Time Compression Technologies (TCT)- techniki przyspieszajace wytwarzanie:
1) Virtual Prototyping - wirtualne prototypowanie(badanie prototypu istniejącego w komputerze)
2) Rapid Prototyping - szybkie wytwarzanierzeczywistych prototypów maszyn i urządzeń
3) Rapid Manufacturing - szybka produkcja seryjna
4) Rapid Tooling - szybkie wykonywanie narzędzi
5) Reverse Engineering - inżynieria wsteczna, czyli tworzenie modelu bryłowego w komputerze
na podstawie rzeczywistego obiektu
1) Virtual Prototyping- wirtualne prototypowanie to badania dotyczące prototypu „wirtualnego”czyli sztucznegobo istniejącego tylkow komputerze. Prototypowanie wirtualne (Virtual Prototyping)- to proces tworzenia oraz badania wirtualnego prototypu. Obejmuje:• komputerowe zaprojektowanie obiektu • symulację procesu wytwarzania (np. odlewania czy obróbki mechanicznej)
• badania symulacyjne własności np.: – wytrzymałościowych (analizy Metodą Elem. Skończonych i inne) – funkcjonalnych (kinematyka, dynamika, ...) – ergonomicznych (obsługa, serwis) – możliwości recyklingu. Badania obiektu wirtualnego czyli modelu komputerowego mogą obejmować:
• sprawdzanie wielu wariantów rozwiązań • sprawdzanie wykonalności (na obrabiarce numerycznej)
• symulacje procesu odlewania • sprawdzanie możliwości montażu i wykrywanie kolizji
• badania wytrzymałościowe (MES - FEM) statyczne i dynamiczne • wyznaczanie przepływów ciepła i rozkładów temperatury • symulacja pracy: kinematyczna (ruch) i dynamiczna (ruch + siły, momenty, tarcie, ...) Oprogramowanie “Virtual prototyping” pozwala zbudować realistyczny model poruszającego się prototypu i prowadzić na nim badania dotyczące kinematyki ruchu a także dynamiki z uwzględnieniem mas, sił, tarcia, tłumienia, odkształceń, naprężęń, drgań i.t.d. Pozwala to optymalizować projekt przed rzeczywistym wykonaniem prototypu.
Niektóre systemy do modelowania i badań symulacyjnych
• WorkingModel - symulacje obiektów dwuwymiarowych
• Visual Nastran - symulacje obiektów trójwymiarowych
• ADAMS (analiza kinematyki i dynamiki),
• ADINA (liniowa i nieliniowa, statyczna i dynamiczna
analiza metodą elementów skończonych),
• FIDAP (analiza przepływów),
• MATLAB + SIMULINK (modelowanie i symulacja
układów dynamicznych - w tym układów sterowania).
2) Rapid Prototyping - szybkie wytwarzanie prototypów
Rapid Prototyping Systems (RPS) Systemy szybkiego wytwarzania prototypów to grupa urządzeń i technologii wchodzących w skład CAM – (Computer Aided Manufacturing) komputerowego wspomagania wytwarzania. Jest to automatyczne wytwarzanie elementów maszyn lub innych przedmiotów za pomocą urządzeń sterowanych z komputera na podstawie opracowanego wcześniej modelu bryłowego. Pierwsze RPS powstały w latach 80-tych, początkowo tylko do produkcji prototypów a obecnie znajdują coraz szersze zastosowanie także do produkcji narzędzi lub krótkich serii wysokiej jakości elementów. W odróżnieniu od metod ubytkowych stosowanych przez obrabiarki, metody RP są addytywne - to znaczy polegają na stopniowym nakładaniu (dodawaniu, doklejaniu) kolejnych warstw materiału. Słowo "szybkie" oznacza w praktyce okres od kilku do kilkudziesięciu godzin zależnie od metody i zastosowanego sprzętu oraz złożoności modelu. Stosuje się coraz więcej materiałów, np. materiały o wysokiej temperaturze topnienia dla końcowego produktu i o niskiej temperaturze topnienia jako wypełniacze separujące poszczególne części.
Technologie “Rapid Prototyping”:
• Stereolitografia
• LOM - Laminated Object Manufacturing – wytwarzanie objektów laminowanych (z warstw papieru)
• Fused deposition modeling - jak plotter lecz przykleja stopiony drut lub włókno
• Selective laser sintering - selektywne zgrzewanie laserowe
• 3D printing - drukowanie trójwymiarowe
SL - Stereolitografia- była pierwszą technologią szybkiego wytwarzanie prototypów. Zapoczątkowało ją wynalezienie przez R. Hulla fotoinicjatorów, tj. dodatków do płynnych żywic, które powodowały po naświetleniu, rozpoczęcie procesu polimeryzacji. W 1987 powstała firma 3D Systems, która zaczęła rozpowszechniać metodę SL i sprzedawać maszyny do szybkiego wytwarzania prototypów metodą SL. W 1999 r. maszynę SLA250/30 firmy 3D Systems do stereolitografii kupił Instytut Mechaniki i Konstrukcji Politechniki Warszawskiej.
Komputerowy model bryłowy utworzony w systemie CAD zostaje zaimportowany do programu sterującego maszyną do stereolitografii Wytwarzanie modelu polega na warstwowym utwardzaniu żywic epoksydowych lub akrylowych pod wpływem promieniowania ultrafioletowego, którego
źródłem jest laser małej mocy.
Proces stereolitografii w maszynie SLA polega na zmianie płynnej żywicy w ciało stałe pod działaniem promieni UV lasera (fotopolimeryzacji). • Tor wiązki lasera sterowany jest poprzez zwierciadło sterowane komputerem. • Polimeryzacja przebiega tylko w obszarze naświetlania, w ściśle określonej objętości - stąd duża dokładność.
LOM - Laminated Object Manufacturing Instytut Odlewnictwa w Krakowie posiada urządzenie RPS-LOM 2030E. Proces tworzenia modelu przebiega następująco:
• Po zaprojektowaniu przestrzennego modelu bryły w programie CAD rysunek jest zapisywany w formacie STL i przesłany siecią do komputera sterującego maszyną LOM.
• Oprogramowanie RPS-LOM sprawdza poprawność modelu i tnie komputerowy model bryłowy na cienkie warstewki
• Maszyna laserem wycina poszczególne warstewki z podawanego z rolki specjalnego samoprzylepnego papieru i nakleja je na siebie
• Dla łatwiejszego usuwania papier poza bryłą jest cięty na kwadraty
• Otrzymany model laminowany (warstwowy) jest czyszczony a czasem i malowany.
Sklejanie modelu z wycinanych laserowo warstw papieru. Model papierowy pozwala utworzyć formę odlewniczą i wykonać metalowy odlew prototypu
• wykonane prototypy są niezastąpione przy weryfikacji projektu i mogą być używane jako modele matki dla sporządzania form dla odlewów metalowych
• modele LOM są łatwo obrabialne, mogą być np. szlifowane, frezowane, wiercone i malowane
• praktycznie nie ma ograniczeń co do złożoności
• wymiar prototypu jest niemal nieograniczony z uwagi na możliwość budowy prototypu w częściach i ich dokładnego sklejenia.
Tak otrzymany model może być wykorzystywany na różne sposoby:
1) jako model służący do bezpośredniego formowania;
2) jako rdzennica do wykonania rdzeni odlewniczych;
3) jako modele "matki" na podstawie których wykonuje się modele odlewnicze z żywic syntetycznych do formowania ręcznego i maszynowego,
4) jako model do wykonania matrycy z gumy silikonowej służącej do wykonywania modeli woskowych,
5) jako model wypalany po naniesieniu powłoki ceramicznej.
Wykorzystanie metody RPS-LOM w P.I.O. Specodlew do wykonywania odlewów jednostkowych spowodowało skrócenie procesu technologicznego , obniżenie kosztów produkcji, podniesienie jakości i podwyższenie dokładności wymiarowej odlewów.
FDM - Fused deposition modeling Metoda FDM polega na warstwowym nakładaniu przez dwu dyszową głowicę, rozpuszczonego materiału modelowego i podporowego. Urządzenie sterowane numerycznie naprzemian nanosi ma stół modelowy materiał bazowy (np. ABS) i podporowy, według kolejnych poziomych przekrojów utworzonych na podstawie modelu 3D w programie obsługującym drukarkę. Powstały model wiernie odwzorowuje wirtualny projekt i praktycznie od razu gotowy jest do użycia. Możliwe jest wykonanie prototypów w jednym z 7 kolorów podstawowych, bądź dowolnym - na życzenie klienta.
Szybkie Wytwarzanie (Rapid Manufacturing) - jest raczej zastosowaniem powyższych technologii niż technologią nową. Kiedy maszyna do szybkiego prototypowania wykonuje z docelowego materiału setki lub tysiące części, z których każda ma inny kształt lub strukturę, mamy do czynienia z produkcją masową indywidualnie kształtowanych produktów.
4) Rapid Tooling- szybkie wytwarzanie narzędzi- z pojedynczego obiektu, najczęściej wytworzonego w procesie szybkiego prototypowania, można szybko wykonać całą serię podobnych obiektów. Rapid Tooling w Laboratorium Szybkiego Rozwoju Produktu - CAMT Politechniki Wrocławskiej. Technologie powielania prototypów, dostępne w Laboratorium, to m.in.: technologia form silikonowych do odlewania próżniowego, technologia wykonywania skorup gniazd form wtryskowych z naparowanego metalu oraz technologia gniazd form z żywicy epoksydowej.
Wszystkie one mogą służyć do wytwarzania serii produktów z tworzyw sztucznych -
poliuretanów bądź tworzyw termoplastycznych, ale możliwe jest także zastosowanie
prototypów z materiału podobnego do wosku jako wzorców w odlewaniu metodą
traconego rdzenia.
Inżynieria Wsteczna (Reverse Engineering) Z rzeczywistego fizycznego
przedmiotu tworzy się model komputerowy, który następnie może być użyty do wytwarzania technologią szybkiego prototypowania.
FEM I MES
MODEL to uproszczona reprezentacja rzeczywistego obiektu – w naszym przypadku: konstrukcji mechanicznej lub jej części. Model nie reprezentuje
wszystkich cech oryginału a jedynie te, które jego twórca (inżynier) uzna za najbardziej istotne, dlatego pamiętaj:
1. Ty poniesiesz odpowiedzialność za dobór właściwego lub niewłaściwego modelu
2. Wszelkie wyniki uzyskane z modelu są przybliżone i mogą być obarczone błędem
3. Żaden model nie pozwoli uzyskać pełnej wiedzy o obiekcie
Modele Matematyczne Model matematyczny używa języka matematyki (stałych, zmiennych, wyrażeń, równań, nierówności) do opisu działania oryginału. Modele matematyczne mogą być m.in. klasyfikowane na:
1) ANALITYCZNE i NUMERYCZNE
2) LINIOWE i NIELINIOWE
3) DETERMINISTYCZNE i PROBABILISTYCZNE (stochastyczne)
4) STATYCZNE (brak zależności od czasu, równania algebraiczne) i DYNAMICZNE (reprezentowane przez równania rózniczkowe).
5) O parametrach SKUPIONYCH lub ROZŁOŻONYCH (zmieniających się w przestrzeni – wymagają one równań różniczkowych cząstkowych)
Uproszczenia w modelowaniu Jeśli jest to dopuszczalne to zamiast zaawansowanych modeli:
• nieliniowych (z charakterystykami krzywoliniowymi)
• dynamicznych (zależnych od czasu)
• z rozłożonymi parametrami (zmieniającymi się w przestrzeni) staramy się stosować modele prostsze:
• liniowe (w określonym zakresie zmienności)
• statyczne (w stanie równowagi lub przy założeniu b. wolnych zmian)
• ze stałymi parametrami
Modele analityczne: - obliczanie od razu dokładnych wartości zmiennych
przy pomocy podanych wzorów (procedura liniowa)
Modele numeryczne: - wyznaczanie przybliżonych wartości zmiennych
metodą kolejnych przybliżeń (procedury iteracyjne)
Analiza Numeryczna - rozwiązywanie ciągłych problemów matematycznych środkami matematyki dyskretnej (np.: wyznaczanie poszczególnych punktów linii ciągłych). Metody numeryczne są bardzo przydatne ponieważ dla większości rzeczywistych problemów albo brak metod analitycznych albo są one zbyt złożone
Metoda Elementów Skończonych Jest jedną z metod numerycznego (a więc przybliżonego) rozwiązywania problemów opisywanych dużymi układami równań różniczkowych. Są to przeważnie problemy w których występują pola wektorowe na przykład:
• pola sił, naprężeń, odkształceń, przyspieszeń - w układach mechanicznych,
• pola elektromagnetyczne
• pola gradientów temperatur i przepływu ciepła,
• pola ciśnień i przepływów - w mechanice płynów
Istota MES Kontinuum przestrzenne (np. konstrukcja) jest zastępowane zbiorem małych elementów, połączonych wzajemnie węzłami. Im większa zmienność i wymagana dokładność tym mniejsze powinny być elementy i tym ich więcej Jednak wzrost liczby elementów zwiększa bardzo liczbę równań. Liczba równań to iloczyn = liczba elementów * liczba węzłów w każdym elemencie * liczba stopni swobody w każdym węźle
Programy Zestawy programów komputerowych dla metody elementów skończonych składają się zazwyczaj z trzech części:
• preprocesora - do definiowania geometrii oraz własności modelu MES
• procesora nazywanego też solverem - wykonującego obliczenia (na macierzach),
• postprocesora, służącego do graficznej prezentacji i analizy uzyskanych wyników.
Istnieje bardzo wiele drogich profesjonalnych pakietów FEM. Do bardziej znanych
należą:• ANSYS • ABAQUS • FEMAP + NASTRAN • COSMOS, ANALYSIS, AMSES FRAME-2D
W laboratorium WIMiR AGH: - jest FEMAP współpracujący z NE/NASTRAN
FEMAP to preprocesor i postprocesor:
• preprocesor - bo tworzy się w nim model MES,
• gotowy model trzeba przesłać go do solvera czyli „procesora”- na przykład NE/NASTRAN’a, celem rozwiązania układu tysięcy równań,
• wyniki z NE/Nastran’a wracają do FEMAP’a - tym razem jako postprocesora, który pozwala je prezentować i analizować na różne sposoby - wyświetla wykresy, warstwice, animacje, ...
Etapy modelowania FEM:
1) Zdefiniowanie własności materiałowych – MATERIAL (wartość modułu Young’a i współczynnika Poisson’a)
2) Zbudowanie modelu geometrycznego - GEOMETRY
3) Wybór rodzaju elementów skończonych – PROPERTY (np.: belka, płyta, kostka)
4) Podział geometrii na wybrane elementy - MESH = siatka
5) Zdefiniowanie więzów (umocowania) - CONSTRAINTS
6) Zdefiniowanie obciążeń (siły, momenty, ..) - LOADS
7) Wykonanie obliczeń (rozwiązanie układu równań) - SOLVE
8) Wizualizacja i analiza wyników (kolory, animacje, ...) – POSTPROCESSING
Concurrent engineering (CE) - z ang.: Concurrent Engineering - Inżynieria Współbieżna IW - systematyczne podejście w celu zintegrowania, współbieżnego z wymaganiami klienta, projektowania produktów i związanych z nimi procesów (w tym procesów wytwarzania i procesów pomocniczych) zmierzające do zaangażowania zewnętrznych dostawców w analizę wszystkich elementów cyklu życia produktu począwszy od koncepcji a skończywszy na utylizacji, włączając kontrolę jakości, kosztów i wymagań klienta (Institute for Defence Analyses). Podstawowym zadaniem CE jest przyspieszenie, zwiększenie efektywności i jakości rozwoju produktu (European Society of Concurrent Engineering). Inżynieria współbieżna lub inaczej inżynieria symultaliczna (jednoczesna) polega na nowej strategii zarządzania pracą zespołową w organizacjach ze sobą współpracujących dąż się więc do nakładania (równoległości) przebiegu czynności wykonywanych przez specjalistów z zakresu projektowania wyrobów, procesu oraz zajmującym się procesami rynkowymi badawczo rozwojowymi i wdrożeniowymi i wtedy uzyskuje się równoległy cykl realizacji. Podejście zintegrowane polega na tworzeniu elastycznych zespołów złożonych specjalistów różnych branż współpracujących ze sobą.
Równoległy przebieg 3 podstawowych strumieni
B + R Badania i Rozwój
Projektowanie produktu
Projektowanie procesu tworzy zintegrowany równolegle funkcjonujący system przygotowania i uruchomienia produkcji nowych wyrobów czynnikiem łączącym wymienione trzy strumienie jest logistyka przemysłowa.
Projektowanie sekwencyjne i współbieżne – ogólna charakterystyka.
•Projektowanie sekwencyjne: należy je uznać za podejście tradycyjne. Proces podzielony jest nafunkcjonalne zadania, przy czym rozpoczęcie kolejnego zadania następuje po zakończeniu,uzgodnieniu i ewentualnej korekcie zadania poprzedzającego. Brak tu efektywnej współpracy między działami a pracownikami wykonującymi określone zadanie, ponadto jest ono źródłem znacznych kosztów i wydłuża znacznie czas wprowadzenia produktu na rynek.
•Projektowanie współbieżne: ideą jest interaktywne działanie w procesie przygotowania produkcji, współpracują ze sobą pracownicy różnych działów biorących udział w przygotowaniu produkcji, a także coraz częściej klienci (np. przez Internet). Jest oparte na 3 zasadach: równoległego wykonywania niektórych procesów (paralelizacja), standaryzacji polegającej na ujednoliceniu różnych aspektów w procesie rozwoju produktu, oraz integracji procesów. W porównaniu do projektowania sekwencyjnego daje skrócenie czasu i zmniejszenie kosztów