (hlavní program) říká nám JAK a ČÍM – technologie a vedlejší programovou část (podprogram) popisující KDE – souřadnice. Po napsání těla programu následuje blok ukončující celý program tzv. KONEC PROGRAMU. K ukončení programu je možno využít více funkcí, ale nejpoužívanější je funkce M30. Při vytvoření programu následuje fáze tzv. SIMULACE, ve které je možno odhalit hrubé chyby a tím předejít možným komplikacím při uvedení programu do výroby na CNC stroji. Vyzkoušený program lze poté přenést na CNC stroj, na kterém se provede ODLADĚNÍ programu, na kterém se ověřuje vhodnost použitých nástrojů, řezné podmínky, způsob a tuhost upnutí apod. Konečným bodem je samotná výroba součásti
14.4. Uplatnění počítačové podpory v obrábění a její struktura Neustálý tlak konkurence nutí konstruktéry a technology pracovat na nových řešeních a potýkat se s novými problémy. Zkrácení výrobních časů, zlepšení kvality, rychlá změna výrobního programu a jiné nutné změny, to jsou jen některé aspekty, které se musí řešit. Východiskem pro řešení složitých situací, které se velmi často v praxi objevují, je použití integrované výroby počítačem (CIM – Computer Integrated Manufacturing) a s ním související CAD/CAM systémy. Nasazení počítačem řízených obráběcích strojů samo o sobě nestačí. Důležitá je kvalifikovaná obsluha stroje a osoba technologa programátora, který je schopen připravit kvalitní programy. Rychlost a kvalita zaškolení zmiňovaných pracovníků závisí také na zvoleném CAD/CAM systému. Ten by měl být uživatelsky nenáročný, přehledný, snadno ovladatelný a intuitivní. V rámci všeobecných trendů v počítačově podporované výrobě (CIM) vyvstává úloha použít data o obrobku vytvořené v CAD systému i na automatické měření obrobků na souřadnicových měřících strojích. Některé CAM systémy nabízí při práci volbu role uživatele: začátečník, pokročilý, atd. Rovněž může pomoci pro snadnou a rychlou výuku průvodce obráběním.
160
Všeobecně se vývojoví pracovníci programující moduly CAM systémů se snaží zjednodušit a ulehčit práci programátorů CNC strojů vytvářením softwarů s uživatelsky jednoduchou a intuitivní obsluhou. Mnoho velkých a malých firem, ale také i osob samostatně výdělečně činných se snaží v současné době zavést do výrobního procesu počítačem řízené obráběcí stroje. Nutnost tohoto kroku vysvětluje konkurenční prostředí. Produktivita, efektivnost, přesnost a rychlost výroby jsou rozhodující existenční faktory firmy. Hlavní uplatnění CAD/CAM systémů je v oblasti výroby forem, zápustek a jiných tvarově složitých součástek v různých odvětvích strojního průmyslu (hlavně kosmického, leteckého a automobilového). Tento známý fakt o použití je výsadou dřívější doby – doby počátku zavádění CNC systémů a CAM systémů. V dnešní době se CAD/CAM systémy uplatňují i v běžné strojírenské výrobě. Nové technologie nasazované v oblasti obrábění (např. suché obrábění, HSC obrábění, tvrdé obrábění) popř. uplatnění nových pracovních cyklů u řezných nástrojů, si vyžaduje nasazení počítačem řízených číslicových strojů (CNC) do výroby. Uplatnění těchto strojů je jak v sériové - s možností doplnění manipulátorem obrobků a napojení na DNC síť, tak i v kusové výrobě, kde se především počítá s jejich pružností. Se zpracováním technologie souvisí i realizace některých speciálních operací jako je hrubování složitých rotačních nebo nerotačních tvarů ve víceosém režimu obrábění. Řešená technologie je podmíněna možnostmi jednotlivých pracovišť NC strojů. Výrobci CAD/CAM softwarů se také zaměřují a specializují na různé oblasti strojírenské výroby, např. na obrábění elektrod, obrábění v oblasti uměleckého řemesla a tvorby reliéfů, softwary pro řemeslníky pracující se dřevem, rytce, výrobce nábytku, zakázkovou výrobu, výrobce prstenů a šperků a dalších. (zástupcem umělecké specializace je např. MasterCAM X2 Art).
Vývojové etapy CAD / CAM systémů Pro rozvoj systémů počítačové podpory výrobního procesu existuje několik mezníků, ve kterých proběhl zásadní zvrat v technické i organizační koncepci výroby:
1950 - prvopočátek kreslení – vynález světelného pera. 1952 - aplikace numericky řízených strojů. 1960 - řízení pomocí číslicového počítače. 1970 - vznik koncepce CNC a DNC strojů. 1980 - první realizace pružných výrobních buněk, uplatnění skupinové technologie, aplikace pružných výrobních systémů.
161
1990 - integrované CAD/CAM systémy, systémy pro plánování a řízení výrobního procesu, plné uplatnění filozofie CIM.
Prvopočátek kreslení na počítači je spojen s vynálezem světelného pera v roce 1950. Nakreslený obraz zůstával elektrostaticky zachycen na stínítku obrazovky, která sloužila zároveň jako paměť. Tohoto nápadu se ujala (jak to už bývá) armáda. Tento vynález našel praktické uplatnění u protivzdušné obrany - radarového systému SAGE (Semi-Automatic Ground Environment) vyvinutý v MIT Lincoln labs. Tento počítačem vybavený stroj dokázal vypočítat budoucí trasu letounu, na základě dat vložených právě světelným perem. Byl zde použit tehdejší nejsilnější počítač světa. Myš byla zcela neznámá periferie do r. 1965 a tak se kreslilo světelným perem na obrazovku jako na digitální papír. Světelné pero později nahradil tablet. Počítačem podporované systémy pro integrovanou podporu návrhu a podporu výroby součásti vznikly postupným slučováním CAD, CAM, CAPP modulů s rozvojem výpočetní techniky. Tento rozvoj souvisel především s vývojem grafických adapterů a hardwaru. Před jejich zavedením nebylo možné vytvářet grafickou podobu výkresové dokumentace, tvořit modely, nebo sestavy. Nebylo možné, tak jako je tomu dnes, tímto způsobem zjednodušit práci. Počítačová podpora byla soustředěna pouze do oblasti výpočtů. První počítače s možností interaktivního ovládání grafiky, byly vynalezeny na počátku 60. let minulého století, ve firmách General Motors, Lockhead, NASA a Bell Labs. Největšími distributory výpočetní techniky se potom staly společnosti IBM, DEC, Control Data a Texas Instruments. V roce 1960 se mladý student, Ivan Sutherland, pracující jako asistent v MIT, rozhodl vypracovat svojí disertační práci zaměřenou na aplikaci počítačů v počítačové grafice a návrhu. Projektem byl kreslící program dokončený v r. 1962 a nazýval se Sketchpad. Mnohými je označován za začátek historie CAD. Podobné aktivity v tomto oboru vyvíjela i firma General Motors ve spolupráci s IBM (DAC-1). V roce 1966 Sutherland vynalezl HMD (Head Mounted Display), jak název napovídá, jednalo se o prapředka virtuální reality. Toto období je charakteristické použitím velkých počítačů, vektorově zobrazujících terminálů a softwarem napsaným v assembleru velmi primitivním způsobem. Vlastnictví takového zařízení bylo výsadou velkých automobilek a vývojových laboratoří. Širšímu použití bránila obrovská cena. Nástup minipočítačů a hardwarová zlepšení zobrazovačů firmou Tektronix pomohly snížit cenu a akcelerovat rozšíření. Typický systém řady PDP-11 byl v roce 1970 složen z 16-ti bitového počítače s 8-16 kB hlavní paměti, diskem o velikosti 2,5-10 MB pro data a 11-ti palcovou obrazovkou. Kreslící software se většinou omezoval na jednoduché 2-rozměrné úlohy. Operační systém si buď výrobce počítače napsal od začátku podle svého návrhu, nebo prostě zmodifikoval konkurenční produkt. O systém se dělili až 4 uživatelé. Cena se pohybovala od 100 tis. do 600 tis $. Grafika 162
dlouho zůstávala vektorová. Nedalo se však hovořit o větší rychlosti práce oproti klasickému rýsování, například chtěl-li konstruktér smazat 1 čáru, pak musel smazat celou obrazovku a pak dlouho čekat, než se znovu všechno zpátky postupně vykreslí. Použití rastrové grafiky jak je známa dnes se poprvé objevuje až koncem roku 1978. Obrazovky mají už poměrně dobré rozlišení 1024x1280 s 24bitovou hloubkou barev. V tuto dobu se začínají hýbat ledy také v počítačové grafice, rodí se výpočetní algoritmy pro zobrazování skrytých ploch. Významným způsobem na zrodu klasické grafiky se podílela Univerzita ve státě Utah, přitahující budoucí zakladatele a manažery velkých firem jako je SGI, Adobe, atd. V roce 1979 je specifikován známý 3D průmyslový standard pro výměnu dat mezi konstrukčními systémy - IGES (Initial Graphic Exchange Specification), který je dodnes uznáván. CAM systém se rodí jako mladší bratr CAD v sedmdesátých letech. Může být definován jako využití počítačových systémů pro přípravu a řízení operací ve výrobním procesu. V roce 1961 firma Boeing zavádí do výroby první číslicově řízený stroj (NC). Děrné pásky nebo štítky pro archivaci dat se používaly téměř bez výjimky. Občas se v útrobách řídící jednotky stroje ukrývala feritová paměť. Zavedení počítačem řízených obráběcích strojů (CNC) do výroby znamenalo zvýšení jejich flexibility a zkrácení doby využité na seřízení stroje. Přínosem takového stroje je minimální zmetkovitost při podstatně vyšší produktivitě práce. Hlavní uplatnění takovýchto strojů je v malosériové až kusové výrobě. Ve velkosériové a hromadné výrobě se z ekonomických důvodů používali a stále se používají vačkové automaty (např. výroba šroubů). Během 70tých let minulého století bylo vyvinuto několik desítek systémů pro podporu návrhu. V průběhu jejich provozu se začaly projevovat zásadní odlišnosti v kvalitě provedení a flexibilitě, proto některé zanikly. Naopak ty systémy, které se dokázaly udržet, našly své využití i mimo oblast vývojových pracovišť. Počátky 80tých let byly charakteristické nástupem velkých společnosti (např. Unix), které začaly produkovat náročné, velmi komplexní softwarové systémy na úkor starších systémů. Došlo také zásadnímu průlomu technologií podpory návrhu a výroby, především díky velkému rozvoji CNC řízených strojů, které začaly efektivně využívat CAD data z oblasti návrhu. Postupným prolínáním obou systémů vznikly první CAD/CAM systémy. Nejvýznamnější společností, která investovala peníze do rozvoje CAD/CAM systémů byla společnost Computervision, která zaujímala dominantní postavení v leteckém a automobilovém průmyslu. Začátkem 90. let minulého století vyrazila do popředí pětice společností produkující výkonnostně a cenově blízké systémy pracující pod Unixem, čtyři americké (Electronic Data Systems, Unigraphics, Strategic Directions in Computing Research, 163
Parametric Technology Corporation) a dvě francouzské (Marta Datavision, Dasault Systems). Tyto společnosti vyráběly systémy výhradě pro strojírenství, v oblasti velkých CAD/CAM systémů dominují dodnes. Zajímavé je, že se program ještě nedávno (někde doposud) nahrával do stroje děrnou páskou. Důvodem nepoužívání disket anebo harddisků byla špatná spolehlivost těchto médií ve výrobních podmínkách. (prašnost, silná střídavá elektromagnetická pole, obsluha s nečistýma rukama vkládající disketu do mechaniky, apod.). Pro harddisk znamená také rychlou zkázu chvění a vibrace obráběcího stroje. Program na děrné pásce se stočil do ruličky, opatřil etiketou a uložil do prosklené skříňky sloužící jako archiv. Dnes jsou stroje stále více závislé na podnikové počítačové síti. Data se fyzicky vyskytují odděleně od stroje. Hotový výrobek se musí rychle certifikovaným způsobem změřit a to v současné době řeší počítačem řízený tří souřadnicový měřící stroj na přesné snímání prostorových souřadnic. Tento stroj přejímá přímo konstruktérova data v podobě průmyslového 3D standardu (nejčastěji IGES, VDA). Počítač vyhodnotí rozměrové odchylky proti modelu a obsluha obráběcího stroje na základě protokolu udělá korekci rozměrů. Stále více se zkracuje vzdálenost od okamžiku návrhu k hotovému výrobku.
14.5. Strukturu výroby součástí v CAD/CAM systémech Strukturu výroby součástí v CAD/CAM systémech, lze chápat jako souhrn činností probíhajících na jednotlivých rozhraních, které provázejí zhotovení výrobku, od počáteční fáze návrhu, až po konečnou fázi výroby, jejímž výsledkem je konkrétní výrobek. Sled těchto činností je schematicky znázorněn na následujícím obrázku.
164
Obr. 14.3. Proces vývoje výrobku při použití CAD/ CAM systémů
Obr. 14.4. Hierarchie výroby součásti pomocí CAD/CAM systémů Idea je v podstatě myšlenka, která představuje nejvolnější možný vstup do systémů, bývá omezena rozměrovými a jinými požadavky na budoucí vyráběné součásti.
CAD(Computer Aided Design) = počítačem podporovaný návrh. Je modul pro počítačovou podporu konstruování. Jedná se o konstrukční návrh nové součásti, kdy celá geometrie je interaktivním způsobem modelována a zobrazována ve skutečné reálné formě. Je to tedy souhrn prostředků pro vytváření geometrických modelů. Informace reprezentující geometrický model jsou uloženy v aplikačně sestavené databázi, která je základem pro další kroky v komplexním inženýrském řešení problému návrhu nového modelu. Myšlenka budoucího výrobku se přenese do počítače (tzv. vymodelování součásti), k tomu se využije některý ze softwarů, tzv. CAD programy. 165
Tvorba modelů se uskutečňuje pomocí různých konstrukčních prvků (bod, přímka, kružnice atd.). Jednotlivým hranám je možné přiřadit různé atributy např. barvu, typ čár, text, kóty. Prostorové modely mohou být reprezentovány jako drátové, plošné, nebo objemové. drátový model – je tvořen body, které jsou spojené v křivky, plošný geometrický model – je určen vrcholy, hranami a stěnami, objemový (solid) model – se skládá z geometrických těles zabírající určitý objem v prostoru. Při vytváření jednotlivých modelů se konstruktér nejčastěji setkává s následujícími příkazy: generování základních geometrických elementů např. body, přímky, kružnice atd., příkazy pro manipulaci s objekty tj. posuv, rotace, zrcadlení, zkosení, prodlužení, změnu měřítka, příkazy pro spojování elementů do požadovaného objektu a další. Výsledkem této práce jsou tedy modely, výkresy, sestavy, zjednodušeně CAD data, které tvoří důležitý faktor při integraci CAD systému s jinými CA systémy a aplikacemi pro jejich další využití např. import modelu do prostředí CAM.
CAM (Computer Aided Manufacturing) = počítačem podporovaná výroba. CAM označuje systém, který připravuje data a programy pro řízení numericky řízených strojů pro automatickou výrobu součástí. Tento systém využívá geometrické a další informace vytvořené ve fázi návrhu v systému CAD. Představuje v užším pojetí automatizované operativní řízení výroby na dílenské úrovni a zahrnuje i automatický sběr dat o skutečném stavu výrobního procesu, numericky řízené výrobní systémy, automatické dopravníky a automatické sklady. Produkty tohoto charakteru umožňují simulovat sled technologických operací při vlastní výrobě součásti. Simulují práci jednotlivých nástrojů v nejrůznějších technologiích obrábění, např. frézování, soustružení, vrtání, elektroerosivní obrábění, obrábění laserem, vodním paprskem atd.. Po prověření a odzkoušení bezpečného chodu výroby součásti je tímto modulem vygenerován program pro řízení NC, CNC strojů. CAM modul pracuje s geometrickými útvary v rovině i prostoru (modely součásti). Výsledkem činnosti CAM modulu je partprogram.
Partprogram je program součásti, který vypracovává CAM modul. Je tvořen sledem příslušných adres obsahující kódový zápis geometrie a technologie součásti. Tento sled adres jednoznačně popisuje obráběcí postup, který se pomocí postprocesoru 166
upravuje pro konkrétní obráběcí stroj. Při tvoření partprogramu je třeba vycházet z těchto údajů:
geometrie stroje (souřadný systém, orientace os, nulové body), geometrie polotovaru (možnost kolize, umístění obrobku v souřadné soustavě stroje), geometrie nástroje (rozměry, tvar, korekce dráhy nástroje a tvar obrobku), geometrie výsledného obrobku (daná výkresem-modelem součástí), technologické a řezné podmínky (procesní prostředí, řezná rychlost, posuv, hloubka řezu, apod.), ostatní podmínky důležité pro činnost obráběcího stroje (pozice nástrojů, korekcí atd.).
Postprocesor zpracovává informace z geometrického a technologického procesoru již s ohledem na konkrétní NC stroj a použitý řídící systém. Přihlíží k pracovním možnostem stroje a určuje rozmístění pozic nástrojů zásobníku nebo revolverových hlav. Dráhy nástrojů se transformují do souřadného systému stroje. Dále jsou určovány konečné otáčky vřetene a rychlosti posuvu a je prováděn výstup řídícího programu na některém nositeli informací v kódu a formátu bloku, ve kterém pracuje řídící systém CNC stroje. NC program je soubor číselných informací odděleně popisujících činnost stroje. Program se skládá z bloků (vět), zapsaných v jednom řádku. Vygenerovaný NC program se odešle na příslušný obráběcí stroj. Přenos na obráběcí stroj může být uskutečněn například:
pomocí sítí, bezdrátovým přenosem, fyzickým přenosem dat pomocí CD, flash disků apod. (Dříve se používaly děrné štítky, děrné pásky, magnetofonové pásky a diskety).
NC program se v řídicím systému stroje ještě znovu simuluje a tzv. odlazuje. Operátor NC stroje upne do příslušných nástrojových pozic nástroje, provede seřízení nástrojů a do tabulky korekcí zadá příslušné nástrojové korekce, připraví a upne polotovar. Dále pak následuje samotné obrábění.
14.6. Rozdělení CAD/CAM systémů CAD/CAM systémy představují integraci mezi CA systémy. A to mezi CAD a CAM systémem. Pojem CAD/CAM systém můžeme chápat v těchto rovinách:
CAD/CAM systém jako útvar v rámci podnikového CIM, CAD/CAM jako technologie, CAD/CAM jako software. 167
Rozdělení CAM systému je v podstatě podobné jako u systému CAD. CAM systémy můžeme dělit podle několika kritérií. Hlediska dělení mohou být různá a to např. podle ceny, podle použití nebo podle podpory ze strany výrobce daného software. CAM systémy mohou být rozlišovány dle velikosti systému. Velikosti systému myslíme konkrétní využití dané aplikace (množství doplňků nadstaveb, obráběcích operací atd.). CAD/CAM systém jako počítačem podporovaný útvar v rámci CIM znamená, že tento systém zabezpečuje všechny činnosti a funkce spadající pod oba CA systémy, s propojením na přímé vazby na ostatní CA systémy. Pod pojmem CAD/CAM lze chápat také technologii, která využívá počítače pro vykonávání určitých funkcí v předvýrobních etapách i v samotné výrobě. Tato technologie představuje maximální možnou integraci přípravných a výrobních procesů ve všech průmyslných činnostech. Vyvíjí se směrem k vyšší integraci předvýrobních a výrobních fází, které byly tradičně chápány jako oddělené činnosti výrobního podniku. Třetí pojem pro většinu technické veřejnosti znamená nejvýznamnější představa o CAD/CAM systému jako o softwaru. Všechny CAD/CAM systémy (ať jsou na jakémkoli stupni vývoji) mají společné tyto aspekty:
počítačovou grafiku, společnou databázi, grafickou vizualizaci.
Společná databáze umožňuje tvorbu principu modulárnosti. To znamená, že každý CAD/CAM se skládá z několika samostatných modulů, přitom je možné využívat výsledky jiných modulů právě přes společnou databázi. Počet a rozsah modulů závisí na konkrétní úloze, která se řeší pomocí CAD/CAM systémů. V podstatě všechny CAD/CAM softwary mají několik základních modulů, které tvoří tzv. funkční minimum CAD/CAM systémů. K tomuto minimu je možné přidávat další moduly s různým zaměřením a účelem. Podle úrovně systémů a na základě ceny lze CAM systémy rozdělit na:
malé CAM systémy, střední CAM systémy, velké CAM systémy.
168
Další zdroje Seznam další literatury, www odkazů ap. pro zájemce o dobrovolné rozšíření znalostí popisované problematiky. [5.]
[6.]
[7.]
[8.]
PBS VELKÁ BÍTEŠ, Středisko praktického vyučování. Obecný úvod do problematiky CNC programování [online]. Velká Bíteš, neuvedeno [cit. 201405-15]. Operační program Vzdělávání pro konkurenceschopnost, CZ.1.07/1.1.01/02.0084. Dostupné z: http://www.sosbites.cz/images/stories/VUKOV_TEXT_-_1.ST.pdf . Výukový materiál. Středisko praktického vyučování PBS Velká Bíteš, Vlkovská 279, Velká Bíteš. SADÍLEK, Marek. Počítačová podpora výroby [online]. VŠB-TU Ostrava, Fakulta strojní, Studijní opora. 2010/2011 [cit. 2014-05-04]. Dostupné z: http://www.346.vsb.cz/Počítačová%20podpora%20výroby.pdf Učebnice CNC [online]. Žďár nad Sázavou, 8.5.2005 [cit. 2014-05-15]. Dostupné z: http://sstzr.cz/download/cat1/ucebnicecnc.pdf. Učebnice. Střední škola technická, Žďár nad Sázavou. Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj, Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/03.0009. Historie CNC strojů [online]. neuvedeno, 25.5.2011 [cit. 2014-05-15]. Dostupné z: http://coptel.coptkm.cz/reposit.php?action=0&id=22926&instance=2. Studijní materiál. COPTEL Internetový portál.
169
15 G-kód G-kód (ISO-kód) je název programovacího jazyka, který řídí NC a CNC obráběcí stroje. Byl vyvinut společností EIA počátkem šedesátých let, konečná verze byla schválena v únoru 1980 jako RS274D. Díky nedostatkům ve vývoji, mnoha variantám nastavení obráběcích strojů a nízkým požadavkům na součinnost se jen málo řídicích systémů CNC drží tohoto standardu. Nezávisle na výrobci jsou přidávány různé změny a rozšíření pod dojmem, že obsluha musí toto všechno znát. Mnoho výrobců se snažilo překonat tento problém zpětnou kompatibilitou s řídicím systémem Fanuc. Fanuc se neshoduje se standardem RS-274, je pomalý v přidávání nových vlastností a i ve využívání stále většího výpočetního výkonu. Například, změnil g70/g71 na g20/g21; používal oblé závorky pro komentáře, což způsobilo potíže po představení matematických výpočtů; nedávno začal používat nanometry (potřeba 64 bitů); uvedl také systém NURBS ke zrychlení čtení bloků z paměti. G-kód (přípravné funkce) je rovněž název pro jakýkoliv řetězec znaků v NC programu, které začíná písmenem G. Obecně je to kód, který říká obráběcímu stroji, jakou akci má vykonat:
rychlé polohování posuvný pohyb po přímce nebo oblouku vrtání, řezání výměna palety nastavení nástroje (např. offset)
Různé obráběcí stroje, mohou pomocí stejného kódu vykonávat různé funkce: dokonce i stroje se stejným řídicím systémem. Někteří lidé se mylně domnívají, že Gkód systému Fanuc je standardem. Standardizovaná verze G-kódu, známá jako BCL, se používá pouze na několika strojích. Jednoduché vytváření G-kódu umožňuje CAM software (např. Smartcam, Gibbscam, Featurecam, Edgecam, Surfcam, Mastercam, OneCNC atd.). Tyto aplikace využívají ke generování G-kódu překladače zvané post-procesory. Post-procesory jsou často jednoduše nastavitelné a umožňují uživateli přizpůsobit se obráběcímu stroji dle potřeby. G-kód vytváří také některé CAD systémy používané pro navrhování tištěných spojů. Takový software se musí přizpůsobit jakémukoliv obráběcímu stroji.
170
15.1. Použití vybraných přípravných (G- funkcí) a pomocných funkce (M- funkce) dle normy ISO 6983 Norma ČSN ISO 6983 rozlišuje funkce v řadě G00 – G99 a M00 – M99 , které jsou závazné. Ovšem některá místa v řadách jsou neobsazena a výrobci těchto míst využívají ke svým programovacím funkcím. Proto se běžně stává, že stejná funkce má více významů (systém od systému). Funkce uvedené v této kapitole jsou však závazné a totožné u všech řídících systému nezávisle na výrobci tzv. ISO PROGRAMOVÁNÍ
Způsoby programování Při tvorbě programu je snaha popsat dráhu nástroje co nejjednodušší způsobem při zachování všech požadavků zadané výkresovou dokumentací. Většinou se používají dva způsoby programování:
Absolutní programování – G90
Souřadnice všech programovaných bodů se zadávají k předem zvolenému počátku souřadnic tzv. NULOVÉMU BODU (kótování od základny). Č. bodu Souřadnice X Souřadnice Y 1
10
10
2
30
20
3
50
30
Tab. 15.1. Určení polohy bodů v absolutních souřadnicích
171
Obr. 15.1. Určení polohy bodů v absolutních souřadnicích
Inkrementální (přírůstkové) programování – G91
Souřadnice všech programovaných bodů se zadávají vzhledem k PŘEDCHOZÍMU BODU (naposledy naprogramovanému bodu nástroje), tzn. každý předchozí bod je současně považován za bod nulový (řetězcové kótování). Č. bodu Souřadnice X Souřadnice Y 4
10
10
5
20
10
6
20
10
Tab. 15.2. Určení polohy bodů
Obr. 15.2. Inkrementální programování 172
Obr. 15.3. Příklad soustružení
Obr. 15.4. Příklad frézování
Přípravné funkce (G- funkce)
Za adresou funkce následuje významová část skládající se ze dvou číslic upřesňující relativní pohyb nástroje a obrobku (podmínky a druh pohybu) Funkce
Význam
G00
Rychloposuv - lineární interpolace maximálním posuvem
173
G01
Lineární interpolace – pohyb po přímce zadanou hodnotou posuvu F
G02
Kruhová interpolace - pohyb po kružnici v směru hodinových ručiček (CW clockwise)
G03
Kruhová interpolace - pohyb po kružnici proti směru hodinových ručiček (CCW counterclockwise)
G17
Volba pracovní roviny X/Y
G18
Volba pracovní roviny Z/X
G19
Volba pracovní roviny Y/Z
G40
Bez korekce rádiusu
G41
Korekce dráhy nástroje vlevo od obrysu (sousledné frézování)
G42
Korekce dráhy nástroje vpravo od obrysu (nesousledné frézování)
G54 G57
Absolutní posunutí nulového bodu
G90
Absolutní programování
G91
Inkrementální (přírůstkové) programování
G92
Omezení otáček stroje
G94
Posuv v milimetrech za minutu [min-1]
G95
Posuv v milimetrech za jednu otáčku [mm]
G96
Zapnutí konstantní řezné rychlosti vc = konst.
G97
Vypnutí konstantní řezné rychlosti n = konst.
Tab. 15.3. Seznam G-funkcí G00 – Rychloposuv Funkce G00 se používá pro rychlé přestavení nástroje, neboli nástroj NENÍ v řezu ani v kontaktu s obrobkem. Nástroj se pohybuje maximální konstrukční rychlostí stroje z výchozích souřadnic (bod A) do cílových souřadnic (bod B) po přímkové dráze. 174
Zápis bloku: N... G00 X… Y… Z… X, Y, Z – souřadnice cílového bodu B
Obr. 15.5. Princip funkce G00
Obr. 15.6. Příklad bloku programu obsahující funkci G00 G01 – Lineární interpolace (pohyb po přímce) Funkce G01 se používá při pracovním pohybu nástroje (nástroj obrábí) nebo pohybu nástroje v blízkosti obrobku či přípravků. Nástroj se pohybuje pracovním posuvem F (hodnotu zadává technolog) z výchozích souřadnic (bod A) do cílových souřadnic (bod B) po přímkové dráze. Zápis bloku: N... G01 X… Y… Z… F… X, Y, Z – souřadnice cílového bodu B 175
F – pracovní posuv nástroje
Obr. 15.7. Princip funkce G01
Obr. 15.8. Příklad bloku programu obsahující funkci G01 G02 – Kruhová interpolace ve směru hodinových ručiček Pohyb nástroje se realizuje po kruhovém oblouku o poloměru R pracovním posuvem F ve směru hodinových ručiček z výchozích souřadnic (bod A) do cílových souřadnic (bod B). Lze se setkat s označením pohybu tzv. CW, což vychází z anglických slov (clockwise) ve směru hodinových ručiček. Zápis bloku: N... G02 X… Y… Z… R… F… ( I.. J... K…) X, Y,Z – hodnota souřadnic cílového bodu B R – poloměr zaoblení (rádius) 176
F – posuv I – souřadnice středu kruhu v ose X J – souřadnice středu kruhu v ose Y K – souřadnice středu kruhu v ose Z
Obr. 15.9. Princip funkce G02
Obr. 15.10. Příklad bloku programu obsahující funkci G02 G03 – Kruhová interpolace proti směru hodinových ručiček Pohyb nástroje se realizuje po kruhovém oblouku o poloměru R pracovním posuvem F proti směru hodinových ručiček z výchozích souřadnic (bod A) do cílových souřadnic (bod B). Lze se setkat s označením pohybu tzv. CCW, což vychází z anglických slov (counterclockwise) proti směru hodinových ručiček. 177
Zápis bloku: N... G03 X… Y… Z… R… F… ( I.. J... K…)
Obr. 15.11. Princip funkce G02
Obr. 15.12. Příklad bloku programu obsahující funkci G02 G17, G18, G19 – Volba pracovní roviny Obrábění obrobku lze provádět v každé ze tří základních pracovních rovin X-Y, X- Z, Y-Z. Pro výběr požadované roviny musí být uvedena jedna příslušná G – funkce před uvedením souřadnic pohybu nástroje.
178
Obr. 15.13. Volba pracovní roviny pro vertikální frézku U tříosých vertikálních frézek se používá nejčastěji programování v rovině X-Y, tedy programování pomocí přípravné funkce G17. G40, G41, G42 – Korekce rádiusu břitu ve směru pohybu Funkce korekce rádiusových korekcí umožňuje programovat rovnou jednotlivé body kontury obrobku bez ohledu na poloměr zaoblení špičky nástroje (frézy) viz obrázek. Korekce zaoblení špičky je důležitou funkcí pro zaručení rozměrové a geometrické přesnosti obráběné součásti. Pokud by nebyly brány v úvahu, docházelo by k odchylkám mezi naprogramovanou trajektorií nástroje a obrobeným tvarem (konturou) obrobku. Výroba by se vyznačovala velkým množstvím neshodných výrobků (zmetků). Podle ČSN ISO 6983 platí: G40 – bez korekce - neuvažuje se (u frézování – osa nástroje) G41 – vlevo od kontury obrobku vzhledem k pohybu nástroje (obrobku) G42 – vpravo od kontury obrobku vzhledem k pohybu nástroje (obrobku) Zápis bloku: N... G41 X… Y… Z… (více v kapitole 3)
179
G54 – G57 - Absolutní posunutí nulového bodu Funkce posunutí nulového bodu slouží k přemístění nulového bodu stroje do nových souřadnic v závislosti na zakótování (rozměrech) výrobního výkresu z důvodu minimalizace výpočtu souřadnic. Pokud by se měli při programování vztahovat souřadnice k nulovému bodu stroje, který je definován výrobcem a je neměnný, bylo by nutno ke všem rozměrům obrobku připočítávat rozměry polotovaru a upínače (viz obrázek – souřadnice XMW, YMW, ZMW). Tímto vzniká prostor pro velké množství chyb způsobený špatným výpočtem. Proto je zde možnost přesunout (softwarově) nulový bod stroje na libovolné místo v pracovním prostoru a vytvořit tzv. nulový bod obrobku. Zápis bloku: N... G54 X… Y… Z…
Obr. 15.14. Posunutí nulového bodu – Vytvoření nulového bodu obrobku M Důležité je si uvědomit, že souřadnice v programu mohou být definovány pouze k jednomu nulovému bodu (jen jeden aktivní nulový bod). Celkově však lze definovat v paměti stroje aţ čtyři nulové body. Polohu nulového bodu si programátor volí většinou sám s ohledem na tvar součástky a zvyklosti. Váží se k němu všechny programované souřadnice drah v NC programu. Většinou se nulový bod obrobku u soustružení volí na čelní ploše součástky a u frézování na nejbližší ploše k vřetenu součástky, viz obrázek. G92 – Omezení otáček stroje Touto funkcí limitujeme velikost otáček stroje v programu. Nastavíme maximální možné otáčky stroje, které lze při programování (obrábění) využít. Využívá se převážně v kombinaci s funkcí G96 jako ochranný prvek (pokud bude vc=konstantní, ØD= nekonečně malá hodnota => n= nekonečně velká hodnota). Zápis bloku: N... G92 S… Př: N10 G92 S4000 => maximální možné otáčky stroje jsou n = 4000 m.min-1.
180
G94 – Posuv v milimetrech za minutu [min-1] Funkce definuje: o kolik milimetrů se nástroj posune za jednu minutu a zároveň hodnotu pracovního posuvu, kterou se nástroj má pohybovat, když není zadáno jinak. Zápis bloku: N... G94 F… Př: N10 G94 F130 => za jednu minutu se nástroj posune o 130 mm G95 – Posuv v milimetrech za jednu otáčku [mm] Funkce definuje: o kolik milimetrů se nástroj posune při jedné otáčce nástroje (frézování) nebo obrobku (soustružení) a zároveň hodnotu pracovního posuvu, kterou se nástroj má pohybovat, když není zadáno jinak. Zápis bloku: N... G95 F… Př: N10 G95 F0.15 => za jednu otáčku se nástroj posune o 0,15 mm G96 – Zapnutí konstantní řezné rychlosti vc = konst. [m.min-1] Je známo, že velikost řezné rychlosti je závislá na průměru obrobku (soustružení) nebo nástroje (frézování) podle vztahu:
neboli, čím menší bude průměr D, tím větší budou otáčky. Funkce G96 zabezpečuje dodržování zadané hodnoty řezné rychlosti bez ohledu na průměr D, tedy plynule mění hodnotu velikosti otáček vzhledem k průměru D. Zápis bloku: N... G96 S… Př: N10 G96 S220 => hodnota řezné rychlosti je konstantní vc = 220 m.min-1. Na hodnotu velikosti řezné rychlosti nemá vliv měnící se průměr obrobku (soustružení) nebo nástroje (frézování). G97 – Vypnutí konstantní řezné rychlosti n = konst. [mm] Funkce G97 ruší funkci G96. Zadáním této funkce zajistíme, že obrábění bude probíhat při konstantních otáčkách. Zápis bloku: N... G97 S… Př: N10 G96 S1300 => otáčky obrobku (soustružení) nebo nástroje (frézování) při obrábění se nemění, jsou konstantní, n = 1300 min-1.
Pomocné funkce (M- funkce)
181
Za adresou funkce následuje významová část skládající se ze dvou číslic vyjadřující činnosti CNC stroje (např. zapnutí a vypnutí otáček vřetene či hlazení, výměna nástroje, konec programu) Funkce Význam M00
Programové zastavení. STOP vykonávání programu včetně zastavení vřetena a chlazení do doby opětovného startu stroje.
M03
Spuštění otáček vřetena ve smyslu hodinových ručiček. (CW)
M04
Spuštění otáček vřetena proti smyslu hodinových ručiček. (CCW)
M05
Zastavení otáček vřetena.
M06
Výměna nástroje.
M08
Zapnutí chlazení.
M09
Vypnutí chlazení.
M17
Konec podprogramu.
M30
Konec programu
Tab. 15.4. Seznam pomocných M-funkcí M00 – Programové zastavení Řídicí systém zastaví chod programu a stroje (vypnutí otáček, chlazení) do doby potvrzení opětovného startu stroje (od obsluhy). Funkce se využívá v místech, ve kterých je potřeba zastavit probíhající program na konkrétním místě z důvodu např. kontroly rozměru obrobku, odstranění třísek z místa řezu, výměny a kontroly nástroje.
Zápis bloku: N... M00 M03 – spuštění otáček vřetena ve smyslu hodinových ručiček (CW) M04 – spuštění otáček vřetena proti smyslu hodinových ručiček (CCW) Tyto funkce zabezpečují spuštění hlavního řezného pohybu umožňující odebírání materiálu. U soustruhu se jedná o rotační pohyb obrobku a u frézování o rotační pohyb nástroje. Zápis bloku: N... M03 nebo N… M04 Směr rotace vřetena se určuje z pohledu kladné osy Z, neboli od vřetena stroje, nikoliv z pohledu obsluhy, viz obrázek. 182
Jednodušší vysvětlení u soustružení: pokud je nástroj před nebo pod osou soustružení při použití pravého nože jedná se o funkci M03 a pokud je nástroj za nebo nad osou soustružení při použití pravého nože jedná se o funkci M04.
Obr. 15.15. Smysl rotace otáček dle příslušných funkcí M03 a M04 M05 – Zastavení otáček vřetena Zápis bloku: N... M05 M06 – Výměna nástroje Řídicí systém zajistí výměnu nástroje dle konkrétních příkazů.
Zápis bloku: N... M06 T… D… S… T 01 – nastavení nástroje v pozici 01 (otočení nástrojové hlavy, zásobníku) D 07 – vyznačují délkové korekce nástroje zadané v tabulce nástrojů S 2000 – otáčky vřetene (někdy hodnota řezné rychlosti) M08 – Zapnutí chlazení (chladící kapaliny) Zápis bloku: N... M09
M09 – Vypnutí chlazení (chladící kapaliny) Zápis bloku: N... M09
M17 – Konec podprogramu Využívá se u rozvětvených programů obsahující podprogramy. Funkce zajistí návrat řídicího systému z podprogramu do hlavního programu a to na řádek, který je hned za blokem odkazující se na podprogram. Zápis bloku: N... M17 183
M30 – Konec programu Příkaz ukončí hlavní program se všemi podprogramy a činnostmi souvisejícími s obráběním (stop otáček, chlazení). Zároveň zabezpečí návrat na začátek hlavního programu (restart programu). Tento blok by měl být na konci kaţdého programu z důvodu bezpečnosti.
Zápis bloku: N... M30
Pevné cykly Pevné cykly slouží ke zjednodušení programu a jeho zkrácení. Pevné cykly obsahují funkce G00 a G01 o daném algoritmu, pomocí kterých stačí zadat základní vstupní hodnoty, a tak si systém dopočítá souřadnice drah nutných ke splnění úkolu. Pevné cykly (G64 – G85) byly sestaveny pro nejpoužívanější obráběcí operace. Při programování pevných cyklů je důležité si uvědomit, že nástroje se vždy po splnění cyklu vrátí zpět do výchozích souřadnic (místo startu cyklu) Funkce
Význam
Technologie
G64
Podélný hrubovací cyklus
Soustružení
G66
Zapichovací cyklus
Soustružení
G68
Čelní hrubovací cyklus
Soustružení
G73
Vrtací cyklus s přerušením
Soustružení, Frézování
G78
Závitový cyklus s vertikálním přísunem
Soustružení
G79
Závitový cyklus s bočním přísunem
Soustružení
G81
Vrtací cyklus
Soustružení, Frézování
G83
Vrtací cyklus s výplachem
Soustružení, Frézování
G85
Vyhrubovací – vystružovací cyklus
Soustružení, Frézování
Tab. 15.5 Seznam pevných cyklů 184
Cyklus G64 – Podélný hrubovací cyklus Využívá se k podélnému hrubování součástky s konečným začištěním čelní plochy a návratem do výchozí polohy. Odebírání třísky o hloubce H je prováděno, dokud nástroj nedosáhne požadovaných hodnot souřadnic koncového bodu X, Z. Všechny pracovní pohyby nástroje jsou vykonávány zadaným posuvem F a ostatní posuvy (přejezdy, odjezdy příjezdy) rychloposuvem stroje. Při posledním přejezdu dojde k začištění čelní plochy vzniklé vytvořením příslušného osazení. Po provedení posledního úkonu se nástroj vrací zpět do výchozí polohy, ze které byl cyklem volán. Zápis bloku: N... G64 X… Z… H… F… X, Z – souřadnice koncového bodu soustružení H – hloubka záběru příčného ostří ap v milimetrech F – posuv
Obr. 15.16. Příklad podélného hrubovacího cyklu Cyklus G68 – Čelní hrubovací cyklus Využívá se k čelnímu hrubování součástky s konečným začištěním válcové plochy a návratem do výchozí polohy. Tříska o zvolené hloubce H je odebírána kolmo k ose rotace obrobku pracovním posuvem aţ do programovaných souřadnic X, Z. Při posledním záběru třísky dojde k začištění válcové plochy a návratu do výchozí polohy. Je důležité si uvědomit, ţe pokud je navolena funkce G96 dochází se zmenšujícím se průměrem ke zvyšování otáček (je nutno navolit maximální mez otáček fcí G92) Zápis bloku: N... G68 X .. Z.. H.. F.. 185
X,Z - souřadnice koncového bodu H - hloubka záběru ostří ap v milimetrech F - posuv
Obr. 15.17. Příklad čelního hrubovacího cyklu Cyklus G66 – Zapichovací cyklus Funkce se nejčastěji využívá při tvorbě zápichů, jejichž šířka je větší než šířka nástroje. Před ukončením cyklu se celá obrobená plocha začistí přejezdem na hotovo. Pokud je zápich širší než šířka nástroje, je potřeba vhodně zvolit počáteční bod cyklu. Souřadnice Z udává šířku drážky včetně šířky řezné hrany nástroje směrem k začátku cyklu. Zápis bloku: N... G66 X.. Z.. H.. F.. X,Z - souřadnice koncového bodu zápichu H - šířka nástroje v milimetrech F - posuv v milimetrech
186
Obr. 15.18. Příklad zapichovacího cyklu
Vrtací cykly: Vrtací cykly jsou velmi využívány jak z hlediska rychlosti programování, tak z hlediska bezpečnosti. Samotný cyklus nám zabezpečí bezpečný řezný proces se všemi výjezdy a nájezdy. Programátorovi se minimalizuje oblast výskytu chyb, které by mohly programováním vzniknout.
Cyklus G81 - Vrtací cyklus Funkce se použije pro naprogramování vrtání na souřadnici (hloubka otvoru). Po vyvrtání se nástroj vrátí do počáteční polohy. Zápis bloku: N... G81 Z… F... Z - souřadnice hloubky vrtání F - posuv
187
Obr. 15.19. Příklad vrtacího cyklu Cyklus G73 - Vrtací cyklus pro hluboké vrtání Pod pojmem hluboké vrtání (hluboká díra) si lze představit zhotovení otvoru, jehož délka je alespoň desetkrát větší, než je průměr vrtáku L = 10 x Ø D Funkce se používá pro vrtání hlubokých otvorů s přerušením pracovního posuvu. Nástroj se pohybuje pracovním posuvem F a vždy pro vyvrtání hodnoty dráhy H (v ose Z) se pracovní posuv na okamžik zastaví. Dochází k řízenému dělení (lámání) třísky. Po vyvrtání otvoru do souřadnice Z se nástroj vrátí zpět do výchozí polohy. Zápis bloku: N... G73 Z... H... F… Z - souřadnice hloubky vrtání H – přírůstek přerušení ve směru vrtání F - posuv
188
Obr. 15.20. Příklad vrtacího cyklu pro hluboké vrtání Cyklus G83 - Vrtací cyklus pro hluboké vrtání s výplachem Vrtací cyklus pro vrtání hlubokých děr se zhoršenou tvorbou třísky (hůře obrobitelné materiály). Podobně jako u funkce G73 i zde dochází při vrtání hlubokých otvorů k zlomení třísek zastavením v předem naprogramované hloubce H. Mimo přerušení pracovního posuvu dále vrták vyjede z místa řezu (rychloposuvem) před obrobek a provede se výplach vrtaného otvoru chladicí kapalinou. Poté se nástroj vrátí do místa přerušení vrtu (rychloposuvem) a cyklus se opakuje až do zhotovení díry dané hloubky. Zápis bloku: N... G83 Z... H... F… Z - souřadnice hloubky vrtání H – přírůstek přerušení ve směru vrtání F - posuv
189
Obr. 15.21. Příklad vrtacího cyklu pro hluboké vrtání s výplachem Cyklus G85 – Vyhrubovací - vystružovací cyklus Funkce provede pracovním posuvem F vyhrubování či vystružení otvoru do požadované hloubky určené souřadnicí Z, a poté vyjíždí z místa řezu zpět do výchozí polohy pracovním posuvem F. Výjezd z místa řezu pracovním posuvem zabezpečí: rozměrovou přesnost, kvalitní povrch otvoru a hlavně bezpečný návrat nástroje, který by při rychlém výjezdu mohl být zničen (vyštípnutí ostří). Zápis bloku: N... G85 Z… F... Z - souřadnice hloubky vyhrubování či vystružení F - posuv
190
Obr. 15.22. Příklad vyhrubovacího - vystružovacího cyklu
Cykly soustružení závitů Cyklus G78 – Závitový cyklus s vertikálním přísuvem Cyklus G79 – Závitový cyklus s bočním přísuvem Závitové cykly slouží k řezání závitu pomocí soustružnického závitového nože. Celková hloubka závitové mezery (výška závitu) je rozdělena na třísky o stejné hloubce H. Nástroj při každém přejezdu odebírá materiál odpovídající zadané hodnotě H, mimo poslední tloušťku třísky, kterou systém automaticky vypočítá dle zadané hodnoty průměru (hodnota X). Cykly jsou stavěny pro obrábění metrických závitů, kde hodnota K vyjadřuje stoupání závitu. Cykly G78 a G79 se liší způsobem rozjíždění závitové drážky viz obrázky níže. Zápis bloku: N... G78 X… Z… H… K... Zápis bloku: N... G79 X… Z… H… K... X, Z - souřadnice malého průměru závitu (vnější závit - šroub), velkého průměru závitu (vnitřní závit - matice) H – hloubka záběru třísky K – stoupání závitu 191
Obr. 15.23. Řezání závitů s vertikálním přísuvem (kolmo k ose obrobku) nástroje
192
Obr. 15.24. Řezání závitů s bočním přísuvem nástroje
Obr. 15.25. Blok zápisu výroby závitu M20x1.5 v délce 50 mm
193
Další zdroje Seznam další literatury, www odkazů ap. pro zájemce o dobrovolné rozšíření znalostí popisované problematiky. [1.]
[2.]
G-kód. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 9. 3. 2013 [cit. 2014-05-15]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/G-kód PBS VELKÁ BÍTEŠ, Středisko praktického vyučování. Obecný úvod do problematiky CNC programování [online]. Velká Bíteš, neuvedeno [cit. 201405-15]. Operační program Vzdělávání pro konkurenceschopnost, CZ.1.07/1.1.01/02.0084. Dostupné z: http://www.sosbites.cz/images/stories/VUKOV_TEXT_-_1.ST.pdf . Výukový materiál. Středisko praktického vyučování PBS Velká Bíteš, Vlkovská 279, Velká Bíteš.
194
16 CNC stroje v prototypové laboratoři SAZE 16.1. ProtoMat E33 Jedná se o nejmenší frézku od firmy LPKF. Tato frézka je určena především pro nadšence či školy a univerzity. Velikost pracovní plochy frézky je přibližně o rozměrech A3. Přes malý frézovací rozměr si tato frézka zachovává vysokou přesnost a opakovatelnost výroby plošných spojů s rozlišením 0,6µm.
Obr. 16.1. Frézka E33 Rychlost vřetene je 33.000ot/min s rychlostí posuvu 50mm/s a početm otvorů 100/min,), opakovatelnost ±0,005mm (±0,02mil).
Návod k frézování plošného spoje pro mobilní robot
Export dat z Eaglu
195
Nejprve je potřeba z programu Eagle vyexportovat data potřebná k frézování plošného spoje. Jedná se v základu o čtyři soubory s informacemi o layoutu mědi a oblastech k odfrézování, okrajích desky a vrtaných otvorech. K tomu slouží CAM Procesor v okně pro návrh plošného spoje, který je možné spustit ikonou na vrchním panelu nebo cestou File/CAM Processor…
Obr. 16.2. Exportovací okno Eaglu V otevřeném okně je nutné postupně nastavit kombinace uvedené v následující tabulce. Po každém nastavení je zapotřebí vyexportovat příslušný soubor pomocí tlačítka Process Job. Druh dat
Zařízení (Device)
Soubor (File)
Vrstvy (Layers)
frézování motivu
GERBER_RS274X
top.gbr
Top Pads Vias
frézování ploch
GERBER_RS274X
rubout.gbr
Top Pads Vias Dimension
196
frézování okrajů
GERBER_RS274X
dimension.gbr
Dimension
vrtání otvorů
EXCELLON
drill.exc
Drills Holes
Tab. 16.1. Přehled podkladů nutných k exportu Spolu s danými daty se vygenerují vždy ještě soubory se seznamem nástrojů a tvarů vyskytujících se v přidružených datech. Samotné názvy souborů nejsou kritické a mohou být změněny. Pokud na desce mohou zůstat volné oblasti mědi, které nejsou s ničím spojeny, není zapotřebí exportovat data pro odfrézování měděných ploch (rubout.gbr).
Import dat do CircuitPro
Při zapnutí programu dojde k inicializaci spojení mezi počítačem a frézkou. Pokud by se vyskytly komplikace, je zapotřebí spojení inicializovat pomocí Machining/Connect…, případně vyřešit potíže s fyzickým propojením. Po spuštění programu by mělo být defaultně zvoleno frézování jednovrstvého plošného spoje s top vrstvou. O tom se můžeme přesvědčit v okně vrstev (Layers), ve kterém se nebude v názvech vrstev vyskytovat označení bottom, pouze top. V opačném případě je zapotřebí zvolit File/New… a z nabídky vybrat variantu SingleSided_Top.cbf. Následně zvolíme File/Import… a v otevřeném okně označíme všechny soubory vygenerované Eaglem (včetně souborů *.gpi a *.dri, celkem 8 souborů). V tabulce se seznamem souborů ve sloupci Layer/Template přiřadíme souborům *.gbr a *.exc příslušné vrstvy dle následující tabulky. dimension.gb
BoardOutline
r
top.gbr TopLayer rubout.gbr RuboutTop drill.exc DrillUnplated Tab. 16.2. Seznam souborů nutných k vyfrézovaní dané DPS Tím zajistíme přiřazení těchto vrstev ke správným technologiím a fázím výroby.
197
Obr. 16.3. Ukázka okna Importu
Generování cesty pro nástroje frézky
Před samotným zahájením frézování plošného spoje je zapotřebí podle návrhu vygenerovat cesty pohybu jednotlivých nástrojů. K tomu slouží ikona na horním panelu Generate insulation and contour rating toolpath, případně nabídka Toolpath/Technology Dialog… V otevřeném okně volíme vlastnosti procesu frézování, zda má být daný proces vykonán a také typ použitého materiálu.
198
Obr. 16.4. Ukázka Technologického okna V první oblasti Insulate je možné zvolit způsob vyfrézování motivu, kdy na výběr máme 4 varianty od vyfrézování pouze izolačních mezer až po odstranění veškeré mědi dle návrhu plošného spoje. Po otevření detailů (Show Details) je možné zvolit nástroje, které mají být použity a vlastnosti izolačních mezer. Při výběru varianty pro odfrézování veškeré mědi (Complete Rubout) necháme nastavení v defaultní podobě. V druhé oblasti volíme způsob vyfrézování okraje plošného spoje. Po otevření detailů (Show Details) můžeme vybrat u různých variant například šířku nevyfrézované mezery nebo délku frézovaných úseků. Důležité je zvolit variantu Outside – motiv bude vyfrézován vně obrysu z vrstvy Dimension. V poslední oblasti – Convert to Toolpath – necháme zatrženou pouze možnost Drills. Po otevření jejich detailů (Show Details) můžeme zvolit, zda se příslušné rozměry vrtáků budou volit automaticky nebo zda vybereme jeden konkrétní typ pro odvrtání 199
všech otvorů. Tato varianta je vhodná v situaci, kdy navržené otvory neodpovídají průměrům dostupných vrtáků. Při samotném návrhu plošného spoje v Eaglu je vhodné brát tuto skutečnost v potaz a všechny vrtané otvory upravovat. Je také vhodné nechat zatrženu možnost Create parking drills. Frázka otvory nejprve naznačí frézovacím nástrojem, vrták se pak tolik neopotřebovává a lépe se chytá do mědi. Po nastavení všech možností spustíme vygenerování tlačítkem Start. V okně Compupation Results vidíme, které nástroje budou pro výrobu plošného spoje použity včetně vzdáleností, které jimi budou vyfrézovány případně kolik děr s nimi bude navrtáno. Pokud nastanou během generování nějaké komplikace, budou v tomto okně uvedeny. Nejčastěji se týkají odlišnosti rozměrů vrtaných otvorů a dostupných nástrojů – otvory budou ignorovány, nebo příliš složitých oblastí motivu, které frézka nezvládne vyfrézovat.
Zahájení frézování
Ke spuštění frézování slouží Board Production Wizard dostupný v záložce Wizards nebo pod ikonou na horním panelu. Nejprve je zapotřebí umístit na frézku pomocný materiál a na něj pak připevnit desku cuprextitu pomocí lepicí pásky. Provedení této části potvrdíme tlačítkem Start.
200
Obr. 16.5. Naváděcí program pro frézování desek plošného spoje V dalším okně – Material Settings – Zvolíme typ používaného materiálu a jeho parametry. Nejčastěji se lze setkat s materiálem FR4, tloušťkou mědi 18 µm a tloušťkou cuprextitu 1,55 mm. Tloušťka používaného pomocného materiálu je 2 mm. Dále je nutné definovat použitelnou plochu. Jedním ze způsobů je manuální zaměření, kdy klikneme kurzorem do původního okna programu na znázorněnou plochu frézky a vyčkáme, až na dané místo v reálu přejede. Takto nastavíme frézovací hlavu nad levý spodní roh použitelné plochy a výběr zaznamenáme kliknutím na příslušnou ikonu v okně Material Settings. Stejně postupujeme při zaměření pravého horního rohu. Vybraná oblast se navíc na ploše frézky znázorní. Je nutné dbát na to, aby ani v okrajových pozicích nebyl frézovací nástroj ani ochranný kroužek hlavy nad upevňovací páskou, při frézování by docházelo k jejímu shrnování. Po nastavení těchto parametrů pokračujeme tlačítkem Continue.
201
Obr. 16.6. Výběr materiálu Dále se otevře okno Placement. V této fázi volíme polohu frézovaného motivu, jeho natočení a počet kopií. Přesunout motiv lze nejjednodušeji přímo v hlavním okně programu CurcuitPro metodou drag and drop. Jakékoliv změny v okně Placement potvrzujeme tlačítkem Apply, po dokončení nastavení pokračujeme tlačítkem Continue.
202
Obr. 16.7. Volba polohy motivu Nyní začne probíhat samotné frézování. To spočívá ze série kroků, mezi nimiž je zapotřebí manuálně měnit nástroje frézky. V programu se vždy objeví výzva k výměně nástroje se specifikací požadovaného nástroje a hlava frézky se přesune do levého předního rohu.
Obr. 16.8. Vyžadování frézovacího nástroje K výměně slouží šroubovák a plastový nástavec uložené napravo v pojezdu frézky.
203
Obr. 16.9. Vložení frézovacího nástroje do hlavy frézky Nástavec se nasune na nástroj a uvolní se zajišťovací šroubek. Poté se nástroj vyjme, uloží do krabičky a stejným způsobem se upevní nástroj požadovaný. Pro zvýšení životnosti nástrojů je zapotřebí nedotýkat se jejich kovových částí. Po kontrole dotažení zajišťovacího šroubku potvrdíme výměnu nástroje a frézka vykoná danou fázi výroby.
204
Obr. 16.10. Upevněný frézovací nástroj Během celého procesu dojde nejprve k navrtání děr včetně jejich předznačení, vyfrézování motivu plošného spoje od nejtenčího nástroje k nejširšímu a posléze k vyfrézování okraje plošného spoje, jehož součástí je navrtání míst pro zahájení frézování. Celý průběh práce je možné sledovat na ukazatelích a pohyb frézovacího nástroje v okně programu. Po dokončení práce se přesune hlava frézky do parkovací pozice vpravo vzadu a na obrazovce se objeví informace o ukončení výroby.
CNC TRON
Jedná se o výukovou stavebnici realizovanou v rámci bakalářské práce studentem Jakubem Kolaříkem. Tento CNC stroje pracuje v 2,5 D.
205
Obr. 16.11. Stavebnice CNC stroje TRON Frézovací hlava je opatřena vysokootáčkovou frézkou o výkonu 800W s rozsahem 10 000- 30 000ot/min, kovová příruba motoru s dvojím ložiskem zajišťuje vysokou kvalitu frézování. Výhodou této frézky je měkký pozvolný start a elektronická ochrana proti přetížení.
Obr. 16.12. Upnutí frézovacího nástroje - frézky Řízení stroje zajišťuje řídicí elektronika TB4-HA. Tato jednotka obsahuje 4 drivery pro krokové motory, které jsou ovládány pomocí standardních STEP/DIR instrukcí a výstup pro řízení vřetena či jiného nástroje. Nástroj lze řídit buď přímo, nebo regulátorem otáček pomocí PWM výstupu. Pro komunikaci s počítačem je použito 206
paralelního portu LPT. Jako další periferie je možno připojit koncové spínače, E-stop tlačítko, digitální odečet polohy a ručního ovládání. Parametr
Hodnota
Napájecí napětí
12-36V
Výstupní proud
3A (špičkově 3,5A)
Typ řízení krokových motorů
Bipolární
Charakter výstupního signálu
Proudově řízený PWM signál
Chipset driveru
TOSHIBA TB6560AHQ
Počet driveru pro krokové motory
4
Komunikační rozhraní
Paralelní port
Tab. 16.3. Parametry řídicí jednotky TB4-HA Každý driver má svůj vlastní kódový spínač umožňující nastavení různých parametrů pro jednotlivé krokové motory v případě použití odlišných krokových motorů, nebo požadavcích na přesnost. Vstupy
Výstupy
Pin
Parametry
Pin
Parametr
1
Osa X, Y, Z, Spínací relé A
10
Koncový spínač osy X
2
Osa X
DIR
11
Koncový spínač osy Y
3
Osa X
STEP
12
Koncový spínač osy Z
4
Osa Y
DIR
13
Tlačítko E-stop
5
Osa Y
STEP
6
Osa Z
DIR
7
Osa Z
STEP 207
8
Osa A
DIR
9
Osa A
STEP
14
Nástroj
Spínací relé
16
Nástroj
PWM řízení
Tab. 16.4. Vstupy a výstup LTP konektoru Ve výše uvedené tabulce jsou uvedeny informace o jednotlivých pinech paralelního portu. Všechny krokové motory je možné sepnout pomocí pinu 1. Každý motor má vlastní vstupní signál DIR určující směr a STEP určující krok, je tedy možné je řídit paralelně. Protože v této aplikaci je osa X řízena za pomocí dvou krokových motorů, může být řízení pro osu X a osu A fyzicky propojeno. Pro řízení nástroje je použito dvou vstupních signálů, pomocí pinu 14 je možné sepnout relé a napájet vřeteno přímo z řídicí desky, nebo pomocí vhodné spínací součástky ze sítě. Výstupní pin 16 je určen pro řízení otáček vřetene pomocí frekvenčního měniče. Zbylé piny 18-25 jsou připojeny k signálové zemi. Pin
Parametr
1
Koncový spínač osy X
2
Koncový spínač osy Y
3
Koncový spínač osy Z
4
Tlačítko E-stop
Tab. 16.5. Vstupy RS232 konektoru Koncové spínače pro jednotlivé osy jsou umístěny v jejich krajních pozicích a připojeny na patřičné vstupy řídicí elektroniky. Pomocí těchto spínačů je možné nastavit a kalibrovat CNC stoj a nastavit počátky jednotlivých os. Zároveň také chrání před mechanickým poškozením stroje v případě špatně napsaného řídicího programu. Tlačítko E-stop slouží k okamžitému zastavení zařízení uživatelem v případě vzniku nebezpečí pro obsluhu, nebo stroje samotného. Všechny tyto signály jsou přivedeny do řídicí elektroniky pomocí vstupního konektoru RS232 a přeposlány do počítače po LTP portu.
208
Samotné řízení frézovací hlavy je řízeno z počítačového programu naprogramovaném autorem, Jakubem Kolaříkem v prostředí LabView nebo pomocí programu Mach3.
Uživatelské prostředí Jakuba
Jedná se o velmi jednoduché ovládání CNC stroje TRON, které je možné rozšířit o další aplikace jako nanášení pájecí pasty na již vyfrézované plošné spoje.
Obr. 16.13. Vizualizační okno programu Vizualizační prostředí je realizováno standardními prvky z vývojového prostředí LabView. Jako další možností jak již bylo výše zmíněno je možnost nanášení vodivé pasty na plošky plošného spoje. Výše uvedený program umí zpracovávat EAGLE soubory s koncovkou BRD, které obsahují návrh DPS. Pomocí speciálně napsaného algoritmu vyextrahuje všechny typy použitých SMD součástek, najde jejich výskyt na desce a dopočte souřadnice všech jejich padů. Z pole těchto souřadnic je pak vygenerován G-kód. Program v aktuálním stavu umožňuje generovat trasu mezi jednotlivými pady součástek. Tento program bude dále doplněn o sekvenci spuštění nástroje a sepnutí dávkovače pasty. Doba dávkování bude přímo úměrná ploše jednotlivých padů.
Mach3
Jedná se o program, který je možno stáhnout free s omezením na 1000 řádků. Výhodou tohoto programu je, že je v češtině a pro uživatele přístupný a snadno ovladatelný. 209
Tento program umožňuje podporu různých typů vstupů jako koncových spínačů a enkoderů. Parametry jednotlivých motorů jako rychlost, zrychlení a počet kroků na posun o jednotku vzdálenosti se nastavují pro každý motor zvlášť.
Obr. 16.14. Uživatelské rozhraní programu Mach3
Další zdroje Seznam další literatury, www odkazů ap. pro zájemce o dobrovolné rozšíření znalostí popisované problematiky. [1.]
KOLAŘÍK, Jakub. Řízení jednotky CNC stroje, bakalářská práce. Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava, FEI, KAT 450. 2014 [cit. 16-052014]. Dostupné na vyžádání.
[2.]
DOČEKAL, Tomáš. Uživatelský návod k laboratorní úloze: Frézování DPS pro mobilní robot (laboratoř C112). Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava, FRVŠ 910/2013, Inovace laboratoří na katedře Kybernetiky a biomedicínského inženýrství. Ostrava 2013 [cit. 2014-05-10]. Dostupné v prototypové laboratoři skupiny SAZE CPIT C112
210
17 Rapid prototyping – 3D tisk 17.1. Předmluva Rapid Prototyping (RP) v zásadě slouží k co nejrychlejší tvorbě prototypů a modelů (nástroje, prototypové formy, atd.). Vyvíjí se již od osmdesátých let, kdy vznikla metod stereolitografie. Nyní se tvorba modelů a prototypů (prezentačních i funkčních) směřuje především do oblasti výroby forem a nástrojů. Na významu nabývá také oblast koncepčního konstruování, kdy se ověřují definované vlastnosti budoucího výrobku. Ve specifických případech se modely vybudované pomocí RP využívají k simulacím nebo různým typům zkoušek (obtékání, namáhání, atd.). Velké úsilí je věnováno zdokonalení softwarových i hardwarových technologií, které by umožnili provádět celý vývojový proces výrobku na digitálním modelu přímo v CAD systému (vizualizace, rendrování, virtuální realita, MKP, dynamické analýzy, ...). Ukazuje se ovšem, že potřebou současných designérů a konstruktérů je pracovat spíše s modelem fyzickým, u kterého se dá snadněji měnit design, odstraňovat případné chyby, kontrolovat smontovatelnost, opravitelnost, ergonomie nebo provádět funkční zkoušky. Všechny tyto výhody fyzického modelu mají ve finále za následek zrychlení celého procesu vývoje výrobku. Výroba modelů a prototypů klasickými technologiemi je ale velmi náročná a zdlouhavá. Jako nejvhodnější cesta splňující většinu požadavků konstruktéra se jeví RP, což je technologie rychlá a umožňuje přímou vazbu na vývojové prostředí, tedy na CAD/CAM systém. Přednosti metod RP se využijí nejen v automobilovém, leteckém a elektrotechnickém průmyslu ale i ve výrobě spotřebního zboží. Ve všech oblastech se docílilo zkrácení vývojových časů, snížení nákladů a zvýšení kvality výrobku. Nejlepší výsledky v ušetřeném čase dosahují metody RP při aplikaci ve vývoji celých montážních skupin. V kombinaci s metodami přesného lití kovů poskytují metody RP možnost rychlejší a levnější výroby kovových funkčních modelů a prototypů.
17.2. Digitální model Metody RP jsou dalším článkem v dlouhém řetězci vytváření a modifikací dat týkajících se daného výrobku. První fáze začíná zkonstruováním nákresu výrobku v některém z CAD programů, pokud možno už odtud by měly být informace o geometrii ve 3D souřadnicích. Dále se data použijí pro různé analýzy jako je metoda MKP pro pevnostní analýzu, software vyšetřující kinematické a dynamické závislosti, atd. Z těchto předešlých programů vyjdou úplná a správná data o výrobku, která se dále mohou poslat buď do CNC obráběcích center, odkud dostaneme hotový fyzický model, nebo s nimi můžeme vstoupit do technologie RP. V moderních společnostech
211
nad celým výrobním řetězcem bdí navíc ještě systém správy dat PDM (Product Data Management). Aby mohl být fyzický model vytvořen, musí vstupní data nést úplné informace o geometrii tělesa. Ideálním případem je popis objektu pomocí objemových entit. Použitím speciálních softwarových nástrojů lze přepracovat i data z 2D CAD systémů. V další fázi jsou data o objektu aproximována pomocí trojúhelníků (triangulace). Parametry triangulace ovlivňují výslednou přesnost modelu a lze je nastavit. První volitelnou hodnotou je Chord Height, což je maximální přípustná tangenciální chyba v mm. Druhým parametrem je Angle Control, který určuje maximální přípustný úhel mezi dvěma trojúhelníky. Dalším krokem je převedení dat do formátu STL (standardní formát dat pro RP). Většina moderních CAD/CAM systémů nabízí uložení dat do tohoto formátu. Data jsou dále zpracována speciálním softwarem dodávaným se systémy pro RP, který speciálním výpočtovým postupem rozloží 3D geometrii na jednotlivé příčné řezy definované výšky (Slicen, SLI formát). Obvyklá výška vrstev je 0,1 až 0,2 mm. S takovým softwarem je možné vykonávat ještě celou řadu pomocných operací jako např. stanovení měřítka rozměrů součásti, zkoušení a oprava chybných STL dat nebo navržení podpůrné konstrukce (vyžaduje např. Stereolitografie z důvodů pozdějšího oddělení součástky od nosné desky nebo podepření a fixaci součástky v průběhu procesu vytváření modelu). Údaje o takto vytvořených řezech jsou přímo odeslány do výrobního zařízení pro RP. Vznik modelu Při výrobě prototypu se může postupovat klasickými metodami jako je lití do formy nebo obrábění polotovaru. Přestože i tyto metody dnes už nabízejí propojení s CAD/CAM systémy jejich použití je technologicky velmi náročné a zdlouhavé. Technologie RP narozdíl od obrábění, kdy se materiál odebírá, pracuje na principu přidávání materiálu po vrstvách. Prostorový model je při tomto procesu vytvářen přímo podle dat, která přicházejí z počítače. 3D model načtený z CAD/CAM systému je příslušným postprocesorem rozdělen na geometrická data jednotlivých vrstev. Tato data je už schopen zpracovat prototypovací stroj, který fyzický model postupně vrstvu po vrstvě opět sestaví. Tímto způsobem se můžou vyrobit i tvarově velmi složité součástky s dutými vnitřními prostory, šikmými i vodorovnými spodními stěnami nebo žebry. V průběhu let se prosadilo hned několik technologií, které pracují na principu modelování pomocí postupného přidávání nebo vytvrzování vrstev materiálu. Mezi tyto technologie, které jsou souhrnně označovány termínem Rapid Prototyping patří: 212
Stereolitografie Selective Laser Sintering (SLS) Laminated Manufacturing (LM) Solid Ground Curing (SGC) Fused Deposition Modelling (FDM) Metody Model Maker 3D Plotting a Ballistic Particle Manufacturing Multi-Jet Modelling a další
17.3. Stereolitografie Jde o nejpřesnější z uvedených metod, při které se vytváří model postupným vytvrzováním fotopolymeru (plastické hmoty citlivé na světlo) pomocí UV laseru, který je na základě dat přicházejících z počítače zaměřován poměrně složitou optickou soustavou. Na základě dříve vytvořených informací o rozměrech příčných řezů jednotlivými rovinami (vrstvami) jsou vypočítané řídící údaje, které vedou paprsek laseru pomocí XY skenovací hlavy nad horní plochou nádobky s polymerem. Součástka je vytvářena na nosné desce, která se na začátku nachází přímo pod hladinou polymeru. Vytvarováním tekutého polymeru po vrstvách a následným odebráním z nosné desky vzniká trojrozměrné těleso (model). Stereolitografie je nejstarší z technologií Rapid Prototypingu a kromě už zmíněné přesnosti vyniká také velkým množstvím použitelných materiálů. Oproti jiným technologiím je možno stereolitografií vytvářet modely s milimetrovými otvory a miniaturními prvky. Stejně jako u většiny ostatních technologií je možno modely vyrobené stereolitografií použít pro vizuální kontrolu návrhu výrobku, v některých případech i k funkčním zkouškám a díky široké paletě materiálů i jako forem pro vstřikování a lití. Součástka, která by se klasickými konvenčními metodami vyráběla několik týdnů může být s pomocí Stereolitografie vyrobena během několika hodin. Nevýhodou stereolitografie je především pomalý proces tvrzení polymeru a u některých materiálů také malá tepelná odolnost vzniklého modelu.
213
Obr. 17.1. Princip Stereolitografie
17.4. Selective Laser Sintering Na rozdíl od stereolitografie jsou modely vyrobené novější metodou Selective Laser Sintering velmi pevné. Selective Laser Sintering je technologie, při které je laserovým paprskem spékán do určitého tvaru slévárenský písek, plastový nebo kovový prášek. Přídavný materiál je nanášený na nosnou desku v inertní atmosféře po vrstvách. Podle vypočtených souřadnic bodů rovin řezů je řízená XY skenovací hlava, která vede laserový paprsek nad povrchem prášku, který je nasypaný ve vaně. V místě působení laseru se přídavný materiál buď zapeče nebo roztaví. Okolní neosvětlený materiál slouží jako nosná konstrukce. Výroba součásti probíhá po vrstvách, po vytvoření jedné vrstvy se nosná deska sníží o hodnotu odpovídající hloubce vrstvy. Na rozdíl od jiných metod můžeme využívat široké spektrum materiálů. Principielně je možné použít jakýkoliv prášek, který se působením tepla taví nebo měkne. V současnosti se v komerčních oblastech používají např. termoplastické materiály jako jsou polyamid, polyamid plněný skelnými vlákny, polycarbonát, polystyrén dále speciální nízkotavitelné slitiny z niklových bronzů nebo polymerem povlakovaný ocelový prášek. Většinou však ale není možno přecházet na stejném zařízení od jednoho materiálu k druhému, neboť jejich vytvrzení si vyžaduje výrazně odlišné podmínky. 214
Podle druhu použitého modelovacího materiálu je možno v rámci této technologie rozlišovat metody:
Laser Sintering - Plastic Laser Sintering - Metal Laser Sintering - Foundry Sand Laser Sintering - Ceramic (Direct Shelt Production Casting) Laser Sintering - Plastic
U Laser Sinteringu - Plastic je, stejně jako například u FDM, možno volit z několika druhů plastických materiálů, které svými vlastnostmi určují i způsob využití hotového modelu. Při použití polystyrenu je možné použít výsledný model ve standardní metodě lití do ztraceného vosku, přičemž je možno snadno modelovat i velmi komplikované části výrobku. Při použití nylonu dosahují výsledné modely vynikající mechanické vlastnosti jako tvrdost, houževnatost, teplotní odolnost atd. Tyto modely jsou proto vhodné pro funkční zkoušky nebo testy lícování. Standardním využitím všech modelů je prostorová vizualizace navrhovaného výrobku.
Laser Sintering - Metal
Modely vzniklé metodou Laser Sintering - Metal dosahují dostatečné pevnosti a mechanické odolnosti, takže je možno je využít především jako formy pro výrobu plastových součástek vstřikováním nebo lisováním.
Laser Sintering - Foundry Sand
Jednou z nejnovějších technologií rapid prototypingu je Laser Sintering - Foundry Sand. Tato metoda používá upravený slévárenský písek, jehož vytvrzováním je možno bez jakýchkoli mezikroků vytvořit na prototypovacím zařízení klasickou pískovou formu pro lití.
Laser Sintering - Ceramic
Výchozím materiálem je v tomto případě prášek slepovaný pomocí tekutého pojiva. Nanášení pojiva je zajištěno pomocí Ink-Jet tryskové hlavy, která je vedená v rovině XY podle předem vypočítaných řídících údajů. Pomocí této metody se dají vyrábět různé součástky z keramického prášku nebo formy a jádra pro technologii přesného lití.
215
Obr. 17.2. Princip metody Selective Laser Sintering
17.5. Laminated Manufacturing Oproti jiným metodám Rapid Prototypingu, které pracují relativně pomalu, je pro rychlé zhotovení prototypu vhodná technologie výroby laminováním, při níž se model sestavuje z plastových folií nebo z mnoha vrstev papíru napuštěného zpevňující hmotou, které jsou oříznuty do správného tvaru laserem. Součástka je vytvářená na svisle se pohybující podložce. Celý proces modelování probíhá tak, že se na nanesenou a vyřezanou vrstvu natáhne papírová folie opatřená vrstvou polyetylénu, která se poté přitlačí soustavou vyhřívaných válců, čímž dojde ke slepení obou vrstev. Paprskem laseru je vyřezán požadovaný obrys vytvářené vrstvy. Přebytečná odřezaná folie je laserem rozdělena na čtverce a později odstraněna. Po vytvoření vrstvy se podložka sníží o tloušťku folie a postup se opakuje. Vytvořené součástky mají podobné vlastnosti jako by byly vyrobené ze dřeva. K dosažení hladkého povrchu je nutné součástku ručně opracovat. Metoda je vhodná na výrobu velkých modelů, nevýhodou je velké množství odpadu.
216
Obr. 17.3. Princip metody Laminated Manufacturing
17.6. Solid Ground Curing Je to metoda vytvářející z jednotlivých vrstev modelu “masky”, přes které se ultrafialovým světlem vytvrzuje fotocitlivý polymer. Maska je nejčastěji tvořena skleněnou destičkou, na které je vyznačený tvar vytvářené vrstvy. Celá vrstva se v tomto případě vytváří naráz. Vytváření tělesa tedy probíhá ve dvou oddělených současně probíhajících cyklech. Nejdříve je vytvořena negativní maska a potom dojde k osvícení fotopolymeru. Osvícený fotopolymer ztvrdne, neosvětlený tekutý fotopolymer je odsáván a vzniklý meziprostor se vyplní voskem. V dalším kroku je povrch vytvořené vrstvy opracovaný na požadovanou výšku vrstvy a tím je připravený na nanesení další tenké vrstvy tekutého fotopolymeru. Vosková výplň zůstane ve vytvářeném tělese až do konce procesu vytváření, potom je chemickou cestou (pomocí kyseliny citrónové) odstraněna. Pro názornost lze uvést, že výroba dětské přilby o rozměrech 260x180x140 mm trvá tímto způsobem asi 32 hod (24 hod trvá vytváření modelu, 5 hod čištění, 3 hod ruční dokončení).
217
Obr. 17.4. Princip metody Solid Ground Curing
17.7. Fused Deposition Modelling Velmi zajímavým kompromisem odolnosti modelu, rychlosti a přesnosti tvorby je metoda Fused Deposition Modelling (FDM). Model se vytváří nanášením jednotlivých vrstev z různých netoxických termoplastů nebo vosků systémem krok po kroku. Materiál ve tvaru tenkého vlákna vychází z vyhřívané trysky, která se pohybuje v rovině XY nad pracovním prostorem. Ve trysce je ohříván na teplotu o 1°C vyšší než je jeho teplota tavení. Při styku s povrchem vytvářené součástky se vlákna vzájemně spojují a vytváří tak požadovanou ultratenkou vrstvu, která ihned ztuhne. Součástka se opět vytváří na nosné desce, která se vždy po nanesení jedné vrstvy sníží o hloubku této vrstvy. Na podepření přečnívajících částí je nutné vytvořit podpůrnou konstrukci zlepenky nebo polystyrenu. Při modelování metodou FDM jsou objekty vytvořené v CAD aplikacích "rozřezány" na vrstvy pomocí tzv. Slice-Software. Zařízení pracující s technologií FDM mohou být využívána také v běžném kancelářském prostředí, neboť u nich byla odstraněna práce s toxickými materiály a s citlivými zařízeními pro laserové snímání. Touto metodou můžeme vytvářet součástky např. z polyamidu, polyetylénu nebo z vosku. Vytvořený model již nevyžaduje žádné obrábění. Na principu technologie FDM pracuje většina tzv. 3D tiskáren.
218
Obr. 17.5. Princip metody Fused Deposition Modelling
17.8. Model Maker 3D Plotting a Ballistic Particle Manufacturing Obě metody jsou založené na principu inkoustových tiskáren. Nanášení materiálu je docílené tím, že jednotlivé malé kapky materiálu (termoplastu) jsou vystřelované z tlakové hlavy na pracovní plochu a tam bezprostředně po dopadu vytvrzené. Cíleným nanášením dalších kapek na už nanesený materiál můžeme vyrobit trojrozměrnou součástku. V současnosti se používají dvě různá řešení. Metoda Model Maker 3D Plotting pracuje se dvěma tiskovými hlavami, přičemž první nanáší materiál druhá ho tvaruje. Metoda Ballistic Particle Manufacturing pracuje pouze s jednou tiskovou hlavou, která má 5 stupňů volnosti. Tato metoda umožňuje vytvářet modely bez podpůrné konstrukce.
219
Obr. 17.6. Princip metod Model Maker 3D Plotting a Ballistic Particle Manufacturing
17.9. Multi JET Modelling Princip metody spočívá v nanášení jednotlivých vrstev termopolyméru postupně na sebe pomocí speciální tiskové pracovní hlavy. Hlava má 96 trysek uspořádaných rovnoběžně vedle sebe. Průtok nanášeného materiálu je pro každou trysku samostatně řízen programem. Model se opět vytváří na zvláštní nosné desce podobně jako u Stereolitografie. Pracovní hlava se pohybuje nad nosnou deskou ve směru osy X. Jestliže je součástka širší jak pracovní hlava, posouvá se ve směru osy Y tak, aby se vytvořila celá součástka. Velký počet trysek zaručuje rychlé a rovnoměrné nanášení materiálu. Nanášený termoplastický materiál ztuhne při styku s už naneseným materiálem téměř okamžitě.
Obr. 17.7. Princip metody Multi JET Modelling
17.10.
Binder jetting (ZCORP)
Binder jetting neboli Zcorp podle společnosti Zcorporation, která vymyslela tuhle technologii. Zcorp je proces velice srovnatelný s klasickým inkoustovým tisknutím na 220
papír, u které se nanáší inkoust na papír. U metody Zcorp se nanáší rozprášené pojivo do prášku. Pohybující se tisková hlava postupně vykreslí celý průřez vrstvy. Po dokončení jedné vrstvy se deska, na které je model, posune o výšku vrstvy. Jednotlivá vrstva je nanášena rotujícím válečkem o velikosti 0,1mm +/- 0,2%
Obr. 17.8. Popis Binder Jetting (ZCORP) Technologie binder jetting má obrovskou výhodu v použitelnosti barev. Velmi přesná výroba s použitím barev vytváří krásnou povrchovou strukturu. Aby se u modelů zlepšila pevnost, model se dodatečně opatřuje nátěry, jakými jsou např. pryskyřice nebo vosk. To se provádí nástřikem, potěrem nebo ponořením do náplně. Převislé části modelu jsou řešeny stejně jako u technologie SLS. Podpůrné konstrukce se tedy nemusí vytvářet, protože si je sám tvoří udusaný prášek kolem modelu. Po ukončení tisku je nutné odstranit přebytečný materiál, který sloužil pro tyto konstrukce. Používá se vibrační deska s dodatečnou vzduchovou tryskou, která je na jemnější odstranění.
221
Zcorp se využívá v architektuře, GIS, strojírenství. Kombinací kvalitního modelu s barevným tiskem vznikají názorné ukázky daného modelu. V designových studiech se velice používá tato technologie, díky rychlosti vytvořeného tisku. Není potřeba finálního barevného dokreslování a lakování. Technologie je dobře použitelná v praxi, ale je důležité si uvědomit, jestli se vyplatí do ní investovat. Tiskárna má velké pořizovací a režijní náklady.
Obr. 17.9. Ukázka ZCORP ve strojírenství a ukázka ZCORP v GIS
17.11.
LPF (Laser Powder Forming)
Technologie založená na tavení materiálu, který se přidává do určeného místa. Materiál se podává ve formě prášku volným sypáním nebo pomocí stlačeného plynu, který udržuje lázeň v ochranné atmosféře. Vznikající teplo vytvoří tavnou lázeň, která roztaví dodávaný materiál. Postupným posunem laserové hlavy, vznikne jedna vrstva. Opakovaným procesem vznikne celý model. Laserová hlava je postavená na víceosém zařízení, které umožní naklonění a model může být uložen na desku v jakékoliv poloze.
222
Obr. 17.10. Popis technologie LPF Výhodou je, že se dá používat veliké množství materiálu. Především se jedná o ocel, hliník, nerez a titan. Není problém míchání různých druhů materiálu. Je to veliká výhoda. Dají se tím dosáhnout vynikající vlastnosti materiálu, které není možné dosáhnout klasickými metodami. Ale nevýhodou je, že se kvůli zrnitosti povrchové vrstvy musí obrábět. Velice úzce je spojená technologie, kterou používá NASA na oběžné dráze. Akorát s vylepšenými vlastnostmi nebo vhodnými k dané problematice. Oproti SLS se tu můžou tisknout velké modely až o velikosti několika metrů. Používají se na opravy nebo na tisk nových modelů.
Obr. 17.11. Tisknutí LPF technologií a ukázka modelu po tisku LPF technologií 223
17.12.
Polyjet Matrix Printing - PLM
Metoda PLM nanáší velmi slabé vrstvy akrylátových fotopolymerů 16 či 30 μm (Sandback Technical Desing, ©2012). Stavební materiál je v tekuté formě vytlačován tryskami do tiskové komory, kde dochází k vytvrzení UV zářením. Současně se stavebním materiálem je v jednotlivých vrstvách nanášen materiál podpor, je-li to pro tisk prototypu nutné. Pro stavbu podpor je používán rozpustný materiál, což umožňuje tisk velmi komplikovaných modelů. Díky velmi slabým vrstvám umožňuje tato technologie naprosto přesný tisk. Největší výhodou této technologie je tzv. dvoukomponentní tisk, jež umožňuje tisk dvou různých materiálů v jednom tiskovém procesu. Výsledkem tohoto procesu může být produkt, který je tvrdý a pevný, ale zároveň i pružný, svými vlastnosti se podobá pryži. Tiskové zařízení nevyžaduje nadstandardní bezpečnostní podmínky, materiály se kterými pracuje, jsou netoxické.
Obr. 17.12. PolyJet proces a PolyJet Matrix Proces
Obr. 17.13. Výrobky metodou PolyJet
17.13.
Thermoplastic Inkjet With Milling 224
Jedná se o metodu jejíž princip spočívá ve vytlačování termoplastu – vosku v kombinaci s frézováním v horizontální rovině.
17.14.
Vakuové odlévání
Tato metoda patří mezi technologie RP. Jedná se moderní technologii pro výrobu silikonových forem a prototypových dílů. Vakuové lití umožňuje výrobu tvarově velmi složitých, tenkostěnných modelů při přesném dodržení rozměrů master modelu, za nízkou cenu v porovnání se vstřikováním plastů (MCAE Systems s.r.o., 2013). Vakuové lití slouží k výrobě malých sérií prototypových dílů z polyamidových nebo polyuretanových materiálů, které se svými vlastnostmi velmi podobají materiálům sériových dílů. Lití se většinou provádí do silikonových forem vyrobených ze silikonových kaučuků, které se snadno zpracovávají a vytvrzují. Z praktického hlediska je důležitá zejména jejich pružnost, díky ní se z formy snadno uvolňují i komplikované odlitky. Další pozitivní vlastností je průsvitný vzhled, který umožňuje přesné rozříznutí formy dle označených dělících rovin na master modelu. Silikony mají velice nízké smrštění, dobrou rozměrovou stabilitu, jsou velmi houževnaté a mají středně vysokou tvrdost. Formy ze silikonových kaučuků lze použít pro odlévací hmoty na bázi polyuretanů, epoxidů, polyesterů a silikonů. Dále se do těchto materiálů mohou odlévat i nízkotavitelné slitiny, sádra, keramika, atd. Silikon je dvousložkový materiál složený ze základní složky, která se po promíchání s vytvrzovací složkou vytvrdí při pokojové teplotě adiční reakcí. Proces vytvrzení lze urychlit temperováním nebo urychlovači. Při tvorbě silikonové formy bez vakuování může vzniknout problém se vzduchovými bublinami, které silikon obsahuje. Tento faktor má negativní vliv na kvalitu povrchu silikonové formy a při odlévání tenkostěnných odlitků může dojít i ke zhroucení stěny formy nebo ke vzniku nekvalitního odlitku. Na trhu se vyskytuje velká nabídka různých druhů silikonů, které se od sebe mohou odlišovat materiálovými charakteristikami (viskozita, tvrdost, pevnost v tahu, smrštitelnost, doba zpracovatelnosti). Princip vakuového lití
V první fázi je vyroben tzv. master model, k jehož výrobě používáme metodu FDM nebo již hotový díl, který chceme duplikovat. Povrch master modelu musí být náležitě upraven. Master model je nutno potřít separátorem, vhodně umístit do formy (např. ze skla nebo z plastu) a zafixovat ho pomocí modelíny nebo drátků, dále je nutné vytvoření vtokové soustavy (např. přilepením modelíny do místa, které je vhodné pro vtokovou soustavu). Zalití master modelu vyvakuovaným silikonem a opětovné vakuování zalitého modelu. 225
Po ztuhnutí se jednodílná forma rozřízne, dojde tak ke zvýraznění dělící roviny. Vyjmutím modelu je forma hotová. U dvojdílné formy je nutné udělat druhou část formy stejným způsobem. Do formy jsou odlévány materiály dle požadovaných vlastností. Materiály jsou odlévány buď za běžných pokojových podmínek, nebo ve vakuové licí komoře. Pro lití ve vakuu bývá použit speciální dvousložkový materiál (Roupec, 2006).
Další zdroje [1.]
NAVRÁTIL, Robert. Rapid prototyping [online]. 2001 [cit. 2014-05-02]. Dostupné z: http://robo.hyperlink.cz/index.html
[2.]
KOKTAN, Petr. Prostorový model historické části Č. Krumlova a možnosti jeho 3D tisku, bakalářská práce, Jihočeská univerzita v Českých Budějovicích, Pedagogická fakulta, Katedra informatiky [online]. 2014 [cit. 2014-05-15]. Dostupné z: http://theses.cz/id/ivf14t/Bakalarska-prace-Koktan-Petr.pdf SAMOHÝL, Lukáš. Aplikace moderních technologií pro výrobu předního dílu upínacího systému horolezecké mačky, bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta podnikatelská, Ústav managementu [online]. Brno 2013-05-31 [cit. 2014-05-15]. Dostupné z: https://dspace.vutbr.cz/xmlui/bitstream/handle/11012/27432/Bakalářská%20pr áce%20veřejná.pdf?sequence=1 Mareš, Martin; Horejš, Ostakar. Stroje pro rychlé prototypování. Stroje pro obráběcí stroje [online]. 2009 [cit. 2014-05-15]. Dostupné z http://www.czspos.cz/akce/20100225.emo2009/10_stroje_pro_rychle_prototyp ovani.pdf Bc. KUNC, Martin. Metodika přípravy učitele na výuku strojírenských předmětů s využitím systémů CAD, diplomová práce. Masarykova univerzita, pedagogická fakulta, Katedra didaktických technologií [online]. Brno 2012 [cit. 2014-05-15]. Dostupné z https://www.google.cz/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=4&cad=rja &uact=8&ved=0CEcQFjAD&url=https%3A%2F%2Fis.muni.cz%2Fth%2F5762 0%2Fpedf_m%2FDiplomova_prace.doc&ei=q3p0UboEOry7Abm2ICgDQ&usg=AFQjCNHPG-9L3t5gTw8GQUOQ44cil0Jtw&sig2=khHN9gmsrVDmZnS96aHkog&bvm=bv.66330 100,bs.1,d.ZGU
[3.]
[4.]
[5.]
226
18 Materiály pro 3D tiskárny Jak již bylo řečeno, nejčastěji se jako médium pro tisk na 3D tiskárnách používají různé typy plastů. Dále pak to může být vosk nebo kovový prášek. Pro konkrétní výrobek je třeba použít daný typ plastu, aby byla zaručena jeho trvanlivost a odolnost proti externím nežádoucím vlivům. V následující tabulce shrnu možnosti materiálů, které se na trhu nabízejí, vyjmenuji jejich výhody a případně nedostatky. Jsou to plasty, s nimiž je možné na 3D tiskárnách tisknout.
18.1. ABS ABS je základní materiál používaný při 3D tisku. Jedná se o termoplast, který se nejprve musí nahřát na konkrétní tavicí teplotu, aby mohl být po ohřátí protlačen konkrétní tryskou a tím být spojen s předešlou vrstvou. Teplota tavení je 230-250°C, která se musí odzkoušet dle konkrétního materiálu. Vysoká teplota tavení má výhodu u dokončovacích operací, které jsou potřebné po tisku. Není problém materiál brousit a vrtat. Materiály se dodávají v barevných variantách (20). Cena se pohybuje okolo 700 Kč za 1 kg, záleží na výrobci a prodejci. Často se stává u levnějších variant, že neodpovídá průměr vlákna dle objednávky. Je to dané nedůslednou výrobou v Číně. Výtisk z ABS je výhodný svou odolností a mírným sklonem ke kroucení. Nevýhodou je vznikající nepříjemný zápach při tavení. Řešením tohoto jevu je potřebný odsav. Tisknutím ABS se doporučují menší součásti.
18.2. PLA PLA je biologicky odbouratelný polymer vyrábějící z fermentovaných plodin, jako je kukuřice nebo cukrová třtina. Jedná se o materiál, který je roztaven a vytlačován tryskou. Teplota tavení je v rozmezí 180 – 220°C. Nižší teplota tavení oproti ABS nemá vliv na pevnost výtisku i na spojení jednotlivých vrstev. Dále má výhodu, že se kroutí méně a proto se mohou tisknout větší modely. Materiál se dodává v průhledné a neprůhledné (barevné) variantě. Cena se pohybuje kolem 700 Kč za 1 kg, záleží na výrobci a prodejci.
18.3. Fotopolymer Fotopolymer je speciální světlocitlivý materiál, který rozšiřuje škálu materiálů určených pro tisk na 3D tiskárnách. Jeho struktura je kapalná, tudíž se musí uchovávat v uzavřené nádobě. Požadovaný model se vytváří pomocí paprsku laseru, kdy se průchodem tohoto paprsku kapalná část mění v pevnou část. Po vytvrzení je pevný, pružný a voděodolný. Případná křehkost se odstraňuje dodatečným vytvrzováním pod UV lampou. Dřívější nevýhoda tohoto materiálu, 227
kterým bylo smrštění a zvlnění se díky vývoji odstranila. Cena fotopolymeru se pohybuje okolo $140.
18.4. Kompositní prášek Na trhu je obrovské množství kompositních prášků, z kterých se na 3D tiskárnách vytvářejí modely s různými vlastnostmi. Základem při použití kompozitního prášku je udusání v nádobě a pak následné vytvrzovaní podle použité technologie. Vytištěný model je velice křehký a proto se musí napouštět látkou, která zlepší vlastnosti. Nejčastěji se využívá pryskyřice, u které model dostane náležitou pevnost. Tohoto materiálu se využívá pro vytváření kvalitních, přesných a barevných modelů. Další výhoda je možnost tisku komplikovaných modelů, což je dané technologií tisku, kdy materiál slouží pro automatické vyváření podpůrných konstrukcí.
18.5. Materiály pro lití Pro vakuové odlévání do silikonových forem jsou nejčastěji používány polyuretanové pryskyřice, jejichž materiálové vlastnosti se velmi podobají plastům. Podobnost materiálových vlastností plastu a pryskyřice záleží na typu použité pryskyřice a na množství vytvrzovacího činidla. PE (polyethylen)
Hračky, mikrotenové sáčky, elektrotechnická instalace
ABS (akrylonitrilbutadienstyren)
Spotřební průmysl
PP (polypropylen)
Textilní průmysl, obalový průmysl
PS (polystyren)
Izolace, spotřební průmysl
PA (polyamid)
Textilní průmysl
PMMA (polymetylmetakrylát)
Plexisklo
PC (polykarbonát)
Stavebnictví
POM (polyoxymethylen)
Strojírenství (vodící kroužky, pouzdra, atd.)
PEEK (polyetereterketon)
Strojírenství (tyče, trubky, ozubená kola, atd.)
Tab. 18.1. Nejčastěji napodobované plasty. 228
Při výrobě plastových součástí často dochází ke kombinaci kladných vlastností různých druhů plastů pro dosažení požadovaných mechanických vlastností. Např. pro zvýšení tepelné odolnosti, rázové houževnatosti pevnosti v tahu a v ohybu a dalších vlastností. Polyuretanové pryskyřice jsou dvousložkové materiály skládající se ze základní složky, která se míchá s vytvrzovacím činidlem. Mísení probíhá nejčastěji v těchto poměrech: 100/100, 100/80, 100/60, 100/50, 100/40, atd. Po důkladném promíchání obou složek je doba zpracovatelnosti od 3 do 8 minut. Pro snížení viskozity, a tím zlepšení zabíhavosti materiálu do formy, lze licí materiál předehřát, tím ovšem dojde k podstatnému zkrácení doby zpracovatelnosti. Materiál s nízkou viskozitou není potřeba zahřívat, protože snadno zatéká do formy. Viskozita polyuretanových pryskyřic je velmi odlišná. Od pryskyřic s nízkou viskozitou (100 mPa.s), po pryskyřice s vyšší viskozitou (okolo 1300 mPa.s). Doba vytvrzení se obvykle pohybuje od 25 do 120 minut při teplotě temperování 70°C. Modul pružnosti se pohybuje v rozmezí hodnot od 500 do 4500 MPa. Hustota pryskyřic se pohybuje od 1,06 do 1,22 g/cm3 (ACR Czech, 2011). Tvrdost plastových materiálů se obvykle měří zkouškou tvrdosti podle Shorea, jež se řadí mezi dynamicko-elastické zkoušky. Jedná se o zkoušku odrazem, kdy se zjišťuje výška odskoku zkušebního tělesa od měřené plochy. Touto metodou se zjišťuje tvrdost z velikosti odskoku závaží (kulička, diamantový hrot) spuštěného z určité výše na testovaný materiál. Působením závaží dojde k plastické deformaci a k částečnému pohlcení části energie závaží, které se těmito vlivy neodrazí do původní výšky (Bureš, 2002). Hodnota tvrdosti se spočítá jako poměr výšky odskoku a počáteční výšky zkušebního tělesa. Výsledek se vyjadřuje v procentech. Čím je zkoušený materiál tvrdší, tím méně kinetické energie zkušebního tělesa je přeměněno na elastickou energii zkoušeného materiálu. Zkušební těleso odskočí do větší výšky. Pro tvrdší plasty je používána stupnice Shore D, pro pryže Shore A. Tvrdost polyuretanových pryskyřic se obvykle pohybuje v rozmezí 74 až 85 Shore D.
229
230
Obr. 18.1. Stupnice tvrdosti Shore
Polymerizace
Polymerizace je chemická reakce, kterou z monomeru (malá molekula) nebo směsi monomerů vzniká polymer (vysokomolekulární látka.
Polyuretany
Veliká šíře potenciálních kombinací výchozích surovin a možnost selektivní katalýzy jednotlivých reakcí, které při syntéze polyuretanů nastávají, dovolují připravit velké množství různých typů polyuretanů. Je možno připravit měkké i tuhé pěnové materiály, elastomery, vlákna, filmy, nátěrové hmoty, polyuretanové licí pryskyřice, adheziva a další. Měkké pěny jsou používány např. v nábytkářském a automobilovém průmyslu (polštářování), pro laminování textilu nebo jako těsnicí pásky. Většina tuhých pěn je používána k izolačním účelům. Z tzv. integrálních pěn (pórovité jádro a nepórovitá kůra) jsou vyráběny např. tvarované podrážky bot nebo součásti automobilů. Polyuretanové elastomery se používají ve výrobě těsnění, pohonných řemenů, podešví, případně celých lyžařských bot. Pro podlahoviny, povrchy sportovních drah nebo povrchy startovacích drah letadel se mohou použít polyuretanové licí pryskyřice.
Elastomery
Elastomer je makromolekulární látka, která se po podstatné deformaci malým napětím a uvolněním tohoto napětí při pokojové teplotě rychle vrací k přibližně k původním rozměrům a tvaru.
WPC (Wood Plastic Copolymer - dřevěně plastický kompozitní materiál)
WPC materiál je složený z dřevité moučky a polymeru. Výrobky z něj mají vzhled dřeva a přitom nemá jeho nevýhodné vlastnosti jako plesnivění, změna barvy nebo možné poškození vnějšími vlivy. V závislosti na teplotě, při které tisknete, může mít materiál různé odstíny hnědé. Při teplotě kolem 180°C bude světlejší, při teplotě 240°C bude tmavě hnědý.
BendLay
Materiál se vyrábí z modifikovaného butadiénu. Je bezbarvý a jeho předností je vyšší ohebnost oproti jiným materiálům používaným v 3D tisku. • Polyamid (nylon) Nylonu chybí životnost ABS a schopnost rychlého ochlazení bez změny tvaru jako u PLA. Je to materiál pružný a lehký. Je to skvělý materiál pro tisk součástí přístrojů, protože je flexibilní, tlumí nárazy a umožňuje připájení k jiným částem. Jeho nevýhodou je, že při rychlém ochlazení se může poškodit.
PC (polykarbonát) 231
Polykarbonát patří mezi termoplastické plasty. Má dobrou tepelnou odolnost a odolnost proti nárazům. Překvapivě si ohebnost zachovává i v chladu. Je využíván hlavně pro tisk transparentních prototypů. Je to nejtvrdší materiál, který se v současnosti používá v 3D tiskárnách. Nevýhodou je vysoký bod topení oproti ABS a PLA, což prodlužuje dobu zpracování.
PET-G (polyetylén tereftalát –glykol)
PETG je na rozdíl od jiných materiálu víc odolný vůči kyselinám a rozpouštědlům, vysokým i nízkým teplotám
PVA (polyvinyl alkohol)
PVA je ve vodě rozpustný syntetický polymer. Používá se pro tisk na dvouhlavých 3D tiskárnách. Jedna hlava vytiskne podpůrné konstrukce z PVA a druhá samotný model z ABS či PLA. Po ukončení tisku se podpůrné konstrukce rozpustí ve vodě.
HIPS (houževnatý polystyrén)
HIPS je termoplast, postyrén s přídavkem kaučuku. Používá se pro tisk na dvouhlavých 3D tiskárnách. Jedna hlava vytiskne podpůrné konstrukce z ABS nebo HIPS a druhá samotný model z ABS nebo HIPS. Podpůrné konstrukce z ABS je možné rozpustit acetonem a konstrukce z HIPS limonenem.
XT
XT je amorfní kopolymer vyrobený z biologicky odbouratelných materiálů. Je transparentní, elastický a jemný na dotek.
Lay-brick
Je to nový typ vlákna vyrobený ze směsi křídy a minerálních příměsí s polymerem. Vytištěné modely mají kamenný vzhled.
Keramika
Jedná se o keramickou směs z oxidu hlinitého (alumina) a oxidu křemičitého (silica), která je ve formě velmi jemného prášku nanášena v tenkých vrstvičkách.
Kov
Prozatím se tiskne ze směsi Bronzu, Nerezové oceli a martenzitické oceli, které jsou dodávány ve formě velmi jemného prášku, který se vytvrzuje.
Sklo
Materiál
Využití
Vlastnosti
232
Výhody
Stereolitografie - palubní desky a mřížky kryty elektrických a mechanických komponentů Polyamid
- další použití bez - vysoká pevnost dodatečných součásti vystavené - odolnost proti úprav působení vody chemikáliím a - možnost dalších - díly pro obrábění a lepení vodě povrchových úprav funkční prototypy – dosahují vlastnosti výrobku, jako při sériové výrobě - palubní desky a mřížky
Polyamid s obsahem skla (nylon)
kryty elektrických a mechanických komponentů - vysoká pevnost součásti vystavené - odolnost proti chemikáliím a působení vody vodě funkční prototypy – výborná dosahují vlastnosti výrobku, tuhost a jako při sériové výrobě přesnost - tenkostěnné trubky
- další použití bez dodatečných úprav - možnost dalších povrchových úprav
- tepelně namáhané díly
- Interiérové komponenty
ABS
-odolný a pevný materiál
- modely pro zaformování do vysoká funkční silikonových forem přesnost prototypy komponenty pro srovnatelná modely pro elektroniku kvalita, jako při marketingové a - pevné a odolné prototypy technologii jiné využití vstřikovaného malosériové finální plastu při produkty lisování
233
- testování pro letecký a automobilový průmysl
Kompozit
extrémní kryty elektrických a - použití až do mechanických komponentů tvrdost vysoká 250°C - vhodný pro osvětlovací techniku, kde odolává teplu odolnost teplotní - tvarová stálost produkujícímu od tepelných i vůči vlhkosti - materiál odolává zdrojů vysoká deformacím - odolává působení vody, přesnost použití v točivých částech vodních čerpadel
- průhledný plast vizualizace kapalin, olejů atd. HiTemp
průtoku
funkční testování při vysokých - vysoká pevnost teplotách
- odolnost proti mechanické vlhkosti vlastnosti se - modely pro větrné tunely - použití pro nemění v závislosti na - prototypy ovládacích prvků teploty čase - vysoce odolné modely do 130°C - tvarová stálost s dlouhou životností - snadná údržba materiálu
MAX Plastic
- vlastnosti a vzhled odolného vstřikovaného - modely pro zaformování do plastu - odolává běžným silikonových forem teplotám za výjimečná neměnné tvarové - odolné sestavy vhodné pro trvanlivost a stálosti testování odolnost - teplotní stálost 60°C
234
- modely pro zaformování do silikonových forem - průhledný materiál PC Polykarbonát
- použití v odvětví spotřební průhledný, možnost elektroniky pevný a přesný vizualizace - odolné funkční prototypy materiál vnitřních detailů využití modelů v marketingu - použití pro osvětlovací techniku a v lékařství
PP Polypropylen
vysoká - modely pro zaformování do pružnost a silikonových forem tvarová použitelný paměťová v automobilovém průmyslu, schopnost v elektrotechnice i pro vysoká výrobu hraček přesnost
modely pro marketingové účely - přesné a funkční prototypy
Prášková metoda barevné modely protoPRINT Plaster
prezentační - velká odolnost
- výroba hraček a obalových možnost možnost materiálů barevného tisku dalšího architektonické a opracování koncepční modely
Technologie vosku VisiJet® Plastický
- široké užití pro komerční hladký a - materiál vhodný účely detailní povrch pro vrtání, lepení, - modely pro zaformování velká míra pokovování, 235
i voskový
do silikonových forem
detailů
pískování
materiál Tab. 18.2. Plasty použitelné pro tisk na 3D tiskárnách Budoucnost 3D tiskáren se bude určitě rozvíjet. Materiály pro výrobu prototypů budou vystřídány stále vyspělejšími. Také 3D tisk bude jistě nacházet snadnější a dostupnější cesty ke svým potencionálním zákazníkům, aby se tato výjimečná technologie dokázala prosadit nejen v podnikové sféře, ale aby se stala běžnou potřebou domácího využití.
Další zdroje [1.]
[2.]
[3.]
[4.]
KOKTAN, Petr. Prostorový model historické části Č. Krumlova a možnosti jeho 3D tisku, bakalářská práce, Jihočeská univerzita v Českých Budějovicích, Pedagogická fakulta, Katedra informatiky [online]. 2014 [cit. 2014-05-15]. Dostupné z: http://theses.cz/id/ivf14t/Bakalarska-prace-Koktan-Petr.pdf SAMOHÝL, Lukáš. Aplikace moderních technologií pro výrobu předního dílu upínacího systému horolezecké mačky, bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta podnikatelská, Ústav managementu [online]. Brno 2013-05-31 [cit. 2014-05-15]. Dostupné z: https://dspace.vutbr.cz/xmlui/bitstream/handle/11012/27432/Bakalářská%20pr áce%20veřejná.pdf?sequence=1 Bc. KUNC, Martin. Metodika přípravy učitele na výuku strojírenských předmětů s využitím systémů CAD, diplomová práce. Masarykova univerzita, pedagogická fakulta, Katedra didaktických technologií [online]. Brno 2012 [cit. 2014-05-15]. Dostupné z https://www.google.cz/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=4&cad=rja &uact=8&ved=0CEcQFjAD&url=https%3A%2F%2Fis.muni.cz%2Fth%2F5762 0%2Fpedf_m%2FDiplomova_prace.doc&ei=q3p0UboEOry7Abm2ICgDQ&usg=AFQjCNHPG-9L3t5gTw8GQUOQ44cil0Jtw&sig2=khHN9gmsrVDmZnS96aHkog&bvm=bv.66330 100,bs.1,d.ZGU Future3D. Internetová stránka zaměřená na 3D technologie. Materiál pro 3D tisk [online]. Kunratice [cit. 2014-05-15]. Dostupné z http://www.futur3d.net/materialy-pro-3d-tisk
236
19 Základy technického kreslení 19.1. Technická normalizace Výrobci složitějších výrobků se nemohou obejít bez normalizace jednotlivých dílů složitějších sestav. Každý podnik nebo jeho dílčí jednotka se soustředí na výrobu konkrétní části. Pokud bychom následně jednotlivé díly zkompletovali, nemusely by některé z nich v lepším případě plnit správnou funkci. V horším případě by takový výrobek nebyl v žádném případě použitelný. Z hlediska normalizace mluvíme také o záměnnosti jednotlivých výrobků. Příkladem jsou například spotřební náhradní díly pro automobily. Představme si situaci, kdy jeden podnik ukončí z jakékoliv příčiny svou činnost a přestane vyrábět díly, které je třeba v pravidelných intervalech měnit, například různé filtry. Jednalo by se o zboží, které je ve velkém obratu. Zásoby by byly rovněž brzy vyprodány. V této chvíli bychom museli přestat výrobek (auto) používat. Existují však podniky, které se zabývají výrobou náhradních dílů stejných rozměrů. Pokud by však nedodržovaly stanovené normy pro výrobu daného dílu, byl by nepoužitelný, mohl by při provozu způsobit jisté potíže nebo zapříčinit následnou závadu. Technická normalizace tedy předpokládá jistou úroveň konkrétního výrobku. K tomu účelu byly stanoveny technické normy. V České republice se jedná o normu ČSN – Česká státní norma. Normy pod touto značkou jsou platné na území celého státu. Spadají pod ně oborové normy (ON) a podnikové normy. Tyto normy jsou podřízeny normě ČSN, nesmí být s ní v rozporu. Některé normy mají širší působnost. Jedná se o normu EN – Evropská norma a mezinárodní nebo ISO – mezinárodní organizace pro standardizaci. Technické normy, které vznikaly v našem státě, však přestaly být v mnoha ohledech dostačujícími. Z tohoto důvodu Úřad pro státní normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví (ÚNMZ) přistoupil na přejímání některých technických norem. Tyto normy jsou označovány ČSN EN nebo ČSN EN ISO. ÚNMZ zastřešuje všechny systémy týkající se technické normalizace, metrologie a státního zkušebnictví v rovině technologické, terminologické a právní. Zabezpečuje také mezinárodní vztahy zabývající se normalizací a ostatními zastřešenými systémy. Internetové stránky ÚNMZ zabezpečují prohledávání norem podle zadaných parametrů „jsou normy, předpisy a pravidla definující určité standardy, které: o usnadňují sériovou, hromadnou výrobu, a tím ji zrychlují a zlevňují, o urychlují vývoj a zrychlují práci konstruktéra, o zlevňují výrobu, a tím snižují ceny výrobků, o umožňují vzájemnou zaměnitelnost normalizovaných dílů,
237
o umožňují na mezinárodní úrovni budovat vztahy v oblasti vývoje, výroby a kontroly.“ o Při prodeji výrobkům také nutné doložit příslušné dokumenty – normy, pravidla, technické vzory, konstrukční výkresy apod., které byly při výrobě užity.
19.2. Technické výkresy Technický výkres je základním dokumentem, který vzniká při tvorbě nového návrhu. Výkres vyjadřuje grafickou formou ztvárnění budoucího výrobku. Vzniká za pomocí daného technického vybavení. Tím může být počítač nebo kreslicí deska a jejich nezbytné příslušenství. Výkres musí být zpracován podle daných zásad. Především se jedná o dodržování norem. Řídit bychom se však měli i různými poučkami a zlepšovacími návrhy, které jsou při tvorbě výkresů nepostradatelným ulehčením práce a zvýšením efektivity práce. Výkresy se ve strojírenství dělí podle: o návrhové – zobrazují se na nich součásti ve vzájemné poloze pouze se základním zobrazením parametrů výrobku, slouží jako finální řešení, o součástí (výrobní) – slouží jako podklad pro výrobu, obsahují kompletní údaje obsahující veškeré rozměry, tolerance, popisy, opracování aj. a potřebné pohledy na výrobek, o výkresy sestav a podsestav – jsou použity při průběžné a finální montáži výrobku. Jsou v nich vyznačeny pouze hlavní rozměry udávající souvislosti mezi jednotlivými díly. Soupis dílů je uspořádán v tzv. soupisce dílů neboli kusovníku.
Formáty výkresů Formáty výkresů stanovuje norma ČSN EN ISO 5457. Tato technická norma je česká verze evropské normy EN ISO 5457:1999. Stanovuje rozměry a úpravu předtisků výkresových listů v odvětvích průmyslu tj. elektrotechniky, stavebnictví, strojírenství aj. včetně výkresů zpracovávaných počítačově. Norma definuje tři formátové řady výkresů: o ISO-A – tento formát se používá jako formát základní výkresové řady. Popisové pole se umísťují do pravého dolního rohu výkresu. Formáty výkresů A0 – A3 je možné používat pouze v horizontální rovině. o Prodloužené formáty – používají se u složitějších nákresů, u kterých je nutné zachovat určitou míru detailů. Není možné je zmenšit. Jedná se o 238
několikanásobné formáty základní. Většinou jsou to 3, 4 a 5násobky základní šířky, délky nebo kombinace obou např. A4 x 3 (297 x 630), A3 x 3. o Zvlášť prodloužené formáty – jedná se o stejný princip, jako v minulé formátové řadě. Jsou to formáty zvlášť velkých rozměrů (A4 x 6 – 297 x 1261). Formáty výkresů udávají jejich rozměry v milimetrech. Rozměry jsou zaznamenány v Chyba! Nenalezen zdroj odkazů.. ISO-A
Prodloužené formáty Zvlášť prodloužené formáty
A0 841 x 1189
A1
A2
A3
A4
594 x 841
420 x 594
297 x 420
210 x 297
A0 x 2
1189 x 1682
A0 x 3
1189 x 2523
A1 x 3
841 x 1783
A1 x 4
841 x 2378
A2 x 3
594 x 1261
A2 x 4
594 x 1682
A2 x 5
594 x 2102
A3 x 3
420 x 891
A3 x 5
420 x 1486
A3 x 4
420 x 1189
A3 x 6
420 x 1783
A3 x 7
420 x 2080
A4 x 3
297 x 630
A4 x 6
297 x 1261
A4 x 4
297 x 841
A4 x 7
297 x 1471
A4 x 5
297 x 1051
A4 x 8
297 x 1682
A4 x 9
297 x 1892
Tab. 19.1.Rozměry výkresových formátů Prodloužené formáty se skládají tak, aby vždy na viditelném vrchním skladu bylo čitelné razítko. To v praxi platí pro kopie výkresové dokumentace. Originály by měly 239
být smotány a uloženy ve speciální skříni. Pro rýsování na počítači však zpravidla není nutné uchovávat jiné než elektronické předlohy. Zde je samozřejmě nutné myslet na zálohování dat a soubory ukládat na více místech.
Druhy a použití čar Na výkrese je čára základním prvkem pro tvorbu grafických celků. Každý typ čáry má svůj význam. Typy čar dělíme podle tloušťky a typu. Každý typ čáry má svůj význam. Ve strojírenských výkresech jsou tenkými čerchovanými čarami značeny soustředné osy. Tenké nepřerušované čáry slouží pro zakreslení kót a pro šrafování řezů. Tlusté plné čáry se používají pro obrysy tvarů a přerušované pro skryté hrany. Délka krátkých čárek v čerchované čáře má být rovna nejvýše trojnásobku její tloušťky. Tloušťky čar by měly být v poměru 1 : 2 : 4, tedy například 0,13 mm : 0,25 mm : 0,5 mm. V CAD programech si obvykle tyto normy hlídá program sám. Vždy bychom však měli pamatovat na základní poučky: o pokud se čáry ve výkrese protínají, průsečík musí být na úrovni delších čar, o pokud spojujeme přerušované čáry v rohu, musí být rohové spojení na úrovni čar, nikdy čára – mezera o u přerušovaných čar se nesmí blízko sebe umístěné čáry krýt, měly by být posunuty
Zobrazování ve výkresech Se zobrazením předmětů ve strojírenských výkresech se budeme setkávat v celé praktické části práce. Z hlediska základního zobrazení je dělíme na plošné (2D) a prostorové (3D). Tímto se také liší kreslicí programy. Zobrazení tělesa v jeho pohledech z více stran se nazývá promítání. Představit si je můžeme jako při promítání objektu na filmu s použitím promítačky. Promítání může být rovnoběžné – promítací přímky jsou vzájemně rovnoběžné, kosoúhlé – promítací rovina je rovnoběžná s čelní stěnou a další souřadnou rovinou, středové – promítací přímky vycházejí ze středu promítání. Axonometrické promítání vystihuje názornou představu o reálném tvaru předmětu. Ve strojírenských výkresech je však nejrozšířenějším promítáním pravoúhlé. Zobrazovaný předmět je promítán rovnoběžnými promítacími přímkami svírající vzájemně úhel 90°. Tento typ promítání se však dále dělí na dva systémy. Jedná se o promítání v prvním kvadrantu, dříve evropské (ISO-E) viz. u nás je používané promítání podle normy iso-e. a promítání ve 3. kvadrantu, dříve značené jako americké promítání ISO-A, objasňuje níže uvedený obrázek. Pohledy jsou mezi těmito systémy promítnuty na opačné strany. Při rýsování v konstrukčních programech je tedy nutné dbát na 240
nastavení aplikace v součinnosti s jednotlivými normami. U nás je používané promítání podle normy ISO-E.
Obr. 19.1. Metoda promítání v 1. kvadrantu - ISO-E
241
Obr. 19.2. Metoda promítání ve 3. Kvadrantu - ISO-A
19.3. Kótování Kóty jsou důležité pro určení všech rozměrů součástky. Kótovací i pomocné čáry kreslíme tenkou plnou čárou v podobě úseček vně nebo i uvnitř kótovaného objektu a také kótovacích oblouků. Úhlové kóty se používají v případě kótování úhlů odlišných od rovinných úhlů (45°). Tyto úhly se kótují pomocí dvou souběžných kótovacích čar a kóta je označena jako např. 1 x 45°. Při kótování je nutné dodržovat daná pravidla. o kóta je číslo, které udává skutečnou nebo požadovanou velikost rozměru nebo polohu předmětu (jeho části). Není bráno v potaz měřítko, které je pro kreslení předmětu určeno. V případě, že je předmět nakreslený v jiném měřítku, měla by mu odpovídat udávaná hodnota. o rozměry délek se kótují ve stejných jednotkách (zpravidla to bývají mm), o rovinné úhly se kótují v úhlových stupních, minutách a vteřinách, o jiné než délkové rozměry se musí uvádět, 242
o každý prvek se kótuje pouze jedenkrát, o kóty se umísťují tak, aby bylo zřejmé, k jakému prvku mají vazbu, o všechny informace o rozměrech se uvádí přímo na výkrese, případně v přiloženém dokumentu (popisové pole, seznam položek), o kótovací čáry se kreslí rovnoběžně s kótovací rovinou nebo obloukem ve středu úhlu, o pomocné čáry se prodlužují 1 – 2 mm za kótovací čáru, o kóta se nemá protínat žádnou čarou a nesmí být rozdělena osou o Příklad kótování s názvoslovím kótovacích čar je uveden na následujícím obrázku.
Obr. 19.3. Popis kótovacích čar Podle typu kótovací soustavy při kótování více délkových rozměrů, které mají společný vrchol, je dělíme na:
řetězcové kótování
kótování od společné základny 243
smíšené kótování
souřadnicové kótování
Pro kótování podobných geometrických prvků, lišících se pouze v rozměrech, používáme kótování tabulkové. Namísto rozměrů kót se uvedou nad kótovací čáry velká písmena latinky. Jednotlivým písmenům se přidělí rozměry v tabulce, která je součástí výkresové dokumentace.
19.4. Tolerance v technickém výkresu Rozměry, které jsou udávány výkresovou dokumentací nelze vždy z různých důvodů vyrobit s nulovou odchylkou. Odchylky mohou být způsobeny několika příčinami. Mezi nejčastější patří vzniklé nepřesnosti z důvodu špatné volby technologie výroby, jejími postupy a také zaviněním lidského faktoru. Funkční rozměry mají tedy předepsány určité meze, které musí splnit, aby byl výrobek posouzen jako nezmetkový. Odchylky od původní hodnoty se nazývají tolerance. Rozměry, pro které neexistuje tolerance, musí splňovat parametry podle normy ČSN ISO 2768-1. Podle této normy jsou odchylky rozměrů rozděleny do čtyř skupin přesnosti. V těchto skupinách jsou uvedeny tolerance pro přesah parametrů délkových rozměrů, zkosení a zaoblení hran a úhlových rozměrů. Na technických výkresech se standardně zapisují toleranční značky. Úchylky mohou záviset také na drsnosti obou do sebe zapadajících povrchů dílů. Poloha tolerančního pole je doplněna tolerančním stupněm IT. Stupně se dělí na tři skupiny – A, B a C. Stupně A, B je na výkresech nutné předepisovat, dodržování stupně C musí samozřejmé. V soustavě ISO se určují úchylky kruhovitosti, rovinnosti, válcovitosti, rovnoběžnosti, souososti, různoběžnosti a obvodového a čelního házení předmětů. Úchylky se určují podle tolerančních tabulek. Tolerancemi se řídí i vzájemný posun hřídele a díry, které do sebe zapadají. Tolerance pro díry jsou uváděny velkými písmeny latinky, pro hřídele malými písmeny. Na níže uvedeném obrázku je nakreslený díl, uvádějící toleranční rozměr pro otvor i pro hřídel. Jsou zde uvedeny dva rozměry a to ø 70 H8 a ø 90 n6. H8 je toleranční stupeň pro díru a n6 pro hřídel. Toleranční stupně od 01 do 5 se užívají pro výrobu kalibrů, pro 6 – 11 pro výrobky přesného strojírenského průmyslu a pro 12 – 18 pro výrobu polotovarů.
244
Obr. 19.4. Tolerance děr a hřídelů Toleranční pole je plocha obdélníku, jehož vodorovné strany náleží horní a dolní úchylce a výška udává velikost tolerance. Poloha tohoto pole je udávána vzhledem k nulové čáře. Tímto způsobem je určena základní úchylka.
245
Obr. 19.5. Poloha tolerančních polí hřídelů a děr
19.5. Operační systémy počítačů a CAD software V souvislosti s používáním konstrukčních programů se můžeme setkat s problémem jeho funkcionality na různých operačních systémech. Společnosti, které CAD software vyvíjejí, se samozřejmě orientují na zákazníka a zisk z prodeje svých výrobků. Většina uživatelů osobních počítačů používá systém Windows. Oboustranně je tedy výhodné přizpůsobit konstrukční programy pro operační systém Windows. Velký boom nastal před několika lety, kdy k uživatelům začal stále více pronikat operační systém MAC OS. Některé konstrukční programy, jedná se zejména o software, který je vyvíjen pod volnou licencí, podporuje právě zmíněný operační systém MAC OS. Obdobně si stojí operační systém Linux. Jedná se o volně šiřitelný systém, který vyvíjí mnoho dobrovolníků. Operační systémy podporované ze strany výrobců CAD softwaru: o Windows – operační systém, který má velkou podporu u výrobců CAD software. o Linux – operační systém, který podporují zejména dobrovolníci vyvíjející programy pro tento operační systém. Na systému Linux vznikal také oblíbený 246
volně šiřitelný modelovací CAD program Wings 3D (více v kapitole o 3D modelářích). o Mac OS – operační systém, který podporují někteří výrobci CAD software (Google SketchUp) o Android – tento operační systém začíná pronikat prostřednictvím mobilních zařízení i do domény CAD softwaru. Společnost Autodesk vychází vstříc svým zákazníkům a uvádí program AutoCAD WS, který je možné provozovat na OS Android. Software umožňuje prohlížet a také editovat výkresy s příponou souboru *.dwg, *.dwf a *.dxf. Dalším podporovaným programem na OS Android, je program Droid 2CAD.
19.6. Licencování softwaru o OSS - tento software je možné používat svobodně. Je šířen s otevřeným kódem. To znamená, že je možné ho dále upravovat podle vlastních potřeb. Na tomto softwaru je například vyvinutý 3D grafický program Blender. OSS není vlastně ani licence softwaru. o GPL – jedná se o svobodný software. Používá termínu copyleft k ochraně práv uživatele, i v případě změny softwaru. o BSD – jedná se o svobodný software. Umožňuje volné šíření obsahu za podmínky uvedení autora, informace o licenci a upozornění na zřeknutí se odpovědnosti za dílo. „Software licencovaný pod BSD licencí lze začlenit do díla pod GPL (avšak opačně to neplatí: dílo pod GNU GPL nelze zveřejnit pod licencí BSD).“ o Freeware – software, který je k dispozici bezplatně. Jeho používání se však liší licenční smlouvou, která je u každého softwaru specifická. o Demo – software, který je omezený svou funkcionalitou pouze na dané úkony nebo po omezenou dobu. o Shareware – software chráněný autorským zákonem. Typicky je ho možné bezplatně používat po určitou dobu. Po této době je nutné software zaregistrovat nebo zakoupit. V licenčních podmínkách softwaru je uvedeno, za jakých podmínek je ho možné nadále využívat. o Abandonware – software, který je více než 10 let starý nebo se více než 5 let nepoužívá. Tento software není výdělečný nebo již není perspektivní pro další vývoj. Je tedy uvolněn pro volné použití – stává se z něho freeware s tím rozdílem, že se jedná o nechráněný software. o Licence STD – jedná se o používání programu v souladu s jeho licenčními podmínkami pro studijní účely. Do zaregistrování programu je funkční pouze 247
na omezenou dobu (30 dnů). Po registraci ho může student nebo učitel využívat po danou dobu například 150 dnů v případě programu SolidWorks ®. Používání softwaru se podle našich platných zákonů musí řídit podmínkami autorského zákona 121/2000 Sb., o právu autorském, právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů. Neoprávněným používáním softwaru nese jeho uživatel právní následky z porušení tohoto autorského zákona a hrozí mu peněžitý trest nebo odnětí svobody.
Další zdroje [1.]
Bc. KUNC, Martin. Metodika přípravy učitele na výuku strojírenských předmětů s využitím systémů CAD, diplomová práce. Masarykova univerzita, pedagogická fakulta, Katedra didaktických technologií [online]. Brno 2012 [cit. 2014-05-15]. Dostupné z https://www.google.cz/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=4&cad=rja &uact=8&ved=0CEcQFjAD&url=https%3A%2F%2Fis.muni.cz%2Fth%2F5762 0%2Fpedf_m%2FDiplomova_prace.doc&ei=q3p0UboEOry7Abm2ICgDQ&usg=AFQjCNHPG-9L3t5gTw8GQUOQ44cil0Jtw&sig2=khHN9gmsrVDmZnS96aHkog&bvm=bv.66330 100,bs.1,d.ZGU
248
20 CAD programy Zkratka CAD jsou první písmena anglického významu Computer Aided Design. Česky bychom mohli zkratku přeložit jako počítačem podporované konstruování. S nástupem informačních technologií (IT) v podobě nasazení počítačů do oblastí, kde byly dříve využívány konvenční technologie, došlo také k rozvoji softwaru pro návrhy výkresové dokumentace. V dnešní době se již tedy můžeme jen zřídkakdy setkat s klasickým konstruováním výkresů pomocí rýsovací desky s pravítky. V odborné literatuře je klasické rýsování považováno za archaické.
20.1. Srovnání rýsovacích desek a CAD programů Rýsovací desky, které používali konstruktéři a návrháři ještě donedávna, (v některých podnicích je ještě můžeme spatřit dodnes) měly své kouzlo. Dnes v nich můžeme spatřovat několik nesporných nevýhod: o rozměrově neskladná plocha – dřevěná deska vyráběná ve velikostech pro formát papíru A0 – největší běžně užívaný rozměr, potřeba velké plochy pro celý přístroj o složitý mechanismus pravítek, který byl s rozvojem rýsovacích desek částečně zredukován o nutnost dvojího kreslení výkresu – nejdříve nejlépe na milimetrový papír s použitím tužky tvrdosti HB a následné překreslení na průsvitku o nesnadná variabilita možností konstrukce (verzí návrhu) o při chybě při překreslování na průsvitku nutnost použití např. holicí čepele a následně plastové pryže pro odstranění chyby kreslení Naopak u CAD programů spatřuji nesporné výhody: o vyšší produktivita práce o rychlé vytvoření více variant o jednoduché úpravy výsledného nákresu o možnost tvorby výkresů nejen ve 2D, ale i ve 3D o jednodušší nasazení výrobku do výroby o snadná prezentace návrhu pomocí simulované vizualizace
20.2. Přehled, zařazení a rozdělení CAD softwaru V současné době je v nabídce CAD programů mnoho produktů, které se liší účelem použití. CAD programy můžeme využívat jako obecné, pro širší využití, je však 249
mnoho programů přizpůsobených pro použití v určité specializaci podle odvětví činnosti. CAD programy tedy můžeme dělit na použití v odvětvích: o strojírenství - CAM a CAE o stavebnictví a architektuře - AEC, BIM, CAAD o územním plánování - GIS o elektrotechnice - PCB, EDA o správě nemovitostí - FM Z pohledu budování a vývoje CA programů bychom mohli odvodit, že se jedná o software, jehož vývoj je ovlivněn mnoha předpoklady. Programování CA software je závislé na několika faktorech, které dávají vzniknout novému programu. Závislosti CA programů jsou znázorněny na následujícím obrázku.
Obr. 20.1. Prostředky ovlivňující budování CA systémů Rozebírá zde myšlenku, že lze pomocí dílčích systémů do určité míry napodobit myšlenkové pochody lidí a začlenit je do CA programů. Speciálně naprogramovaný software umožní částečné nahrazení lidského uvažování. V současných programech se s tímto jevem setkáváme poměrně často. Konstrukční program dokáže předvídat pomocí svých algoritmů, co uživatel zamýšlí a nabídne možné řešení. Příkladem inteligentního konstrukčního softwaru je rozdělení čtverce na dvě poloviny. Jestliže ukážeme myší na jednu stranu čtverce, program sám určí středový bod této strany. Chytrý konstrukční software dokáže opakující úlohy automatizovat. Šetří tak čas 250
strávený kreslením. Program vlastně nedělá nic jiného, nežli vyhodnotí entity objektu a nabídne naprogramovanou variantu. Jako u každého počítačového programu, můžeme spatřovat u různých CAD programů rozdílné výhody a nevýhody. Vývoj jakéhokoliv programu není nikterak jednoduchý. Na jeho výrobě pracují mnohdy týmy specialistů. Po dokončení programu nastává chvíle testování. Zde musí být vyladěny všechny chyby, na které se doposud nepřišlo.
vývoj
konstrukční příprava
technologická a plánovací příprava
výroba
montáž
kontrola kvality
CAD
CAM
CAPP
CAA
CAR
CAQ
CAE
CIM „CAD (Computer Aided Design) Počítačem podporované konstruování CAM (Computer Aided Manufacturing) Počítačem podporovaná výroba CAPP (Computer Aided Process Planning) Počítačem podporované plánování a řízení CAA (Computer Aided Assembling) Počítačem podporovaná montáž CAR (Computer Aided Robotic) Počítačem podporovaná robotika CAQ (Computer Aided Quality) Počítačem podporovaná kontrola kvality CAE (Computer Aided Engineering) Počítačem podporované inženýrské činnosti CIM (Computer Integrated Manufacturing) Počítačem podporované řízení výroby“
Tab. 20.1. Začlenění systémů počítačové podpory v etapách výroby 251
trh užití
Z předchozí tabulky vyplývá, že CAD software hraje významnou roli při vývoji, konstrukci i technologické přípravě. CAD programy můžeme dále dělit na 2D a 3D programy. Ve strojírenství se můžeme setkat s různými typy programů. Při výběru programu musíme určit, pro jaké účely ho budeme využívat. Rozhodujícím faktorem může být cena, doporučení, složitost práce s programem aj. Většinou je na prvním místě cena programu, která často dosahuje i několika desítek až stovek tisíc Kč. Některé však můžeme používat zcela zdarma. Cena je samozřejmě závislá na rozsahu licence. Nejdražší programy ve své ceně zahrnují několik hledisek, které zvyšují efektivitu pracovních výkonů. Podle těchto předpokladů je staví jejich použitelnost a srozumitelnost na dobré pozice tržního hospodářství. Propracovanost jednotlivých nástrojů či komponent, které jsou vlastní danému typu programu, je staví na výhodné pozice mezi špičku ve svém oboru. Velkou roli zde hraje reklama, která vytváří odbyt na nových trzích. Do ceny programu jsou samozřejmě zahrnuty prostředky, které do nich byly vloženy v průběhu vývoje, ale i jeho propagace, mezd a dalších nákladů. Na druhou stranu je možné se v praxi setkat s pozitivním přístupem ze strany vývojářů CAD software. Spočívá v uvolňování starších verzí programů pro volné použití zdarma. Z profesionální stránky již starší verze nemusí být dostačující pro všechny činnosti, které si vyžaduje rozvoj IT, může ještě ale dobře posloužit pro začátečníky. V mnoha případech se jedná o verze, které mají aktivní pouze některé funkce nebo jsou opatřeny jiným omezením. Tyto verze bývají pro získání schopností práce s konstrukčním programem postačující. Před samotným pořízením programu je vždy vhodné ověřit jeho dostupné funkce. Při výběru je tedy nutné zaměřit se na faktory, které jsou pro nás důležité v následné součinnosti s používáním programu. Před pořízením programu se musíme ujistit o vhodnosti programu pro daný operační systém a nárocích na hardwarové vybavení. Tyto informace by měly být uvedeny v jeho specifikaci. Zejména se jedná o jazykové mutace, které program nabízí. V dnešní době však již programy nabízejí jak popis textový, tak vždy konkrétní systém ikon. Symbolika ikon by měla být vymyšlena v souladu správné asociace uživatele daného nástroje a tím zjednodušil použití programu. Ve složitějších programech se často označení textovými popisky nevyhneme. Software, který je dobře naprogramován by měl mít velkou přednost v rychlém osvojení jeho funkcí uživateli. Také by měl obsahovat přesnou a výstižnou nápovědou. Noví uživatelé často hledají pomoc již při základních operacích s programem. Nové uživatele je třeba rychle a výstižně instruovat o možnostech jednotlivých funkcí programu. Některé CAD programy je možné rozšířit o takzvané pluginy. Pomocí nich získává následně program dodatečné funkce. Ty však uživatel musí umět využít a zohlednit 252
je při konstruování v programu. Dostupné bývají i katalogy součástí, které poskytují normalizované díly. Uživatel si tak ulehčí práci. Může si je jednoduše nahrát z databáze dostupné například na internetu nebo prostřednictvím jiného média. Příkladem je internetová databáze 3D modelů navržených pro prostředí 3D modeláře Google SketchUp. Obsahuje modely, které vytvořili uživatelé tohoto programu a poskytli je k dispozici dalším zájemcům pro jejich inspiraci nebo pro následné úpravy. V současnosti je k dispozici velké množství CAD programů. Některé programy ukončují vývoj, vznikají nové a propracovanější. Podniky také disponují CAD softwarem, který jsou pro ně vyvíjeny se specifickými funkcemi nebo pro stroje, se kterými pomocí tohoto softwaru dále pracují. V literatuře, která se zabývá CAD programy, nalezneme jejich obecné rozdělení na tři skupiny. Toto dělení uvádí: a) malý CAD software b) střední CAD software c) velký CAD software V případě malých programů se jedná o software, který nejsou určeny pro detailnější kreslení. Používají se pro skicování, tedy vytvoření zjednodušeného náčrtku, který bude podkladem pro kreslení ve středním a velkém softwaru. Požadavky na takové programy jsou pouze základní, nedosahují tedy ani na 2D programy. Středním CAD softwarem rozumíme rýsování v 2D prostoru. Jsme s nimi tedy schopni kreslit úsečky, oblouky, kružnice, obdélníky, mnohoúhelníky s možností jejich editace pomocí nástrojů zkosení, zaoblení, ořezání, prodloužení aj. Obsahují také hladiny, nástroje pro kótování, pracují s barvami a umožňují také vkládání textu. Velký CAD software představuje kreslení neboli modelování ve 3D prostoru. Je v nich možné modelovat v drátových, plošných nebo objemových perspektivách, v případě modelování v plošném modeláři zobrazuje skryté hrany, pomocí následného skicování je možné vytvářet složitější modely. Některé programy mezi těmito pohledy umožňují přepínat. Příkladem je program Wings3D, který je představen dále. Velký software tedy obsahuje velmi sofistikované funkce. V závislosti na propracovanosti CAD softwaru je stanovena jeho cena. Malý software je možné získat zpravidla zdarma. U středního cena roste, také v závislosti na možnostech programu. Nejvyšší pořizovací cenu stojí logicky velký CAD software. Tato cenová pravidla ale neplatí vždy. Výjimky můžeme zaznamenat například u programů SketchUp nebo Wings3D. Lehce můžeme odvodit, že první jmenovaný je produkt velké firmy Google, která si tímto stanovuje cenovou politiku. Pokud budete s programem spokojeni, zakoupíte verzi profesionální, která disponuje rozsáhlejšími 253
možnostmi. Program Wings3D je naopak příkladem úplného užití zdarma. Na vývoji se podílí dobrovolníci, kteří neočekávají žádnou odměnu za svou práci na jeho vývoji. V závěru je nutné zdůraznit skutečnost, že čím je program lepší, propracovanější a výkonnější, tím rostou i nároky na hardwarové vybavení počítačů jeho uživatelů. V souvislosti s CAD programy se také můžeme setkat s pojmy inteligentní uchopení, parametrizace a asociativita. Inteligentní uchopení znamená zvýraznění dané entity jinou barvou při jejím výběru za pomocí myši.
20.3. CAD a IS Při spolupráci s ostatními systémy je třeba zajistit nejen bezpečné ukládání dat, ale také jejich přenositelnost mezi jednotlivými systémy. Právě přenositelnost dat nebylo v době minulé příliš jednoduché. Data byla do informačního systému (IS) podniku, nebo mezi jednotlivými pracovními stanicemi, přenášena pomocí disket. Tento způsob nebyl z více pohledů výhodný. Později se tedy podařilo vyřešit propojení CAD programů a IS pomocí nadstaveb ze strany IS, nebo ze strany CAD programů. Data byla od této chvíle ukládána do sdílené databáze ve formě tabulek, čímž byla zvýšena jejich přístupnost z různých míst.
20.4. Programy pro skicování Návrhem skici formujeme první návrh budoucího výrobku. Je ji možné kreslit na papíře, ale také ji můžeme vytvořit pomocí počítačového programu, který slouží pro tvorbu kresby nebo designu. Skicou ztvárňujeme první zápisky budoucího výrobku. Pro další práci v programech CAD je prvotní vytvoření předběžné skici důležité. Pro programy určené ke skicování je důležitá jejich jednoduchost a práce v nich musí být rychlá. Při vývoji nového výrobku je také mnohdy potřebné vytvořit několik variant nákresů, zejména pokud se jedná o náčrty nového designu. Ve skice je ztvárněn její hrubý tvar, slouží pro získání představy o budoucím vzhledu výrobku a pro předlohu pro konstrukci ve 2D nebo 3D programu.
Creo Sketch 2D v 1.0 Produkt pod názvem Creo Sketch 2D uvedla na trh firma PTC. Creo Sketch disponuje celou řadou produktů od skicování přes 2D kreslení po 3D řešení. Je dostupné pro operační systémy Windows XP a Windows 7. Doporučení firmy pro kreslení v tomto programu je s použitím tabletu. Program je kompletně v angličtině. Obsahuje základní standardní funkce, tj. kreslení křivek, čar, obdélníků, kruhů a zakřivení. Kromě těchto standardních kreslicích nástrojů, disponuje možnostmi úprav jednotlivých bodů nakreslených objektů. Umožňuje použít nástroj pro změnu tvrdosti tuhy. Pracuje s hladinami, texturami a samozřejmé jsou i funkce klonování, ořezu, 254
výplně, efektů rozmazání, ostření, změně jasu a kontrastu a také práce s použitím barev. Umožňuje přepínat vyplňování objektů vně nebo uvnitř. Při práci je možné zapnout rast,který lze volitelně nastavit. Pro uložení kresby se nabízí interní formát *.csk, kromě něho však obsahuje všechny nejpoužívanější obrazové formáty (*.tiff, *.jpg, *.gif, *.png, *.jpg). Výsledný návrh lze také samozřejmě poslat k vytištění na připojenou tiskárnu.
Obr. 20.2. . Vzhled programu Creo Sketch 2D Po vyzkoušení programu mohu říci, že program vyniká svou jednoduchostí, obsahuje však i některé pokročilé funkce. Program je možné stáhnout a používat ze stránek výrobce zcela zdarma.
Inkscape Program Inkscape je grafický vektorový, který má široké využití. Lze ho elegantně využít pro kreslení skic v technickém kreslení. Primárně pracuje s formátem s příponou *.png. Program je dostupný pro operační systémy Windows, Linux a Mac OS X a je zdarma a je dostupný v české verzi. V jiném ohledu nejsou nutné žádné speciální požadavky na vybavení počítače. Nutno ještě podotknout, že ho není nutné instalovat. Lze ho tedy spouštět i z přenosného disku. V současné době jeho vývoj pokračuje, protože některé standardy ještě nejsou plně implementovány. V budoucnu by měl umět také vytvářet animace. Lidé, kteří byli u jeho vzniku, se snaží zachovat program otevřený jak svým uživatelům, tak ostatním vývojářům. Uživatelé mohou navrhovat nové funkce, které by rádi používali. Dobrovolní vývojáři pak, díky otevřenému kódu, program rozšiřují o další funkce.
255
Obr. 20.3. Prostředí programu Inscape Po spuštění programu se otevře jeho okno s přehledně seřazenými funkcemi. V horní liště jsou přehledně uspořádány jednotlivé funkce a vlevo se nachází grafické menu s nejpoužívanějšími nástroji. Pro skicování lze použít kreslení od ruky, nástroj pro kreslení křivek (úsečky, pravoúhlé úsečky, vlnovky, beziérovy křivky), kreslení obdélníků, mnohoúhelníků, tvorbu kružnic, spirál, guma, vyplňování barvou, vkládání textu aj. Tvary lze následně spojovat, rozdělovat, ořezávat, kombinovat, měnit jejich velikost atd. program umožňuje práci s vrstvami, které lze samozřejmě vypínat.
20.5. 2D modeláři 2D CAD programy se používají ke kreslení výkresové dokumentace v kartézském souřadnicovém systému x a y. V této skupině programů je možné kreslit podobně jako při použití programu při skicování tj. můžeme používat čar, křivek, kružnic, zaoblení, zkosení. Navíc jsou programy vyvinuty tak, aby v nich mohly být kresleny technické výkresy, tedy k zakreslování v osových souměrnostech, zakreslování kót aj. 2D kreslení je v dnešní době stále velmi používanou metodou zobrazení. Výkres nahlíží na přední pohled součástky. Pro pohled z jiné strany používá další nákres, který je pravoúhle promítnut na další část výkresu.
A9CAD A9CAD je produkt firmy A9Tech, umožňující kreslení ve 2D. Je to jednoduchý kreslicí 2D program s anglickým jazykovým prostředím, který je určen pro operační systém (dále OS) Windows. Slouží ke kreslení čar, křivek, oblouků, kružnic, elips, umožňuje kótování a vkládání textu. Podporuje souborový formát *.dwg a *.dxf Pro uložení 256
výkresu do obrazových formátů (*.bmp, *.jpg, *.png, *.tif) je nutné nainstalovat převodník A9Converter. program funguje na operačních systémech Windows 98 a novějších.
Obr. 20.4. Vzhled programu A9CAD Program obsahuje všechny základní nástroje (čára, obdélník, kružnice, elipsa), umožňuje také dále s vytvořenou grafikou pracovat (výběr a úpravy grafiky, ořez, rozdělení a mazání čar, zkosení, kótování, zrcadlení, kopírování, rotaci, posun), obsahuje také funkci rastru a pravoúhlého kreslení čar. Práce s programem však není příliš intuitivní a také práce s ním vyžaduje lepší schopnosti a zručnost. Za zmínku stojí také nápověda, která obsahuje pouze povrchní informace a nelze se podle ní naučit používat konkrétní nástroj.
Radan radraft Jedná se o nástroj, který slouží k návrhům součástek z plechu. Vyniká svou jednoduchostí i pro začínající projektanty. Program je výhodný při nasazení ve výrobě, kde automaticky naskládá součásti potřebné k výrobě na danou plochu plechu, čímž šetří materiálem. Sám dokáže vybrat vhodný plech k výrobě dané součástky. Ovládá funkce navrhování, děrování, ohýbání, profilování a také nadstandardní rozmístěním dílů na plechovou tabuli. Program se také dokáže spojit s jiným CAD programem a předávat mu data potřebná k výrobě. Program lze 257
instalovat na OS Windows XP Professional a novější. Minimální systémové požadavky jsou 2GHz procesor, 2GB RAM, 20GB volného místa na disku, grafická karta 1024x768px. Pro komunikaci s dalšími systémy používá sériový port RS232.
Solid Edge 2D Drafting ST4 Jedná se o jeden z mála programů, který může zdarma užívat bez jakéhokoli časového omezení, jakýkoliv potencionální zájemce. Dostupná je i verze s možnostmi modelování ve 3D, která je již však placená. Program v bezplatné verzi je dostupný na stránkách firmy Siemens, která zároveň software distribuuje. Licence není časově omezena, dokonce není třeba aktivovat licenci studentskou. Před stažením programu z Internetu, pouze je nutné vyplnit registrační formulář a vyplnit v něm mimo jiné email, na který jsou následně doručeny informace o členství do diskusního fóra Solid Edge 2D Drafting. V něm je možné sledovat a vyměňovat dotazy a návody. Po odeslání formuláře jste přesměrování na stránku se stažením instalačních balíčků. Nabízí se deset jazykových mutací, včetně angličtiny. Ze stejné stránky je možné stáhnout i balíček s českou lokalizací. Ten se aplikuje po instalaci cizojazyčné verze do stejného adresáře. Pro instalaci a fungování tohoto softwaru je nutné mít nainstalován program Net Framework 2.0, který se v případě jeho absence nainstaluje z Internetu. Po spuštění programu se zobrazí úvodní obrazovka, kde je možné, mimo jiné, založit nový projekt. Program obsahuje hlavní nabídku s možnostmi práce se souborem (otevření, uložení, tisk, nastavením kreslicího plátna), dále nastavení samotného programu. Výkres lze uložit ve formátu *.dgn, *.dwg a *.dxf. Poslední dva jmenované formáty jsou formáty programu AutoCAD. Je tím zjednodušen přechod na program Solid Edge 2D Drafting z konkurenčního softwaru. Je možné vytvářet množství jednotlivých listů výkresů. Výstupy z programu lze také převést do obrazového formátu s příponami *.bmp, *.jpg *.tif. S převodem na tyto formáty se můžeme standardně setkat s velkým množstvím programů. Přehledně je také rozdělena nabídka nástrojů. V menu nalezneme několik záložek, v nichž jsou soustředěny a přehledně rozděleny nástroje pro kreslení (čáry, oblouky, kružnice, obdélníky a nástroje pro následný ořez, rozdělení, zrcadlení, zobrazení mřížky, kreslení výplní a další). Dále nalezneme potřebné nástroje pro vazby, úchopové body, kóty, poznámky pro vložení dodatečných informací k výkresu (osy, značky, popisy, odkazy aj.) a vložení externích objektů. Další karty aplikace obsahují tvorbu tabulek, kontrolu zakreslených objektů, dodatkové nástroje a zobrazení. Usnadnění práce v aplikaci zajišťuje pomocná kontextová nabídka, která má vzhled kruhové výseče. Nabídku je možné vyvolat dvousekundovým přidržením pravého tlačítka myši na volné ploše výkresu. Výhodou je možnost přizpůsobení a změny nástrojů, které se v ní nacházejí. 258
Obr. 20.5. Solid Edge 2D Drafting ST4 Při rýsování v programu Solid Edge 2D Drafting ST4 je možné zadávat rozměry několika způsoby. Prvním je vybrání nástroje například obdélníka a zadáním rozměrů přímo v pomocném řádku nástroje – ve výběrovém okně. Druhou možností je kreslení od ruky s následnou editací rozměrů pomocí vybrání objektu nebo jeho části. Tento postup je vhodný při následných úpravách již narýsovaných objektů. Třetí možností je úprava velikosti při kótování. Zde je možné rozměry objektu měnit přímo při s editací kóty. Pokud nejsou konkrétní body uzamčeny, je možné měnit všechny parametry proporcionálně. Program umí pracovat s knihovnami součástek. Kreslit je možné v nadefinovaných hladinách, které lze samozřejmě vypínat a zobrazovat podle aktuálních potřeb. S programem se pracuje velmi intuitivně, obsahuje všechny základní funkce, které jsou přehledně seřazeny v postupném sledu. Rýsování může být tedy snadné i pro začátečníky. Z tohoto důvodu ho jistě lze doporučit pro výuku ve školách. Druhým důvodem je také skutečnost, že program je možné využívat zdarma. Příjemně také působí grafické rozhraní, vizuálně připomínající aplikaci MS Word 2007. Uživatelé této kancelářské aplikace mají menší výhodu s naučením se rozvržení nástrojů a přizpůsobení programu. Možnosti aplikace jsou dobře nastavitelné a opět je není, vzhledem ke shodnému umístění s MS Word 2007, nutno dlouho hledat. 259
Minimální systémové požadavky na provoz softwaru: Windows XP Professional, 512MB RAM, rozlišení grafické karty minimálně 1024x768px, 1,4GB volného místa na pevném disku.
20.6. 3D modeláři 3D CAD programy slouží, jak již samotný název napovídá, k tvorbě trojrozměrných obrazů (modelů). Ve dvojrozměrných programech je možné zakreslovat objekty v osách x a y. V trojrozměrných programech pak modelujeme v osách x, y a z. V CAD programech mluvíme tedy o modelování, protože v nich vytváříme objekty přímo v trojrozměrném provedení, případně vytváříme tvary, z nichž modelujeme celé objekty (nebo jejich části). 3D modeláře využíváme zejména při kreslení složitějších součástí nebo pro názornou vizualizaci předmětů. Využití je vhodné zejména k vytváření prototypů, které lze následně zadat do výroby nebo třeba vytisknout na 3D tiskárně. Modelování v programech CAD má také velký význam v dalších průmyslových odvětvích, např. stavebnictví, architektuře elektrotechnice, kde programy pomáhají za pomoci CAM softwaru při tvorbě různých objektů, maket a nových designů.
Creo parametric Program Creo Parametric pochází ze stejné vývojové dílny, jako Creo Sketch 2D. Umožňuje však kreslit v pokročilých funkcích 3D. Jedná se o parametrický program. Znamená to, že si program pamatuje každý krok, který vykonáme a ukládá si ho do historické posloupnosti. Tím se samozřejmě zvětšuje výpočetní výkon počítače. Podporuje mnoho grafických formátů viz. Následující tabulka. Výhodou je kontrola chyb a možnost vrácení se ke konkrétnímu stavu učiněnému v předchozích krocích. Firma PTC neopomíjí ani podporu pro začínající návrháře. Na stránce http://communities.ptc.com je dostupná nápověda (v některých případech i v češtině). Systémové požadavky na software vycházejí z následujících předpokladů. Operační systém Windows XP Professional, 3GB operační paměti, rozlišení grafické karty minimálně 1280 x 1024px. V případě instalace na Windows 7 nebo Windows server 2008 je vyžadována operační paměť 4GB. Operační systém Windows Vista podporován není. Nároky na grafickou kartu jsou podmíněny pouze výrobcem hardwaru. Podporovány jsou Dell, Fujitsu, HP a Lenovo. 32-bitové Import/Export verze Windows XP a 260
64-bitové verze Windows XP a
Windows 7
Windows 7
Podporované obrazové formáty BMP
*.bmp
I/E
Ano
Ano
EPS
*.eps
E
Ano
Ano
GIF
*.gif
I
Ano
Ano
HDR
*.hdr
I
Ano
Ano
JPEG
*.jpg
I/E
Ano
Ano
PDF
*.pdf
E
Ano
Ano
Picture
*.pic
E
Ano
Ano
PNG
*.png
I/E
Ano
Ano
PTC Bumpmap
*.tx1
I/E
Ano
Ano
PTC Color Texture
*.tx4
I/E
Ano
Ano
PTC Decal
*.tx3
I/E
Ano
Ano
PTC Image
*.imf
I/E
Ano
Ano
RGB
*.rgb
I/E
Ano
Ano
RLA
*.rla
I/E
Ano
Ano
Session Texture *.mem
I
Ano
Ano
Shaded Image
*.shd
I/E
Ano
Ano
SHIMA-SEIKI
*.pic
I/E
Ano
Ano
TGA
*.tga
I/E
Ano
Ano
TIFF
*.tif
I/E
Ano
Ano
261
2D formáty Adobe Illustrator *.ai
I
Ano
Ano
CGM
*.cgm
I/E
Ano
Ano
DWG
*.dwg
I/E
Ano
Ano
DXF
*.dxf
I/E
Ano
Ano
IGES
*.igs
I/E
Ano
Ano
Medusa
*.s, *.she, *.asc
I/E
Ano
Ano
PDF
*.pdf
E
Ano
Ano
ProductView
*.ed
E
Ano
Ano
*.plt *.edz *.pvs *.pvz SET
*.set
E
Ano
Ano
STEP
*.stp
I/E
Ano
Ano
*.step
I
*.tsh
I/E
Ano
Ano
Stheno
3D formáty ACIS
*.acs
I/E
Ano
Ano
Autodesk Inventor
*.iam, *.ipt
I
Ano
Ano
CATIA V4
*.model
I/E
Ano
Ne
Nutno instalovat program Autodesk Inventor
262
CATIA V5
*.exp
I
*.CATPart
I/E
Ano
Ano
*.CATProduct *.cgr DWG
*.dwg
I
Ano
Ano
DXF
*.dxf
I
Ano
Ano
Granite
*.g
I/E
Ano
Ano
JT
*.jt
I/E
Ano
Ano
IBL
*.ibl
I
Ano
Ano
ICEM
*.icm
I
Ano
Ano
IGES
*.igs
I/E
Ano
Ano
*.iges
I
Neutral
*.neu
I/E
Ano
Ano
Optegra visualize
*.gbf
E
Ano
Ano
Parasolid 3D
*.xmt, *.xmt_txt, *.x_t, *.xmt_neu, *.x_n *.xmt_bin, *.x_b – (import)
I/E
Ano
Ano
I/E
*.x_t – (export) PDF
*.pdf – Direct model export
E
Ano
Ano
Points
*.pts
I
Ano
Ano
Pro/DESKTOP
*.des
I
Ano
Ano
*.pdt
263
Creo Elements/View & Creo View
*.ed (struktura) & *.ol (modely)
I/E
Ano
Ano
*.edz *.pvs (struktura) *.ol (modely) *.pvz
Render
*.slp – Facet Only
E
Ano
Ano
Rhino
*.3dm
I
Ano
Ano
SET
*.set
I/E
Ano
Ano
SolidWorks
*.sldprt, *.sldasm
I
Ano
Ano
*.stp
I/E
Ano
Ano
*.step
I
STL
*.stl
I/E
Ano
Ano
U3D
*.u3d
E
Ano
Ano
Unigraphics
*.prt
I/E
Ano
Ano
Pro převod je nutné mít nainstalován program SolidWorks a mít jeho platnou licenci. STEP
Nutná instalace a licence UG VDA
*.vda
I/E
Ano
Ano
VRML
*.wrl – Facet Only
I/E
Ano
Ano
Wavefront
*.obj
I
Ano
Ano
264
ECAD Formats Allegro
*.mdb
I/E
Ano
Ano
I/E
Ano
Ano
*.mdc *.mdf DAZIX
*.edn *.edp
EDMD
*.idx
I/E
Ano
Ne
IDF
*.emn
I/E
Ano
Ano
*.emp
I
Neutral
*.nwf
I/E
Ano
Ano
eXtensible Markup Language
*.xml
I
Ano
Ano
Visula
*.evs
I/E
Ano
Ano
Tab. 20.2. Podporované formáty v Creo parametric
Google SketchUp Program Google SketchUp je jedním z nejvíce používaných modelovacích 3D programů. Důvodem není jen skutečnost, že je distribuován zdarma, ale i to, že je práce s ním velmi intuitivní. Mimo verze zdarma existuje také placená verze Pro. Verze zdarma je ochuzena o některé jeho funkce, kterými je například ukládání do formátů *.dwg a *.dxf nebo export do dalších podporovaných formátů (export do 2D grafiky – *.png, *.jpg, *.tif a *.png je v neplacené verzi možný). Placenou verzi je možné zakoupit za 13368Kč. Program byl původně vyvinut pro modelování koncepčních návrhů. Postupně se však rozšířil do všech technických odvětví, ve kterých lidé pracují s CAD 3D programy. Úspěšný se stal ale také proto, že je dostupný v asi 12 jazykových mutacích včetně české. Program je možné instalovat na operační systémy Windows (od verze 2000) a Mac OS X.
265
Obr. 20.6. Vzhled programu Google SketchUp 8.0 Po spuštění programu se otevře jeho okno, kde nalezneme základní nástroje. Vhodné je pomocí menu „Zobrazit / View“ aktivovat zobrazení nástrojů rozšířených. Kreslicí plocha má klasický vzhled se souřadnicemi x, y a z. Samotná nástrojová lišta obsahuje nástroj pro kreslení od ruky a nástroj elips, ale také kreslení čtverců, obdélníků, trojúhelníků a kruhů, nástroje guma, výplně atd. Kreslíme tedy dvojrozměrné tvary. Pro trojrozměrné kreslení následně využíváme nástroj vytažení. Mezi další nástroje, které v programu skvěle fungují, je „orotování tvaru / follow me“, sloužící pro zkosení hran, ale také nástroje měření, otáčení, kótování, vkládání textu aj. Pomocí kontextového menu pak můžeme s nakresleným objektem uskutečňovat další akce, např. skrývat, mazat, zamknout a slučovat objekty, otáčet je podle os. Jak jsem se již zmínil o možnostech stažení hotového 3D objektu z databáze objektů, je tato možnost integrována v menu programu. Při ukládání projektu se také SketchUp zeptá, zda chcete svůj projekt do této databáze vložit, aby ho mohli využívat další uživatelé.
ProgeCAD Firma SoliCAD uvádí na trh řadu produktů pro konstruování na počítači. Program ProgeCAD je stěžejním produktem, který je firmou srovnáván jako alternativa velmi 266
používaného programu AutoCAD. Jedná se o program pro 2D ale i 3D kreslení. Zákazník si může vybrat z několika variant produktů verze Professional CZ 2011 s bezplatnou aktualizací na verzi 2012, která bude již brzy dostupná. K dispozici je buď samostatná verze v ceně 8220Kč, USB verze za cenu 11868 Kč nebo verze síťová za cenu 11580 Kč. Dále na svých webových stránkách firma nabízí starší produkty za poměrně nižší ceny a také verzi ProgeCAD Smart! zdarma. Tato verze má bohužel jednu nevýhodu. Lze ji nainstalovat pouze na operační systém Windows XP Professional a Windows Vista. Novější verze Windows není podporována. Nutno podotknout, že se jedná o verzi, která obsahuje většinu funkcí verze Professional. Použití je omezeno pouze pro domácí a nekomerční účely. ProgeCAD je také možné získat zdarma, v případě že se jedná o licenci pro studenta nebo učitele. Získat je ji možné po vyplnění kontaktního formuláře školy, prostřednictvím internetových stránek, kde je následně vygenerována oficiální žádost. Tu je vytisknout na hlavičkový papír školy a odeslat firmě SoliCAD s.r.o. Další podmínkou získání licence je umístění reklamního banneru na webové stránky školy. Všechny verze programů je také možné vyzkoušet ve lhůtě 30 dní zdarma. Program podporuje formát souborů *.dwg a *.dwf, umožňuje převod PDF souborů do těchto formátů, podporuje export do *.jpg a tisk do *.pdf. Výhodou je přímé otevření souborů uložených v programech AutoCAD®, AutoCAD LT® a AutoCAD® 2012 bez ztráty nebo poškození dat. Není zapomínáno ani na oblíbený operační systém MAC OS. Verzi iCADMac, jak ji firma označuje, je možné zakoupit za cenu 26399Kč. Systémové požadavky jsou Apple® Mac® Pro, MacBook® Pro, iMac®, Mac® mini, MacBook Air®, MacBook®, Mac OS X v10.5.8 nebo vyšší, 1 GB RAM (minimum), 2 GB RAM paměti (doporučeno), 2.0 GB volného místa na disku pro stažení a instalaci, (doporučeno 3 GB), všechny grafické karty podporované na hardwaru, rozlišení minimálně 1024 x 768 bodů s barevnou paletou true color, Mac OS X kompatibilní tiskárna.
Radan 3D Jedná se program, s jehož pomocí lze sestavovat plechové konstrukce nebo tvářet plechy v trojrozměrné rovině. Program obsahuje jádro ACIS. ACIS je 3D modelovací jádro (technologie) dříve používané AutoCADem a dalšími CAD aplikacemi. Z jádra ACIS vychází i geometrické 3D jádro Autodesk Shape Manager používané v aplikacích Autodesku pro objemové a plošné modelování. Umožňuje import mnoha formátů včetně SolidWorks, Inventor, Catia V4 & V5, SAT, IGES a Parasolid. Program lze instalovat na OS Windows XP Professional a novější. Minimální systémové požadavky jsou 2GHz procesor, 2GB RAM, 20GB volného místa na disku, grafická karta 1024x768px, pro komunikaci používá sériový port RS232. Firma PTC, která je původcem tohoto softwaru, nabízí také školení na jejich CAD 267
programy. Na českých stránkách této firmy je několik kursů stručně představeno, anglické stránky k nim doplňují i ceny. Dvoudenní kurs podle nich stojí $700, třídenní kurs $1050 a internetový kurs, který sestává ze tří lekcí po dvou hodinách $795. Program používají přední tuzemští výrobci kotlů a jiných plynových spotřebičů např. firma Thermona nebo Mora a také výrobce protipožárních dveří Vipax.
SolidWorks Tento profesionální program je na velmi vysoké úrovni. Jeho využití nenachází uplatnění pouze ve sféře firemní, velmi často se s ním setkáváme také na středních školách zaměřených na technické obory. Podobně jako software Creo paramteric spadá do programů parametrických. Je to tedy program parametrický, objemový i plošný. „SolidWorks má technologie pro práci s rozsáhlými sestavami, včetně automatického generování výkresové dokumentace. To vše spolu s nadstavbami pro simulace, animace, včatně vizualizací, dělá ze softwaru SolidWorks vynikající nástroj pro projektanty a konstruktéry v nejrůznějších odvětvích dnešního průmyslu a designu.“ Pro práci s ním je zapotřebí určitá zručnost a také čas potřebný k naučení se jeho funkcím, které jsou opravdu velmi důsledné a nepřeberné. Po spuštění programu se objeví na obrazovce základní okno programu nabízející otevření dokumentu nebo různé možnosti nápovědy. Pokud vybereme volbu „Nový dokument“, následně musíme vybrat jednu z možností, se kterou budeme ve výkrese pracovat. Nabízí se možnosti díl, sestava a výkres. V případě výběru volby dílu se jedná o tvorbu trojrozměrné součástky. Stejně je tomu i při výběru sestavy. Poslední možnost nabízí tvorbu výkresu, tedy technické dokumentace součástek, které jsme nakreslili pomocí předchozích voleb. V otevřené aplikaci je možné další nové součástky nebo výkresy zakládat pomocí volby „nový“. Důležité je, abychom si uvědomili, že program pracuje s rovinami. Na to nesmíme při kreslení zapomínat, vždy je nutné danou rovinu vybrat. Začínáme vždy kreslením skici, jejímž ukončením se přepínáme do okna kreslení třetího rozměru. Pro přidávání další grafiky se přepínáme opět na skicu.
268
Obr. 20.7. Vzhled programu SolidWorks Ve výkresu můžeme použít nástroje čára, křivka, oblouk, kružnice, elipsa, obdélník, mnohoúhelník, vkládat text, kótovat za pomocí inteligentního kótování. Pro přepnutí do práce s prvky můžeme použít nástroje přidání nebo ubrání vysunutím, přidávání rotací, tažením po křivce, spojování profilů, zaoblení, zkosení, zrcadlení, kopule, žebro, skořepina a mnoho dalších, které nalezneme také pomocím menu – vložit. Program obsahuje knihovnu dílů, součástek a vzhledů, kterou lze aktualizovat z databáze součástek umístěnou na svých internetových stránkách. Disponuje také pokročilými funkcemi pro výpočet zatížení. Kromě formátů souborů *.dwg a *.dxf, disponuje dalšími téměř třiceti podporovanými souborovými formáty. Také bych chtěl upozornit na možnost přímého tisku součástky na místní 3D tiskárně. Systémové požadavky jsou podmíněny operačním systémem Windows XP Professional a vyšším, procesorem Intel Pentium, Xeon, Core nebo AMD Athlon, operon, Turion, operační pamětí minimálně 1GB, mechanikou DVD. Použití daného typu grafické karty závisí pouze na jejím výkonu. Podporované typy si mohou uživatelé programu ověřit na stránkách www.solidworks.com/graphicscards.
TopSolid TopSolid je 3D modelář s řadou pokročilých funkcí pro tvorbu sestav a celků ale také kinetiky a renderování. Obsahuje všechny potřebné funkce jako křivky, čáry, obdélníky, kružnice a nástroje pro jejich následné úpravy. Program také obsahuje knihovnu standardních dílů od předních výrobců dílců. Je možné požadovat 269
frézování až do pěti os v oblasti kovu i dřeva nebo jiných materiálů, soustružení, kombinaci soustružení a frézování v pěti osách pro obráběcí centra, výrobu elektrod, řezání drátem, prostřihování/vysekávání, řezání laserem, ohýbání plechů apod. Software generovat výkresové dokumentace, což by mělo být u obdobných CAD programů samozřejmé. Minimální požadavky na hardwarovou konfiguraci počítače jsou následující: požadován je procesor minimálně 2GHz, paměť 1GB, grafická karta alespoň 256MB, HDD 200GB, monitor minimálně 17" 1280x1024. Operační systém, na který lze program nainstalovat je Windows, verze XP SP3 nebo novější. Doporučený OS je Windows 7 64 bitové verze, RAM 4GB, grafická karta minimálně 512MB, volné místo na pevném disku alespoň 1TB.
Wings 3D Systémové požadavky umožňují použití programu na operačních systémech Windows 2000 a novějších, systému Mac OS X a novějších a také na operačním systému Linux. Velice často se můžeme setkat s grafickými programy, které jsou primárně vytvořeny pro operační systém Linux. Kreslicí program Wings 3D je právě jeden z nich. Program Wings 3D slouží pro volné modelování objektů v trojrozměrném prostoru. Po jeho spuštění se otevře okno s jednoduchým, ala funkčně přehledným grafickým rozhraním. V horní příkazové liště nalezneme položky menu přehledně rozděleny (soubor, úpravy, zobrazení, výběr, nástroje, okno, nápověda). Většina z těchto položek lze ovládat prostřednictvím klávesových zkratek, které je možno předem nadefinovat. Samotné kreslení objektů probíhá po kliknutí pravým tlačítkem myši na ploše programu, což je mírně netradiční způsob kreslení. Také další úpravy objektu (přesun, otočení, změna velikosti, vytažení, zkosení, připojení, zrcadlení, vyhlazení aj.) probíhají vybráním nástroje prostřednictvím kontextového menu. Další úpravy pak probíhají klasicky s použitím levého tlačítka myši nebo kolečka. Veškeré úpravy lze realizovat v několika režimech – v režimu úpravy bodů, úpravách hran a úpravách ploch. Poslední zmíněná volba je nejpoužívanější pro úpravy větších ploch, předchozí dvě pro dokreslení detailů. K dokončení a vyhlazení objektu pak slouží nástroj pro vyhlazení hran.
20.7. Konvertory a prohlížeče Konvertory neboli nástroje, které slouží pro převod dat mezi jednotlivými formáty, jsou z praktického hlediska velmi důležité. Každý kreslicí program disponuje často svým souborovým formátem. Ve většině případů se setkáváme s formáty, které jsou již zavedené a standardizované. Při vývoji daného dvojrozměrného nebo trojrozměrného kreslicího programu programátoři v minulosti neřešili možnost převodu mezi jednotlivými souborovými formáty. Někdy úmyslně možnost převodu z jednoho formátu na druhý ve svém programu záměrně neumožnili. Důvodem pak 270
mohlo být znesnadnění přechodu uživatele na konkurenční program. Následně tedy začaly vznikat programy, které řešily nedostatky v absenci exportu dat mezi různými formáty. Můžeme se také setkat s tím, že nám někdo předá soubor v některém z formátu pro CAD. Pokud nepotřebujeme soubor dále editovat, můžeme využít pouze prohlížeč pro daný formát. Několik konvertorů a prohlížečů CAD souborů si nyní představíme.
3D Object Converter V4.20 Jedná se o program, který se vymyká ostatním co do funkčnosti, tak i ceny. Dokáže pracovat s velkým počtem formátů souborů, zdarma ho ale bohužel můžete používat pouze po dobu 30 dnů. Pokud ho chcete i nad8le používat, musíte zaregistrovat a zaplatit 45€. Program podporuje velké množství nejen CAD formátů.
A9Converter 1.0.4 Tento program je určen pro obousměrný převod souborů *. dwg a *.dxf. Program slouží pro import mport formátů AutoCAD R2.5, R2.6, R9, R10, R13, R14, 2000, 2002, 2004, 2005 a 2006 a export z programů AutoCAD R10, R13, R14, 2000, 2002, 2004, 2005 a 2006. Právě AutoCAD je významným představitelem kreslicích CAD programů. Umožňuje dávkovou konverzi souborů. Novější verze bohužel program z důvodu ukončení jeho vývoje nepodporuje.
Autodesk Design Review 2009 Program slouží k převodu mezi formáty *.dwf, *.dwg, *.dxf. Podporuje plné prohlížení souborů, tisku a také vytváření komentářů ve výkresech. Výhodou programu je, úže komentáře ke změnám dokáže ukládat v časovém sledu. Požadavky na softwarové vybavení počítače: minimálně Windows XP SP2.
ProgeCAD DWG Viewer 2008 Jedná se o program pro prohlížení souborů ve formátu *.dwg. Umožňuje tisk z formátů *.dwg a *.dxf. Umožňuje vkládání komentářů, zvýrazňování a obsahuje nástroje pro měření. Program disponuje anglickým jazykovým prostředím. Po 30 dnech používání je nutné zakoupit licenci za 2148Kč.
Radan DTM Radan DTM je aplikace, která umožňuje převod mezi jinými CAD formáty. Použít ho lze také ke konverzi dat do ostatních programů Radan, které se používají pro komunikaci s výrobními stroji. Radan DTM umožňuje převod mezi těmito CAD systémy:
Autodesk Inventor (4 a pozdější, ale v Inventor 4 jsou určité omezení) 271
Solidworks (2001 a pozdější)
Mechanical Desktop (4 a pozdější)
AutoCAD (R2000 a pozdější)
TopSolid (6.5)
Solid Edge
a další Další zdroje
[1.]
[2.]
Bc. KUNC, Martin. Metodika přípravy učitele na výuku strojírenských předmětů s využitím systémů CAD, diplomová práce. Masarykova univerzita, pedagogická fakulta, Katedra didaktických technologií [online]. Brno 2012 [cit. 2014-05-15]. Dostupné z https://www.google.cz/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=4&cad=rja &uact=8&ved=0CEcQFjAD&url=https%3A%2F%2Fis.muni.cz%2Fth%2F5762 0%2Fpedf_m%2FDiplomova_prace.doc&ei=q3p0UboEOry7Abm2ICgDQ&usg=AFQjCNHPG-9L3t5gTw8GQUOQ44cil0Jtw&sig2=khHN9gmsrVDmZnS96aHkog&bvm=bv.66330 100,bs.1,d.ZGU HORÁK, Bohumil, ml. Realizace 3D modelů v prostředí Invertor. Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava, Fakulta elektrotechniky a informatiky, Katedra kybernetiky a biomedicínského inženýrství. 2013 [cit. 2014-05-15]. Interní document prototypové laboratoře SAZE.
272
21 Metodika tvorby výkresů v CAD programech Vytvořením náčrtu tvaru výrobku získáme představu o jeho výsledném vzhledu. Následuje doplnění kót do zakreslených rozměrů taktéž v programu Inkscape. V další kapitole se budu věnovat rýsováním skutečných rozměrů ve 2D programu Solid Edge 2D Drafting ST4. Zde také vytvořím příslušnou výkresovou dokumentaci. Získám tedy i podklad pro následné vytvoření modelu ve 3D programu SolidWorks, která zakončí celou metodiku práce v kreslicích programech. Kapitoly jsou složeny z jednotlivých celků. Získané poznatky a zkušenosti je možné ověřit pomocí příkladů k procvičování. Pomocí nich může žák ověřit a procvičit osvojené znalosti z probrané problematiky. Zároveň je u žáků podporována představivost a posílení senzomotorických dovedností. Při rýsování výkresů v kreslicích programech je většinou možné dosáhnout dílčího cíle různými postupy. Zjednodušením pro používání programů je užití klávesových zkratek. V metodice použití programů je budu uvádět, stejně jako označení dané klávesy, v hranatých závorkách. Je nutné, aby byl předem zvolený postup tvorby výkresové dokumentace. Při rýsování můžeme začít jednodušším softwarem, který nedokáže samostatně předvídat všechny uživatelovy myšlenkové pochody. Není to však omezující při naučení se základním postupům.
21.1. Metodika přípravy – skicování Program Inkscape je vhodný nejen pro tvorbu různých grafických prvků nebo tvorbu letáků, výborně poslouží i pro skicování, nevyjímaje strojírenské obory. Existuje mnoho grafických programů, které bychom mohli využít v technickém kreslení. Na paměti musíme mít základní předpoklad, který je podstatný pro následné kreslení. Vybrat program, který umí pracovat ve vektorové grafice. Z bezplatně použitelných rozšířených programů bychom mohli jmenovat právě Inkscape nebo například OpenOffice.org Draw. Tyto programy pracují s formáty souborů SVG, dále pak dalšími vnitřními formáty jednotlivých programů. Grafické formáty jsou děleny na dvě skupiny. Těmi je grafika rastrová a vektorová. Rastrová grafika je definována jednotlivými pixely, které jsou skládány do mřížky. Každý bod (pixel) daného objektu má stanovenou barvu v daném sloupci a řádku. Vektorová grafika není dána body v mřížce, ale pomocí křivek (vektorů). Spojením křivek vznikají tvary, které je možné vyplnit zvolenou barvou. Na první pohled nemusí být zřejmý rozdíl. Pokud však kresbu zvětšíme, rozdíl mezi rastrovou a vektorovou grafikou bude zřejmý. Rastrová grafika zviditelní jednotlivé body složené v rastr. Velice markantní rozdíl je znatelný na vykreslení kružnice při pětinásobném zvětšení. Z tohoto pohledu je zřejmé, že pro kreslení výkresů je vhodný vektorový grafický formát. 273
Obr. 21.1. Porovnání rastrové a vektorové grafiky Vzhledem k tomu, že se jedná pouze o první náčrt, není třeba znázorňovat podrobné detaily, pokud to přímo nevyžaduje vyšší složitost výrobku. Musíme si však uvědomit, že bude skica sloužit jako podklad pro další zpracování. Nesmíme tedy zapomínat na znázornění správných proporcí. Výhodou, kterou spatřuji v programu Inkscape spatřuji v jednoduchosti ovládání, možnosti použití vrstev. Grafické rozhraní programu znázorňuje následující obrázek. Vrstvy je možné podle aktuální potřeby zobrazit nebo skrýt (viz následující obrázek → na spodní liště – část vrstev) nebo pomocí zkratky [Shift+Ctrl+L]. Výhoda je také v jednoduchém nadefinování kreslicích nástrojů. Tato, ale i mnohá další zjednodušení přispívají k efektivnímu využití času při práci s programem.
274
Panel s ovládacími nástroje Panel nástrojů Vrstvy
prvky
Panel příkazů
Zapínání detekce úchopových bodů Pozice nástroje výkresu
a
zvětšení
Obr. 21.2. Grafické rozhraní programu Inkscape Po spuštění programu a nadefinování velikosti výkresu (definování výkresu je možné prostřednictvím menu Soubor → Vlastnosti dokumentu [Shift+Ctrl+D]. Zde nesmíme zapomenout nastavit formát jednotek v milimetrech. Pro definování kreslených tvarů budeme často využívat panelu Výplň a obrys [Shift+Ctrl+F], dostupného také z hlavního menu Objekt.
275
Obr. 21.3. Vzhled oken „Výplň a obrys“ Pro zjednodušení práce při kreslení může být výhodné nastavit zobrazení mřížky. Formátu kreslicího plátna jsme již nastavili jednotky v milimetrech, stejně tak musíme ještě jednou nastavit jednotky v mm i pro mřížku. Abychom mohli objekt nadefinovat, je nutné nejdříve daný nástroj zvolit a zakreslit. Definování objektu využijeme poměrně často. Pro zjednodušení práce můžeme v nastavení Inkscape [Shift+Ctrl+P] nadefinovat vzhled pro každý tvar samostatně. Také můžeme použít volbu vzhledu použitého naposledy. Nelze však pro každou vrstvu nadefinovat jiný vzhled nástroje. U čar nelze bohužel nadefinovat jejich tloušťka, barva, spojitost atd. Proto je vhodné kreslit postupně od nárysu, os a kresbu zakončit kótami. Určené pořadí udává řád ve skice. Můžeme se takto vyhnout častým změnám parametrů čar. Postupy, jak konstruovat s daným softwarem konkrétní výkres nejsou pevně dány, je však potřeba, abychom zachovávali stanovená pravidla a normy. Dříve, než začneme kreslit, vytvoříme vrstvy. Při volbě čar pak nezapomínejme na pravidlo poměru jejich tloušťky – „tenká čára : tlustá čára : velmi tlustá čára = 1 : 2 : 4“. Vzhledem ke skutečnosti nemožnosti nadefinování tloušťky čar, můžeme zredukovat vrstvy na tyto skupiny: Obrys – jméno vrstvy obrys, typ čáry nepřerušovaná, barva černá, tloušťka čáry 0,25 mm Kóty – jméno vrstvy koty, typ čáry nepřerušovaná, barva zelená, tloušťka čáry 0,13 mm Osy – jméno vrstvy osy, typ čáry nepřerušovaná, barva fialová, tloušťka čáry 0,13 mm 276
Písmo – velikost 14 bodů Výhodu v použití vrstev v tomto programu spatřuji zejména v závěru. Pro výukové účely můžeme zobrazit jen některé vrstvy. Ve výuce to má své opodstatnění například v hodinách, kdy se učí žáci kótovat, zobrazíme pouze tvar součástky. Můžeme také vrstvy uzamknout. Takto se vyhneme například nechtěné editaci již nakresleného výkresu. Při kreslení prvotního výkresu není jednoduché sestavit celý výrobek z hlavy. Předlohou může být výkres, který je promítán pomocí počítače, projektoru a plátna nebo. Velice dobře poslouží i různé náčrty a technické výkresy sloužící k výrobě součástek.
Skica příložky z duralu
Dříve než začneme skicovat součástku, vytvoříme vrstvy, ve kterých budeme následně kreslit jednotlivé části výkresu. Vhodné je také zapnout zobrazení pomocné mřížky v menu Zobrazení → Mřížka [#]. Mřížku využijeme při kreslení. Užitečná je pro zjednodušení přichycení skicovaných objektů. 1. Postup úlohy číslo 1:
Nastavíme vrstvu obrysu. Skicování začneme výběrem nástroje beziérovy křivky a přímé čáry [Shift+F6] . V ovládacích prvcích nástroje zvolíme sekvenční kreslení. Pro kolmé a svislé čáry v ohledu na osy x a y použijeme pravoúhlé kreslení čar pro čáry v úhlech jiných než 90 stupňů, vybereme v nástrojích volbu pro kresbu navazujících čar.
Určíme počátek výkresu, a sledujeme aktuální pozici nástroje v souřadnicích x a y. Kliknutím levého tlačítka myši vytváříme zalomení čáry. Počáteční bod je indikován malým čtverečkem, což při uzavírání rýsovaného tvaru zjednodušuje dokončení smyčky. U této součástky jsou nezbytné dva pohledy. Pro rýsování je jednodušší začít pohledem zprava v řezu.
Při skicování začínáme svislou čarou o délce 73 mm, kterou vedeme směrem shora dolů. Bez přerušení pokračujeme směrem vlevo o 9 mm, nahoru 25 mm, vlevo 20,5 mm.
Správnou polohu úhlu zajistíme současným stisknutím kláves [Ctrl]+[Shift]+T. Odměříme od nulového bodu úhel a pokračujeme v kreslení šikmé plochy.
Vrchní volné koncové body propojíme.
Naskicujeme znázornění otvorů pro šrouby. Jejich délka bude 8mm.
277
Změníme styl čáry pro rýsování os. Naskicujeme osy, které zvýrazní správné proporce budoucího nárysu.
pomocí nástroje kresba beziérových křivek a přímých čar naskicujeme obdélníkový tvar s výškou 73 mm a šířkou 16 mm a doplníme hranu znázorňující výstupek.
Zvolíme nástroj pro tvorbu kružnic, elips oblouků a k osám znázorňující otvory zakreslíme kružnice. Při rýsování jednotlivých skupin se nezapomínáme přepínat mezi vrstvami. Pokud měníme styl čar, nesmíme zapomenout na změnu jejich typu. Vhodné je mít nástroj pro změnu stylu čar stále zapnutý .
Jednotlivé
kroky
jsou
vyobrazeny
na
níže
uvedeném obrázku.
Obr. 21.4. Postup kreslení tvaru příložky v programu Inkscape
V pravém pohledu v řezu musíme ještě doplnit šrafování. Použijeme tedy opět funkci transformace a otočíme celý díl o 50 stupňů doprava. S použitím kresby přímých čar v režimu pravoúhlého kreslení obtáhneme pomocné linky nacházející se uvnitř řezu tvaru. Čáry se nejlépe skicují, pokud je daný objekt určený pro šrafování přiblížen pomocí funkce zoom. Přiblížení působí i na zjemnění rastru. S použitím detekce úchopových bodů zajistíme přesnější rýsování šrafovacích čar. Z hlavního textového menu klikneme na položku Objekt → Transformace [Shift+Ctrl+M]. Detail nákresu v rozpracované fázi je vyobrazen na dále uvedeném obrázku.
Po zakreslení šraf opět celý objekt obrátíme do výchozí polohy pomocí opětovného použití funkce transformace. Z hlavního textového menu klikneme na položku Objekt → Transformace [Shift+Ctrl+M]. Dále vybereme záložku rotace, nastavíme v ní příslušný úhel zkosení a potvrdíme tlačítkem [Použít]. 278
Obr. 21.5. Detail šrafování v programu Inkscape
Přepneme se do vrstvy kóty, nastavíme typ čáry na nepřerušovanou, barvu čáry zelenou a její tloušťku 0,13 mm a zakreslíme kótovací čáry. Dodržujeme dané normy.
Kótu, která má kruhový tvar, vytvoříme rovněž pomocí nástroje pro kreslení přímých čar, ale s volbou nástroje beziérových křivek. Klikneme na hranu kótovací čáry. Dalším kliknutím levého tlačítka myši na druhé kótovací čáře vytvoříme úsečku. Tlačítko myši držíme stále stisknuté a současně pohybujeme myší kolmo dolů. Po vytvoření žádoucího tvaru uvolníme tlačítko myši a potvrdíme klávesou [Enter].
Obr. 21.6. Zakreslení kruhové kóty v programu Inkscape
Do takto vytvořené výseče kružnice doplníme kótovací šipky. Vývojáři programu prozíravě mysleli i na možnost vytvoření tvarů pomocí čar. Není tedy nutné vymýšlet a kopírovat složité tvary. V rozbalovacím poli ovládacího prvku nástroje vybereme volbu triangle out. Klikneme mezi spojnice kótovacích čar a poté v dostatečné vzdálenosti od ní. Takto určíme délku šipky. Šipku dokončíme stisknutím klávesy [Enter].
279
Obr. 21.7. Volba tvaru čáry v programu Inkscape
Nyní doplníme popis kót. Nastavíme hladinu písma, a v panelu ovládacích prvků zvolíme jeho velikost na 14 bodů. Upravíme směr šikmých popisů kót v obrázku tak, aby pata písma u šikmých kót byla kolmá na kótovací čáry. Použijeme tedy opět funkci transformace.
Pomocí klávesy [Shift] vybereme číselné popisy kót. Z hlavního textového menu klikneme na položku Objekt → Transformace (klávesová zkratka [Shift+Ctrl+M]).
Vybereme záložku rotace, nastavíme v ní příslušný úhel zkosení a potvrdíme tlačítkem [Použít].
Přemístíme popisy, které se v předchozím kroku posunuly na správná místa nad kótovací čarou.
Názorné zobrazení výsledné skici si můžeme prohlédnout na níže uvedeném obrázku. Rozměry jsou uváděny v mm. Do výkresu se zapisují pouze jednotky jiné než milimetry.
Obr. 21.8. Kótování příložky v programu Inkscape Skicu můžeme také vytisknout pomocí menu Soubor → Tisk. Vytištěný podklad nám zároveň bude sloužit pro rýsování v 2D konstrukčním programu. Pro zrychlení práce 280
s programem je vhodné využívat klávesové zkratky, které jsou mnohdy prospěšnější, než použití samostatné myši. Zvětšení a zmenšení výkresu je možné stisknutím kláves [+] a [-]. Stejného efektu dosáhneme také plynule pomocí klávesy [Ctrl] a kolečka myši. Stisknutím klávesy [Shift] se současným použitím kolečka myši rolujeme výkresem vpravo a vlevo.
21.2. Metodika přípravy – kreslení ve 2D Při skicování je nutné dodržovat určité zásady a řídit se podle norem pro tvorbu výkresové dokumentace. Do této chvíle jsme si ukázali možnosti, které skýtá program kreslicí, použitelný pro různé druhy činností. Program ale nebyl primárně určen pro kreslení technických výkresů. V některých činnostech bylo tedy nutné zapojit občas fantazii a někdy i experimentovat. Kreslicí programy již v dnešní době disponují mnoha funkcemi, které práci usnadní, automatizují různé postupy a ušetří tak projektantovi drahocenný čas. Nyní si objasníme práci s opravdovým 2D kreslicím programem. Kreslení ve 2D nebo 3D programu je nyní pro praxi v tvorbě výkresové dokumentace nezbytností. V této kapitole se tedy budeme zabývat objasnění metodiky pro tvorbu výkresové dokumentace v programu Solid Edge 2D Drating ST4. Po spuštění programu se otevře okno aplikace vzhledem připomínající nové verze MS Office. Jeho ovládání je možné pomocí intuitivních ikon na pásu karet. Pro rychlejší přepínání mezi nástroji je možné vložit zkratky nejpoužívanějších funkcí na lištu rychlého přístupu nebo radiální nabídky, která je dostupná pomocí pravého tlačítka myši přímo na kreslicí ploše.
281
Obr. 21.9. Vzhled programu Solid Edge 2D Drating ST Před začátkem kreslení musíme nadefinovat chování programu podle daných norem. Zvolíme tedy normy pro výkres ISO v jednotlivých záložkách v nabídce „Možnosti Solid Edge“. Přístup k nabídce je zajištěn pomocí velké kruhové ikony v levém horním rohu programu. Nastavení pro formát normy ISO je nutné nastavit v záložkách „Kótovací styl“ a „Styl výkresového pohledu“. Vhodné je také nastavit automatické ukládání rozpracovaného výkresu na kartách „Ukládání“ a „Umístění souboru“. Před rýsováním výkresu nastavíme v menu „Tlačítko aplikace“ → „Vlastnosti“ → „Správce vlastností“ ve sloupci název výkresu.
Návrh příložky z duralu
V tomto příkladu narýsujeme příložku, kterou jsme předtím skicovali v programu Inkscape. Nejdříve v nastavení listu zvolíme formát výkresu a pozadí listu na A4, zde je také možné určit měřítko (ponecháme je na výchozí hodnotě 1:1). V tomto okně nastavíme také název výkresu. Definici tloušťky, barvy a stylu čar nemusíme nastavovat. Jejich parametry byly definovány při výběru dané normy, v našem případě ISO. Postup:
282
1. Prvním krokem je vytvoření hladin, jejichž funkci jsme si již osvětlili. Vysvětlení označení různých stavů hladin je patrné z úvodního obrázku této kapitoly. Vytvoříme hladiny obrys, kóty a osy.
Vybereme hladinu „obrys“ a v pásu karet zvolíme ze skupiny „kreslit“ nástroj „čára“. Vpravo vedle panelu vazeb se nachází panel s možnostmi využití úchopových bodů ve skice. Zde také nalezneme nástroje, s jejichž použitím zjednodušíme kreslení. Je to zejména vodorovnosti a svislosti čar k osám x a y, detekce kolmosti čar k jiné čáře, kružnici nebo oblouku, středu kružnic, konce bodů objektů, jejich polovin, průsečíky, rovnoběžnosti a tečnám ke kružnici. Tyto nástroje tedy jeden po druhém zapneme.
Při rýsování lišta aktivního nástroje po celou dobu zobrazuje aktuální rozměr. Vybereme počáteční bod a pomocí klávesnice zadáme první rozměr (73 mm). Ten zapíšeme do lišty aktivního nástroje Chyba! Nenalezen zdroj dkazů.písmeno h). Potvrdíme klávesou [Enter] a pokračujeme v požadovaném směru. Další délkou bude rozměr 16 mm. Operace se stále opakují.
Celý obdélník uzavřeme. Stačí se přiblížit ke koncovému bodu. Tečkovanou čarou budeme upozorněni na počáteční bod kresby. Ikona u obrázku písmena c) udává detekci koncového bodu.Chyba! Nenalezen zdroj odkazů.a) – c) tedy obrazují postup rýsování nárysu základního tvaru. Malé čárky, které protínají kresbu, znázorňují vzájemné vazby. Vazby je možné (de)aktivovat v pásu karet vazeb pod ikonou zobrazení vazeb. S jejich pomocí můžeme zapínat zobrazení a udržování podle dalších předvoleb (svislosti, kolmosti, rovnoběžnosti, shodnosti, symetričnosti všech kreslicích nástrojů a soustřednosti při tvorbě kružnic). Pokud bychom při kreslení chtěli vazby dočasně zrušit, přidržíme levou klávesu [Alt].
Čára, kterou zkreslujeme hranu uvnitř tvaru, vytvoříme v přibližné vzdálenosti od jejího určení. V pásu karet zvolíme nástroj „Chytrá kóta“, postupně označíme právě zakreslenou vnitřní hranu a koncovou hranu příložky a kótu vytáhneme vně objektu. Do kontextového okna zadáme požadovaný rozměr (16 mm). Čára změní svou pozici podle zadaného rozměru jak je vidět na obrázku písmen d) – f).
Pokud kótu nepotřebujeme, můžeme ji nyní vymazat pomocí nástroje „Vybrat“ umístěného na pásu karet a stisknutí klávesy [Delete]. Stejným postupem zakreslíme otvory pomocí nástroje kružnic a kóty. Nakreslené kruhové otvory jsou patrné z obrázku písmena g). Kóty rozměrů horních děr ponecháme.
283
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
Obr. 21.10. Rýsování příložky v Solid Edge
Nyní v hladině „osy“ zakreslíme osy protažené vlevo od nárysu. Budeme je potřebovat pro zakreslení bokorysu v řezu.
Doplníme také osové kříže v nárysu. Oba kótovací kroky lze učinit pomocí nástroje poznámky v pásu karet pomocí nástrojů „Osa“ a „Osový kříž“. V příslušné hladině zakreslíme tvar pravého nárysu. Pomocí nástroje „Čára“ vytvoříme v součinnosti nástroje rozeznávání koncových bodů celý pravý pohled vyjma šikmých otvorů.
284
Obr. 21.11. Tvorba bokorysu příložky v programu Solid Edge
Přepneme se do hladiny „obrys“ a pomocí nástroje čára začneme kreslit šikmé otvory v příložce. Během kreslení používáme detekci úchopových bodů. Začneme kreslit od osy a zadané rozměry vždy potvrdíme klávesou [Enter].
Nyní doplníme osy souměrnosti. V liště aktivního nástroje použijeme volbu rozbalovacího menu „Podle dvou čar“ . Úsečky označíme. Mezi ně bude automaticky vložena osa s potřebnou délkou.
Nyní ještě doplníme náznak vrtaného otvoru. Postup zopakujeme i na druhém otvoru.
Se zapnutým zobrazením vazeb naznačíme zakreslení závitu. Zapnuté vazby jsou důležité pro kontrolu rovnoběžnosti kreslených čar. Se zapnutým nástrojem „Rovnoběžně“ úsečky označíme. Zajistíme tak jejich rovnoběžnost. Celý postup je zakreslen na následujícím obrázku.
[Delete ]
Podle dvou čar
285
Obr. 21.12. Postup kreslení otvoru v šikmině v Solid Edge
Výkres okótujeme v hladině kóty. S nástrojem „Rychlá kóta“ lze okótovat výkres velice rychle. Vybereme úsečku nebo jinou grafickou část a vytáhneme kótu vně kresby. Pomocí kót lze řídit rozměry nebo objekty k ní vztažené. Kóty jsou při zapnutém nástroji pro udržování vazeb vkládány uzamčené. To znamená, že v případě nutnosti změnit danou velikost ve výkrese změníme pouze rozměr kóty. Tyto kóty se nazývají parametrické. Rozměr prvku se aktualizuje automaticky tak, aby odpovídal skutečně udanému rozměru, nebo naopak podle nastaveného rozměru se změní i popis kóty.
Za některých podmínek není uzamčení realizovatelné. Uzamknout je nelze, pokud se jedná o: kóty vložené v pohledech součástí, ty jsou vždy odemknuté, kóty na výkresovém listu vložené mezi objekt a 2D pohled mohou být jen odemknuté. Uzamknutou kótu signalizuje ikona zámečku v okně pro editaci kóty . Naopak odemknutá kóta je ovládána pomocí změn parametru, ke kterému se vztahuje. Taková kóta se nazývá referenční. Nemůžeme pomocí ní měnit celkový vzhled kresby. Označena je odemknutým symbolem zámku při její editaci. Odemknuté a zamknuté kóty lze lépe asociovat s rýsovaným objektem, není tedy třeba při jeho změně kóty mazat a znovu vytvářet nové. Pomocí položky „Vyplnit“ v menu „Kreslit“ doplníme šrafování v pravém pohledu. Šrafování oblasti je velmi jednoduché, stačí pouze kliknout na plochu v dané oblasti a šrafování se vloží. Styly šraf jsou definovány normou. Pokud bychom tedy na začátku kreslení nevybrali normu ISO, šrafování by mohlo být odlišné od zvyklostí, na které jsme zvyklí. Dodatečně je můžeme nastavit v liště aktivního nástroje v rozbalovacím poli výkres je patrný z následujícího obrázku.
.
286
Výsledný
Obr. 21.13. Konečný výkres příložky v programu Solid Edge
21.3. Metodika přípravy – 3D program SolidWorks Modelování v programech 3D je v dnešní době velmi oblíbené. Trojrozměrné programy jsou v mnohých případech upřednostňovány před konstruováním dvourozměrném souřadnicovém systému. Některé programy (modelovací) používají pouze technologii 3D. Jiné používají kombinaci 3D modelování a 2D skicovních technik. Jak je uvedeno v teoretické části popisu programu SolidWorks, tento program využívá kombinované techniky. Nejdříve je třeba vytvořit skicu hlavního tvaru v dvojrozměrném prostoru. Poté se přepneme do prostoru zvaného „prvky“ a zde ze skici vytvoříme pomocí nástrojů vysunutí, odebírání, rotování, zaoblení a jiných technik trojrozměrný objekt. Pro modelování dalších částí a detailů se přepínáme zpět do příkazů v záložce „skica“ a po jejich vytvoření je dokončujeme opět v trojrozměrném prostrou. Součástky kótujeme při skicování. Tato technika zajišťuje jejich správné umístění a také automatické vytvoření kót ve výkresové dokumentaci. Po vytvoření celé součástky nebo sestavy dílů vytvoříme technický výkres. Výkres sestává z jednotlivých pohledů. Ty vložíme z tabulky náhledů jejich konkrétní prostorové orientace. Efektivní funkcí je i vkládání pohledů součástky, které jsou vzájemně automaticky přizpůsobeny aktuální pozici ve výkresové dokumentaci 287
vzhledem k přeuspořádání výkresu. Současně s vložením pohledu můžeme automaticky vložit do výkresu kóty. Tímto způsobem zajistíme automatické kótování součástky. Kóty lze také definovat a upravovat i ve výkresovém prostředí. Vzhled programu SolidWorks je přehledný, uspořádání jednotlivých nástrojů je podle jejich frekvence použití vhodně seřazena. Velmi dobře je pojato i grafické znázornění funkcí programu, které jsou vyjádřeny přehlednými ikonami doplněnými i textovým popisem dané funkce. Roviny souřadnicového systému, bez kterých se při skicování neobejdeme lze velmi jednoduše zobrazovat nebo skrývat podle aktuální potřeby. V programu se naučíme pomocí tvorby jednoduchých úloh ovládat jeho nejpoužívanější funkce.
Záložky příkazů PropertyManag er Roviny souřadného systému
Panel nástrojů zobrazení Paleta pohledů
Posuvník historie
Strom FeatureManage ru
3D model
Orientace souřadného systému
Obr. 21.14. Vzhled programu SolidWorks
Obr. 21.15. Okno nástroje Po spuštění programu SolidWorks se nejdříve otevře úvodní prostředí, kde zvolíme založení nového výkresu kliknutím na ikonu . Pomocí následného výběru nového dokumentu zvolíme první z požadovaných voleb: 288
pro tvorbu jediné součásti návrhu,
pro tvorbu sestavy z již vytvořených dílů,
pro tvorbu dvojrozměrného technického výkresu z již vytvořených dílů.
Následně se otevře hlavní konstrukční okno programu viz. Chyba! Nenalezen zdroj dkazů.. Pokud jsme již při instalaci programu nenastavili normu ISO, můžeme tak učinit nyní pomocí ikony možnosti a v záložce vlastnosti dokumentu zvolíme normu skicování „ISO“. Vybráním konkrétního nástroje zahájíme práci v programu vybráním roviny, ve které budeme skicovat. Při tvorbě skici nebo prvku vždy existuje několik postupů.
Návrh příložky v programu SolidWorks
Při tvorbě skic můžeme například každou grafickou jednotku (čáru, kružnici, obdélník, elipsu, mnohoúhelník atd.) zakreslit samostatně a ihned jí v okně vlastností prvku přidělit požadované parametry (vazby, délku, úhel atd.). Dalším postupem je zakreslení celého základního tvaru. Pomocí nástroje kótování lze přidělit jednotlivým úsečkám tvořícím daný celek požadované parametry. Druhý postup je mnohem rychlejší a také elegantnější. Nemůže se nám stát, že při skicování uzavřeného tvaru změníme předchozí zadané hodnoty v závislosti na snaze programu parametricky dopočítat velikost uzavřené smyčky. Postup
Na záložce příkazů skica vybereme nástroj přímka. Klikneme na souřadnice ikony začátku , které budou při přiblížení se myší indikovány žlutým bodem. Naskicujeme přibližný tvar příložky. Zlomy čar tvoříme kliknutím myši. Současně sledujeme pomocné čáry, které udávají kolmost, svislost a vodorovnost vůči osám x a y (z). V případě nutnosti přerušení tvaru stiskneme dvakrát po sobě klávesu [Enter]. Po dokončení tvaru klikneme v panelu vlastností nástroje na zelenou ikonu . Tím bude skica dokončena.
289
Vybereme nástroj inteligentní kóta a postupně klikneme na všechny úsečky naskicovaného tvaru. Označíme kótovanou úsečku a vytáhneme kótu. Dbáme přitom na její správné umístění dle zásad pro kótování. Po vytažení kóty na žádané místo ji zakotvíme kliknutím myši na levé tlačítko. V tabulce úprav,
která se následně objeví , zadáme z klávesnice požadovanou velikost a ukončíme stisknutím klávesy [Enter] nebo zatržením zeleného potvrzovacího tlačítka. Parametry šikmé části tvaru nastavíme kliknutím myši na její úsečku. Ve vlastnostech čáry nastavíme její úhel sklonu a opět potvrdíme pomocí tlačítka se zeleným háčkem. Můžeme také měnit umístění hraničních šipek kóty, pokud klikneme na jeden modrý bod, kterými jsou vymezeny. Kóta musí být aktivní (vybraná).
a)
b)
c)
Obr. 21.16. Postup skicování příložky
Skicu ukončíme pomocí ikony ukončení skicy okna programu nebo z aktuální lišty nástroje skica.
Přepneme se na panel nástrojů prvky.
290
v pravém horním rohu
Nyní použijeme první nástroj zleva – přidání vysunutím . Nástroj přidání vysunutím nás vyzve k označení roviny, která má být vysunuta. Označíme tedy jednu z hran, kde požadujeme tvar vysunout. Nástroj zobrazí možnosti vysunutí a zobrazí náhled, jak bude tvar vypadat po změně, pro lepší představu uživatele viz. přepneme se zpět do panelu skici a pomocí orientace souřadného systému otočíme tvarem na žádanou polohu pro skicování kruhových otvorů pro šrouby m4. otočení tvaru docílíme i podržením prostředního tlačítka myši a posunutím.
vybereme nástroj kružnice a po výběru zkosené plochy zakreslíme kružnici na přibližném místě, kde by měla být.
pomocí nástroje inteligentní kóta určíme přesnou polohu kružnice určující vrchol otvoru. stejným způsobem naskicujeme i druhý otvor a ukončíme skicu
.
přepneme se do panelu prvků a zvolíme nástroj. Z pole výběru vysunutí můžeme vybírat z možností naslepo, k vrcholu, po plochu atd. a také směr vysunutí a úkos. Vybereme pouze možnost vysunutí naslepo, zadáme rozměr 16 mm a potvrdíme zeleným OK.
Obr. 21.17. Vysunutí tvaru příložky
Přepneme se zpět do panelu skici a pomocí orientace souřadného systému otočíme tvarem na žádanou polohu pro skicování kruhových otvorů pro šrouby M4. Otočení tvaru docílíme i podržením prostředního tlačítka myši a posunutím.
Vybereme nástroj kružnice a po výběru zkosené plochy zakreslíme kružnici na přibližném místě, kde by měla být. 291
Pomocí nástroje inteligentní kóta určíme přesnou polohu kružnice určující vrchol otvoru. Stejným způsobem naskicujeme i druhý otvor a ukončíme skicu
.
Přepneme se do panelu prvků a zvolíme nástroj referenční geometrie – rovina. Klikneme na část tvaru, kde chceme vytvořit novou rovinu. Pomocí předvoleb nástroje zvolíme odstup odsazení 0 mm a potvrdíme zeleným OK.
Obr. 1.
a)
b)
Obr. 21.18. Vytvoření nové roviny
Po přepnutí do skici zakreslíme zbývající kruh pro otvor (postupujeme stejně jako v bodech 6 – 8).
Přepneme se do záložky prvků a vybereme nástroj odebrání vysunutím V nástroji vybereme z roletového menu volby „skrz vše“. Bude vytvořen otvor.
Vybereme nástroj průvodce dírami . Z možností nástroje zvolíme vhodný typ otvoru, délku závitu otvoru nastavíme na 8 mm naslepo. Program nás požádá o výběr roviny, kde požadujeme vytvoření otvoru a zadání jeho středu.
Pro kontrolu zahloubení děr můžeme použít nástroj řez řezu 6 mm byl vytvořen.
292
.
. Pomocí hloubky
a)
b)
c)
d)
Obr. 21.19. Tvorba otvorů
Pomocí hlavního menu – nový vytvoříme podklad pro výkres kliknutím na ikonu . Před vytvořením výkresové dokumentace musíme model uložit. V opačném případě nebude možné výkres vytvořit.
Zvolíme formát a velikost výkresu a pomocí ikony palety pohledů vložíme do výkresu požadovaný pohled přetažením myší na plochu výkresu viz. určíme pomocí záchytných bodů střed a vedeme čáru svisle dolů přes celou výšku nárysu. řez vysuneme vlevo.
vybereme nástroj přímka z panelu skica a nastavíme ji na konstrukční. zakreslíme jí středy otvorů pro šrouby.
vymažeme přebytečné kóty a doplníme pomocí panelu popisu a inteligentní kóty pro šrouby. výsledek je patrný z níže uvedeného obrázku. Společně s ním budou automaticky vygenerovány a zobrazeny kóty. Pokud potřebujeme některé doplnit, můžeme je v obrázku doplnit pomocí menu popis. Postupujeme stejně jako při kótování ve skice.
Doplníme boční řez. Vybereme nástroj řez ze záložky příkazů zobrazit rozvržení. Na nárysu určíme pomocí záchytných bodů střed a vedeme čáru svisle dolů přes celou výšku nárysu. Řez vysuneme vlevo.
Vybereme nástroj přímka z panelu skica a nastavíme ji na konstrukční. Zakreslíme jí středy otvorů pro šrouby. 293
Vymažeme přebytečné kóty a doplníme pomocí panelu popisu a inteligentní kóty pro šrouby. Výsledek je patrný z níže uvedeného obrázku.
a)
b) Obr. 21.20. Tvorba výkresu
Obr. 21.21. Výsledný výřez výkresu
294
Další zdroje [1.]
[2.]
Bc. KUNC, Martin. Metodika přípravy učitele na výuku strojírenských předmětů s využitím systémů CAD, diplomová práce. Masarykova univerzita, pedagogická fakulta, Katedra didaktických technologií [online]. Brno 2012 [cit. 2014-05-15]. Dostupné z https://www.google.cz/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=4&cad=rja &uact=8&ved=0CEcQFjAD&url=https%3A%2F%2Fis.muni.cz%2Fth%2F5762 0%2Fpedf_m%2FDiplomova_prace.doc&ei=q3p0UboEOry7Abm2ICgDQ&usg=AFQjCNHPG-9L3t5gTw8GQUOQ44cil0Jtw&sig2=khHN9gmsrVDmZnS96aHkog&bvm=bv.66330 100,bs.1,d.ZGU HORÁK, Bohumil, ml. Realizace 3D modelů v prostředí Invertor. Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava, Fakulta elektrotechniky a informatiky, Katedra kybernetiky a biomedicínského inženýrství. 2013 [cit. 2014-05-15]. Interní document prototypové laboratoře SAZE.
295
22 Typy 3D tiskáren 22.1. Prusa i3 Open-source tiskárna od známého českého tvůrce 3D tiskáren Josefa Průši. Vznikla v rámci světového projektu RepRap. První projekt, který se zabývá open-source vytvářením tiskáren. Na této tiskárně si lze vytisknout jednotlivé díly, které později budou sloužit k sestavení tiskárny jako celku. Součástky na tisk a s návodem jak jí postavit jsou ke stažení zadarmo na stránkách RepRap. Závitové tyče se spojovacím materiálem se koupí v železářství. Elektronika je cenově dostupnější v cizině.
Obr. 22.1. Prusa i3
Pracovní plocha: 200 x 200 x 200 mm Velikost trysky: 0,4mm Podporované materiály: ABS, PLA, PETT, experimentálně Nylon, PC Tryska vyrobená z potravinářských materiálů Výška vrstvy: od 0,05mm Vyhřívaná podložka: ANO Maximální rychlost: 200 mm/s Velikost kroku v X/Y ose: 0,1 mm FDM technologie Cena: 24 200kč 296
Laywood,
Laybrick
a
Jelikož tiskárna není zakrytovaná, je její provoz docela hlučný. Na druhou stranu lze zase lehce sledovat její činnost a zasáhnout v případě nějakého problému. Tím je např. zamotávání materiálu ze špulky, což je nejslabším článkem této tiskárny. Špulka, na které je umístěn materiál se totiž neotáčí a materiál je odmotáván způsobem, který způsobí jeho zakroucení, případně vytvoření smyčky. Z tohoto důvodu dochází k nepředvídaným a neočekávaným výpadkům při tisku, protože materiál se vlivem zauzlování nedostane do tiskové hlavy. Přítomnost obsluhy je tudíž nepostradatelná, je nutné tento stav hlídat, předvídat a případně tisk pozastavit. Na "rozřezání" modelu a pro vytvoření g-codu, který je nutný pro vytvoření modelu na této tiskárně, se používá program Slic3r. Tento g-code je importován do programu Pronterface, který vložená data zpracuje a podle toho již ovládá vlastní chod tiskárny. Správné nastavení tiskárny je zdlouhavý proces. Aby byl tisk proveden dle požadované kvality, nejvíce času zabere odladění g-code. Při zakoupení tiskárny Prusa i3 obdrží uživatel zároveň i obsáhlé školení, ve kterém jsou předvedeny základní instrukce a především pomoct při sestavování. Součástí balení je špulka s ABS o váze 1,5 kg s možností výběru ze čtyř barev.
22.2. Easy3Dmaker Tiskárna Easy3Dmaker je dobře dostupná v ČR i s českou podporou. Výrobu tiskáren 3D Factories zajišťuje firma Aroja od roku 1995. Velký zájem je ze stran škol a architektů. Pro osobní účely je nevhodná pro její vysokou pořizovací cenu. Tiskárna funguje na stejném principu jako Prusa i3. Používá FDM technologii. Easy3Dmaker oproti Prusa i3 je tiskárna, která je zakrytovaná a má řešený posuv v ose "Z" zdviháním zahřívané desky. Je navržená pro jednoduché ovládání. Součástí balení je potřebný software pro ovládání tiskárny.
297
Obr. 22.2. Easy3Dmaker
Tisková plocha: 200 x 200 mm Maximální výška tisku: 230 mm Podporované materiály: ABS, PLA Vyhřívaná podložka: ANO Celkový modelovací prostor: 9200 cm3 Rozlišení vrstvy: 0.08 / 0.125/ 0.25 mm Rozměry: 400 x 400 x 500 mm Hmotnost: 16 Kg Rychlost tisku: 80 mm/s Rychlost přejezdu: 230 mm/s Napájení a příkon: 24 V / 180 W Certifikace: CE / WEEE FDM technologie Cena: 48 279 Kč
Tisk na této tiskárně se hodí především na prototypovou výrobu. Je to dáno technologií tisku. Výhodou je vyměnitelnost velikostí trysek. Výrobce tvrdí, že tiskárna má dobrou tuhost. Ze zkušenosti vím, že to není pravda. Tiskárna má vysoko těžiště a tím dochází ke chvění. Vznikající hluk z tiskárny a chvění je velice nepříjemné. K tomu se přidává nepříjemný zápach při použití ABS materiálu. 298
Oproti tiskárně Prusa i3 má tato tiskárna vyřešen problém s podáváním materiálu. To je vyřešeno pomocí otočného držáku špulky. Pokud je špulka plná, občas se stává, že se materiál sesune pod otočný držák a tím dojde k zaseknutí. Tento problém by vyřešil napínák odvíjení. Příprava na "rozřezání" modelu je obdobné jako u tiskárny Prusa i3.
22.3. Up! mini Tiskárna Up! Mini je jednoduchá na použití a cenově dostupná. Využívá aditivní proces výroby a je vhodná pro profesionální i pro osobní 3d tisk. Tiskárna je kompletně zakrytovaná a svou velikostí se hodí do každé kanceláře nebo pokoje. Po rozbalení je sestavena tak, aby se dalo tisknout do 15min. Není potřeba zdlouhavého nastavování, jako je to u jiných tiskáren.
Obr. 22.3. Up! Mini
Rozměry: 240 x 355 x 340 mm Tisková plocha: 120 x 120 x 120 mm Minimální tloušťka vrstvy (Rozlišení osy Z): 0,2 mm Rychlost tisku: 1cm3/9 min Hmotnost: 6 Kg Software UP! pro Windows a Mac Průměr trysky: 0,4 mm Vnitřní osvětlení LED Jednoduše vyměnitelná tisková hlava (magneticky "zacvakávací") Uzavřená tisková komora Maximální elektrický příkon 220 W¨ 299
FDM technologie Cena 29 990 Kč
Součástí balení je software, který umožňuje velké možnosti tisku. Především se jedná o rozřezání velkého modelu, který by se nevešel do tiskárny. Rozřezané modely se musí tisknout postupně a pak následně slepit acetonem. Software velmi dobře řeší potřebné podpůrné konstrukce, které jsou nutné na převislé části modelu. Do podpůrných konstrukcí je přidáváno méně materiálu, kvůli lepšímu odlamování po tisku. Vše probíhá automaticky a nemusí se nic nastavovat. Stačí zmačknout tlačítko „Tisk“ a už jenom počkat na výsledný model. Při koupi tiskárny je odborné školení zdarma. Tiskárna je vytvořená z ocelové konstrukce a kvalitních materiálů, aby nedocházelo k velkému chvění, jako je to u ostatních tiskáren. Je navržena na 24 hodinový tisk. Dobře a účelně je u této tiskárny vymyšlena výměna trysky, která je upevněna pomocí silného magnetu a držáku. Použitá technologie tisku u UP! Mini je FDM. Z materiálů je používán ABS a PLA.
22.4. Zprinter 450 Zprinter 450 využívá technologii Zcorp a to zaručuje velmi kvalitní a barevný tisk. Využívá aditivní proces výroby a je vhodná na profesionální tisk. Tiskárna je za $40.000, ale výsledek z pohledu vzhledu, kvality a barevného zpracování tvoří téměř dokonalé modely. Tisk modelu je 5-10x rychlejší a kvalitnější. Oproti konkurenčnímu tisku jsou náklady poloviční. Proto se velice často používá v architektuře, medicíně, výuce a především v MCAD výrobě. Kvalitu zajišťuje tisková hlava, která dokáže tisknout v rozlišení 450 dpi.
Obr. 22.4. Zprinter 450
Rozměry: 1222 x 790 x 1400 mm 300
Tisková plocha: 203 x 254 x 203 mm Tisková rychlost: 2 – 4 vrstvy/minutu Materiál: Práškový komposit Technologie výroby: Binder Jetting (Zcorp) Min. výška vrstvy: 0,090 mm Výška vrstvy: 0,090 – 0,102 mm Počet tiskových hlav: 2 (barevná, čistá) Rozlišení tisku: 300 x 450 dpi Příkon: 230V, 6,2A Připojení: TCP/IP 100/10 base Formát modelu: STL, VRML a PLY Cena: $40.000
Výhodou tiskárny je automatizace, slouží ke zjednodušení a snížení času. Není potřeba generování podpůrných konstrukcí, jako je to u jiných technologií. Vytváří jí "nevypálený" prášek kolem modelu. Tímto procesem vzniká velké množství nepoužitého materiálu, který se nezničí a může se použít k dalšímu tisku. Po dokončení tisku se model zbavuje přebytečného materiálu pomocí vibrační desky nebo příručního vysavače. Na jemnější odstraňování se používá vzduchová tryska. Výsledný model je křehký a proto se musí napouštět do různých náplní. Z důvodu pevnosti se nejčastěji používají pryskyřice nebo vosk. Nevýhodou tiskárny kromě ceny je energetická náročnost a nutnost stálého vyhřívání práškového materiálu.
22.5. Form 1 Form 1 vytvořila skupina talentových studentů Harvardské univerzity v USA. Projekt přidali do Kickstarter, což je platforma pro drobné investory, kteří chtějí finančně pomoct projektu. Na serveru Kickstarter to byl jeden z největších úspěchů, kdy studenti získali neskutečných $3.000.000 od lidí. Dokonce mezi nimi byl spoluzakladatel Google Eric Schmidt.
301
Obr. 22.5. Form 1
Rozměry: 300 x 280 x 450 mm Tisková plocha: 125 x 125 x 165 mm Materiál: Photopolymer Technologie výroby: SLA Min. výška vrstvy: 0,025 mm Výška vrstvy: 0,3 mm Příkon: 100-240V, 1,5A, 60W Operační teplota: 18 – 28°C Formát modelu: STL, FORM Cena: $3.299
Form 1 je jedna z mála tiskáren, která dosahuje svou kvalitou tisku jako na nejdražších tiskárnách na trhu z technologií tisku SLA. Označil bych jí za přelomovou, protože cenou $3.299 změnila úplně pohled na 3D tisk. Je až neskutečné za jak málo se dá vyrobit takový stroj. Dosavadní výrobci prodávají tiskárny téhož typu za $100.000 a víc. Přednost tiskárny spočívá ve vysokém rozlišení tisku a zmačknutí jednoho tlačítka. Po vybalení tiskárny není žádná potřeba nastavování, stačí nahrát model, doplnit materiál a pustit tlačítko "Start". Součástí tiskárny krom software je i potřebné nářadí pro dokončovací operace.
302
Modely se nahrávají ve formátu STL. Materiál se používá tekoucí photopolymer, který za pomoci UV laseru vytvrzuje. Cena tohoto materiálu je vysoká. Pohybuje se kolem $149 za litr. Součástí je software, který disponuje jednoduchým ovládáním. Výhodou je, že umí automaticky generovat podpůrné konstrukce, do kterých přidává měně materiálů (kvůli spotřebě). Po dotištění modelů se musí tyto konstrukce odstranit. Další zdroje [1.]
[2.]
KOKTAN, Petr. Prostorový model historické části Č. Krumlova a možnosti jeho 3D tisku, bakalářská práce, Jihočeská univerzita v Českých Budějovicích, Pedagogická fakulta, Katedra informatiky [online]. 2014 [cit. 2014-05-15]. Dostupné z: http://theses.cz/id/ivf14t/Bakalarska-prace-Koktan-Petr.pdf MCAE, 3D digitální technologie. uPrint SE 3D Print Pack [online]. Kuřim 2014 cit. 2014-05-15]. Dostupné z: http://www.mcae.cz/novinka-uprint-se-3d-printpack-1329746500
303
23 3D tiskárny SAZE 23.1. uPrint SE 3D tiskárnu uPrint SE, která umožňuje 3D tisk modelů a dílů na profesionální úrovni přímo na vašem stole. Vybavená osvědčenou technologií firmy Stratasys Fused Deposition Modeling (FDM) staví přesné a funkční koncepční modely, prototypy a díly z termoplastu ABSplus v barvě slonové kosti přímo z vašeho CAD souboru. Zásobník je rozdělen na dvě části (jedna pro podpůrný a druhá pro stavěcí materiál). Volitelně se dá pořídit a připojit druhý zásobník materiálu pro nepřetržitý provoz tisku.
1) 3D tiskárna, 2) zásobníky, 3) špulky a materiálem, 4) podložky, 5) myčka Obr. 23.1. uPrint SE
Použitím druhé zásobníkové komory umožníte nepřetržitý provoz zařízení Technologie rozpustných podpor (Soluble Support Technology - SST) Pevné a netoxické ABS modely Práce v kancelářských podmínkách Vysoká spolehlivost modelování Nízké provozní náklady Jednoduchá obsluha Jednoduchá instalace zařízení Cenová dostupnost Výkonnost Nízká hmotnost zařízení 304
Cívky s modelovacím a podpůrným materiálem, které se snadno zasunou do zásobníku. Plastová vlákna obou materiálů jsou přes podávací systém přivedena do tiskové hlavy, kde jsou roztavena a po vrstvách nanášena na stavěcí podložku. Recyklovatelné stavěcí podložky, na kterých se tisknou vaše modely. Jakmile je tisk ukončen, vytáhnete podložku z tiskárny a svůj model odloupnete. Čistící zařízení WaveWash umožňuje rychle odstranit podpůrný materiál bez dotyku rukou. 3D tiskárna uPrint SE používá technologii rozpouštění podpor Soluble Support Technology (SST). Po dokončení stavby a odstranění stavěcí podložky vložíte postavený díl do zařízení WaveWash, ve kterém je udržována optimální teplota lázně a podpory se efektivním způsobem rozpustí.
Postup nahrávání STL dat do 3D tiskárny Aby bylo možné 3D modely vytisknout, je třeba je z grafického programu exportovat do tzv. STL souborů, které se nahrají do programu pro 3D tiskárnu. V naše případě se jedná o program CatalystEX určený pro 3D tiskárny uPrint SE. Program se spustí standardním způsobem, po klikáním na ikonu umístěnou na ploše. Po otevření se zobrazí hlavní okno programu s několika záložkami. Nahrání výrobku se provedeme pomocí instrukce File →Open STL, ukázka je zobrazena na následujících obrázcích.
Obr. 23.2. Hlavní okno programu CatalystEX
305
Obr. 23.3. Vložení souboru STL
Obr. 23.4. Vložený 3D díl do programu V hlavním okně (General) je možno měnit typ kvality tisku a podpůrného materiálu.
306
Obr. 23.5. Okno záložky Orientation V tomto okně je možno různě natočit model podle os X,Y a Z. Následně je nutné vytvořit podkladové a podpůrné stěny. Tento proces se provede pomocí tlačítka Proces STL.
Obr. 23.6. Vytvoření podpůrného materiálu Po provedení a vymodelování podpůrného materiálu je nutné model přidat do Packu, tato akce se provede pomocí Add to Pack. 307
Obr. 23.7. Uložení na tiskové podložce
Obr. 23.8. Tiskové okno programu V tiskovém okně (Printer Status) se po odeslání dat do tiskárny pomocí (Printer) zobrazí daný soubor dat s přibližnou délkou času tisku, potřebným materiálem a dalšími doplňujícími informacemi.
23.2. RepRap 308
RepRap, jak již bylo vysvětleno výše, je praktická samo kopírovací 3D tiskárna, která vrstvením plastového materiálu vytváří předměty. Lze udělat spoustu užitečných věcí. Zajímavostí je, že takto se dá vyrobit většina vlastních dílů a tím i další 3D tiskárna. V rámci open-source licence a dle zásad volného software je možná další distribuce RepRap stroje. Prvořadým cílem projektu je vytvořit další stroje, aby mohli další majitelé levně a snadno využívat těchto výhod. Více hlav, více myšlenek na zdokonalení a tím i rychlejší vývoj. Reprap.org je komunitní projekt, to znamená, že jsou vítáni všichni při úpravě většiny stránek na tomto webu, nebo ještě lépe, k vytvoření nové vlastní stránky. Komunitní portál a nový vývoj stránek má více informací o tom, jak se zapojit. Pro porovnání: tiskárna předního výrobce MakerBot Replicator 2 a 3D tiskárna Průša Mendel od českého vývojáře Josefa Průši (viz obr 3). Josef Průša je asi nejznámější představitel tohoto projektu u nás. Patří mezi přední vývojáře RepRap projektu. Základem pro jeho tiskárnu byl model Mendel, který upravil a poskytl v rámci opensource dalším uživatelům. Renomovaná firma MakerBot představila levnou tiskárnu Replikátor 2. Tato tiskárna v současné době představuje špičku mezi levnými domácími tiskárnami.
Open-source Open-source, volně přeloženo jako volný přístup, je způsob vývoje a distribuce, který každému potencionálnímu zájemci umožňuje přístup ke zdrojovým datům daného produktu. Největší výhodou volného přístupu je možnost volně upravovat a vyvíjet daný produkt v rámci komunity mnoha uživatelů. Vývoj je tak většinou mnohem rychlejší a v podstatě nepřetržitý v porovnání s komerčně vyvíjenými produkty. Firmy totiž nerady zadarmo uvolňují jakékoliv informace z vývoje. Open-source taky znamená dodržovat distribuční podmínky. Musí splňovat určitá kritéria s ním spojené. Licence nesmí být v žádném směru nějak omezena, jako například poplatky, omezením v oblasti tvorby a distribuce díla, musí umožňovat další poskytování v neomezeném zdrojovém kódu. Jedním ze základních principů je nediskriminovat žádnou skupinu uživatelů. Licence má být technologicky neutrální, nemá omezovat ani jinak být omezována šířenými programy. Nesmí omezovat jiný software. Nejčastěji se s tímto termínem pracuje v oblasti informačních technologií. Právě zde je také k nalezení nejvíce open-source produktů - programů a aplikací (například
309
Mozilla Firefox či OpenOffice.org), jazyků (například Python, PHP) či operačních systémů (pravděpodobně nejznámější je Linux či mobilní Android). Software označený jako "free software" je chráněn autorským právem, ačkoliv rozdíly oproti open-source jsou malé. Bývá definován licencemi, upravujícími vztah autor uživatel. Mezi nejčastější z nich patří Apache License, MIT License, GNU GPL (GNU General Public License), či velmi liberální BSD.
Obr. 23.9. 3D tiskárna Průša Mendel O pohyb tiskové hlavy se starají 4 krokové elektromotory (motor osy Z je zdvojený). Další krokový elektromotor se stará o dávkování plastu. Tyto motory jsou společně s nahříváním tiskové trysky a tiskové desky ovládány pomocí řídící elektroniky založené na platformě Arduino a shieldu RAMPS v1.4. Konstrukce tiskárny. (bez tiskové hlavy elektroniky a vyhřívané desky). Tato elektronika je pomocí rozhraní USB propojena s počítačem, který zadává jednotlivé sekvence pohybu tiskové hlavy, dávkovaní materiálu a nastavuje teploty tiskové hlavy a desky. O napájení se stará spínaný síťový zdroj 12V 25A.
Software
Sprinter 310
Jedná se o firmware nahraný přímo do Arduina. Tento Firmware přijímá data, která mu předkládá počítač prostřednictvím sběrnice USB a ovládá jednotlivé drivery krokových motorů a spínání chladících ventilátoru. Taky je zde implementován PID regulátor teploty tiskové hlavy, díky kterému má i během tisku při různém průtoku materiálu konstantní teplotu. Printrun Je software, který čte G-kód a posílá jej prostřednictvím rozhraní USB z počítače do Arduina. Z tohoto software je také možno manuálně ovládat posuv tiskové hlavy případně její kalibraci. Je zde také možnost manuálního nastavení teploty tiskové hlavy a plotny a dávkovaní plastu. Slic3r Je software, který má za úkol přeložit 3D model (typicky ve formátu STL) na G-kód což je soubor, který obsahuje posloupnost pohybu tiskové hlavy společně z množstvím vytlačeného materiálu. Zde můžeme nastavit průměr ABS struny, která slouží jako zdrojový materiál, průměr tiskové trysky, teploty tiskové hlavy a podložky, průběh chlazení modelu, styl vyplnění vnitřního objemu a mnohé další parametry. Všechny tyto vlastnosti do značné míry ovlivní kvalitu tisku a jejich správné nastavení je nejsložitější úkol z celého sestavení a oživení tiskárny
Další zdroje [1.]
[2.]
[3.]
KOKTAN, Petr. Prostorový model historické části Č. Krumlova a možnosti jeho 3D tisku, bakalářská práce, Jihočeská univerzita v Českých Budějovicích, Pedagogická fakulta, Katedra informatiky [online]. 2014 [cit. 2014-05-15]. Dostupné z: http://theses.cz/id/ivf14t/Bakalarska-prace-Koktan-Petr.pdf MCAE, 3D digitální technologie. uPrint SE 3D Print Pack [online]. Kuřim 2014 cit. 2014-05-15]. Dostupné z: http://www.mcae.cz/novinka-uprint-se-3d-printpack-1329746500 LUTER, Ladisla. Konstrukce a výroba tělesa chlazení pro open source FMD tisk, bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství [online]. Brno 2013[cit. 2014-05-15]. Dostupné z 311
[4.]
https://dspace.vutbr.cz/bitstream/handle/11012/26688/Konstrukce%20a%20vý roba%20tělesa%20chlazení%20pro%20open%20source%20FDM%20tisk.pdf ?sequence=1 GOLEMBIOVKÝ, Matěj. RepRap 3D printer – výukový text. Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava, Fakulta elektrotechniky a informatiky, Katedra kybernetiky a biomedicínského inženýrství. Ostrava 2013 [cit. 201405-17]. Interní dokument
312
