VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ZAŘÍZENÍ PRO VAKUOVÉ LITÍ DO SILIKONOVÝCH FOREM VACUUM CASTING CHAMBER

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV KONSTRUOVÁNÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF MACHINE AND INDUSTRIAL DESIGN

ZAŘÍZENÍ PRO VAKUOVÉ LITÍ DO SILIKONOVÝCH FOREM VACUUM CASTING CHAMBER

DIPLOMOVÁ PRÁCE DIPLOMA THESIS

AUTOR PRÁCE

JAKUB ROUPEC

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR

BRNO 2007

ING. DAVID PALOUŠEK

ANOTACE Cílem diplomové práce je konstrukce zařízení pro vakuové odlévaní do silikonových forem. Diplomová práce obsahuje rešerši z oblasti Rapid Prototypingu. Dále je v úvodní části zpracována oblast vakuového odlévání plastů, používaných materiálů, vakuovacích podmínek a je zde popsán postup při odlévání. Vlastní práce se zabývá konstrukcí vakuové komory s využitím 3D parametrického modeláře. Je zde řešena pevnostní analýza vakuové komory pomocí metody konečných prvků, konstrukce vnitřního zařízení komory a finanční rozvaha. KLÍČOVÁ SLOVA Rapid Prototyping, Rapid Tooling, Rapid Manufacturing, vakuová odlévací komora, 3D parametrický modelář, MKP

ANOTATION Thesis objective is construction of equipment for casting in vacuum into silicone mould. Thesis introduction contains recherché from Rapid Prototyping section. Below in the introduction is data processing of vacuum casting section, used materials, vacuum conditions and description of casting process. One's own works considers construction of vacuum casting chamber in 3D parametric modeler. There is solution of strain stress analysis with the help of Finite Element Method (FEM), construction of inner equipment a financial premeditation.

KEY WORDS Rapid Prototyping, Rapid Tooling, Rapid Manufacturing, Vacuum casting chamber, 3D parametric modeler, FEM

BIBLIOGRAFICKÁ CITACE ROUPEC, J. Zařízení pro vakuové lití do silikonových forem. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2006. XY s. Vedoucí diplomové práce Ing. David Paloušek.

ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem diplomovou práci Zařízení pro vakuové lití do silikonových forem vypracoval samostatně pod vedením Ing. Davida Palouška a uvedl v seznamu literatury všechny použité literární a odborné zdroje. Jakub Roupec

V Brně 18.5 2007 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Obsah

OBSAH ÚVOD.........................................................................................................................13 1 RAPID PROTOTYPING ........................................................................................14 1.1 Základní přehled...............................................................................................14 1.2 Preprocessing....................................................................................................15 1.3 Processing.........................................................................................................16 1.4 Postprocessing ..................................................................................................16 1.5 Technologie výroby modelu.............................................................................17 1.5.1 SL ..............................................................................................................17 1.5.2 LS ..............................................................................................................18 1.5.3 FDM ..........................................................................................................19 1.5.4 LOM ..........................................................................................................20 1.5.5 3DP ............................................................................................................21 2 VAKUOVÉ ODLÉVÁNÍ........................................................................................22 2.1 Princip tvorby modelu ......................................................................................22 2.2 Používané materiály .........................................................................................24 2.2.1 Silikony......................................................................................................24 2.2.2 Licí materiály.............................................................................................25 2.3 Vakuovací podmínky........................................................................................26 2.4 Vakuová čerpadla .............................................................................................27 2.5 Zařízení na trhu.................................................................................................29 3 KONSTRUKCE VAKUOVÉ KOMORY...............................................................30 3.1 Výsledná podoba prototypu vakuové komory..................................................33 3.2 Varianta A.........................................................................................................35 3.2.1 Orientační pevnostní výpočet ....................................................................35 3.2.2 Rám plechové konstrukce..........................................................................36 3.2.3 Boční výztuha konstrukce .........................................................................38 3.2.4 Příčná výztuha – police .............................................................................39 3.2.5 Celkové zpevnění konstrukce....................................................................40 3.3 Varianta B.........................................................................................................41 3.3.1 Orientační pevnostní výpočet ....................................................................41 3.3.2 Zpevnění konstrukce .................................................................................44 3.3.3 Zpřesnění výpočtu .....................................................................................46 3.3.4 Zvýšení tuhosti dveří .................................................................................47 3.3.5 Zpřesnění zatížení v oblasti dveří..............................................................48 3.4 Varianta C.........................................................................................................49 3.4.1 Orientační pevnostní výpočet ....................................................................49 3.4.2 Úprava dveřního otvoru a pevná police.....................................................51 3.4.3 Přesahy předního plechu............................................................................52 3.4.4 Zvětšení tloušťky plechu a navržení žeber ................................................53 3.4.5 Držáky odlévacích misek ..........................................................................54 3.4.6 Snížení hmotnosti konstrukce....................................................................55 3.4.7 Žebra bočních plechů.................................................................................56 3.4.8 Ověření výpočtu v softwaru Ansys Workbench........................................57 3.5 Finanční rozvaha ..............................................................................................58 3.6 Vnitřní zařízení komory ...................................................................................61 3.6.1 Výtah komory ............................................................................................61 3.6.2 Servomotor a pevnostní kontrola pohybového šroubu ..............................62

strana 11

strana 12

Obsah

3.6.3 Odlévací misky ......................................................................................... 67 3.6.4 Servomotory pro otáčení licích misek ...................................................... 70 3.6.5 Dveře vakuové komory............................................................................. 78 3.6.6 Elektroinstalace......................................................................................... 81 4 CELKOVÁ FINANČNÍ ROZVAHA..................................................................... 85 5 MASTER MODEL, SILIKONOVÁ FORMA A ODLITEK................................. 86 5.1 Master model ................................................................................................... 86 5.2 Silikonová forma.............................................................................................. 88 5.3 Odlitek ............................................................................................................. 90 6 ZÁVĚR ................................................................................................................... 91 LITERATURA .......................................................................................................... 92 SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ ............................................... 95 SEZNAM OBRÁZKŮ A GRAFŮ ............................................................................ 97 SEZNAM TABULEK ............................................................................................... 99 SEZNAM PŘÍLOH.................................................................................................. 100

Úvod

ÚVOD Na trhu rozhoduje o úspěšném výrobku několik faktorů. Kromě funkčních parametrů to je v posledních letech především design, ergonomie a rychlost uvedení výrobku na trh. Právě ergonomii, design a správnou funkci výrobku lze nejsnáze ověřit na funkčním prototypu. Prototypy z kovových materiálů je nejvýhodnější vyrábět konvenčními metodami třískového nebo abrazivního obrábění. Ovšem vyrábět prototypy z plastových materiálů vstřikováním do forem je časově i finančně neúnosné a prodlužuje to výrazně dobu zavedení výrobku na trh. Zvláště v dnešní době, kdy pronikly plasty do všech oborů lidské činnosti a jen málokterý výrobek se obejde bez plastových součástí, se stává funkční prototyp plastového dílu zásadním bodem při vývoji výrobku. Proto se v moderních provozech čím dál více uplatňují technologie z oblasti Rapid Prototyping, díky kterým lze vyrobit během několika hodin funkční prototyp přímo z CAD modelu a to v kancelářském prostředí. Díky těmto technologiím lze výrazně zkrátit dobu od návrhu po zavedení výrobku do výroby. Jedním ze zařízení, které se používá v oblasti Rapid Prototyping technologií, je i vakuová odlévací komora, jejíž konstrukce je cílem této diplomové práce.

Obr. Rapid Prototyping [ 25 ]

strana 13

strana 14

1 Rapid Prototyping

1

1 RAPID PROTOTYPING

1.1

1.1 Základní přehled Rapid Prototyping (RP) označuje oblast technologií, která se „doslova“ zabývá rychlou výrobou prototypu. Tato oblast vznikla v osmdesátých letech a od té doby se vyvíjí nové technologie a metody. Vznik modelu pomocí RP metod je založen na přidávání materiálu po vrstvách k již dříve vytvořeným vrstvám. Klasické třískové obrábění naopak materiál po vrstvách odebírá. V roce 1987 představila firma 3D Systems, Inc (USA) první RP systém SLA-1 [33], založený na principu stereolitografie (SL). Tímto rokem začal progresivní vývoj oblasti RP. Vznikaly nové metody tvorby modelu, RP se začal propojovat s 3D CAD technologiemi, reverzním inženýrstvím, vznikly obory Rapid Tooling (RT) a Rapid Manufacturing (RM). Rapid Manufacturing a Rapid Tooling byly založeny na základech RP. Rozdíl mezi Rapid Prototyping a Rapid Manufacturing je pouze v následném použití vyrobené součásti [3]. Rapid Prototyping využívá součást jako model nebo prototyp, zatímco Rapid Manufacturing využívá součást jako funkční díl koncové sestavy. Předpoklady pro využití RM jsou kusová výroba, složitost dílu, větší rozměrové tolerance a nízké nároky na mechanické vlastnosti materiálu. Pomocí technologie Rapid Tooling se vyrábí nástroje (formy, kovové modely, opravy nástrojů, atd…). Tato technologie využívá pro výrobu modifikované metody LS (Laser Sintering) a FDM (Fused Deposition Modelling) z oblasti Rapid Prototyping. Později, kdy se již technologie RP, RT a RM diferencovaly natolik, že se již mluvilo o samostatných kategoriích, byla zavedena oblast Additive Fabrication [2,34], která souhrnně označuje tyto tři technologie. V poslední době vývoj v oblasti Additive Fabrication směřuje k těmto cílům [3,13]: • Lepší mechanické vlastnosti prototypových materiálů • Zdokonalení metody Selective Laser Sintering (nyní je nutné součástku ručně opracovat nebo ofrézovat) • Zjednodušení konstrukce a obsluhy výrobních zařízení • Snížení ceny výrobních zařízení a používaných materiálů • Zrychlení výrobního procesu • Zvyšování přesnosti rozměrů vyrobené součástky (dle technologie) • Vyšší automatizace výrobního procesu • Snížení rizika vzniku chyb při výrobě Rapid Prototyping je moderní směr, který se neustále rozvíjí. Využití má především v automobilovém průmyslu, letectví, spotřebním průmyslu, lékařství [1], optice, atd. Např. v automobilovém průmyslu využívají RP téměř všichni světový výrobci [14,15,16]: Auto Union (Audi), Adam Opel AG, Ford AG, Mercedes Benz (Daimler Chrysler), BMW, Jaguar, Seat, Citroën/PSA, Fiat, Volvo, Piaggio, Porsche, Saab, Rover, Renault nebo Škoda. Z firem působících v leteckém průmyslu lze uvést [14]: General Electric, Leistritz, MAN, MTU, Pratt&Whitney nebo Rolls Royce. Z dalších odvětví průmyslu lze jmenovat [14] vývoj turbín (Siemens), optiku (Weiss, Rodenstock) nebo elektrotechnický průmysl (Elektrolux, ETA).

1 Rapid Prototyping

strana 15

V diagramu na obr. 1.1 je zobrazen postup tvorby fyzického modelu. Zdroj dat může být získán vymodelováním v libovolném z 3D modelářů (Catia, ProEngineer, Inventor, SolidWorks, Rhinoceros, 3D MAX Studio, atd.) nebo může být získán za pomoci některé z metod reverzního inženýrství (reverzní inženýrství je proces, který vytvoří z fyzického modelu kopii v podobě 3D digitálního geometrického modelu). Po přípravných operacích následuje výroba digitálního modelu. V následujících kapitolách jsou stručně popsány přípravné operace, výroba modelu a princip jednotlivých technologií výroby.

Zdroj dat:

3D CAD

Reverzní inženýrství

STL digitální data

Fyzický model:

SL

LS

FDM

LOM

3DP

Obr. 1.1 Diagram přímé tvorby modelu nebo prototypu

Základní fáze vzniku fyzického modelu pomocí RP jsou: • Preprocessing • Processing • Postprocessing

1.2 Preprocessing Preprocessing označuje všechny přípravné práce před vlastní výrobou. Digitální model se musí převést do formátu STL (Stereolitography file). Převod do tohoto formátu podporuje většina 3D strojírenských CAD modelářů s možností nastavení hustoty polygonální sítě. Pro převod se také může použít speciální software (např. Magic), který umožňuje opravy a úpravy STL formátu. Firma produkující zařízení pro Rapid Prototyping obyčejně dodává software, který připraví model v STL formátu na výrobu. Tento proces zahrnuje orientaci dílu, generaci řezů (určení stavěcího materiálů a podpor) a generaci NC drah. Po těchto operacích je možné začít s výstavbou dílu.

1.2

strana 16

1.3

1 Rapid Prototyping

1.3 Processing Processing označuje vlastní tvorbu modelu. V diagramu na obr. 1.1 je pět základních technologií výroby modelu [34]: • SL – Stereolitografie • LS – Laser Sintering • FDM – Fused Deposition Modelling • LOM – Laminated Object Manufacturing • 3DP – Three Dimensional Printing Další dvě skupiny technologií se využívají především v oblasti Rapid Tooling a jsou odvozené z Rapid Prototyping. Technologie jednotlivých firem mají obchodní označení, proto nejsou názvy v rámci skupiny jednotné: • Power Bed systémy založené na LS (Selective Laser Sintering, Direct Metal Laser Sintering, LaserCUSING, atd.) • Power Deposition systémy založené na FDM (Direct Metal Deposition, Laser Engineering Net Shaping, atd.)

1.4

1.4 Postprocessing Postprocessing nebo-li dokončovací práce zahrnují několik základních procesů, jejichž užití je závislé na použité výrobní technologii: •

• • • •

Základní proces postprocessingu je odstranění podpor. Podpory označují podpůrný materiál, který je přidáván ke stavěnému modelu, aby bylo možné stavět převislé části modelu, dutiny a tvarově složité části. Podpory lze odstraňovat mechanicky (SL, LOM, FDM) nebo chemicky (FDM). Chemické odstranění podpor u technologie FDM probíhá vyplavením v zásaditém roztoku. Podpory není nutné stavět u technologií Laser Sintering a Three Dimensional Printing. Čištění. Zvláště u modelů vyráběných z prášků (LS a 3DP). Vytvrzování. Např. u stereolitografie je nutné model vytvrdit, což je pomalý a zdlouhavý proces. Napouštění různými tužidly se používá pro zvýšení mechanické tuhosti (3DP). U Laser Sinteringu bývá materiál pórovitý, takže vhodným napouštědlem lze měnit mechanické vlastnosti již hotového modelu Úprava povrchu. U většiny designových počinů je kladen důraz na povrchové zpracování. Ani laserové technologie nemají takovou přesnost, aby dokázaly vyrobit hladké povrchy. Existuje několik postupů, jak povrch upravit. 1. tmelení – nejčastěji se používá polyuretanový tmel 2. leptání – u FDM lze nástřikem speciálního rozpouštědla natavit tzv. schodky způsobené vertikálním posunem stavěcí platformy 3. broušení – pokud není kladen požadavek na velkou přesnost, je možné nechat vyrobit model o trochu větší, zaformovat ho a odlitek následně vybrousit

Je důležité si uvědomit, že Postprocessing je nedílnou součástí výroby prototypu a významnou měrou může ovlivnit konečnou cenu a čas výroby prototypu.

1 Rapid Prototyping

strana 17

1.5 Technologie výroby modelu

1.5

1.5.1 SL Stereolitografie je nejstarší z technologií Rapid Prototyping. Byla vyvinuta firmou 3D Systems, Inc [33]. Princip této metody [2] spočívá v postupném vytvrzování tekutého fotopolymeru (plastické hmoty citlivé na světlo) pomocí laseru (HeCd). Vrstva modelu, která se zrovna tvoří, je vždy u hladiny tekutého polymeru. Když je vrstva hotova, posune elevátor model dolů o hodnotu tloušťky vrstvy.

1.5.1

Výhody: 1. nejpřesnější metoda (velmi dobrý detail a povrch) 2. velké množství použitelného materiálu Nevýhody: 1. v postprocessingu (dokončovací operace) nutné čištění a pomalé tvrzení polymeru 2. menší tepelná a mechanická odolnost modelu 3. nutná stavba podpor a jejich mechanické odstranění

Obr. 1.2 Stereolitografie [ 35 ]

strana 18

1.5.2

1 Rapid Prototyping

1.5.2 LS Laser Sintering je novější metoda než SL. Tento systém byl vyvinut na texaské univerzitě v Austinu [13]. Je založen na postupném spékání jednotlivých vrstev pomocí laseru [2]. Výchozím materiálem je prášek (plastový, kovový nebo slévárenský písek). Výhody: 1. model je pevnější než u SL 2. LS nevyžaduje stavbu podpor 3. široká škála materiálů (termoplasty, polystyren, slitiny niklového bronzu, kovové materiály, pískové směsi) 4. kovové materiály se používají v Rapid Tooling v odvozených technologiích viz. kap. 3.1 Nevýhody: 1. nelze pracovat na jednom zařízení s různými materiály (různé vytvrzovací podmínky) 2. postprocessing zahrnuje nutné očištění modelu od prášku 3. pro zlepšení mechanických vlastností se hotový model napouští tužidly

Obr. 1.3 Princip Laser Sinteringu [ 5 ]

1 Rapid Prototyping

1.5.3 FDM Fused Deposition Modelling je metoda, jež je kompromisem odolnosti modelu, rychlosti a přesnosti stavby modelu. Byla vyvinuta firmou Stratasys, Inc [17]. Jako jediná spolu s 3DP nepoužívá laser. Materiál je přiváděn tenkým vláknem z termoplastu do vyhřívané trysky. Ta vlákno ohřeje na teplotu o 1°C vyšší než je teplota tání materiálu [13]. Tryska poté nanáší požadovanou vrstvu modelu. Materiál při styku s již zhotovenou části modelu rychle tuhne a dochází k pevnému spojení. Výhody: 1. 2. 3. 4. 5.

dobré mechanické vlastnosti materiálů (velice podobné plastům) možné využití více druhů materiálů na jednom modelu podpory lze odstranit vyplavením v roztoku hydroxidu sodného po odstraněné podpor žádný další postprocessing nízká cena

Nevýhody: 1. FDM vyžaduje stavbu podpor 2. horší kvalita povrchu než u laserových technologií 3. nižší přesnost

Obr. 1.4 Fused Deposition Modelling [ 6 ]

strana 19

1.5.3

strana 20

1.5.4

1 Rapid Prototyping

1.5.4 LOM Tento systém byl vyvinut americkou firmou Helisys [18]. Model je tvořen 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 [2]. 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. Výhody: 1. rychlá tvorba modelu 2. vhodné na tvorbu velkých modelů Nevýhody: 1. hodně odpadu 2. horší kvalita povrchu – nutné ruční opracování

Obr. 1.5 Laminated Object Manufacturing [ 34 ]

1 Rapid Prototyping

1.5.5 3DP Systém byl vyvinut v Massachusetts Institute of Technology [13]. Vrstva prášku je nanášena válcem přes stavěcí prostor a zpevněna pojivem, které je aplikováno tryskou z nanášecí hlavy. Princip nanášení pojiva je obdobný jako u inkoustového tisku [2]. Výhody: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

velmi dobrá produktivita stavby nevyžaduje stavbu podpor True Color Printing – plnobarevný tisk vysoké rozlišení (u Z510 nastavení tloušťky vrstvy 0,089 – 0,203 mm) prášek lze opakovaně používat velký výběr materiálů s širokým spektrem materiálových vlastností nízké výrobní náklady modelu

Nevýhody: 1. nutný postprocessing – napouštění tužidlem pro zvýšení mechanické tuhosti

Obr. 1.6 Three Dimensional Printing [ 34 ]

strana 21

1.5.5

strana 22

2 Vakuové odlévání

2

2 VAKUOVÉ ODLÉVÁNÍ

2.1

2.1 Princip tvorby modelu Součástí technologie Rapid Prototyping je také odlévání plastů ve vakuu. Vakuové lití je vhodné pro malé série do cca 100 kusů prototypových dílů z polyuretanových a polyamidových materiálů, které se svými vlastnostmi velmi blíží materiálům sériových dílů. Lití se provádí do silikonových forem (materiál ESSIL, SILASTIC). Forma se vyrobí zalitím master modelu do silikonového materiálu. Master model lze získat z již existující součásti nebo z prototypového modelu vyrobeného některou z RP technologií zmíněných v minulé kapitole. Master model se musí náležitě upravit. Vhodnou lepící páskou se musí dostatečně oblepit dělící rovina. Je vhodné např. zalepit díry pro šrouby, které mohou být vyvrtány po odlití, apod. K master modelu se musí přilepit vtokový kanálek a za pomoci tenkých drátů vhodně umístit model do prostoru formovací nádoby. Před zalitím master modelu silikonem je nutné silikon zavakuovat a tím ho zbavit rozpuštěných bublinek vzduchu. Po zalití master modelu silikonem se musí vakuování opakovat. Po ztuhnutí silikonu se forma rozřízne. Vytvoří se tak již naznačená dělící rovina. Vyjmutím master modelu je forma hotová. Do ní jsou ve vakuu odlévány ze speciálního dvousložkového materiálu malosériové prototypové díly. Forma se většinou před odléváním vyhřeje na teplotu okolo 70°C pro zlepšení zatékavosti. Někdy se také zahřívá licí materiál. Odlitek je vhodné nechat vytvrdit (temperovat) za zvýšené teploty 50 až 70°C. Materiál odlitku je potom odolnější vůči mechanickému poškození. Vlastnosti odlévaných dílů je možné nasimulovat poměrem licích složek přesně podle vlastností sériového dílu (tvrdost, barva, pružnost, čirost, atd.). Odlitky lze dále opracovávat, lakovat a následně použít jako ověřovací plně funkční díly. Tato technologie se používá například při výrobě prototypových dílů v automobilovém průmyslu, ale také v mnoha dalších oborech - pro výrobu prototypů elektrického nářadí, domácích elektrospotřebičů, telefonů, počítačů atd.

Shrnutý postup tvorby modelu v bodech: 1. úprava master modelu (obr. 2.1a, obr. 2.1b) 2. vakuování silikonu (obr. 2.1c) 3. zalití master modelu silikonem (obr. 2.1d) 4. opakované vakuování formy s master modelem (obr. 2.1e) 5. vychladnutí formy při teplotě okolo 70°C 6. rozříznutí formy a vyjmutí master modelu (obr. 2.1f, obr. 2.1g) 7. vyhřátí formy na teplotu 70°C 8. promíchání a odlití dílu ve vakuu (obr. 2.1h, obr. 2.1i) 9. vytvrzení odlitku při teplotě 50 až 70°C 10. vyjmutí odlitku (obr. 2.1j)


Obr. 2.1 Postup tvorby prototypového modelu [ 7 ]

strana 23

strana 24


2.2

2.2 Používané materiály

2.2.1

2.2.1 Silikony Na výrobu forem pro odlévání ve vakuu jsou nejčastěji používány silikonové kaučuky. Snadno se zpracovávají i vytvrzují a jejich konečné vlastnosti uspokojují i náročné požadavky uživatelů. Mimo výroby forem jsou vhodné i na výrobu dalších výrobků. Jejich použití je tedy velmi široké. Pro praktické použití silikonových kaučuků je zejména důležitá pružnost. Díky ní se snadno z forem uvolňují i tvarově komplikované odlitky. Ve většině případů není nutno pro snadné uvolnění z formy používat separátory. Z formy lze vyjmout i odlitek s negativním zkosením. Další výhodnou vlastností je průsvitný vzhled, který umožňuje rozříznutí formy přesně podle naznačených dělících rovin na master modelu. Silikony mají velmi nízké smrštění, dobrou rozměrovou stabilitu, jsou velice houževnaté a mají středně vysokou tvrdost. Formy ze silikonových kaučuků jsou použitelné pro odlévací hmoty na bázi polyuretanů, epoxidů, polyesterů ale i silikonů. Dále je možno do těchto materiálů odlévat i nízkotavitelné slitiny, sádru, keramiku, atd. [13]. Silikon je dvousložkový materiál složený ze základní složky, která se po smíchání s vytvrzovacím činidlem vytvrdí při pokojové teplotě adiční reakcí. Vytvrzení lze urychlit temperováním nebo urychlovači. Při odlévání silikonové formy bez vakuování může nastat problém se vzduchovými bublinkami přítomnými v silikonu. To má negativní vliv na kvalitu povrchu a při odlévání tenkostěnných odlitků může dojít i ke zhroucení stěny formy. Na trhu je velká nabídka různých druhů silikonů, které se mohou lišit materiálovými charakteristikami (viskozita, tvrdost, pevnost v tahu, smrštitelnost, doba práce se směsí). Např. pro transparentní odlitky se doporučuje tzv. forma suchá, která na povrchu není tolik mastná a dovoluje snadnější vyjmutí transparentního odlitku. Na druhou stranu forma z tohoto silikonu má menší životnost než forma ze silikonu pro běžné odlitky. Výrobci a prodejci silikonů uvádí 100 až 200 vyrobených odlitků z jedné formy [19]. Pro kvalitní zatečení silikonu okolo master modelu se doporučuje používat zpomalovač reakce. Tím se prodlouží doba zpracovatelnosti. Zvláště u složitých modelů je to výhodné, protože silikon stačí kompletně zatéci okolo celého master modelu.


2.2.2 Licí materiály Pro vakuové odlévání do silikonových forem se nejčastěji používají polyuretanové pryskyřice. Tyto pryskyřice mají materiálové vlastnosti velice podobné plastům. Kterému plastu se bude vytvrzená hmota blížit svými materiálovými vlastnostmi, záleží na typu použité pryskyřice a na množství vytvrzovacího činidla. V praxi jsou nejčastěji napodobovány tyto plasty: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

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.)

Plasty samy o sobě mají kladné i záporné materiálové vlastnosti. Pro dané použití kombinují výrobci polyuretanových pryskyřic kladné vlastnosti více plastů. Např. PE/PP, PE/PP/PS, ABS/PS, atd. Zvyšuje se tak např. tepelná odolnost, rázová houževnatost, pevnost v tahu, pevnost v ohybu, apod. Informace o materiálových vlastnostech polyuretanových pryskyřic jsou zpracovány z propagačních materiálů firmy ACR Czech s.r.o. [19]. Polyuretanové pryskyřice jsou dvousložkové materiály. Základní složka se míchá s vytvrzovacím činidlem nejčastěji v těchto poměrech: 100/100, 100/80, 100/60, 100/50, 100/40, atd. Po důkladném smíchání obou složek se doba zpracovatelnosti pohybuje v rozmezí 3 až 8 minut. Pro snížení viskozity a tím zlepšení zatékavosti do formy lze licí materiál předehřát. Zkrátí se tím ale podstatně doba zpracovatelnosti. Proto je důležité konfrontovat dobu zpracovatelnosti a viskozitu. Materiál s nízkou viskozitou je zbytečné zahřívat. Snadno zateče do formy a nezkrátí se doba zpracovatelnosti. U některých materiálů je nutné zvažovat teplotu zahřátí, aby materiál neztuhl kvůli kratší době zpracovatelnosti dříve než úplně zateče do formy. Viskozita polyuretanových pryskyřic se velice liší. Od nízkoviskózních pryskyřic (100 mPa.s) po pryskyřice s vyšší viskozitou (okolo 1300 mPa.s). Doba odformování se u různých polyuretanových pryskyřic obvykle pohybuje od 25 do 120 minut při teplotě temperování 70°C. Teplotní odolnost pryskyřic se pohybuje v rozmezí od 75 až po 220°C. Modul pružnosti dosahuje hodnot od 500 po 4500 MPa. Hustota pryskyřic je od 1,06 do 1,22 g/cm3. Tvrdost plastových materiálů se obvykle měří zkouškou tvrdosti podle Shorea. Jedná se o dynamicko-elastickou zkoušku, kdy se zjišťuje výška odskoku zkušebního tělesa od měřené plochy. Hodnota tvrdosti se spočítá jako poměr výšky odskoku ku počáteční výšce zkušebního tělesa a vyjadřuje se v procentech. Tzn., že hodnota tvrdosti se může teoreticky pohybovat od 0 po 100. Čím je zkoušený materiál tvrdší, tím méně kinetické energie zkušebního tělesa se přemění na elastickou energii zkoušeného materiálu a zkušební těleso odskočí do větší výšky. Pro tvrdší plasty se používá stupnice Shore D, pro pryže Shore A. Tvrdost polyuretanových pryskyřic se pohybuje v rozmezí 74 až 85 Shore D.

strana 25

2.2.2

strana 26


U pryskyřic s materiálovými vlastnostmi pryží se tvrdost pohybuje okolo 70 Shore A. Polyuretanové pryskyřice mají určité zabarvení (např. bílé, béžové, černé, transparentní – průhledné, atd.) nebo lze jejich zabarvení modifikovat libovolnými pigmenty dodávanými s materiály. Lze tedy odlévat libovolně barevné díly.

Obr. 2.2 Různobarevné odlitky [ 7 ]

2.3

2.3 Vakuovací podmínky Vakuovací podmínky, které výraznou měrou ovlivňují kvalitu odlitku, jsou dvě. Je to hodnota dosaženého vakua a výkon čerpaní vzduchu z recipientu. Potřebné hodnoty těchto vakuovacích podmínek byly podle výrobců licích materiálů a silikonů zjištěny experimentálně a nejsou nijak teoreticky podložené. Lze citovat z informací poskytnutých firmou ACR Czech s.r.o. [8]: „… záleží na tom, co budete stavět za stroj. Pokud tzv."vakuovou komoru", kde se jednotlivé složky promíchají, smísí a pak odlijí, tak se běžně montují vývěvy s výkonem od 25 do 40 m3/hodinu. …“ „… podtlak, by měl dosahovat hodnot alespoň -96kPa za běžných atm. venkovních podmínek. Rozhodně je odzkoušené, že např. -93kPa už prostě na bezbublinkatý výrobek nestačí. ….“ „Všechny výše uvedené informace jsou založeny více na praxi než na výpočtech. A tyto informace platí pro možnost používání libovolných pryskyřic bez omezení - tedy univerzální užití.“


2.4 Vakuová čerpadla Podle předchozí kapitoly by mělo vakuové čerpadlo splňovat následující parametry: Minimální čerpací výkon 25 m3/hod Minimální podtlak -96 kPa za normálních atmosférických podmínek Normální atmosférické podmínky jsou 101 325 Pa. Tzn., že absolutní tlak by měl být 5 325 Pa tj. 53,25 mbar. Základní typy vývěv, které jsou běžně na trhu k dispozici, jsou: Vodokružná vývěva Rotační olejová vývěva Rootsova vývěva Difuzní vývěva Turbomolekulární vývěva Níže uvedené údaje o čerpacích výkonech a absolutním tlaku vycházejí z konstrukčních možností jednotlivých typů vývěv. Informace byly zpracovány ze zdrojů Ústavu mikroelektroniky na fakultě Elektrotechnických a komunikačních technologií Vysokého učení technického v Brně [20]. Vodokružná vývěvy se používají pro tzv. hrubé vakuum. Jejich konstrukce dovoluje téměř libovolný čerpací výkon, ale absolutní tlak je limitován hodnotou cca 33 mbar. Tato hodnota je pro použití vakuové komory dostatečná. Nevýhodou těchto vývěv je potřebná vodovodní instalace. V téměř kancelářském prostředí, kde zpravidla bývají vakuové komory instalovány, je to nevýhoda a zbytečná komplikace. Rotační olejové a rootsovy vývěvy jsou používány do tlaků 10-1 Pa, tj. 0,001 mbar. Tohoto tlaku je dosaženo dvoustupňovou konfigurací vývěv. Pro tlak 53,25 mbar by stačila jednostupňová konfigurace. Oba typy vývěv jsou olejové. Olej se nepoužívá jen k mazaní (snížení opotřebení a hlučnosti), ale také k utěsnění pracovního prostoru a chlazení vývěvy. Existují např. rotační vývěvy suché, které ale nedosahují potřebných hodnot absolutního tlaku v jednostupňové konfiguraci. Nevýhoda použití oleje je v nutném odfiltrování oleje z vyčerpávaného vzduchu. To se děje odstředivým odlučovačem oleje a použitím filtrů na výstupu. Turbomolekulární a difuzní vývěvy se používají k tlakům od 10-1 do 10-7 Pa. Pro předčerpání se používají Rootsovy a olejové rotační vývěvy, aby nedocházelo k vysokým tlakovým diferencím na vstupu a výstupu turbomolekulárních a difuzních vývěv.

strana 27

2.4

strana 28


Cena vývěv s potřebnými parametry se na trhu pohybuje mezi 30 až 70 tis. Kč [21,22]. Při stavbě vakuové komory by mohla být zkonstruována i rotační olejová vývěva. Konstrukce je úplně stejná jako u rotačních olejových kompresorů. Pouze na výstupu je atmosférický tlak, kdežto u kompresoru je atmosférický tlak na vstupu. Je zde uváděna konstrukční shoda s kompresorem, protože v praxi se více konstruují kompresory než vývěvy a ke kompresorům je tudíž více podkladů (konstrukčních i výpočtových).

Obr. 2.3 Princip lamelového rotačního kompresoru/vývěvy [ 9 ]

1. sací filtr 2. separátor (odlučuje olej ze stlač. vzduchu) 3. společný chladič oleje a stlač. vzduchu 4. olejový filtr 5. termostat oleje 6. rotor 7. lamela 8. ventil minimálního tlaku 9. olej 10. pojišťovací ventil


2.5 Zařízení na trhu Jedním z největších světových výrobců vakuových komor pro odlévání do silikonových forem je německá firma MK Technology GmbH [11]. Dalším významným výrobcem v této oblasti je skupina MCP Group [10], konkrétně německá pobočka v Lübecku.

Obr. 2.4 Největší vakuová komora skupiny MCP Group [ 10 ]

Obr. 2.5 Největší vakuová komora firmy MK Technology GmbH [ 11 ]

Z konstrukčních zajímavostí je vhodné poukázat na tzv. Differential Pressure System. Je to systém, kdy je horní licí a míchací část komory vzduchotěsně oddělena od spodní části, kde je umístěna forma. Při odlévání je zvýšen tlak v horní části cca o 100 mbaru. Tím je simulováno odstředivé lití. Výhody tohoto systému jsou: perfektní zatečení licího materiálu do složitých a tenkostěnných forem vysoce viskózní materiály lépe zatékají materiály s krátkou dobou zpracovatelnosti zatečou zcela do formy ještě před ztuhnutím

strana 29

2.5

strana 30

3

3 Konstrukce vakuové komory

3 KONSTRUKCE VAKUOVÉ KOMORY Návrh konstrukce vakuové komory odpovídá PLM (Product Lifecycle Management) principu. Tento princip je založen na operativních změnách návrhu a modelu po celou dobu vývoje prototypu vakuové komory. Tyto změny mohou nastat např. v důsledku: 1. 2. 3. 4. 5.

Nevyhovující konstrukce z hlediska funkčních parametrů. Nevyhovující konstrukce z hlediska pevnosti. Vysoké náklady na výrobu. Složitost a technologická náročnost výroby. Nepříznivé provozní vlastnosti (životnost, údržba, bezporuchovost, bezpečnost, opravitelnost, atd. ...). 6. Nesoulad s platnými normami. 7. Porušení patentové čistoty (užití cizího patentu, průmyslového vzoru nebo ochranné známky). 8. Neodpovídající ergonomie, ekologie nebo estetický vzhled (ergonomický výrobek lze z pohledu pracovníka snadno obsluhovat, kontrolovat nebo řídit). 9. Nevyhovující prototyp 10. Výsledný produkt neodpovídá představám zadavatele. Vývoj vakuové komory se řídil dle algoritmu na obr. 3.1. V hlavních uzlech algoritmu vždy probíhala kontrola konstrukce. Pokud se ukázalo, že konstrukce nevyhovuje z nějakého výše zmíněného důvodu, vrátil se algoritmu do místa, kde byla možná náprava. NEVYHOVUJE

IDEOVÝ NÁVRH

3D MODEL

VYHOVUJE

FEM ANALÝZA

HODNOCENÍ FEM ANALÝZY

LZE VYHOVUJE NELZE

NEVYHOVUJE

ZMĚNA 3D MODELU

NÁVRH NEPEVNOSTNÍCH ČÁSTÍ KONSTRUKCE

NEVYHOVUJE

KONEC NÁVRHU

VYHOVUJE

FINÁLNÍ PODOBA

NEVYHOVUJÍ NEPEVNOSTÍ ČÁSTI

Obr. 3.1 Algoritmus návrhu konstrukce


Tento postup a užití moderních 3D CAD technologií výrazně zkracují dobu od ideového návrhu po výrobu prvního funkčního prototypu. Např. pokud by se postupovalo tradičním způsobem (2D CAD), počítala by se pravděpodobně pevnost konstrukce analyticky. Analytický výpočet lze aplikovat jen na tvarově jednoduché součásti. Muselo by tedy dojít ke značnému zjednodušení výpočtu. Tím pádem by se musel značně zvýšit i koeficient bezpečnosti (člen, který de facto vypovídá o přesnosti výpočtu). Mohlo by dojít ke zbytečnému použití silnějšího a masivnějšího materiálu nebo k výrobě nedostatečně odolné konstrukce. Další z výhod 3D technologie je automatické generování výrobních výkresů. Výkresy nemusí být při každé konstrukční změně složitě opravovány, ale změna všech výkresových pohledů je automatická. Využitím 3D CAD technologie lze během vývoje konstrukce sledovat její fyzikální a materiálové vlastnosti (hmotnost dílů nebo sestavy, objem, těžiště, momenty setrvačnosti, atd.). Díky 3D CAD technologii lze sledovat a následně zamezit vzniku kolizních stavů v sestavě. Jestliže je zaveden PDM systém (Produkt Data Management), lze on-line konzultovat jednotlivé kroky např. s technologem, zadavatelem, vedoucím projektu, atd. Díky tomu může konstruktér reagovat na jednotlivé připomínky daleko dříve. Lze také již s dostatečným předstihem zajistit materiál na výrobu a zajistit vhodné dodavatele. Bylo by možné vyjmenovat spoustu dalších výhod 3D CAD technologie a PDM systému, popř. PLM systému. Musí být ale také zmíněny nevýhody. Jsou to především vysoké náklady na pořízení a vývoj softwaru, instalaci a školení. Další nevýhodou je dočasný propad produktivity práce způsobený prvotními pracemi v novém systému. Obr. 3.2 ukazuje integraci PLM, což je komplexnější řešení PDM systému (viz. obr. 3.3). Analogie integrací obou systémů je na pohled zřejmá.

Obr. 3.2 Integrace PLM řešení [ 23 ]

strana 31

strana 32


Obr. 3.3 PLM a PDM systém [ 24 ]

3D návrh konstrukce vakuové komory dle diagramu na obr. 3.3 zasahuje částečně do oblasti výzkumu, částečné do oblasti výroby, ale plně zasahuje oblast vývoje výrobku. Je-li zaveden PDM systém (systém pro elektronickou správu dat), pak jsou v databázi PDM systému přehledně uložena všechna data i s příslušnými právy přístupu (např. přístupová práva konstruktéra, technologa, vedoucího projektu, sekretářky, atd.). PDM systém obvykle obsahuje data z těchto počítačových oblastí: • • • • • •

CAD (Computer Aided Design) – „počítačem podporovaný návrh“ CAE (Computer Aided Engineering) – „počítačem podporované strojírenství“ FEM (Finite Element Method) – „metoda konečných prvků“ CAM (Computer Aided Manufacturing) – „počítačová podpora výroby“ CNC (Computer Numerical Control) – „číslicové řízení počítačem“ CAQ (Computer Aided Quality Assurance) – „počítačem řízená kontrola a zajištění kvality při výrobním procesu

PDM systém může být rozšířen na PLM systém (systém spravující data po celý život produktu). PLM systém zpracovává navíc informace o prodeji, likvidaci nebo servisu výrobku.


3.1 Výsledná podoba prototypu vakuové komory Na obr. 3.4, 3.5 a 3.6 je výsledná podoba prototypu vakuové komory. Této podoby bylo dosaženo po sérii výpočtů, návrhových a koncepčních změn (kap. 3.2 až 3.5). Prototyp bude podrobně popsán v dalších kapitolách, tak jak postupně procházel vývojem. Na obrázcích jsou uvedeny základní díly sestavy a základní rozměry.

Obr. 3.4 Výsledná podoba vakuové komory

strana 33

3.1

strana 34


Obr. 3.5 Hlavní rozměry vakuové komory

Obr. 3.6 Řez komorou a detail licích misek


3.2 Varianta A

strana 35

3.2

Návrh vakuové komory má tři koncepční varianty. V první variantě (varianta A) jsou nosným prvkem konstrukce plechy. Celá varianta A byla modelována 3D modelářem Inventor verze 11 od firmy Autodesk. Pevnostní výpočty byly provedeny modulem Pevnostní analýza implementovaným do tohoto softwaru firmou Ansys, Inc. Konstrukce byla zatížena tlakem p = 0,1 MPa na všechny stěny komory. Tlak odpovídá hodnotě maximálního možného podtlaku. V následujících podkapitolách je podrobně popsána varianta A. 3.2.1 Orientační pevnostní výpočet Nejdříve bylo potřeba orientačně zjistit pevnost a slabá místa konstrukce. V tomto orientačním výpočtu byla uvažována pouze plechová konstrukce bez dalších výztuží. Výsledek výpočtu ekvivalentního napětí a celkové deformace je na obr. 3.7. V návrhu byl použit plech tloušťky 3 mm. Z výsledků je patrné, že maximální ekvivalentní napětí se pohybuje vysoko nad mezí kluzu materiálu (Re=355MPa). Mez kluzu je hranice, nad níž neplatí Hookův zákon, který je základní rovnicí pevnostního výpočtu. Hodnoty ekvivalentního napětí a deformace sice neodpovídají skutečným hodnotám, ale ukazují na nebezpečné zatížení. Například uprostřed bočních tabulí má ekvivalentní napětí hodnotu v intervalu 1213 až 1454 MPa.

Obr. 3.7 Ekvivalentní napětí a celkové deformace

3.2.1

strana 36

3.2.2


3.2.2 Rám plechové konstrukce Celkovou tuhost konstrukce měl zvýšit rám. Ten byl navržen z L-profilů z konstrukční, za tepla válcované oceli dle normy ČSN 42 5541 o rozměrech 35x35x4. Profily tvořily vnější rám kolem komory a značně zvýšily celkovou tuhost konstrukce. Je to patrné z obr. 3.8. Pevnostní analýza názorně ukazuje nebezpečná místa konstrukce. Při posuzování ekvivalentního napětí je potřeba myslet na to, že výsledky dosažené metodou konečných prvků mohou být v místech nespojitosti značně závislé na správné volbě hustoty sítě (počtu elementů). Z praxe je známé, že v místech nespojitosti dochází při dvojnásobném zvětšení počtu elementů k značnému rozdílu ve výsledném napětí. Obyčejně má větší hustota sítě za následek zpřesnění výpočtu. V praxi se postupuje obvykle tak, že se v okolí nespojitostí záměrně zhušťuje konečnoprvková síť a to do doby až rozdíl mezi jednotlivými výsledky je pro daný výpočet zanedbatelný. Modul Pevnostní analýza neumožňuje zhustit síť v potřebných místech konstrukce (místa nespojitosti – rohy, vruby, sváry, atd.). Nelze zde zadat mapovanou síť či určit velikost konečnoprvkového elementu. Existuje volba jemnosti sítě, kterou se volí parametr z intervalu od -100 do 100, kde 100 znamená nejjemnější síť. Tato volba parametricky určuje globální velikost elementů. Software při výpočtu velikosti elementů bohužel nezohledňuje velikost součásti. Ze závěrečné zprávy je možné zjistit počet elementů a počet Obr. 3.8 Ekvivalentní napětí a celkové deformace uzlů. Pro hřídel o rozměrech ø15x60 se vytvořila konečnoprvková síť s cca 28000 uzly a pro vakuovou komoru o rozměrech 800x500x500 byla vytvořena síť s cca 56000 uzly. Nastavení jemnosti sítě bylo u obou případů na hodnotě 100. Byl proveden kontrolní výpočet u hřídele s vrubem pro různé nastavení sítě (0 – výchozí nastavení a 100 – nejhustší síť) a výsledky byly značně rozdílné viz obr. 3.9. Méně hustá síť má maximální napětí (1,536 MPa) v místě vetknutí a hustější síť má maximum (1,856 MPa) v místě vrubu. Výsledné hodnoty se liší o 17%. Jelikož se nedají elementy dále zmenšovat, nedá se ani určit, zda je hustější síť již natolik jemná, aby bylo dosaženo dostatečně přesných výsledků. Přihlédne-li se k počtu uzlů a k velikosti hřídele a komory, lze konstatovat, že u komory nevygeneroval software dostatečně hustou síť k přesnému určení ekvivalentního napětí v místech nespojitostí. Při hodnocení výsledků MKP řešiče Inventoru 11 se musí postupovat opatrně s ohledem na možné nepřesnosti v místech


nespojitostí. Maxima napětí v rozích rámu jsou nebezpečná místa, ale nemusí dosahovat tak extrémních hodnot nebo naopak mohou být ještě vyšší. Další nepříjemná místa konstrukce jsou středy všech plechů, kde se hodnoty napětí pohybují okolo 600 MPa. Tyto hodnoty jsou zřejmě velice přesné, protože středy plechů mají okolo sebe velké spojité plochy a zatížení působí přímo na tyto plochy. Další vývoj konstrukce musel tudíž směřovat ke zpevnění středů plechů.

Obr. 3.9 Vliv hustoty sítě na přesnost výsledků

strana 37

strana 38

3.2.3


3.2.3 Boční výztuha konstrukce Zpevnění levého a pravého boku bylo provedeno L-profily z konstrukční, za tepla válcované oceli o rozměrech 25x25x4. Výsledky pevnostní analýzy jsou na obr. 3.10. Maximální napětí má nyní velice extrémní hodnotu a to dokonce ještě vyšší (1232 MPa) než v předchozím návrhu (600 MPa). Toto nebezpečné místo leží právě na nově přidaném L-profilu boční výztuže. Je zřejmé, že na konstrukci působí značný tlak a že je nutný další krok ke zvýšení tuhosti. Koncepce tohoto návrhu spočívala v jednoduchém řešení a na minimální hmotnosti komory. Je jasné, že větší profily by neúměrně zvýšily hmotnost konstrukce a neměly by patřičný vliv na zvýšení tuhosti.



3.2.4 Příčná výztuha – police Nejjednodušším a velice efektivním řešením, jak zvýšit tuhost boků konstrukce, je umístit dovnitř pevnou polici. Původní návrh počítal s policí, kterou lze vyjmout. Zvětšil by se tak vnitřní prostor komory nutný pro vakuování silikonu, který se používá jako materiál formy. Během vakuování dochází k zvětšování objemu silikonu vlivem tvorby bublinek vzduchu rozpuštěných v materiálu. Výrobci a prodejci silikonů [19] doporučují použít při vakuování až 5x větší nádobu než je objem silikonu. Problém se zvětšováním objemu lze vyřešit vhodným krokováním vakuování a tudíž nebude za potřebí tak objemná nádoba. Vyjmutím police by došlo, vzhledem k umístění odlévacích misek, ke zvýšení prostoru o cca 25 dm3. Tato situace není příliš výhodná vzhledem k celkovým rozměrům komory. Police byla navržena z 3 mm plechu. Přidání police do sestavy snížilo maximální napětí téměř trojnásobně viz obr. 3.11. Při použití plechu s mezí kluzu 355 MPa se konstrukce dostává ke koeficientu bezpečnosti rovnu jedné.


strana 39

3.2.4

strana 40

3.2.5


3.2.5 Celkové zpevnění konstrukce Kvůli vysokým hodnotám celkových deformací bylo nutné zvětšit tloušťku plechu na 4 mm a přidat výztuhy. Nejdříve byl přidán na horní stranu komory z vnitřní strany L-profil o rozměrech 25x25x4 mm. Jelikož byl tento profil jednoznačně tužší než 4 mm plech, stal se koncentrátorem napětí. I když se celkové deformace snížily o více než polovinu, napětí, které se objevilo na L-profilu, bylo vyšší než napětí na plechu bez profilu. Přestože byl profil zdvojen viz obr. 3.12, napětí kleslo jen na 291 MPa a deformace v okolí výztuhy měly hodnotu 2,5 mm. Tato analýza ukázala, že nosné prvky konstrukce nemohou být plechy o malé tloušťce. Okolní tlak je natolik vysoký, že výztuhy nemohou zpevnit plechy natolik, aby nedocházelo k vysokým deformacím a že naopak tyto výztuhy fungují jako koncentrátory napětí. Tato analýza ukazuje na dva poznatky, jak zabránit značným deformacím plechu: 1. zvětšením tloušťky plechu (cca 10 – 15 mm) 2. tuhý a pevný rám s dostatečným množstvím příček, které člení plech na větší množství menších ploch Další ideový návrh vakuové komory by měl být založen na pevném a tuhém rámu.



3.3 Varianta B

strana 41

3.3

Varianta B byla obdobně jako varianta A modelována 3D modelářem Inventor 11 firmy Autodesk a zatěžována vnějším tlakem o velikosti 0,1 MPa. Pevnostní analýza byla počítána v FEM softwaru firmy ANSYS, Inc. ANSYS Workbench 10.0. Modul Pevnostní analýza integrovaný v Inventoru 11 umí počítat pevnostní analýzu pouze součástí a nikoliv celých sestav. Proto byl použit software ANSYS Workbench 10.0, který podporuje práci sestav a automaticky při importu dat vkládá mezi jednotlivé součásti sestavy vazby typu Contact Bounded (kontakt tvořený pevnou vazbou). Přenos dat mezi těmito dvěma softwary byl proveden ve standardizovaném formátu STEP. Grafické výstupy byly renderovány softwarem 3D MAX Studio 8 firmy Autodesk. Nosným prvkem konstrukce je rám tvořený uzavřeným tenkostěnným obdélníkovým profilem. Byl vybrán profil o rozměrech 50x30x4. Tloušťka stěny 4 mm je největší možná pro dané rozměry. 3.3.1 Orientační pevnostní výpočet Na tvorbu rámu byl použit modul Generátor rámečků, který je součástí Inventoru 11. Tento modul značně urychlil práci. Během několika desítek minut byl vymodelován návrh rámu viz. obr. 3.13.

Obr. 3.13 Konstrukce rámu

Na vnější strany rámu byl vymodelován a ustaven plech o tloušťce 4 mm. Jak ukázaly výpočty u varianty A, nemělo smysl používat plechy o menší tloušťce. Pouze přední plech, ve kterém je vstupní otvor do komory, byl zvolen s tloušťkou 5 mm s ohledem na možné deformace a nutnost dobré těsnosti mezi plechem a dveřmi komory. Na obr. 3.14 je orientační návrh vakuové komory.

3.3.1

strana 42


Obr. 3.14 Orientační návrh vakuové komory – varianta B

Na obrázku 3.14 je záměrně horní a boční plech zobrazen průhledně, aby bylo vidět dovnitř komory. Tato sestava byla importována do softwaru ANSYS Workbench 10.0 a byl proveden pevnostní výpočet. Tento výpočet byl pouze orientační, aby se zjistila slabá místa konstrukce. Proto také nebylo počítáno s dveřmi komory. Zatížení bylo zjednodušeno a aplikováno na celé plochy plechů, přestože tlak působí pouze na části plechů okolo komory. Tzn., že na pravou část, kde je prostor pro elektroinstalaci a trubky na vysávání vzduchu, tlak nepůsobí. Na obr. 3.15 je výsledné napětí a deformace. Z obrázku jsou patrná 4 místa s vysokými lokálními maximy. Jsou to spodní rohy komory. V každém z těchto rohů jsou odebrány posuvy ve třech směrech. Sestavě nebo součásti v softwaru Workbench musí být odebrány všechny stupně volnosti. Pokud se tak nestane a sestava má několik (1 až 3) stupě volnosti, program umístí tzv. Weak springs, které tyto stupně odeberou. Sestava se v těchto směrech nemůže pohybovat, ale může se volně deformovat. Vakuová komora je posazena na podložku, což odebírá pouze jeden stupeň volnosti. Vlivem symetrického zatížení se sestava ve skutečnosti nemůže pohybovat. Pro Workbench je počet stupňů volnosti příliš velký na to, aby použil Weak springs. Bylo tedy nutné do spodních rohů komory umístit vazby odebírající posuvy ve třech směrech. V každém rohu byla umístěna vazba do jednoho uzlu konečnoprvkové sítě. Kvůli tomu v těchto místech vznikají vysoká lokální maxima napětí. Tato místa jsou v porovnání s rozměry komory velice malá a na výsledné napětí a deformace nemají žádný vliv. Vysoká maxima se odrazí na měřítku barevné legendy. Proto musela být tato legenda upravena. Začátek modré a konec oranžové barvy odpovídá rozmezí 0 – 80 MPa. Červená barva pak rozmezí 80 – 4400 MPa. Na barevném rozložení ekvivalentního napětí je vidět, že červená barva se vyskytuje pouze v rozích. Tzn., že


nejvyšší reálné ekvivalentní napětí je menší než 80 MPa a vyskytuje se v horní části plechu tvořícího záda komory a v rádiusech vstupního otvoru. Barevná mapa rozložení celkových deformací ukazuje, že nejslabší místo konstrukce je v horní části zadního plechu a v zadní části levého zadního rohu rámu. Další vývoj tedy nutně směřoval ke zpevnění zadního plechu.


strana 43

strana 44

3.3.2


3.3.2 Zpevnění konstrukce Závěr předchozí kapitoly ukazuje na nutné zpevnění plochy horní části zadního plechu a levého rohu rámu téže části. Proto bylo namodelováno žebro úhlopříčně přes tuto plochu a symetricky k němu na druhou stranu druhé viz. obr. 3.16. Porovnání ekvivalentního napětí ukazuje výrazné snížení oproti předchozímu výpočtu (z 80 MPa na 40 MPa). Také celková deformace v levém zadním horním rohu se snížila z přibližně 1,5 mm na hodnotu pod 0,230 mm viz. obr. 3.17. Na obrázku 3.16 je vidět, že vysoké napětí z rádiusů vstupního otvoru (obr. 3.15) vymizelo a objevilo se zvýšené napětí podél hran tohoto otvoru.

Obr. 3.16 Ekvivalentní napětí


strana 45

Tuhost konstrukce je již dostatečná, protože ekvivalentní napětí nepřevyšuje hodnotu 40 MPa. Koeficient bezpečnosti se vypočítá dle vzorce: k=

Re σe

kde: k [-] Re [Pa] σe [Pa]

[4]

je koeficient bezpečnosti; - mez kluzu; - maximální ekvivalentní napětí;

V Tab. 3.1 jsou vypočítané hodnoty koeficientu bezpečnosti.

Re – mez kluzu [MPa] k – koeficient bezpečnosti [-]

obdélníkový profil 235 6

Tab. 3.1 Koeficient bezpečnosti

Obr. 3.17 Celkové deformace

plech 355 9

strana 46

3.3.3


3.3.3 Zpřesnění výpočtu Předchozí výpočet aplikoval zatížení na celé plochy plechů a neuvažoval zatížení přenášené dveřmi. Dveře byly navrženy z polykarbonátu tloušťky 20 mm, který má následující materiálové charakteristiky [26,27,36]: Hustota Youngův modul Poissonova konstanta Smluvní mez pevnosti

1190 3,21 0,38 75

kg.m-3 GPa MPa

Obr. 3.18 Ekvivalentní napětí

Modrá oblast v pravé části komory ukazuje, že není na tuto oblast aplikováno zatížení. Zatížení téměř odpovídá skutečnosti. Výjimku tvoří dveře. Zatížení bylo aplikováno na plochu dveří i na část plechu, který se s dveřmi překrývá. Tzn., že na malou oblast, kde jsou dveře a plech v zákrytu působí napětí dvakrát. Dalším zjednodušením je absence těsnění. Model je sestaven tak, že dveře jsou v přímém kontaktu s plechem. To pravděpodobně odpovídá skutečnosti, protože těsnění se při zatížení zdeformuje a dveře přilehnou na plech. Z obr. 3.18 je vidět, že na dveře nepůsobí větší napětí než 15 MPa, ale maximální celková deformace, kterou toto napětí způsobí je téměř 7,5 mm. Na obrázku je také vidět, že dveře pronikají do poličky. S tak velkými deformacemi na 20 mm tlustém polykarbonátu se při simulaci zatížení nepočítalo a tudíž nebyl ani definován kontakt mezi poličkou a dveřmi.


3.3.4 Zvýšení tuhosti dveří Protože je polykarbonát značně drahý, je výhodnější zvýšit tuhost dveří pomocí přepážky v předním plechu. Zvětší-li se opěrná plocha dveří o přední plech, zmenší se také deformace dveří. Proto byly v předním plechu vymodelovány dva otvory místo jednoho viz. obr. 3.19.

Obr. 3.19 Změna vstupního otvoru

Na obr. 3.20 je vidět vliv tohoto konstrukčního zásahu. Maximální celková deformace se snížila z extrémní hodnoty 7,5 mm na 2,2 mm. Měřítko barevné mapy je posunuto tak, že deformace odpovídající žluté barvě jsou v rozmezí 0,214-0,271 mm.


strana 47

3.3.4

strana 48

3.3.5


3.3.5 Zpřesnění zatížení v oblasti dveří Deformace dveří o velikosti 2,2 mm (viz předchozí kapitola) je pořád vysoká. Je proto nutné zvětšit tloušťku dveří z 20 mm na 30 mm. V 3D modelu vakuové komory jsou dveře modelovány jako jedna polykarbonátová deska. Ve skutečnosti budou dveře slepeny ze dvou slabších desek, protože maximální vyráběná tloušťka je 25 mm. Dveře budou ze dvou 15 mm desek nebo z jedné 20 mm a 10 mm desky. Bude vybrána cenově výhodnější varianta. Polykarbonátové desky se k sobě lepí speciálním lepidlem, které nesnižuje průhlednost [28]. Slepené desky vypadají jako jedna. Z pevnostního hlediska se dveře budou chovat také jako jedna deska. Aby bylo zatížení vakuové komory maximálně reálné, je potřeba odstranit dvojité zatížení v překrývající se oblasti předního plechu a dveří (viz. kap. 3.2.3).


Na obr. 3.21 je maximální hodnota celkové deformace 0,725 mm. Z hlediska funkce dveří je tato hodnota pravděpodobně dostačující. Nyní má Varianta B finální podobu. Celkové deformace a ekvivalentní napětí komory jsou v přijatelných mezích. Před dalším krokem algoritmu z obr. 3.1 je nutné zhodnotit Variantu B dle seznamu v úvodu kapitoly 3. Komora pravděpodobně nebude vyhovovat z hlediska nízkých nákladů na výrobu a z hlediska složitosti výroby. Jiná konstrukce komory by mohla být v těchto ohledech výhodnější. V závěru kap. 3.1.5 je naznačeno možné řešení konstrukce komory za použití silných plechů. Toto řešení by bylo natolik rozdílné od stávající konstrukce, že je nevýhodné měnit 3D model Varianty B. Ve vývoji komory je nutné vrátit se na začátek algoritmu popsaném na obr. 3.1. Tímto začátkem je nový ideový návrh, kterým bude Varianta C. Zda tato varianta bude výhodnější než Varianta B, ukáže až finanční rozvaha v kap. 3.4.


3.4 Varianta C

strana 49

3.4

Z pevnostní analýzy Varianty A (kap. 3.1) byly vyvozeny dva poznatky ohledně konstrukce vakuové komory (kap. 3.1.5). Na základně prvního poznatku (vakuová komora z 10-15 mm plechů) je postaven koncepční návrh Varianta C. Celá varianta byla modelována v 3D modeláři Autodesk Inventor 11. Základní a orientační výpočty pevnostní analýzy byly počítány v modulu Pevnostní analýza, integrovaném do Autodesk Inventor 11. Přesnější a závěrečné výpočty byly provedeny v softwaru Ansys Workbench 10.0. Grafické výstupy byly renderovány v softwaru 3D Max Studio firmy Autodesk. 3.4.1 Orientační pevnostní výpočet Celá konstrukce vakuové komory je v tomto návrhu tvořena pouze plechy o velké tloušťce. V prvním orientačním výpočtu byly použity 10 mm plechy. Komora byla navržena se stejnými vnitřními rozměry, jaké měla komora Varianty B (šířka x hloubka x výška = 498 mm x 469 mm x 738 mm). Stejný vnitřní objem a rozměry jsou základem k přesnému porovnání obou variant (váha, náklady na výrobu). Dveře byly namodelovány také se stejnými rozměry jako u předchozí varianty. Do návrhu nebyla vložena pevná police kvůli většímu vnitřnímu prostoru viz. kap. 3.1.4.

Obr. 3.22 Parametry modelu vakuové komory

3.4.1

strana 50


Model komory byl okótován parametricky. Parametrem byla tloušťka plechu a (obr. 3.22). Při změně parametru a se změní velikost komory tak, aby zůstaly zachovány původní vnitřní rozměry. Toto je velice výhodné, ukáže-li se tloušťka stěn nevyhovující. Červenou barvou jsou na obr. 3.22 označeny všechny kóty obsahující parametr a (tloušťka plechu). Žlutou barvou je v tabulce pod Uživatelskými parametry označen parametr a. Obr. 3.23 ukazuje výsledné ekvivalentní napětí a celkové deformace. Maximální ekvivalentní napětí má hodnotu 208 MPa. Při použití plechu se zaručenou mezí kluzu o velikosti 355 MPa je koeficient bezpečnosti roven hodnotě 1,7. Většina hodnot ekvivalentního napětí nepřesahuje hodnotu 70 MPa (hranice světle modré barvy). Maximum ekvivalentního napětí leží v pravém horním rohu dveřního otvoru. Další vysoká hodnota napětí leží v levém spodním rohu dveřního otvoru. Maximální celková deformace má velikost 1,121 mm a leží ve středu levé boční stěny komory. Příliš se zdeformoval také zadní a pravý plech.



3.4.2 Úprava dveřního otvoru a pevná police Kvůli velkým deformacím bočních plechů byla do návrhu přidána pevná police. Její umístění ve vnitřním prostoru komory odpovídá umístění ve Variantě B. Dále musel být upraven dveřní otvor. Stěna komory ve Variantě B měla tloušťku 35 mm (5 mm plech + 30 mm profil). Tloušťka stěny v tomto návrhu má pouze 10 mm. Protože byly zachovány rozměry dveřního otvoru, jsou otvory příliš blízko u kraje (nahoře a dole 19 mm) a plech nemá v těchto místech dostatečnou tuhost. Dveřní otvory byly zmenšeny tak, aby vzdálenost od krajů byla minimálně 25 mm. Z obr. 3.24 je možno vyčíst zmenšení v této oblasti maximální ekvivalentního napětí na 174 MPa a zmenšení maximální celkové deformace na 0,864 mm. Koeficient bezpečnosti měl nyní hodnotu 2.



strana 51

3.4.2

strana 52

3.4.3


3.4.3 Přesahy předního plechu Z obr. 3.24 lze vypozorovat, že okraj plechu je stále příliš slabý. Nebylo by moc výhodné dále zmenšovat dveřní otvor. Zmenšoval by se tím důležitý manipulační prostor. Proto je výhodnější rozšířit plech směrem ven. Nalevo a nahoře byly vytvořeny přesahy (obr. 3.25), které zvýšily tuhost předního plechu a nezmenšily manipulační prostor. Šířka přesahů je 20 mm. Na obr. 3.25 je vidět, jak tato změna výrazně snížila maximální ekvivalentní napětí. V návrhu z kap. 3.3.2 bylo maximální napětí v pravém horním rohu horního dveřního otvoru (174 MPa). Nyní se maximum (119 MPa) přesunulo do levého dolního rohu dolního dveřního otvoru. Maximální celková deformace (horní plech) se snížila na 0,704 mm.

Obr. 3.25 Ekvivalentní napětí , celkové deformace a render vakuové komory


strana 53

3.4.4 Zvětšení tloušťky plechu a navržení žeber Podle barevné mapy rozložení celkových deformací horního plechu (obr. 3.25) lze usuzovat, že další zvětšování přesahů nebude mít výraznější vliv na zmenšení deformací. Zvýšit tuhost horního plechu lze použitím silnějšího plechu. Další v řadě nabídky plechů firmy Ferona je tloušťka 12 mm. Změnou parametru a na 12 mm se celá komora automaticky přemodelovala na nové rozměry. Další možnost, jak zvýšit tuhost horního plechu, je vytvoření žebra (obr. 3.26). Protože pevnostní úloha vykazuje velkou symetrii rozměrů a zatížení, lze předpokládat, že se velké deformace projeví i na dnu komory. Také na dno je tedy vhodné umístit žebro. Budoucí návrh vnitřního zařízení komory počítá s použitím výtahu na přiblížení a oddálení silikonové formy od nálevky umístěné v kruhové díře police. Výtah má dosedat až na dno komory zkonstruován ze a je čtvercového rámu. Aby žebro neomezovalo využití vnitřního prostoru, nesmí být protaženo až ke krajům. Protože takové žebro má menší pevnost, je výhodnější umístit na dno komory žebra dvě (obr. 3.26). Na spodní část předního plechu aplikovat nelze přesahy. Použití výtahu dovoluje zvětšit spodní okraj předního plechu, tak aby byl v rovině s plochou výtahu. Zvětší se tuhost spodní části a nezmenší se pracovní prostor. Výsledky pevnostní analýzy (obr. 3.26) ukazují snížení max. ekvivalentního napětí na polovinu (60 MPa). Max. celková deformace se snížila z 0,704 mm na 0,271 mm. Z konstrukčního hlediska dosažené hodnoty jsou naprosto dostačující.


3.4.4

strana 54

3.4.5


3.4.5 Držáky odlévacích misek Odlévací misky, které budou umístěné v horní části komory, musí být uchyceny k držákům. Držáky mohou přispět k celkové tuhosti konstrukce, budou-li zároveň sloužit jako vzpěry mezi policí a horním plechem. Podle již vypracovaného návrhu (kap. 3.5) byly do komory umístěny 2 držáky viz. obr. 3.27.

Obr. 3.27 Render vakuové komory s držáky odlévacích misek

Držáky mají na horní části patky, aby vliv na zpevnění horního plechu byl co největší. Na obr. 3.28 je výsledné ekvivalentní napětí a celková deformace. Snížení maximálního napětí je velice malé. Místa s největšími lokálními maximy napětí leží v zaoblení dveřních otvorů. Tudíž mimo oblast ovlivněnou umístěním držáků. Maximální celková deformace v minulém návrhu (3.3.4) byla právě na horním plechu (0,271 mm). Nyní podle barevné mapy je na stejném místě celková deformace o velikosti 0,189 mm. Celková deformace horního plechu se zmenšila o 30%.

Obr. 3.28 Ekvivalentní napětí a celková deformace


strana 55

3.4.6 Snížení hmotnosti konstrukce Poslední návrh konstrukce vakuové komory měl hmotnost 221,6 kg. Hmotnost finálního návrhu Varianty B bez dveří byla 152,4 kg. Rozdíl téměř 70 kg je znatelný. Snížení hmotnosti lze dosáhnout odstraněním pravé části komory. Tato část je určena pro elektrickou instalaci a pro trubky k odsávání vzduchu. Odstraněním této části bude nutné ovládání a elektroinstalaci umístit do krytu z plastu nebo slabého plechu. Tento kryt, pravděpodobně menších rozměrů, bude připevněn zpět na pravou část komory. Po odstranění pravé části byl přidělán přesah předního plechu na pravou stranu. Odstraněním se snížila tuhost konstrukce a maximální ekvivalentní napětí se zvětšilo na 60 MPa viz. obr. 3.29. Hodnoty napětí 160 MPa jsou lokální maxima v rozích spodního plechu, kam byly umístěny pevné vazby odebírající posuvy ve třech směrech. Tato problematika byla rozebrána v kap. 3.2.1. Podle celkových deformací lze snadno nalézt nejslabší místo upravené konstrukce. Přestože mají max. celkové deformace nízké hodnoty, je vhodné zpevnit boky komory žebry. Komoru to zatíží minimálně a žebra nebudou zasahovat do prostoru, protože budou v rovině s přesahy předního plechu. Všechna žebra jsou ze stejného plechu jako komora. Jejich šířka je 20 mm, proto bude snadné vyřezat je ze zbytkového materiálu.


3.4.6

strana 56

3.4.7


3.4.7 Žebra bočních plechů V závěru předchozí kapitoly bylo zdůvodněno přidání žeber na boky komory. Na obr. 3.30 jsou výsledky pevnostní analýzy. Neuvažuje-li se napětí v rozích, je nejvyšší ekvivalentní napětí menší než 60 MPa. Největší celkové deformace mají hodnotu 0,230 mm a jsou na horním a dolním plechu komoru. Je možné přidávat další žebra do míst vysokých deformací. Dříve je ovšem nutné ověřit výpočet pevnostní analýzy v softwaru Ansys Workbench a přidat do sestavy dveře, které mohou svým zatížením nepatrně změnit dosavadní výsledky.



strana 57

3.4.8 Ověření výpočtu v softwaru Ansys Workbench Kontrolní výpočet v softwaru Ansys Workbench proběhl na sestavě z kap. 3.3.7, do které byly přidány polykarbonátové dveře o tloušťce 30 mm viz. kap. 3.2.5. Výsledky na obr. 3.31 se téměř shodují s výsledky modulu Pevnostní analýza z Autodesk Inventoru 11. Dveře komory jsou na výsledném obr. 3.31 skryty, aby bylo názorně vidět rozložení napětí a celkových deformací uvnitř komory. Zatížení komory je symetrické a po odstranění pravé části komory (viz. kap. 3.3.6) je i geometrie téměř symetrická. Díky tomu lokální maxima v rozích komory (místa odebrání posuvů) nedosahují vysokých hodnot. Vysoké hodnoty se v těchto místech vyskytovaly působením momentů, které vznikaly nesymetrií konstrukce. Nejvyšší deformace v ocelové části konstrukce dosahují maximální hodnoty 0,200 mm. Hodnota 0,652 mm je maximální celková deformace celé sestavy a nachází se na dveřích komory viz. obr. 3.32.


Obr. 3.32 Celková deformace

3.4.8

strana 58

3.5


3.5 Finanční rozvaha V tab. 3.2 je seznam použitého materiálu pro Variantu B a Variantu C, mez kluzu a cena za kilogram materiálu. Údaje jsou vzaty z on-line ceníku firmy Ferona [29].

Materiál Jackel 50x30x4 Plech 4 mm Plech 5 mm Plech 12 mm

Značka oceli Mez kluzu Re [MPa] S235JRH 235 S355J2G3 355 S355J2G3 355 S355J2G3 355

Cena [Kč/kg] bez DPH 26,66 24,97 29,72 28,06

Tab. 3.2 Materiálový seznam

Všechny oceli patří mezi neušlechtilou ocel. Jackel je označení pro tenkostěnný profil uzavřený (TPU). Plechy na rozdíl od TPU mají vyšší houževnatost při nízké teplotě. Další dvě tabulky uvádějí spotřebu materiálu u koncepčních návrhů Varianty B a Varianty C. Materiál Jackel 50x30x4 Plech 4 mm Plech 5 mm

Cena [Kč/kg] bez DPH 26,66 24,97 29,72

Hmotnost [kg] 69,7 72,4 10,0

Cena [Kč] 1858,20 1807,80 297,20

Hmotnost [kg] 187,0

Cena [Kč] 5557,60

Tab. 3.3 Spotřeba materiálu – Varianta B

Materiál Plech 12 mm

Cena [Kč/kg] bez DPH 29,72

Tab. 3.4 Spotřeba materiálu – Varianta C

V tabulce 3.5 je přibližná časová náročnost a cena jednotlivých úkonů při výrobě vakuové komory. Varianta B Varianta C Čas [hod] Cena [Kč/hod]

Řezání plechu [hod] a 2a a = 1,5 cca 250

Svařování rámu [hod] b b=4 cca 300

Svařování plechů [hod] 2c c c=2 cca 300

Výrobní čas [hod] 9,5 5

Tab. 3.5 Výrobní čas vakuové komory

Tabulka byla sestavena parametricky, aby bylo možné lépe srovnat přibližný výrobní čas obou variant. Svařování plechů u Varianty B zabere delší čas, přestože jsou plechy tenčí a lehčí. Nejdříve je nutné přivařit plechy k rámu. Každý profil rámu musí být přivařený ke vnitřní straně plechů z obou stran. Teprve potom se mohou plechy svařit k sobě (možné jen z vnější strany). U Varianty C je svařování


strana 59

jednodušší. Plechy se svaří k sobě z vnitřní a vnější strany. U této varianty je méně svarů a jednodušší přístup ke svařovaným plochám. V tabulce 3.6 jsou náklady na práci. Varianta B Varianta C

Řezání plechu [Kč] 250 500

Svařování rámu [Kč] 1200 -

Svařování plechů [Kč] 600 300

Celkem [Kč] 2050 800

Tab. 3.6 Náklady na práci

Tabulka 3.7 uvádí celkové náklady na výrobu základní konstrukce vakuové komory. Jedná se o srovnání dvou různých variant konstrukce. Proto nejsou do těchto nákladů započítané položky, které by obě varianty měly stejné: 1. vnitřní prostor – výtah pro formu, odlévací systém misek 2. ovládání a elektroinstalace 3. vakuová pumpa Kvůli rozdílným konstrukcím vznikají ještě vedlejší náklady: 1. Varianta B – vnitřní zakrytování rámu (nepovinná položka z hlediska konstrukce, nutná z estetického hlediska viz. obr. 3.33): a) nerezový 1 mm plech; odhad výrobních nákladů 11,8 kg * 180 Kč/kg = Práce Celkem

2124 Kč 300 Kč 2424 Kč

b) obyčejný 1 mm plech; odhad výrobních nákladů 11,8 kg * 30 Kč/kg = Práce Celkem

354 Kč 300 Kč 654 Kč

2. Varianta C – panel ovládání (kryt) odhad výrobních nákladů 300 Kč Cena materiálu [Kč] Cena práce [Kč] Mezisoučet [Kč] Vedlejší náklady [Kč] Celkem [Kč] Tab. 3.7 Celkové náklady

Varianta B 3963,20 2050,00 6013,20 2424,00/654,00 8437,20/6667,20

Varianta C 5557,60 800,00 6357,60 300,00 6657,00

strana 60


Obr. 3.33 Vakuová komora Varianta B bez a s vnitřními plechy

Shrnutí kapitol 3.1 až 3.4: Cena výroby obou koncepčních návrhů je téměř srovnatelná (Varianta B s obyčejným plechem). Vezme-li se v úvahu výrobní čas tzv. vedlejších položek, pak celkový výrobní čas u Varianty C je více než poloviční než u Varianty B. Jelikož výsledky pevnostních výpočtů a finančních nároků na výrobu jsou shodné, určujícím faktorem pro výběr zůstává rychlost a jednoduchost výroby. V tomto ohledu je Varianta C jednoznačně výhodnější. Další vývoj konstrukce bude pokračovat s Variantou C.


3.6 Vnitřní zařízení komory

strana 61

3.6

V této kapitole bude řešeno celé vnitřní zařízení komory, tj.: výtah komory, odlévací misky, servomotory, dveře komory, elektroinstalace, atd. 3.6.1 Výtah komory Návrh výtahu vakuové komory je na obr. 3.34. V tomto návrhu je výtah tvořen dvěmi vodícími tyčemi o průměru 16 mm. Nosná část výtahu určená pro umístění silikonové formy je tvořena z rámu a ohýbaného 2 mm plechu. Rám je svařen ze čtyř uzavřených tenkostěnných profilů se čtvercovým průřezem o délce strany 20 mm. Pohybový šroub a přírubová matice mají lichoběžníkový rovnoramenný (trapézový) závit. Šroub i matice jsou vybrány z katalogu firmy Kuličkové šrouby Kuřim, a.s. [47]. Velký průměr závitového šroubu je 16 mm a rozteč závitu je 4 mm. Jedná se o jednochodý závit. Horní konec pohybového šroubu je pevně uchycen čepem k servomotoru, střední část v přírubové matici a spodní část pohybového šroubu je uložena letmo. Výtah totiž musí dosednout až dno komory a kvůli přírubové matici nelze na konec pohybového šroubu umístit ložisko. Dvě vodící tyče by měly zajistit dostatečnou souosost přírubové matice a pohybového šroubu. Vodící pouzdra výtahu jsou navržena delší, aby nedošlo ke křížení a zaseknutí výtahu. Servomotor je pevně přišroubován k horní části police.

Obr. 3.34 Výtah vakuové komory

3.6.1

strana 62

3.6.2


3.6.2 Servomotor a pevnostní kontrola pohybového šroubu Výpočet kroutícího momentu pro výběr vhodného servomotoru je zjednodušen předpokladem, že tíha silikonové formy je soustředěna v ose pohybového šroubu. Pro výpočet hmotnosti silikonové formy byly zvoleny téměř maximální možné rozměry. Cílem je určit sílu F (obr. 3.35), z které se vypočítá minimální nutný kroutící moment servomotoru MR pro zdvihání výtahu.

Výpočet objemu silikonové formy šířka hloubka výška objem

a = 460mm b = 370mm c = 340mm V = a ⋅b ⋅c 3

V = 0.058 m

Výpočet tíhové síly silikonové formy hustota

−3

ρ = 1200kg⋅m -2

gravitační zrychlení g = 9.807 ms hmotnost

m = V⋅ρ m = 69.442 kg

tíhová síla

Fg = m⋅g Fg = 680.989 N

Parametry pohybového šroubu velký průměr šroubu

d = 16mm

rozteč závitu

p = 4mm

jednochodý závit

n = 1

vertikální zatížení v ose šroubu

Fg = 680.989 N

součinitel tření v závitech šroubu μ = 0.08 výška matice

mmat = 44mm


strana 63

Dopočítané parametry pohybového šroubu [31] p 2

střední průměr závitu

dm = d −

stoupání závitu

l = n⋅p

l = 4 mm

malý průměr šroubu

dr = d − p mmat i = p

dr = 12 mm

počet závitů v matici

dm = 14 mm

i = 11

Statické uvolnění silových poměrů v závitu při zvedání břemene

x

FN

y F

l

FT N

λ π.dm Obr. 3.35 Silové poměry v závitu

,kde N FT F FN

je normálová síla (síla působící na podložku) je třecí síla je síla potřebná ke zvedání břemene je tíhová síla břemene, která v profilu šroubu působí kolmo na závit

α

Silový trojúhelník Fg

FN

FN

α Fg

Obr. 3.36 Lichoběžníkový profil závitu a silové poměry na profilu

strana 64


Dle silového trojúhelníku na obr. 3.36 je velikost FN: α = 15deg Fg

cos ( α )

FN

FN =

Fg

cos ( α )

FN = 705.016 N

Rovnice statické rovnováhy podle statického uvolnění na obr. 3.35:

∑F = F−F ∑F = F +F x

y

N

T

⋅ cos λ − N ⋅ sin λ = 0

T

⋅ sin λ − N ⋅ cos λ = 0

Soustava 4 lineárních rovnic: F − FT ⋅ cos λ − N ⋅ sin λ = 0

FN + FT ⋅ sin λ − N ⋅ cos λ = 0 FT − μN = 0

FN = 705,016 N Řešení soustavy lineárních rovnic s využitím matic a vektorů (koeficienty levé strany rovnic jsou přepsány do čtvercové matice L; pravé strany rovnic jsou přepsány do vektoru P; vektor hledaných neznámých je vektor R). Soustava rovnic byla vyřešena softwarem MathCad 2001 Professional od firmy MathSoft.

⎛0 ⎜ ⎜1 L = ⎜0 ⎜ ⎝1

1 −cos ( λ ) −sin( λ ) ⎞ 0

sin( λ )

0

1

0

0

⎟ −cos ( λ ) ⎟ −μ ⎟ ⎟ 0 ⎠

0 ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ 0 ⎟ P = ⎜ ⎜ ⎟ 0 ⎜ ⎟ ⎝ 705.016N ⎠

−1

R = L

⋅P

Pozn.: 1.sloupec matice L odpovídá koeficientům síly FN, 2. sloupec koeficientům síly F, 3. sloupec koeficientům síly FT a 4. sloupec odpovídá koeficientům síly N.


⎛ 705.016 ⎞ ⎜ ⎟ 121.403 ⎜ ⎟N R= ⎜ 57.049 ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ 713.114 ⎠

strana 65

FN = 705.016 N F = 121.403 N FT = 57.049 N N = 713.114 N

Síly FT a N bylo možno spočítat již z hodnoty síly FN, ale maticové řešení je elegantní a obecné. Změnou posledního členu matice P, lze dostat výslednou sílu F pro jakékoli jiné zatížení daného pohybového šroubu. Jednoduchým vztahem se vypočítá nutný kroutící moment: MR = F ⋅

dm 2

MR = 0.85 Nm

Pohon výtahu by měl odpovídat následujícím parametrům: Minimální kroutící moment: Zdvih výtahu: Doba jednoho zdvihu: Stoupání závitu l:

0,85 Nm 340 mm cca 15 s = 0,25 min 4 mm

Otáčky n [ot/min]:

n=

340mm / 4mm 0,25 min

n = 340ot. / min ⇒ 350ot. / min Vzhledem k parametrům (kroutící moment, otáčky) musí být pohon výtahu tvořen servomotorem a převodem pro snížení otáček. Obvyklé otáčky malých servomotorů se pohybují od 3500 ot./min do 8000 ot./min. Otáčky lze snížit pomocí čelní převodovky (planetová, šneková) nebo pomocí řemenového převodu. Snížením otáček se zvýší kroutící moment. Díky tomu může být použit servomotor s nižším výkonem, nižší cenou a menšími rozměry. Finální řešení se bude odvíjet od použitého servomotoru (kap. 3.5.6).

strana 66


Pevnostní kontrola pohybového šroubu: mez kluzu materiálu šroubu

Re = 225MPa

průřez šroubu

π ⎛ dm + dr ⎞ At = ⋅⎜ ⎟ 4 ⎝ 2 ⎠

2

2

At = 132.732 mm

smykové napětí od kroutícího momentu

τK =

16MR π ⋅dr

3

τ K = 2.505 MPa

normálové napětí v tlaku od osové síly

σ =

FN At

σ = 5.312 MPa

redukované napětí

σ red =

2

2

σ + 4 ⋅τ K

σ red = 7.301 MPa

koeficient bezpečnosti

kk =

Re σ red

kk = 30.817 Při maximálním zatížení vykazuje pohybový šroub o průměru 16 mm dostatečnou bezpečnostní rezervu.


strana 67

3.6.3 Odlévací misky Obr. 3.37 názorně ukazuje, jak byl navržen systém odlévacích misek. Záměrně jsou misky, ramena a servomotory vykresleny kontrastními barvami pro snazší rozlišení jednotlivých dílů. Licí hmota (rychle tuhnoucí polyuretan) je dvousložková pryskyřice. Odlévací miska s menším objemem je určena pro tvrdidlo. Obyčejně bývá mísící poměr 1:10, 1:2, atd. Téměř vždy s menším objemem tvrdidla. Větší miska je určena pro základní materiál a smíchání obou složek. Objem menší misky je 0,328 dm3. S rezervou proti přeplnění lze počítat s objemem 0,3 dm3. Objem větší misky je 1,308 dm3. U této misky musí být kvůli míchání rezerva větší, tj. celkový použitelný objem je 1,2 dm3. Pro nejčastější mísící poměry je maximální objem směsi následující:

Poměr 1:1 5:4 5:3 2:1 3:1

Směs A 0,300 l 0,375 l 0,500 l 0,600 l 0,900 l

Tab. 3.8 Mísící poměry

Obr. 3.37 Systém odlévacích misek

Směs B (tvrdidlo) 0,300 l 0,300 l 0,300 l 0,300 l 0,300 l

Celkem 0,600 l 0,675 l 0,800 l 0,900 l 1,200 l

3.6.3

strana 68


Ramena, na kterých jsou zavěšeny odlévací misky, musela být svým tvarem přizpůsobena malému prostoru uvnitř komory. Zároveň však musely být splněny požadavky na vhodnou polohu misek při vylévání licí hmoty a požadavky na nekolizní stavy. Rameno menší misky svírá se svislicí úhel 45°. Úhel mezi mezními polohami je 100°.

Obr. 3.38 Polohy menší odlévací misky

Větší licí miska je umístěna na rameni tak, že osa licí misky je posunuta o 50 mm doleva od hřídele servomotoru.

Obr. 3.39 Polohy větší odlévací misky


Obr. 3.40 Polohy odlévacích misek

Aby bylo možno vyjmout větší misku a vyčistit ji od zbytkového materiálu, musí být možnost vyjmout míchací metličku. Konstrukce uchycení metličky je na obr. 3.41.

Obr. 3.41 Vyjímání metličky

K upevnění licích misek k držáku byl použit šroub s křídlovou hlavou viz. obr. 3.42.

Obr. 3.42 Upevnění licích misek k držáku

strana 69

strana 70

3.6.4


3.6.4 Servomotory pro otáčení licích misek Menší miska Na obr. 3.43 jsou tíhové síly, které působí na rameno menší misky. Síla Fg2 je střední tíhová síla od licí misky a síla Fg1 je tíhová síla od protizávaží. Obě tyto síly působí na bod B momentem, ovšem s opačným směrem působení. Hmotnost protizávaží by měla být taková, aby se rameno snadněji otáčelo s plnou i prázdnou licí miskou. Protizávaží by mělo vyvolat moment o takové velikosti, jaký vyvolá střední zatížení kelímku. Pozn.: Výpočty byly provedeny v programu MathCad 2001i Professional. Proto se v některých vzorcích a výpočtech objevují nestandardní zápisy.

Obr. 3.43 Síly na rameni menší misky

∑M Fg 2 =

B

= Fg1 ⋅ b ⋅ cos 45° − Fg 2 ⋅ a ⋅ cos 45°

(m 2 + m 2 ' ) ⋅ g 2

Fg1 = m1 ⋅ g

m 2 = m 2a + m 2b + m 2c m 2 ' = m 2a + m 2c

hmotnost levé části ramene s plným kelímkem hmotnost levé části ramene s prázdným kelímkem

m2a = 0,06 kg m2b = 0,36 kg m2c = 0,06 kg

hmotnost prázdného kelímku hmotnost licí hmoty hmotnost aretace, držáku a osičky


strana 71

m2 = ( 0.06 + 0.06 + 0.36)kg

m2 = 0.48 kg

m'2 = ( 0.06 + 0.06)kg

m'2 = 0.12 kg

Rovnice, pro nalezení hmotnosti protizávaží: Fg2⋅a ⋅cos ( 45deg) − Fg1⋅b ⋅cos ( 45deg)

Fg1

0

m1 ⋅g

( )

m1 = Find m1 m1 = 0.545 kg

Kontrola, zda má moment MB stejnou velikost, ale opačný směr při plné a prázdné licí misce. Plná miska: Fg2 = m2 ⋅g

Fg2⋅a ⋅cos ( 45deg) − Fg1⋅b ⋅cos ( 45deg)

MB

( )

Find MB = 0.125 Nm

Prázdná miska: Fg2 = m'2 ⋅g

Fg2⋅a ⋅cos ( 45deg) − Fg1⋅b ⋅cos ( 45deg)

MB

( )

Find MB = −0.125 Nm

Rozměry protizávaží byly přizpůsobeny požadované zátěži m1.

strana 72


Větší miska U větší licí misky je výslednice momentů v bodě A závislá od natočení ramene a jednotlivých sil. Je potřeba zjistit průběh momentů pro prázdnou a plnou misku v průběhu natáčení ramene.

Obr. 3.44 Síly na rameni větší misky

Vzdálenost bodu A a C dle Pythagorovy věty:

a 2 + b2 = c2 c = (a 2 + b 2

c = 143.96 mm c = 144 mm Tíhové síly Fg1, Fg2 a Fg1’: m1 = m1a + m1b + m1c m1 ' = m1a + m1c m2 = m2a + m2b

hmotnost levé části ramene s plným kelímkem hmotnost levé části ramene s prázdným kelímkem hmotnost míchací metličky a jejího pohonu

m1a = 0,133 kg m1b = 1.440 kg m1c = 0,190 kg m2a = 0,400 kg m2b = 0,114 kg

hmotnost prázdného kelímku hmotnost licí hmoty hmotnost aretace, držáku a osičky odhad hmotnosti pohonu míchací metličky hmotnost míchací metličky


strana 73

m1 = ( 0.133 + 1.440 + 0.190)kg

m1 = 1.763 kg

m'1 = ( 0.133 + 0.190)kg

m'1 = 0.323 kg

m2 = ( 0.400 + 0.114)kg

m2 = 0.514 kg

Fg1 = m1 ⋅g

Fg1 = 17.289 N

Fg2 = m2 ⋅g

Fg2 = 5.041 N

F'g1 = m'1 ⋅g

F'g1 = 3.168 N

Rovnice momentu pro různá natočení α plné licí misky:

(

M1 ( α ) = Fg1⋅b ⋅cos ( α ) + Fg2⋅c ⋅cos ( 69.70deg + α )

)

Rovnice momentu pro různá natočení α prázdné licí misky:

(

M2 ( α ) = F'g1⋅b ⋅cos ( α ) + Fg2⋅c ⋅cos ( 69.70deg + α ) Řešení rovnic pro natočení α

)


Výsledné hodnoty pro prázdnou a plnou misku pro natočení α = 90° jsou stejné. To odpovídá skutečnému stavu. Při plném natočení nositelka síly Fg1 a Fg1’ směřuje přímo do bodu A (obr. 3.44) a nepůsobí tak na tento bod žádným momentem. Jediný moment při tomto natočení je od síly Fg2 a ta má při natočení α = 90° hodnotu nezávislou na naplnění licí misky. 1.5 1 M1 ( α ) Nm

M2 ( α ) 0

Porovnání výsledných momentů v bodě A pro prázdnou a plnou licí misku.

0.5 0 0.5 1

0

20

40

60

80

α deg 1.5 1

Nm

M1 ( α ) M1a ( α ) M1b ( α )

Výsledný moment v bodě A pro plnou licí misku a jeho složky od sil Fg1 a Fg2. Moment M1a je od síly Fg1 a moment M1b je od síly Fg2.

0.5 0

0 0.5 1

0

20

40

60

80

α deg 1.5 1 M2 ( α ) Nm

strana 74

M2a ( α ) M1b ( α )

Výsledný moment v bodě A pro prázdnou licí misku a jeho složky od sil Fg1‘ a Fg2. Moment M2a je od síly Fg1’ a moment M1b je od síly Fg2.

0.5 0

0 0.5 1

0

20

40

60

80

α deg

Obr. 3.45 Graf průběhu momentů na rameni větší misky


Maximum výsledného momentu v bodě A je v případě plné misky a při natočení α = 0° (viz. grafy na obr. 3.45). Protizávažím lze tento moment snížit. Nelze však snížit výsledný moment při natočení α = 90°. Nemá tedy smysl snižovat moment pomocí protizávaží pod hodnotu M1(90°). |M1(0°)| = 1,116 Nm |M1(90°)|= 0,681 Nm |M1(0°)| - |M1(90°)| = (1,116 – 0,681)Nm = 0,435Nm Protizávaží by mělo působit na bod A momentem 0,435Nm. Maximální možná vzdálenost těžiště protizávaží od bodu A je 50 mm (obr. 3.46). M = F3 ⋅ d F3 =

M 0,435 Nm = = 8,7 N d 0,05mm

F3 = m 3 ⋅ g m3 =

F3 8,7 = = 0,887 kg g 9,81

Hmotnost protizávaží na velkém rameni by měla být 0,887 kg.

Obr. 3.46 Síly na rameni větší misky s přidaným protizávažím

strana 75

strana 76


Rovnice momentu pro různá natočení α plné licí misky s protizávažím:

M1( α ) = Fg1⋅b ⋅cos( α ) + Fg2⋅c ⋅cos( 69.70 ⋅deg + α ) − Fg3⋅d ⋅cos( α ) Rovnice momentu pro různá natočení α prázdné licí misky s protizávažím:

M2 ( α ) = F'g1⋅b ⋅cos( α ) + Fg2⋅c ⋅cos( 69.70deg + α ) − Fg3⋅d ⋅cos( α ) Hodnoty kroutícího momentu při krajním natočení s prázdnou a plnou miskou: M1(0°) = 0,681 Nm M1(90°) = -0,681 Nm M2(0°) = -0,025 Nm M2(90°) = -0,681 Nm

0.8 0.57 0.34 M1 ( α ) M2 ( α ) 0

0.11 0.11 0.34 0.57 0.8

0

20

40

60 α deg

Obr. 3.47 Graf výsledných kroutících momentů s plnou a prázdnou miskou

80


Závěr kap. 3.6.4: Pomocí vhodných protizávaží se podařilo zmenšit nutné kroutící momenty servomotorů. Pro otáčení ramene s menší miskou je potřeba servomotor s převodovkou, kde výstupní kroutící moment nesmí být menší než 0,125Nm. Rameno s větší miskou musí otáčet servomotor, kde na výstupu z převodovky musí být zajištěn kroutící moment 0,681Nm.

strana 77

strana 78

3.6.5


3.6.5 Dveře vakuové komory Tloušťka dveří byla stanovena v kap. 3.2.5 na 30 mm. Zavírání dveří sestává ze tří důležitých částí: držadlo s magnetem, panty a těsnění.

Držadlo s magnetem Za předpokladu, že dveře budou dobře těsnit, stačí k zavření dveří magnet. V okamžiku, kdy se z komory začne odčerpávat vzduch, budou dveře přitlačovány ke komoře zvětšujícím se tlakem. Tzn., že není potřeba pevnější spojení. Na obr. 3.48 je na jednom detailu zobrazeno řešení držadla a magnetu.

Obr. 3.48 Vakuová komora s detaily na držadlo, pant a těsnění

Do plexiskla je vyfrézována neprůchozí obdélníková díra hluboká 15 mm viz. obr. 3.50. Magnet je uzavřen do plexiskla klikou, která je přišroubována čtyřmi šrouby M4x14.


Těsnění Těsnění je vyrobeno slepením kruhového profilu o délce 2460 mm. Průměr profilu je 5 mm a je vyroben z materiálu Viton, což je průmyslový název fluor-kaučukové směsi. Tato směs má vysokou tvrdost (až 90 ShA) a výbornou odolnost vůči pohonným látkám, olejům, kyselinám, zásadám nebo horké vodě. Materiál Viton odolává teplotám -25 až 220°C [30]. Na českém trhu dodává tento materiál např. firma SITTECH CZ s.r.o. Správnou volbou průměru těsnění a těsnící spáry lze zajistit vysokou životnost těsnění. Obecně platí tyto zásady: • • •

Těsnící spára pro dynamické zatěžování by měla být menší než pro zatěžování statické. Čím vyšší tlak, tím menší těsnící spára. Čím vyšší tvrdost materiálu těsnění, tím větší může být spára.

Obr. 3.49 Závislost těsnící spáry na tlaku a tvrdosti těsnění [30]

Těsnící spára byla zvolena 0,5 mm veliká viz. obr. 3.50. Kdyby O-kroužek přenášel všechen tlak, který působí na dveře, musela by těsnící spára být daleko menší. Kvůli relativně vysokým deformacím dveří nastane při odčerpávaní vzduchu situace, kdy se dveře začnou deformovat a dosednou na čelní plech komory. Od tohoto okamžiku se začne tlak působící na kroužek zmenšovat díky povaze geometrické deformací dveří. Proto byla těsnící spára zvolena větší. Obr. 3.50 Držadlo s magnetem a těsnění

strana 79

strana 80


Panty Panty byly zkonstruovány speciálně pro tuto vakuovou komoru (obr. 3.48). V otvoru pro čep pantu byla ponechána 1 mm vůle ve směru x (obr. 3.51), aby se dveře při zatížení mohly volně deformovat. To je výhodné ze dvou důvodů: 1. Není zbytečně namáháno upevnění pantů do plexiskla. 2. Deformace dveří je symetrická, díky čemuž mohou dveře lépe těsnit.

x y

Obr. 3.51 Vůle v pantu a těsnící spára

Pro upevnění pantů k plexisklu byly použity křížové šrouby s plochou zápustnou hlavou M14x10 a M14x20 (obr. 3.48).


strana 81

3.6.6 Elektroinstalace V této kapitole je řešeno osvětlení, typy jednotlivých servomotorů pro již spočítané parametry a ovládací zařízení.

Osvětlení Osvětlení je možno vyřešit pomocí dvou zářivek, které jsou prodávány v hobby marketech pod názvem Montážní světlo (obr. 3.52) (cca 200 Kč). Tyto zářivky se vyrábí jako 12V nebo 230V. Pro umístění do vakuové komory je výhodnější napětí 230V.

Obr. 3.52 Osvětlení

Servomotory Požadované výkonové parametry jsou nízké pro všechny servomotory. Pro snadnou regulaci otáček byly vybrány stejnosměrné servomotory. Regulace bude u všech servomotorů provedena pulzně šířkovou regulací (PWM – Pulse Width Monitor).

-12V Obr. 3.53 PWM – pulzně šířková regulace (schéma) [12]

3.6.6

strana 82


Při pulzní regulaci zůstává proud i napětí stejné, ale mění se aktivní doba, kdy prochází proud motorem. Takto regulovaný motor má pak stejnou sílu (kroutící moment) v celém rozsahu otáček. Tento regulátor je schopen měnit šířku impulzu v rozsahu od 2-3% do 96-98%. Ve vakuové komoře budou použity servomotory s těmito výstupními parametry: 1. 2. 3. 4.

Servomotor výtahu Mk1 = 0,85 Nm, n1 = 350 ot./min Servomotor menší licí misky Mk2 = 0,125 Nm, n2 = 3 ot./min Servomotor větší licí misky Mk3 = 0,681 Nm, n2 = 3 ot./min Servomotor míchací metličky Mk4 = 0,050 Nm (odhad), n4 = 120 ot./min

Servomotor výtahu a míchací metličky bude plynule regulovatelný až do zastavení. Servomotory licích misek budou zregulované na pevné otáčky. Je výhodné použít mechanický převod jako základní snížení otáček a pro přesné stanovení konečných otáček použít PWM. Ad 1) Výkon servomotoru výtahu: P = M k1 ⋅ n 1 ⋅ 2π P = 0,85 Nm ⋅

350ot. / min ⋅ 2π 60s

P = 31,15W Ad 2) Výkon servomotoru menší licí misky: P = M k 2 ⋅ n 2 ⋅ 2π P = 0,125Nm ⋅

3ot. / min ⋅ 2π 60s

P = 0,04W Ad 3) Výkon servomotoru větší licí misky: P = M k 3 ⋅ n 2 ⋅ 2π P = 0,681Nm ⋅

3ot. / min ⋅ 2π 60s

P = 0,21W

Ad 4) Výkon servomotoru míchací metličky: P = M k 4 ⋅ n 4 ⋅ 2π P = 0,05 Nm ⋅ P = 0,63W

120ot. / min ⋅ 2π 60s


strana 83

Pro pohon licích misek a míchací metličky lze použít modelářské motory. Jejich poměr cena/výkon/hmotnost je velice výhodný. Je možné vybírat z nabídky mnoha firem. Např. firmy Potensky [41], Čemech [42], MBM Technik [43] nebo MS Composit [44]. Pro dané použití byl vybrán motor od firmy MS Composit s typovým označením Super 280. Motor je dostatečně výkonově dimenzovaný s ohledem na ztráty způsobené mechanickým převodem a PWM regulací. Technické parametry [45]: • Hmotnost: 48 g • Provozní napětí: 8.4 V • Proud: 1.7 A 65% • Max. efektivita: 9,28 W • Trvalý výkon: 30 mm • Délka: 156 Kč včetně DPH • Cena: Pohon výtahu lze zajistit motorem MBM Technik. Technické parametry [46]: • Hmotnost: • Provozní napětí: • Otáčky bez zatížení: • Trvalý moment: • Otáčky při nom. zatížení: • Max. proud při zatížení: • Max. trvalý výkon: • Max. efektivita: • Délka: • Cena:

s typovým označením 119001 z nabídky firmy 0,57 kg 24 V 5389 ot./min 0,15 Nm 4234 ot./min 4,6 A 66W 60% 60 mm 1540 Kč včetně DPH

Snímač tlaku Byl zvolen snímač nízkých tlaků DMP 343 od firmy JSP, s.r.o. [40]. Základním prvkem je křemíkový senzor, který pracuje na piezorezistivním principu (tenzometr). Snímač převádí tlak plynu na proporciální elektrický signál. Je možné dokoupit kalibrační list, díky kterému lze snímač připojit na různé elektronické výstupní zařízení. Na snímač lze připojit tlakovou přípojku manometru. Snímač je prodáván pro měření tlaků v rozsahu 600 Pa až 100 kPa, ale lze doobjednat rozsah tlaků 0 až 1 kPa. Technické parametry: • Napěťový i proudový výstup • Rozsah měřeného absolutního tlaku: 0 .. 1 kPa • Přesnost: 1% • Cena za snímač (s DPH): 5900 Kč • Cena kalibračního listu (s DPH): 690 Kč • Cena za provedení do 1 kPa (s DPH): 300 Kč • Celkem: 6890 Kč

strana 84


Zdroj stejnosměrného napětí [38]: Max. příkon komory stejnosměrného napětí je cca 40W. Může být použit klasický nestabilizovaný zdroj (obr. 3.54) stejnosměrného napětí nebo počítačový zdroj (obr. 3.55). Ten má napětí stabilizované a má 12V a 5V výstup. 5V výstup lze použít pro rozvody logických obvodů. Počítačový zdroj je díky většímu rozšíření levnější. Níže jsou uvedeny obě varianty. 1) Napájecí napětí [V]: Výstupní napětí [V]: Vstupní proud [A]: Max. trvalý výstupní proud [A]: Stabilizace výstupního napětí: Rozměry [mm]: Cena s DPH:

230 AC 12 DC 2 10 NE 160x110x67 1190 Kč s DPH

2) Napájecí napětí [V]: Výstupní napětí/proud [V]/[A]: Max. výstupní výkon: Stabilizace výstupního napětí: Rozměry [mm]: Hmotnost [kg]: Funkce: Cena s DPH:

230 AC 3,3V/15A,5V/15A,12V/9A,5Vsb/2A,-12V/0,3A 250W ANO 125x63,5x100 0,4 vypínač napájení, termoregulace ventilátoru 408 Kč s DPH

Obr. 3.55 Počítačový zdroj [ 39 ]

Obr. 3.54 Zdroj DC [ 38 ]

4 Celková finanční rozvaha

strana 85

4 CELKOVÁ FINANČNÍ ROZVAHA

4

•

Náklady spočítané v kapitole 3.4:

6657 Kč

•

Dveře vakuové komory [37]: Plocha dveří: 0,427576 m2

3102 Kč

Cena za 1 m2 (bez DPH) Cena za plochu dveří 10 mm 1848 Kč 790 Kč 20 mm 4249 Kč 1817 Kč Celkem bez DPH 2607 Kč Celkem s DPH 3102 Kč Tab. 4.1 Cena dveří vakuové komory

•

Rotační olejová vývěva (kupovaná):

cca 35 000 Kč

•

2x osvětlení:

cca 400 Kč

•

Pohybový šroub:

cca 4500 Kč

•

1m vodící tyče:

cca 2000 Kč

•

Matice pohybového šroubu:

cca 500 Kč

•

Zdroj stejnosměrného napětí:

1190 Kč/ 408 Kč

•

3x elektromotor Super 280:

468 Kč

•

Elektromotor AMETEK typ 119001:

2100 Kč

•

Elektromateriál (kabely, dráty, tlačítka, sponky, atd.)

cca 1500 Kč

•

Materiál (platforma výtahu, panty, misky) cca 1000 Kč Náklady bez vývěvy Náklady s vývěvou

22 635 Kč 57 635 Kč

Náklady s finanční rezervou 15%

66 280 Kč

Pozn.: S finanční rezervou je nutné počítat z důvodů zdražení, stažení komponent z prodeje a nutné nahrazení dražším řešením, prodloužením doby výroby, atd. Cena materiál byla vypočítaná z hmotnosti. Při nákupu se cena zvedne o zbytkový materiál.

strana 86

5 Master model, silikonová forma a odlitek

5

5 MASTER MODEL, SILIKONOVÁ FORMA A ODLITEK

5.1

5.1 Master model V této kapitole je formou fotodokumentace přiblížena výroba Master modelu. Na obr. 5.1 je zařízení firmy Stratasys, Dimension SST1200. Technické údaje [1,32]: • • • • • •

Technologie: Použití: Velikost stavěcího prostoru: Tloušťka vrstvy: Barva modelu: Stavěcí materiál:

FDM 3D tiskárna 203x203x305 mm 0,24-0,33 mm monochromatická ABS

Na tomto zařízení byly vyrobeny dva díly. Tenkostěnný kryt telefonu a kliková hřídel maloobjemového motocyklu. Na obr. 5.1 v pravém horním rohu je vidět výroba krytu telefonu. Stavěcí tryska právě nanáší materiál. Model je postaven na speciální tepelně odolné podložce, na kterou se nejdříve vystaví vrstva podpůrného materiálu. Výroba krytu telefonu trvala 2:50 hod a výroba klikové hřídele 7:15 hod.

Obr. 5.1 Výroba modelu na zařízení Dimension SST1200


Poté, co byl model postaven, je potřeba odstranit podpory (postprocessing). Je výhodné odstranit co nejvíce podpor mechanicky (rychle). U tenkostěnných, složitých a křehkých modelů může mechanické odstraňování podpor porušit model. Proto byly mechanicky odstraněny podpory pouze u klikového hřídele. Na obr. 5.2 je vidět chemické odstranění podpor. Přípravek na vyplavování podpor se jmenuje

Obr. 3.54 Chemické odstranění podpor

Waterworks od firmy Stratasys. Jeho hlavní aktivní složka je NaOH (hydroxid sodný). Modely se vloží do horkého (ne vařícího) roztoku (cca 60°C). Celý proces odplavení probíhá chemicky, ale je možné ho značně urychlit mícháním lázně. Na trhu jsou k dispozici tzv. „pračky“, které míchají lázeň s modely. Celý proces odplavování trval bez míchání cca 3 Obr. 5.2 Modely po odstranění podpor hod.

strana 87

strana 88


V kap. 1.4 – jsou uvedeny různé způsoby úpravy povrchu modelů. Pro dosažení hladkého povrchu bylo v tomto případě zvoleno tmelení. Byl použit karosářský polyesterový tmel. Na obr. 5.3 jsou vytmelené oba modely. Kryt telefonu nebyl vytmelen záměrně na všech místech, aby bylo vidět, zda silikon okopíruje i velice jemné detaily schodkovité struktury modelu. Schodkovitá struktura je způsobena posuvem stavěcí platformy při výrobě.

Obr. 5.3 Vytmelené modely

5.2

5.2 Silikonová forma Master model se musel před zaformováním upravit. Musela se vymezit dělící rovina a zaslepit všechny otvory, kterými by se mohli obě poloviny formy spojit. Použití lepící pásky (obr. 5.4b) nebylo vhodné. Stěny krytu telefonu jsou příliš tenké a spodní okraje krytu netvoří rovinu. Lepící páska špatně kopírovala složitý tvar a nedržela. Proto byla k zaformování použita modelovací hmota (obr. 5.4c). Do modelovací hmoty byl zaformován kryt po dělící rovinu, na model byla přilepena vtoková soustava a byly vloženy 2 kolíky pro vystředění formy. Poté byla modelovací hmota s modelem zalita silikonem a tím byla vytvořena horní část formy (obr. 5.4d). Použitý silikon má dobu úplného vytvrzení při pokojové teplotě 12 hod a 4 hod při teplotě 70°C. Pro urychlení formování byl silikon umístěn do kuchyňské trouby a temperován cca 3 hod při teplotě 50-70°C (obr. 5.4e). Po zatuhnutí silikonu byla odstraněna modelovací hmota a forma byla opláchnuta vřelou vodou od zbytků hmoty. Dělící rovina mimo model byla vymezena vystřiženým mikrotenovým sáčkem a vnitřek modelu byl vysypán práškem magnesia (obr. 5.4f), aby se obě části formy nespojily. Silikon, který není vakuován obsahuje v sobě spoustu bublinek vzduchu. Malá část bublinek při tuhnutí tlakem tíhy silikonu vyprchá, ale většina zůstane ve formě. Pro názornost byla forma ze spodu prosvícena (obr. 5.4g). Na obr. 5.4h jsou vidět obě poloviny formy před oddělením.


Obr. 5.4 Odlévání formy krytu telefonu

strana 89

strana 90

5.3


5.3 Odlitek Na obr. 3.58a jsou obě poloviny formy po oddělení formy. Na obr. 3.58b je sesazená a lepící páskou zafixovaná forma připravená na odlévání. Licí materiál měl označení F23. Je to materiál používaný pro lití ve vakuu i bez něj. Používá se především kvůli výborné brousitelnosti a možnosti vyleštění. Obr. 3.58c a obr. 3.58d ukazuje na špatné zatečení materiálu do modelu. Je to pravděpodobně způsobeno vyšší hodnotou viskozity (1750 mPa.s), tenkostěnným charakterem odlitku a absencí výfukových kanálků.

Obr. 5.5 Odlitek krytu telefonu

6 Závěr

6 ZÁVĚR •

Byly splněny ny všechny body zadání kromě samotné realizace. Od té se ustoupilo kvůli časové náročnosti výroby.

•

Konečné řešení bylo vyvinuto s požadavkem nízké ceny a možnosti výroby v dílnách Ústavu konstruování z dostupných normalizovaných komponent.

•

Výsledná konstrukce vychází z numerických pevnostních výpočtů (kap. 3.4). Díky těmto výpočtům se podařilo navrhnout konstrukci vakuové komory s 12 mm tloušťkou stěn. Srovnatelná zařízení na trhu mají stěny 20 mm tlusté. Tím se podařilo snížit hmotnost a cenu komory. Oproti komerčním řešením byla také zmenšena tloušťka dveří z 40 mm na 30 mm.

•

Byla vypracována finanční rozvaha, která zahrnuje cenu konstrukčních konstrukčních prvků, elektrického zařízení a zohledňuje i dílenskou cenu práce.

•

Práce by mohla být v budoucnu rozšířena o řešení elektrického ovládání komory a o konstrukci rotační olejové vývěvy, což překračuje zadání a rozsah této práce.

•

Bylo by rovněž zajímavé experimentálně ověřit vypočítané hodnoty deformace na prototypu komory některou z optických nebo kontaktních metod ve vybraných místech konstrukce.

•

it Mělo by být uděláno více pokusů s odléváním ve vakuu i bez něj a ověř ověřit vhodnost umisťování vtokových soustav.

strana 91

6

strana 92

Literatura

LITERATURA [ 1 ] FUH, J.Y.H – FENG, W. – Wong, Y.S. Modelling, Analysis and Fabrication of Below-knee Prosthetic Sockets Using Rapid Prototyping. In Advanced Manufacturing Technology for Medical Applications: Reverse Engineering, Software Convesion and Rapid Prototyping. 1. vyd. Weinheim: Wiley, 2006. 254 s. ISBN-13 978-0470016886. [ 2 ] GEBHART, Andreas. Rapid Prototyping. 1. vyd. Munich: Carl Hanser Verlag, 2003. 379 s. ISBN 1-56990-281-X. [ 3 ] CHUA, C.K. – LEONG, K.F. – LIM, C.S. Rapid Prototyping: Principles and Applications. 2. vyd. London: World Scientific Publishing, 2003. 448 s. ISBN 981-238-117-1. [ 4 ] JANÍČEK, Přemysl, et al. Mechanika těles: Pružnost a pevnost I. 3. přepracované vyd. Brno: Akademické nakladatelství CERM, 2004. 287 s. ISBN 80-214-2592-X.

ELEKTRONICKÉ ZDROJE [ 5 ] URL: [cit. 2007-04-23]. [ 6 ] URL: [cit. 2007-04-25]. [ 7 ] MK TECHNOLOGY [CD-ROM]. Vacuum casting chamber [propagační video]. 2005; [cit. 2007-05-08] [ 8 ] BÍLEK, David. Vakuovací podmínky [online]. 9. října 2006 10:33; [cit. 2007-05-01]. Osobní komunikace. [ 9 ] URL: [cit. 2007-05-12]. [ 10 ] URL: [cit. 2007-05-12]. [ 11 ] URL: [cit. 2007-05-12]. [ 12 ] URL: [cit. 2007-05-12] [ 13 ] HORÁČEK, Milan. Rapid Prototyping (RP) [prezentace]. 2005 [cit. 2007-05-15]. URL: [ 14 ] MCP Group. URL: [cit. 2007-05-12]. [ 15 ] MCP Group. URL: [cit. 2007-05-12]. [ 16 ] Vakuumguss / Customers. URL: [cit. 2007-05-12]. [ 17 ] Dostupné z URL: [cit. 2007-05-12]. [ 18 ] Helisys.com - Helisys.com. Dostupné z URL: <www.helisys.com> [cit. 2007-05-10]. [ 19 ] AXSON - výhradní dovozce ACR Czech s.r.o. Dostupné z URL: <www.axson.cz> [cit. 2007-05-08].

Literatura

[ 20 ] ZÁVODSKÝ, Radim. Rotační vývěvy [online]. 2005; [cit. 2007-05-09]. URL:< http://www.umel.feec.vutbr.cz/%7Ebousek/VAK/016/index.html>. [ 21 ] PALME, Václav, Vývěva [online]. 9. října 2006; [cit. 2007-05-10]. Osobní komunikace. [ 22 ] TVRDÍK, Jiří, Nabídka vývěvy [online]. 17. října 2006; [cit. 2007-05-11]. Osobní komunikace. [ 23 ] ŠTYL, Pavel. Výuka ICT ve strojírenství a týmové projekty [online]. 15.7.2006 13:10 [cit. 2007-04-20]. URL: . [ 24 ] DesignTech. Zcela nový vzdělávací program v našem školství ovlivněný PLM a plný moderních technologií – přijímací řízení [online]. 29.4.2007 [cit. 2007-04-20]. URL: <www.designtech.cz/c/redakce/zcela-novy-studijni-obor-ovlivneny-plm.htm>. [ 25 ] MCAE Systems. Dostupné z URL: [cit. 2007-04-17]. [ 26 ] ARKIN s.r.o., Vlastnosti PMMA – Plexisklo [online]. Dostupné z URL: <www.arkin.cz> [cit. 2007-04-25]. [ 27 ] VALUPLAST, Plexisklo – vlastnosti [online]. URL: [cit. 2007-04-25]. [ 28 ] HF MARKET, Tabulka UV lepidel [online]. URL: [cit. 2007-04-26]. [ 29 ] Ferona a.s.. On-line ceník [online]. URL: 05/2006 [cit. 2007-03-20]. [ 30 ] SITTECH Cz s.r.o. O-kroužky [online]. Dostupné z URL: [cit. 2007-04-17]. [ 31 ] VAVERKA, Michal. Pohybové šrouby, staticky zatížené šroubové spoje [online]. 20.10.2004 [cit. 2007-03-20]. URL: . [ 32 ] Technische Universität Berlin. 3D-Drucker [online]. [cit. 2007-05-15]. URL: . [ 33 ] Company: About 3D Systems [online]. URL: [cit. 2007-04-17]. [ 34 ] DRÁPELA, Miloslav. Rapid Prototyping (RP) & Reverse Engineering (RE) [prezentace]. 2006 [cit. 2007-04-17]. URL: . [ 35 ] M2 SYSTEMS – Stereolithography [online]. URL: [cit. 2007-04-17]. [ 36 ] ZENIT, spol. s r.o. - Plexiglas®, vlastnosti [online]. URL: [cit. 2007-04-25]. [ 37 ] POP, Marek. Plexiglas – plné_desky XT, GS [online]. 2007-31-1 [cit. 2007-04-25]. URL: . [ 38 ] Pasáž.cz - ELKOMP Kroměříž, spol. s r.o. - Napájecí zdroje [online]. URL: [cit. 2007-05-13].

strana 93

strana 94

Literatura

[ 39 ] ZD ZDROJ 250W MICRO ATX - T.S. BOHEMIA a.s. [online] URL: [cit. 2007-05-15]. [ 40 ] DMP 343: Snímač nízkých tlaků [online]. 2007-03-20 [cit. 2007-05-15]. URL: . [ 41 ] Potensky Microsystem - Produkty - Motory[online]. URL: [cit. 2007-05-15]. [ 42 ] Čemech [online]. URL: [cit. 2007-05-15]. [ 43 ] MBM Technik [online]. URL: [cit. 2007-05-15]. [ 44 ] Stejnosměrné - Elektro - Motory - MS Composit [online]. URL: [cit. 2007-05-15]. [ 45 ] Super 280 - MSComposit.com [online]. URL: [cit. 2007-05-15]. [ 46 ] Tech Bulletin [online]. URL: [cit. 2007-05-15]. [ 47 ] TOS Kuřim – Kuličkové šrouby. KSK katalog2004-02cze.pdf [online]. URL: [cit. 2007-05-15]

Seznam použitých zkratek a symbolů

SEZNAM POUŽITÝCH POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ Seznam použitých zkratek

3D 3DP ABS AC CAD CAE CAM CAQ CNC DC DPH FDM FEM LOM LS MKP NaOH NC PA PC PDM PE PEEK PLM PMMA POM PP PWM RM RP RT SL SLS STEP STL TPU

- Three Dimensional - Three Dimensional Printing - Akrylonitrilbutadienstyren - Alternate Current - Computer Aided Design - Computer Aided Engineering - Computer Aided Manufacturing - Computer Aided Quality Assurance - Computer Numerical Control - Direct Current - Daň z přidané hodnoty - Fused Deposition Modelling - Finite Element Method - Laminated Object Manufacturing - Laser Sintering - Metoda konečných prvků - Hydroxid sodný - Numerical Control - Polyamid - Polykarbonát - Product Data Management - Polyethylen - Polyetereterketon - Product Lifecycle Management - Polymetylmetakrylát - Polyoxymethylen - Polypropylen - Pulse Width Monitor (pulzně šířková regulace) - Rapid Manufacturing - Rapid Prototyping - Rapid Tooling - Stereolitografie - Selective Laser Sintering - Standard Template for Electronic Publishing - STereolitography file - Tenkostěnný uzavřený profil

Seznam použitých symbolů a[mm] a[mm] At[mm2] b[mm] c[mm]

- parametr - šířka vnitřního prostoru vakuové komory - průřez pohybového šroubu - hloubka vnitřního prostoru vakuové komory - výška vnitřního prostoru vakuové komory

strana 95

strana 96

Seznam použitých zkratek a symbolů

d[mm] dm[mm] dr[mm] F[N] Fg[N] FN[N] FT[N] g[m.s-2] k[-] kk[-] l[mm] m[kg] m1[kg] m1’[kg] m1a[kg] m1b[kg] m1c[kg] m2[kg] m2[kg] m2’[kg] m2a[kg] m2a[kg] m2b[kg] m2b[kg] m2c[kg] Mk1[Nm] Mk2[Nm] Mk3[Nm] Mk4[Nm] mmat[mm] MR[Nm] n[-] n[min-1] N[N] n1[min-1] n2[min-1] n4[min-1] p[mm] p[MPa] P[W] Re[MPa] V[m3] α[°] μ[-] ρ[kg.m-3] σ[MPa] σe[MPa] σred[MPa] τK[MPa]

- velký průměr pohybového šroubu - střední průměr pohybového šroubu - malý průměr pohybového šroubu - síla potřebná k otáčení pohybového šroubu - tíhová síla silikonové formy - tíhová síla působící kolmo na závit pohybového šroubu - třecí síla - gravitační zrychlení - koeficient bezpečnosti - koeficient bezpečnosti - stoupání závitu pohybového šroubu - hmotnost silikonové formy - hmotnost levé části ramene s plným kelímkem (větší miska) - hmotnost levé části ramene s prázdným kel. (větší miska) - hmotnost prázdného kelímku (větší miska) - hmotnost licí hmoty (větší miska) - hmotnost aretace, držáku a osičky (větší miska) - hmotnost levé části ramene s plným kelímkem (menší miska) - hmotnost míchací metličky a jejího pohonu - hmotnost levé části ramene s prázdným kelím. (menší miska) - hmotnost prázdného kelímku (menší miska) - odhad hmotnosti pohonu míchací metličky - hmotnost licí hmoty (menší miska) - hmotnost míchací metličky - hmotnost aretace, držáku a osičky (menší miska) - kroutící moment motoru výtahu - kroutící moment motoru menší licí misky - kroutící moment motoru větší licí misky - kroutící moment motoru míchání - výška matice pohybové šroubu - kroutící moment pohybového šroubu - počet chodů závitu pohybového šroubu - otáčky motoru - normálová síla - otáčky motoru výtahu - otáčky motoru menší a větší licí misky - otáčky motoru míchání - rozteč závitu pohybového šroubu - tlak - výkon motoru - mez kluzu - objem vnitřního prostoru vakuové komory - úhel stoupání pohybového šroubu - součinitel tření v závitech pohybového šroubu - hustota silikonu - normálové napětí v tlaku od osové síly - maximální ekvivalentní napětí - redukované napětí - smykové napětí od kroutícího momentu

Seznam obrázků a grafů

SEZNAM OBRÁZKŮ A GRAFŮ Obr. 1.1 Obr. 1.2 Obr. 1.3 Obr. 1.4 Obr. 1.5 Obr. 1.6 Obr. 2.1 Obr. 2.2 Obr. 2.3 Obr. 2.4 Obr. 2.5 Obr. 3.1 Obr. 3.2 Obr. 3.3 Obr. 3.4 Obr. 3.5 Obr. 3.6 Obr. 3.7 Obr. 3.8 Obr. 3.9 Obr. 3.10 Obr. 3.11 Obr. 3.12 Obr. 3.13 Obr. 3.14 Obr. 3.15 Obr. 3.16 Obr. 3.17 Obr. 3.18 Obr. 3.19 Obr. 3.20 Obr. 3.21 Obr. 3.22 Obr. 3.23 Obr. 3.24 Obr. 3.25 Obr. 3.26 Obr. 3.27 Obr. 3.28 Obr. 3.29 Obr. 3.30 Obr. 3.31 Obr. 3.32 Obr. 3.33 Obr. 3.34 Obr. 3.35

- Diagram přímé tvorby modelu nebo prototypu - Stereolitografie - Princip Laser Sinteringu - Fused Deposition Modelling - Laminated Object Manufacturing - Three Dimensional Printing - Postup tvorby prototypového modelu - Různobarevné odlitky - Princip lamelového rotačního kompresoru/vývěvy - Největší vakuová komora skupiny MCP Group - Největší vakuová komora firmy MK Technology GmbH - Algoritmus návrhu konstrukce - Integrace PLM řešení - PLM a PDM systém - Výsledná podoba vakuové komory - Hlavní rozměry vakuové komory - Řez komorou a detail licích misek - Ekvivalentní napětí a celkové deformace - Ekvivalentní napětí a celkové deformace - Vliv hustoty sítě na přesnost výsledků - Ekvivalentní napětí a celkové deformace - Ekvivalentní napětí a celkové deformace - Ekvivalentní napětí a celkové deformace - Konstrukce rámu - Orientační návrh vakuové komory – varianta B - Ekvivalentní napětí a celkové deformace - Ekvivalentní napětí - Celkové deformace - Ekvivalentní napětí - Změna vstupního otvoru - Celkové deformace - Celkové deformace - Parametry modelu vakuové komory - Ekvivalentní napětí a celkové deformace - Ekvivalentní napětí a celkové deformace - Ekvivalentní napětí, celkové deformace a render komory - Ekvivalentní napětí a celkové deformace - Render vakuové komory s držáky odlévacích misek - Ekvivalentní napětí a celkové deformace - Ekvivalentní napětí a celkové deformace - Ekvivalentní napětí a celkové deformace - Ekvivalentní napětí a celkové deformace - Celková deformace - Vakuová komora Varianta B bez a s vnitřními plechy - Výtah vakuové komory - Silové poměry v závitu

strana 97

strana 98

Seznam obrázků a grafů

Obr. 3.36 Obr. 3.37 Obr. 3.38 Obr. 3.39 Obr. 3.40 Obr. 3.41 Obr. 3.42 Obr. 3.43 Obr. 3.44 Obr. 3.45 Obr. 3.46 Obr. 3.47 Obr. 3.48 Obr. 3.49 Obr. 3.50 Obr. 3.51 Obr. 3.52 Obr. 3.53 Obr. 3.54 Obr. 3.55 Obr. 5.1 Obr. 5.2 Obr. 5.3 Obr. 5.4 Obr. 5.5

- Lichoběžníkový profil závitu a silové poměry na profilu - Systém odlévacích misek - Polohy menší odlévací misky - Polohy větší odlévací misky - Polohy odlévacích misek - Vyjímání metličky - Upevnění licích misek k držáku - Síly na rameni menší misky - Síly na rameni větší misky - Graf průběhu momentů na rameni větší misky - Síly na rameni větší misky s přidaným protizávažím - Graf výsledných krout. momentů s plnou a prázdnou miskou - Vakuová komora s detaily na držadlo, pant a těsnění - Závislost těsnící spáry na tlaku a tvrdosti těsnění - Držadlo s magnetem a těsnění - Vůle v pantu a těsnící spára - Osvětlení - PWM – pulzně šířková regulace (schéma) - Zdroj DC - Počítačový zdroj - Výroba modelu na zařízení Dimension SST1200 - Modely po odstranění podpor - Vytmelené modely - Odlévání formy krytu telefonu - Odlitek krytu telefonu

Seznam tabulek

strana 99

SEZNAM TABULEK Tab. 3.1 Tab. 3.2 Tab. 3.3 Tab. 3.4 Tab. 3.5 Tab. 3.6 Tab. 3.7 Tab. 4.1

- Koeficient bezpečnosti - Materiálový seznam - Spotřeba materiálu – Varianta B - Spotřeba materiálu – Varianta C - Výrobní čas vakuové komory - Náklady na práci - Celkové náklady - Cena dveří vakuové komory

strana 100

Seznam příloh

SEZNAM PŘÍLOH VAKUOVÁ KOMORA DVEŘE KOMORY VÝTAH KOMORY LICÍ MISKY KONSTRUKCE KOMORY PLECH OVLÁDÁNÍ PANT DVEŘE PLATFORMA MENŠÍ RAMENO VĚTŠÍ RAMENO ČELNÍ PLECH KOMORY ČELNÍ PLECH BOČNÍ PLECH ZADNÍ PLECH PANT1 PANT2 PLECH VÝTAHU RAMENO MENŠÍ 1 RAMENO VĚTŠÍ 1

1-S96-00/07 1-S96-01/07 1-S96-02/07 1-S96-03/07 1-S96-04/07 1-S96-05/07 1-S96-01.1/07 1-S96-01.2/07 1-S96-02.1/07 1-S96-03.1/07 1-S96-03.2/07 1-S96-04.1/07 1-S96-05.1/07 1-S96-05.2/07 1-S96-05.3/07 1-S96-01.1.1/07 1-S96-01.1.2/07 1-S96-02.1.1/07 1-S96-03.1.1/07 1-S96-03.2.1/07

1

8

3

7

6

5

912

475

302

(182)

110

150

2

153

250

100

4

47

493 551

562

561,5

743

1330

27,5

180°

45

A-A ( 1 : 4 )

66,5

27,5 66,5

8

AMETEK 119001

7

Kabeláž

0,57

1

2,3

6

Vakuová vývva VK-06/00

1

40,2

5

Ovládání

1

VK-05/00

6,4

4

1

Sestava výtahu

VK-04/00

8,7

1

3

Licí misky

VK-03/00

4,2

1

2

Sestava dveí

VK-02/00

17,2

1

1

Svaenec komory VK-01/00

157,8

1

VK-07/00

Pozice Název - oznaení Výkres - norma Hmot. Množ. Pesnost ISO 2768-mH Materiál Tolerování ISO 8015 Polotovar Hrubá hmotnost Promítání

27,5

T.O. 001 237 kg

27,5

ÚSTAV KONSTRUOVÁNÍ Zmna Navrhl ROUPEC Pezkoušel Technolog Normalizace Schválil Datum 26.5.2007

Datum Index Podpis Poznámka Mítko

VUT v Brn - Fakulta strojního inženýrství Název

VAKUOVÁ KOMORA

1:3 Starý výkres . seznamu VK-00/00 .sestavy

íslo výkresu List

VK-00/00

List

6

1

I 0,16 A

468 I 0,16 A

40 E 0,2 A

80

a4

47

762 738

3

2xQ10 H7 20

284

12

40

12 469 DETAIL A a6 469

3,2

47

R5 0

a4

a6 a6

I 0,16 A

a4

DETAIL A 12 469 a6 469

12

R5 0

E 0,2 A

a4 481 a4 481

379

34

0 R5

A

782

762 738

209

DETAIL A a6 498 12 522 DETAIL A 12 469 a6 469 a6 498 DETAIL A 12 522

3

12

I 0,16 A

1934 1934

134,5

3,2

12

192

4

154

12

12

E 0,2 A

522

12 522 DETAIL A a6 498

7

45

469 493

Svar. plochy poz. 1-4 obrobeny podle DETAIL A, norma polotovaru 1-8 dle SN 42 5310 CELKOVÁ DÉLKA SVAR a48252, a68866, 12 4966 - Sv. drát OK12.51 SN EN 440 -

-

4 7

7 a4 481 a4 481

20

12

255 562

DETAIL A ( 1 : 1 )

a6 a6

522 498

8

Patka

VK-01/08

plech 12x40x80

S355J2G3

0,3

2

7

Výztuha

VK-01/07

plech 12x20x481

S355J2G3

0,9

3

6

Držák

VK-01/06

plech 12x40x284 S355J2G3

1,1

2

5

Polika

VK-01/05


21,9

2

4

Dolní a horní p. VK-01/04


22,9

2

3

Boní plech

VK-01/03


32,4

2

2

Zadní plech

VK-01/02


37,2

1

1

Pední plech

VK-01/01


41,1

1

Pozice

30°

Název

Výkres

Polotovar

Materiál

Hmot. Množ.

Pesnost ISO 2768-mH Materiál Tolerování ISO 8015 Polotovar Hrubá hmotnost Promítání

T.O. 001

1/2 Y svar t=12

12

157,8kg

ÚSTAV KONSTRUOVÁNÍ

3

209

(498)

a4 a4

A

468

397,5

200

47

R50

762

(469) Q

A

40

E 0,2 A

20

238

0 20

R50

104

DETAIL A 12 762 a6 738

104 E 0,2 A

I 0,25 A

DETAIL A 12 762 a6 738

14

0 R5

110,5 R5 0

a6 a6

278

270,5

2

A-A ( 1:10 ) 5

R5 0

E 0,2 A

206

12 469 DETAIL A a6 469

240

12

8

12

8

20

6

Koutový svar a6

2

12

Zmna Navrhl ROUPEC Pezkoušel Technolog Normalizace Schválil Datum 26.5.2007



Svaenec komory


íslo výkresu List

VK-01/00

List

A-A ( 1:5 ) 3

4

2

1

6

Q10 H7/f7

5

2

10

7 95 30

8 (34) 12xM4x0.7 - 6g SVRTÁNO S DVEMI

52 15

500

A

760

A

65

115,5

360

9

551

9

M4x14

NS 4560

0,0

4

8

M4x10

NS 4560

0,0

12

7

Tsnní

0,0

1

6

Magnet

VK-02/06

magnet

0,1

1

5

Klika

VK-02/05

ABS

0,2

1

4

ep

VK-02/04

11 373.0

0,1

2

11 373.0

0,5

2

11 373.0

0,3

2

PLEXIGLAS

15,0

1

prm.5-2500 Viton

prm.20-75 SN 42 5510

3

Pant2

VK-02/03

tv.60-30 SN 42 5522

2

Pant1

VK-02/02

1

Dvee z plexiskla VK-02/01

15x551x760

Pozice Název - oznaení Výkres - norma

Materiál

Hmot Množ.


Polotovar

T.O. 001 17,2 kg




Sestava dveí


íslo výkresu List

VK-02/00

List

POLOHA 3

POLOHA 2 °

° 90

100

12

Zámek osiky

VK-03/12 Tr 12x1-25

11 373.0

0,0

1

11 373.0

0,0

1

11 373.0

0,1

1

SN 42 6711.31 11

VK-03/11

Osika 2

prm.10-40 SN 42 6510.12

5 POLOHA 1

VK-03/10 prm.10-170

Osika 1

SN 42 6510.12

11 9

Metlika

VK-03/09 3x100x170

polypropylen 0,0

1

8

Miska malá

VK-03/08

polypropylen 0,1

1

7

Nálevka

VK-03/07

polypropylen 0,1

1

10

6

Miska velká

VK-03/06

polypropylen 0,1

1

8

1

5

Držák motoru 3

VK-03/05

11 373.0

0,2

1

2

3

4

Držák motoru 2

VK-03/04

11 373.0

1,3

1

3

Držák motoru 1

VK-03/03

11 373.0

0,2

1

2

Rameno malé

VK-03/02

11 373.0

0,7

1

1

Rameno velké

VK-03/01

11 373.0

1,4

1

12

342

10

4 9 6 401

Pozice Název - oznaení

Materiál

Hmot. Množ.


Polotovar

T.O. 001

Výkres

7

4,2 kg




Licí misky


íslo výkresu List

VK-03/00

List

Tr16x4

16

2

430

485

3 1

5

M5x12

SN 41 4260

0,0

6

4

Matice poh.

SN 01 4050

SN 42 3018 0,2

1

šroubu Tr16x4

TOS Kuim KŠ (CuSn8)

Pohybový šroub

SN 10 4050

Tr16x4-485

TOS Kuim KŠ (67SiCr5)

Vodící ty

TOS Kuim KŠ

4 5

3

2

SN 41 4260 0,6

1

0,7

2

6,4

1

prm. 16-500 39

404 1

Platforma výtahu VK-04/01

Pozice Název - oznaení Výkres - norm

Materiál

Hmot. Množ.


T.O. 001 8,6 kg




Sestava výtahu


íslo výkresu List

VK-04/00

List

6,3 A-A ( 1 : 1 ) 3,2

46,5

a3 20

40 6xQ4,5

3,2 12,5

21

1

a2 70

Q9,4

2x45°

6x45°

8,5 C0,10

0

4

4

6x45°

31,5

90°

57

3

2

80 A 65

Q10 H7

40

Díl 3 VK-02/02.3

plech 4x30x80 11 373.0

25

3

20

I Q0,012 A

25

1

0,1

1

0,2

1

SN 42 5310

A

A 2

Díl 2 VK-02/02.2

plech 4x40x80 11 373.0 SN 42 5310

1,6

15

0,1

1

Díl 1 VK-02/02.1

tv. 25-60

11 373.0

0 2x45° 112

92

77

32 36

12,5

SN 42 5520 0

15

Pozice Název Výkres - norma

Polotovar

Materiál Hmot. Množ.

Pesnost ISO 2768-mH Materiál 11 373.0 Tolerování ISO 8015 Polotovar Hrubá hmotnost Promítání

T.O. 001 0,3 kg





PANT1

íslo výkresu List

VK-02/02

List

6,3 59 13 C0,005

- 0,05 20 - 0,10

A

A

1,6

3,2

60

30

10

)

H7

(- 0+ 0,01 ,00 5 0)

1 C0,005 10

H7

5 ,01 000 0 , + 0 -

(

Q

25

Q

12,5 C0,05

A-A ( 1 : 1 )

6 X 45°

6 X 45°

6 X 45°

Pesnost ISO 2768-mH Materiál 11 373.0 T.O. 001 Tolerování ISO 8015 Polotovar tv.60-30 SN 42 5522 Hrubá hmotnost Promítání 0,5 kg





PANT2

íslo výkresu List

VK-02/03

List

A-A ( 1 : 5 ) 1,6

3,2

4,5 C0,02

5 C0,05

15

3,2

3,2

551 E 0,060 A

E 0,060 A

500 10 6

R4 6

R4

I 0,050 A

20

40

20

760

740

T30

A

305

A

R

R4 6

46

ÚSTAV KONSTRUOVÁNÍ

1,6 1,6

A

Pesnost ISO 2768-mH Materiál PLEXIGLAS T.O. 001 Tolerování ISO 8015 Polotovar 15x551x760 Hrubá hmotnost Promítání 15,0 kg

Zmna Navrhl ROUPEC Pezkoušel Technolog Normalizace Schválil Datum 26.5.2007



DVEE


íslo výkresu List

VK-02/01

List

a2 a2

14

a2

14

Celková délka svar: a2187 6

5

3

4

Držák menší

VK-03/02.6

1

Tr prm. 108x8 11 373.0 0,2

1

SN 42 5715 5

Osa-miska

VK-03/02.5

prm. 10-35

11 373.0 0,0

1

11 373.0 0,0

1

11 373.1 0,3

1

17

a2 a2

4

Osa - motor

VK-03/02.4

5

9

SN 42 5510 prm. 10-50 SN 42 5510 a2

3

Rameno menší VK-03/02.3

3x20x140 SN 42 5310

47,5

2

Aretace

VK-03/01.2

0,0

1

1

Protizávaží 1

VK-03/02.1

0,9

1

Pozice

2

Název

Výkres

Polotovar

Materiál Hmot. Množ.


6

T.O. 001 1,4 kg




Rameno malé


íslo výkresu List

VK-03/02

List

Q20

443 2x 2 80 2 80

0° 6x 6

100

46

10

Q16

10

Q

28

5

200

46

1,5 1,5

6

2x a2 60 H -6 M5 x 6 2x (Poz.3 + Poz.6)

3

20

1

428 388

A

433

7

4 2

A 2

22

4x

20

417

2

457 7

461

A-A ( 1 : 3 )

Výztuha 2

VK-04/01.7

plech 8x60x60

Vodící pouzdro

VK-04/01.6

Tr 20x2,6-100

20

6

2

200

1

11 353.0

0,1

2

S355J2G3

0,3

4

11 373.0

0,3

2

11 373.0

0,3

1

11 373.0

0,4

1

S355J2G3

3,3

1

SN 42 5715 5

2

0,4

SN 42 5310

a2 5x10(30) 4x

4x (2x Poz.5 + Poz.3) (2x Poz.5 + Poz.4)

S355J2G3

3

Výztuha 1

VK-04/01.5

plech 3x100x200 SN 42 5310

64x5 (20) 2

4

71x5 (20)

Jackel 3

VK-04/01.4

20x20x1,5-400 SN 42 6936

3

Jackel 2

VK-04/01.3

20x20x1,5-480 SN 42 6936

A

2

Jackel 1

VK-04/01.2

20x20x1,5-480 SN 42 6936

1

Plech výtahu

VK-04/01.1

plech 2x480x500

A ( 1:1 )

SN 42 5310 Pozice Název - oznaení Výkres - norma

Polotovar

Materiál

Hmot. Množ.


T.O. 001 6,4 kg



1:4


Platforma výtahu

Starý výkres íslo výkresu . seznamu VK-04/00 List .sestavy

VK-04/01

List

A (1:2) 457,5 4,52

1,9

18

(457) A

18

214,9

4,52

2

428

B

428,3

3

20,26

213

20,52

46 Q28

6 R2

R9

6

46

448,5

B (1:2)

457

Pesnost ISO 2768-mH Materiál S355J2G3 T.O. 001 Tolerování ISO 8015 Polotovar 2x480x500 SN 42 5310 Hrubá hmotnost Promítání 3,3 kg





Plech

íslo výkresu List

VK-04/01.1

List

VK-00/00

VK-01/00

VK-02/00

VK-03/00

VK-05/00

VK-04/00

VK-04/01 VK-04/02 VK-04/03 VK-04/04 VK-04/05

VK-01/01 VK-03/01 VK-03/02 VK-03/03 VK-03/04 VK-03/05 VK-03/06 VK-03/07 VK-03/08 VK-03/09 VK-03/10 VK-03/11 VK-03/12

VK-01/02 VK-01/03 VK-01/04 VK-01/05 VK-01/06 VK-01/07 VK-01/08

VK-02/01 VK-02/02

VK-02/02.1

VK-02/03

VK-02/02.2

VK-02/04

VK-02/02.3

VK-02/05

VK-03/01.1 VK-03/01.2 VK-03/01.3 VK-03/01.4 VK-03/01.5 VK-03/01.6

VK-06/00 VK-05/01 VK-05/02 VK-05/03

VK-07/00

VK-06/01 VK-06/02

VK-04/01.1 VK-04/01.2 VK-04/01.3 VK-04/01.4 VK-04/01.5 VK-04/01.6 VK-04/01.7

VK-03/02.1 VK-03/01.2 VK-03/02.3 VK-03/02.4 VK-03/02.5 VK-03/02.6

VK-02/06 VK-03/03.1 VK-03/03.2

Diplomová práce obsahuje výkresy oznaené tuným podtrženým písmem. Pesnost ISO 2768-mH Materiál Tolerování ISO 8015 Polotovar Hrubá hmotnost Promítání

VK-03/04.1 VK-03/04.2 VK-03/05.1 VK-03/05.2

T.O. 001 kg




Schéma výkres


íslo výkresu List

VK-00/99

List

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ZAŘÍZENÍ PRO VAKUOVÉ LITÍ DO SILIKONOVÝCH FOREM VACUUM CASTING CHAMBER

Recommend Documents