1 MECHATRONICKÝ VÝROBEK

Transkript

1 1 MECHATRONICKÝ VÝROBEK 1.1 MECHATRONICKÝ VÝROBEK Mechatronický systém realizovaný/vyrobený na základě postupů, vycházejících z principů mechatroniky. Mechatronický výrobek se vyznačuje základními vlastnostmi: pouţitím pokrokových materiálů, novými technologickými účinky, špičkovými technickými vlastnostmi, účelovou strojovou inteligencí. Tyto základní vlastnosti umoţňují mechatronickému výrobku jeho: autonomní činnost, racionální včlenění do nadřazeného řídicího systému CHARAKTERISTIKA MECHATRONICKÉHO VÝROBKU Nelze směšovat mechatronické výrobky s mechanickými. Mechanické výrobky mohou také obsahovat charakteristické elektronické prvky: usměrňovače, zesilovače, regulátory. Mechanický výrobek se stává mechatronickým výrobkem až tehdy, vykazuje-li navíc i určitý stupeň inteligence" umožněn rozvojem mikroelektroniky (programovatelnost, samoregulovatelnost). Použití typických mnohasmyčkových mikroelektronických prvků: číslicové regulátory, signálové procesory, neuronové sítě apod. Použití nekonvečních snímačů a měničů energie Využívají nových principů a materiálů např. kompozity, slitiny s tvarovou pamětí apod. Perspektivní očekávání inteligentního chování, jako je: poskytování rad uživatelům, diagnostika vlastních chyb, opravování se pomocí vlastní rekonfigurace, učení se na základě získaných zkušeností s cílem zlepšit vlastní chování v příštích podobných situacích, PRI-Mn-S-001_mechatronicky vyrobek_koncept 1 / 24

2 organizace vlastní spolupráce s jinými inteligentními stroji, reorganizování se s cílem zlepšení vlastních schopností přizpůsobit se změnám okolí. Zvyšováním inteligenční úrovně výrobku lze zajistit jeho: vyšší univerzálnost, přizpůsobivost, provozní bezpečnost, ekologičnost. Zlepšení ergonomičnosti výrobku. Výrobek může být snáze: ovladatelný, udržovatelný, opravitelný. Konečný cíl změn vlastností výrobku EKONOMIČNOST VÝROBKU Poskytnutím dokonalejší nabídky zákazníkům dosáhnout lepšího uplatnění výrobku na trhu. PRI-Mn-S-001_mechatronicky vyrobek_koncept 2 / 24

3 1.1.2 ROZDĚLENÍ MECHATRONICKÝCH VÝROBKŮ Bez nároku na úplnost lze mechatronické výrobky rozdělit na: MECHATRONICKÉ VÝROBKY MECHANICKÁ ZAŘÍZENÍ s integrovanou elektronikou PŘESNÉ PŘÍSTROJE s integrovanou elektronikou STROJE s integrovanou elektronikou Visuté vznášející se systémy Telekomunikační zařízení vytvářející energii spotřebovávající energii Tlumiče vibrací Předměty spotřební elektroniky Elektrické pohony Generátory Převodovky Zařízení zpracovávající data Pneumatické pohony Čerpadla Zubové, řetězové a řemenové pohony Senzory a akční členy Hydraulické pohony Kompresory Mechanická a magnetická ložiska Přístroje pro medicinu Spalovací motory Obráběcí stroje Třecí a elastické spojky Vodní turbíny Roboty Parní turbíny Tiskařské stroje Plynové turbíny PRI-Mn-S-001_mechatronicky vyrobek_koncept 3 / 24

4 1.1.3 ŽIVOTNÍ CYKLUS VÝROBKU Při vytváření technického systému se vyskytují činnosti algoritmizovatelné, ale i činnosti, jejichţ výsledek do značné míry závisí na intuici. Vysoce kreativní činnosti, vyţadující invenci, schopnosti intuice, se vyskytují především v prvních etapách technického ţivota produktu - při vzniku první myšlenky, stanovení a rozpracování úkolu a hledání nových koncepcí. Technický ţivot výrobků sestává z etap: Stanovení úkolu Koncepce Návrh Realizace Provoz Likvidace PRI-Mn-S-001_mechatronicky vyrobek_koncept 4 / 24

5 1.2 METODICKÉ KROKY PŘI NÁVRHU MECHATRONICKÉHO VÝROBKU Ţivotní cyklus kaţdého výrobku se skládá ze šesti následujících navazujících fází: VYTVOŘENÍ SPECIFIKACE A PLÁNOVÁNÍ Cílem je formulovat požadavky, kladené na výrobek v podobě funkcí a výkonů, parametrů, časové dostupnosti, potřebných investic a dalších specifikací. Úspěch v následujících fázích je závislý na dosažených výsledcích právě zde. Také pro trh je tvorba specifikace výrobku základním požadavkem. KONCEPČNÍ NÁVRH Je vytvořena základní představa o funkci výrobku. Je provedena studie realizovatelnosti výrobku. V této etapě se plně projeví vlastní návrhová tvořivost. Kromě investice se uplatní i metody pro podporu tvořivosti. KONSTRUKCE VÝROBKU A TECHNICKÁ PŘÍPRAVA VÝROBY Obvykle časově nejnáročnější etapa technické přípravy výroby navrženého výrobku. Základní metodou řešení je tzv. paralelní (concurrent) navrhování. Snahou je, aby všechny potřebné kroky prováděl tým současně (tj. urychlená výměna informací a vzniklých mezivýsledků mezi konstruktéry a technology, např. z hlediska obrobitelnosti částí konstrukce). VÝROBA VÝROBKU Jde o technologické operace při vlastní výrobě konkrétního výrobku. Z hlediska mechatroniky jsou důležité poznatky o řízení kvality, snižování nákladů a o postupech výrobků v hromadné výrobě. POUŽITÍ VÝROBKŮ Výrobek se vyskytuje na trhu a po zakoupení u zákazníka - uživatele. Musí se zde uplatňovat zpětná vazba od trhu ke specifikaci výrobku (daného nebo budoucího). LIKVIDACE VÝROBKU Každý konkrétní výrobek po určitém čase zastarává a je na trhu nahrazen jiným. Z hlediska ekologie je zajímavá možnost recyklace původního výrobku. PRI-Mn-S-001_mechatronicky vyrobek_koncept 5 / 24

6 1.3 INTELIGENTNÍ MATERIÁLY V MECHATRONICE Nová generace technologií Technologie SMART materiálů a struktur Sofistikovaná síť snímačů a akčních členů SMART STRUKTURY A INTELIGENTNÍ MATERIÁLOVÉ SYSTÉMY SMART MATERIÁL Materiál, zabezpečující funkci snímání a akčního působení, přitom jednotlivé prvky jsou velmi dobře integrovány v rámci samotné materiálové struktury. Biologicky inspirovaný materiál dokáţe detekovat stav okolního prostředí. Informace o okolí materiál zpracovává v řídícím obvodu a reaguje na něj způsobem, zlepšujícím chování struktury s ohledem na cíl řízení. Překonává hlavní nevýhodu běţných řízení struktur velká nekompaktnost jednotlivé prvky zabezpečující snímání, řízení a aktivní působení jsou součástí samostatných struktur. Koncepce smart materiálů se úspěšně prosazuje ve strojírenství i nestrojírenských disciplínách, přitom jednou ze slibných oblastí je aplikace různých materiálů, jako jsou např. slitiny a polymery s tvarovou pamětí, piezoelektrické materiály, magnetostrikční a elektroreologické kapaliny. Typickým představitelem smart senzorů jsou piezokeramické materiály, optická vlákna a polymery. SMART STRUKTURY Představují soustavy, umoţňující snímat vnější podněty a aktivním řízením na ně reagovat v reálném čase. Představují integraci akčních členů, snímačů a řízení do materiálů nebo konstrukčních prvků. Tvořeny z tenkých komponent jako jsou nosníky, desky, skořepiny, kompozitní materiály, které mají v mezivrstvách piezokeramické listy, vodiče pamatující si tvar nebo dutiny naplněné elektroreologickou kapalinou. PRI-Mn-S-001_mechatronicky vyrobek_koncept 6 / 24

7 Současný trend ve vývoji smart materiálů a struktur Syntéza nových materiálů na molekulární úrovni s cílem produkovat nové materiály se smart funkcí SLITINY, PAMATUJÍCÍ SI TVAR (SMA - Shape Memory Alloys) Kovové slitiny, které se po deformaci a následném ohřátí nad určitou teplotu deformují (vracejí) zpět do původní polohy. Nejznámější jsou slitiny Ni a Ti, tzv. nitinol slitiny (NiTiNOL - Ni-Nikl, Ti-Titan, NOL-Naval Ordonance Laboratory, přibl. 57% Ni). Funkce, které mohou tyto slitiny vykonávat, se dělí do pěti kategorií: 1. Volné znovunabytí tvaru nastává, kdyţ SMA má poměrnou deformaci aţ do 8 %. 2. Omezené znovunabytí tvaru je tehdy, kdyţ SMA nemůţe měnit tvar, v důsledku toho se generují mechanická napětí aţ 800 MPa. 3. Akční nebo pracovní činnost je případ, při kterém se vykonává pohyb proti směru statické síly a tedy SMA koná práci (aţ do 5 J/kg). 4. Superelastické chování SMA je v podstatě izotermické a akumuluje potenciální energii.x 5. Vysoké tlumení. Tento typ SMA vykazuje silnou závislost amplitudy na vnitřním tlumení materiálu. Při rázovém zatíţení bývá poměrné tlumení aţ 90%. VÝHODY POUŽITÍ SMA jednoduchost, kompaktnost a spolehlivost mechanismu (obvykle akční člen tvoří elektricky aktivovaný drát SMA, respektive pruţina), vytvoření čistých, tichých, bezjiskrových a bezgravitačních pracovních podmínek, prostředí je bezprašné, neexistuje tření. Činnost je téměř bezhlučná - nejsou přítomny kmitající prvky. SMA akční členy reagují uţ na zrychlení několika µg (vyuţití v kosmických aplikacích), vysoký koeficient výkon/hmotnost v nízkých hmotnostních oblastech (100g), z čehoţ vyplývá adaptivní pouţití jako mikroakční členy, odolnost vůči korozi a biokompatibilita. PRI-Mn-S-001_mechatronicky vyrobek_koncept 7 / 24

8 NEVÝHODY POUŽITÍ SMA nízká energetická účinnost. Konverze tepla na mechanickou práci má podstatně menší účinnost, která je ve značné míře určena návrhem a tvarem SMA akčního členu, limitovaný rozsah následkem restrikcí při ohřívání a chlazení. Ohřívání SMA akčních členů se realizuje radiací nebo vedením a pouţitím odporu. Nejrozšířenější je odporové ohřívání pro jeho rychlou odezvu. Rychlost ochlazování je omezena hlavně chladící kapacitou, degradace a únava - parametry, které mají ţivotnost, se dělí na interní (sloţení slitiny, způsob ohřevu a zpracování) a externí (čas, teplota napětí, prodlouţení a počet cyklů), komplexní řízení - SMA vykazují trojrozměrné termomechanické chování s hysterezí. Mezi teplotou a polohou nebo silou není lineární vztah a proto polohové nebo silové akční působení vyţaduje výkonné regulátory a experimentální určení řady údajů. V porovnání s běţnými materiály na snímání a akční působení SMA mají několik výhod: značně větší vratné prodlouţení aţ do 8 %; schopnost generovat velké napětí aţ do 800 MPa; velké vratné změny mechanických a fyzikálních charakteristik; velkou disipační schopnost; schopnost generovat postupně se zvětšující napětí a prodlouţení. Zapuštěním SMA elementů do základního polymerního materiálu, resp. kompozitu, lze vytvářet nové materiálové charakteristiky: zlepšené tvarově-paměťové charakteristiky (větší tvarově-paměťový efekt a menší degradační efekt); zlepšené strukturální charakteristiky (lepší únavové vlastnosti a stabilita); kombinované charakteristiky (nastavitelný, laditelný tvar); úplně nové charakteristiky (nastavitelná, laditelná tuhost, a tedy i úhlová frekvence). PIEZOELEKTRICKÉ MATERIÁLY PIEZOELEKTRICITA Je schopnost určitých krystalických materiálů vytvářet elektrický náboj, který je úměrný mechanickému napětí. Při pouţití ve smart strukturách se vyuţívají jako senzory a akční členy. Nejznámější piezokeramikou je PZT. PRI-Mn-S-001_mechatronicky vyrobek_koncept 8 / 24

9 Důvody pouţívání piezoelektrických elementů: přesné řízení polohy systému, deformace piezoelektrického akčního členu má malé ztráty, dlouhá ţivotnost, vysoká účinnost transformace elektrické práce na mechanickou a naopak, existují uţ akční členy, které vytvoří síly do 50 kn. ELEKTROSTRIKČNÍ MATERIÁLY Materiály se symetricky rozloţeným elektrickým nábojem. V kaţdém dielektrickém materiálu zavedením elektrického pole vzniká deformace směr deformace nezáleţí na orientaci pole. Magnetostrikční materiály se deformují vlivem magnetického pole. Naopak - působí-li síla na takový materiál, mění se magnetická indukce B materiálu. Nejběţnějším magnetostrikčním materiálem je Terfenol-D. Vykazuje nelineární chování s hysterezí. OPTICKÁ VLÁKNA Skládají se ze středového jádra, které je ovinuto jednou nebo dvěma vrstvami ochranného obalu. Kvůli lepší ochraně ţivotního prostředí se vlákna vkládají do kabelů. Optická vlákna, zapuštěná do SMART materiálů, přenášejí údaje takto: přenášejí ustálený světelný signál do senzoru; sledují důleţité parametry světla (intenzitu, polarizaci, fázi). Použití: jako senzory. pro měření deformací, zrychlení nebo magnetických polí. ELEKTROREOLOGICKÉ (ER) KAPALINY Kapaliny měnící viskozitu při pouţití elektrického pole znikají různé stavy této kapaliny. Při aplikaci elektrostatického pole se elektroreologická (ER) kapalina mění z viskózního oleje aţ na téměř tuhý gel a velikost komplexního modulu ve smyku se změní o několik řádů. PRI-Mn-S-001_mechatronicky vyrobek_koncept 9 / 24

10 1.4 MODERNÍ TECHNOLOGIE POUŽÍVANÉ V MECHATRONICE Současný stav mechatronických výrobků trend směrem k: miniaturizaci, spolehlivosti, vyšší funkčnosti. Potřeba miniaturizace strojů, senzorů a mechanismů. Klasifikace strojů, senzorů nebo mechanismů podle jejich rozměrů se provádí vkládáním předpon: Makrostroj měří několik stovek metrů (např. letadla, tankery), nějvětším strojem na světě je urychlovač částic v CERNu v Ţenevě má průměr 27 km, submilimetrová hranice stupnice je ohraničena miniaturizací, kterou jsou schopny realizovat konvenční technologie třískového obrábění, Mikrostroj Nanostroj velikost stroje nebo zařízení je od 10 mm do 1 µm, jsou vyrobeny montáţí extrémně malých částí, pomocí nanotechnologií se vytvářejí struktury o velikosti aţ 10-9 m (rozměry jednotlivých atomů jsou řádově m), při těchto rozměrech se jiţ významně se uplatňují kvantové vlastnosti hmoty. Mezi základní technologie mikrostrojů patří technologie mikroobrábění: Křemíková technologie LIGA technologie LIRIE technologie Obrábění paprskem Elektrojiskrové obrábění kombinuje litografii, umožňuje hromadnou výrobu, kombinuje rozšířenou litografii, elektrolytické pokovování a lisování, umožňuje výrobu částí s vysokým poměrem stran (High Aspect Ratio), kombinuje litografii a iontové reaktivní leptání přímé obrábění pomocí obráběcího laserového, elektronového nebo iontového paprsku, bezmaskové obrábění umožňuje výrobu trojrozměrných tvarů, drátové jiskrové broušení ve spojení s elektrojiskrovým obráběním, umožňuje obrábění kovů do libovolného trojrozměrného tvaru PRI-Mn-S-001_mechatronicky vyrobek_koncept 10 / 24

11 Fotoformování Vstřikovací tvarování Konvenční obrábění Ostatní lokální polymerizace tekuté živice pomocí laserových paprsků, umožňuje formování jakéhokoliv trojrozměrného tvaru, tekutá živice nebo kovový prášek smíchaný s živicí je vstřikován do formy a tam vytvrdne, umožňuje hromadnou výrobu trojrozměrných komponentů, založeno na principu odebírání třísky ze základního materiálu, umožňuje výrobu většiny potřebných trojrozměrných tvarů. elektromechanické obrábění, obrábění iontovým paprskem PRI-Mn-S-001_mechatronicky vyrobek_koncept 11 / 24

12 KŘEMÍKOVÁ TECHNOLOGIE (Silicon Process) Téţ nazývána technologií integrovaných obvodů. Později pouţita na miniaturizaci mechanických částí tlakových senzorů a senzorů zrychlení, výrobu mikromotorů a dalších mikrostrojů. POPIS ZÁKLADNÍ PROCEDURY Povrch křemíkového plátku je naoxidovaný vytvořením extrémně tenkého filmu SiO 2. Oxidační film je vytvořený pomocí tepelné izolace, šablona je vytvořena reaktivním iontovým zářením. Tenký oxidační film je pokrytý pomocí tenké fotocitlivé ţivice (pozitivní nebo negativní fotorezist). Polykrystalický křemík, je navrstven chemickým napařováním SiO 2, se použije jako maska pro vytvoření rotoru pomocí iontového záření. Fotorezist je exponovaný (vystavený UV záření) přes masku, která má ţádaný vzor. SiO 2 film je leptán použitím plynného trifluormethanu (CHF 3 ); Vytvoření díry pro výrobu hřídele Exponované části rezistoru jsou odebrané z křemíkového plátku pomocí procesu vyvolávání (v případě pozitivního rezistu). Polykrystalický křemík je napařen na vytvoření hřídele a uzávěru (víka). Tenký film SiO 2 v exponovaných částech (kde není rezist) je leptaný na odkrytí křemíkové plochy. SiO 2 film je rozpustný pomocí kyseliny fluorovodíkové (HF). Křemíkový nebo kovový tenký film je vytvořen na této ploše pomocí chemického napařovacího nanášení (Chemical Vapour Depositon - CVD). PRI-Mn-S-001_mechatronicky vyrobek_koncept 12 / 24

13 Elektrostatický motor vyrobený křemíkovým procesem (Rotor, ložisko a pevné elektrody jsou vyrobeny z niklu) NEVÝHODY KŘEMÍKOVÉ TECHNOLOGIE Výsledný produkt je tenký a křehký. Technologie LIGA (zkratka z německých slov litografie, elektrolytické pokovování a lisování) Technologie byla vyvinuta v Jaderném výzkumném centru Karlsruhe v Německu. PRINCIP METODY Rovnoběţné rentgenové záření ze synchrotronu dopadá na vhodně upravenou šablonu s příslušným vzorem. Šablona je upravena tak, aby na určitých místech - plochách - zabránila pronikání záření. V otevřených plochách masky záření prochází a exponuje ochrannou látku - PMMA resist (polymethylmethakrylát). Resist je následně vyvolán a výsledkem je PMMA forma, pouţitá na výrobu kovových součástek pomocí elektrolytického pokovování ve vyvolávaných oblastech. Použití: výroba struktur s vertikální rozměry od 100 µm aţ do milimetrů a horizontálními rozměry aţ několik µm, jedná se o trojrozměrné struktury, definované dvojrozměrnou litografickou šablonou (maskou). VÝHODY TECHNOLOGIE LIGA Řeší problémy s tloušťkou a tuhostí výsledného produktu. PRI-Mn-S-001_mechatronicky vyrobek_koncept 13 / 24

14 Technologie LIRIE (Litography and Reactive Ion Etching) Metoda zaloţena na hloubkovém suchém leptání nebo elektrochemickém mokrém leptání s vyuţitím odstraňování vrstev, které je kompatibilní s technologií integrovaných obvodů. Kombinuje litografii a iontové reaktivní leptání PRINCIP METODY V první etapě jsou nepohyblivá osa nebo stator leptány v monolitickém křemíkovém plátku (wafer). Pohyblivé části jsou připraveny z elektrochemicky leptané křemíkové membrány. Tloušťka membrány je definována pomocí zastavení procesu elektrochemického leptání v určitém stupni. Po dokončení tohoto procesu je pohyblivá část odebrána z křemíkové membrány a vloţena do křemíkového plátku, připraveného v první etapě. Použití: Výroba mikroakčních členů a elektronických obvodů na jednom čipu. PRI-Mn-S-001_mechatronicky vyrobek_koncept 14 / 24

15 MIKROJISKROVÉ OBRÁBĚNÍ (Microelectro-Discharge Machining - EDM) Metoda, při které se roztavuje a rozstřikuje část obrobku proti nástroji pomocí jiskření mezi obrobkem a elektrodou - nástrojem. PRINCIP METODY Obrobek i nástroj ponořeny do izolační tekutiny (deionizovaná voda, petrolej). Dojde-li k průrazu dielektrika, vzniká jiskra, která roztaví část obrobku, a současně se rychle vypaří tekutina a roztavená část je okamţitě rozstříknuta. Rozeznáváme tři základní typy této technologie: Drátová EDM metoda (Wire EDM) Hloubení matricí (Die Sinking) EDM frézování (Milling EDM) VÝHODY TECHNOLOGIE EDM pouţívá drátovou elektrodu na řezání tvaru, určeného speciálním programem, sestává z pouţití tvarované elektrody na opracování dutin ve tvaru (negativním) nástroje, pouţívá se pro výrobu komplexních tvarů pomocí jednoduché válcové elektrody. Elektrické obrábění není omezeno tvrdostí materiálu. Lehká obrobitelnost materiálú s vysokou tvrdostí povrchu. Beznapěťová metoda materiál se v procesu obrábění nevlní a nedeformuje. Metoda umoţňuje bezkontaktní práci nejsou pouţity ţádné velké síly mezi materiálem a pracovním nástrojem moţnost výroby jemného a tenkého výrobku. NEVÝHODY TECHNOLOGIE EDM Opracovávat lze pouze elektricky vodivé materiály. Rotor vzduchové mikroturbíny (metoda elektrojiskrového obrábění) PRI-Mn-S-001_mechatronicky vyrobek_koncept 15 / 24

16 NANOTECHNOLOGIE Technologie pracující v rozměrech 10 3 krát menších neţ mikroelektronika. Zabývají se vytvářením struktur o velikosti 10-7 aţ 10-9 m - rozměry jednotlivých atomů jsou m výrazně se uplatňuje vliv kvantových vlastností hmoty. Zahrnují postupy vyuţívané při výrobě elektronických součástek, ale i výzkum a vývoj nových materiálů (polymery,uhlíkové nanotrubice). Optimistický předpoklad dosaţení v roce 2049 velikosti křemíkových struktur asi 30nm hranice přechodu nanoelektroniky v kvantovou elektroniku Poznámka: Mikroelektronika je založena na pohybu nosičů elektrického náboje v elektrickém poli v polovodičových strukturách s nehomogenním rozložením koncentrace aktivních příměsí. Nanoelektronika je založena na spínacích efektech a ukládání informace na molekulární úrovni. Použití: Umoţnění vytvoření monomolekulárních vrstev, návrh a realizace vhodných měřicích sond a zařízení, uplatnění koncepce nanosystémů s extrémně malou spotřebou, napájených palivovými články, zhotovenými metodami mikromechaniky MEMS. PRI-Mn-S-001_mechatronicky vyrobek_koncept 16 / 24

17 STEREOLITOGRAFIE Metoda mikroobrábění, vyuţívající kombinace: laserové techniky, počítačem řízeného mechanismu, vlastností speciálních polymerů. PRINCIP METODY Výrobní proces rozdělen do tří fází: 1. Příprava modelu 2. Vlastní výroba stereolitografického (SL) modelu 3. Dokončení Základem výsledného SL modelu je jeho matematický popis dosaţení modelováním objektu v 3D systému CAD (např. SolidWorks). Transformovaná data jsou předána do výpočetní části SL zařízení k dalšímu zpracování model je SW rozřezán na tenké vrstvy o tloušťce 0,1 mm a kaţdá vytvořená vrstva je uloţena (automatický proces). V příslušném modulu aplikačního SW jsou doplněny údaje o fotopolymeru a generuje se program pro řídící jednotku SL zařízení. Vlastní zařízení tvoří: nízkoenergetický laser, soustava zrcátek řízených servopohony, pracovní komora s pracovní deskou poháněnou servopohonem, řídicí PC s patřičným softwarem. Pracovní komora je vybavena nádrţí s fotopolymerem, ve které se pohybuje pracovní deska, na níţ dochází k růstu modelu. Průběh vlastního procesu: na základě dat předaných z PC vykreslí laserový paprsek usměrněný na hladinu kapaliny soustavou zrcátek plochu jedné vrstvy rozřezaného modelu, následně se pracovní deska ponoří do nádrţe s fotopolymerem tak hluboko, aby došlo k úplnému smočení vytvořené vrstvy a vynoří se zpět mezi vytvrzeným polymerem a hladinou zůstane kapalina o tloušťce právě jedné vrstvy, celý proces se opakuje. K dotvrzení a osušení povrchu modelu od zbytků pryskyřice dochází v ultrafialové peci. Konečná povrchová úprava povrch hotového modelu lze dobře brousit, leštit, obrábět klasickými metodami (vrtat otvory, řezat závity apod.), barvit běţnými barvami na bázi epoxydových pryskyřic nebo máčením v práškových materiálech. PRI-Mn-S-001_mechatronicky vyrobek_koncept 17 / 24

18 VÝHODY TECHNOLOGIE STEREOLITOGRAFIE Umoţňuje konstruktérům, designérům přímou práci s fyzickým modelem, kontrolu ergonomie, smontovatelnosti, opravitelnosti apod. Vytvořením fyzického modelu podstatně urychluje celý proces vývoje výrobku výroba modelů a protypů klasickými metodami je velmi náročná a zdlouhavá. Umoţňuje přímou vazbu na vývojové prostředí (CAD/CAM). Použití: Splnění potřeb současných designérů a konstruktérů pracovat s fyzickým modelem, kontrolovat ergonomii, smontovatelnost, opravitelnost a jiné vlastnosti. PC myš vyrobená stereolitografií PRI-Mn-S-001_mechatronicky vyrobek_koncept 18 / 24

19 OSTATNÍ TECHNOLOGIE Kromě technologií mikroobrábění jsou pro výrobu mechatronických dílů vhodné: technologie svařování mikroplazmou, řezání vysokotlakým vodním paprskem, moderní postupy lepení. SVAŘOVÁNÍ MIKROPLAZMOU PRINCIP METODY Plazma vzniká v plazmovém hořáku při průchodu plazmového plynu stabilizovaným elektrickým obloukem. V důsledku vysoké teploty a z toho plynoucí vysoké energie sráţek atomů dochází k ionizaci. Ionizační energie se v místě dopadu paprsku plazmatu uvolňuje a vyuţívá k tavení materiálu. Kvalita spoje závisí také na dalších parametrech svařování: o průměru wolframové elektrody a trysky, o rychlosti proudu, o čistotě a průtoku plazmového plynu - argonu. Použití: Svařování tenkých plechů při svařovacím proudu 00,1 aţ 15A. ŘEZÁNÍ VYSOKOTLAKÝM VODNÍM PAPRSKEM (VKP) Metoda charakteristická studeným řezem neovlivňuje tepelně dělený materiál. PRI-Mn-S-001_mechatronicky vyrobek_koncept 19 / 24

20 PRINCIP METODY Na dělený materiál působí vysokým tlakem (běţně aţ 380 Mpa) kapalinový paprsek nebo v kombinaci tohoto tlaku s hmotnostním a brusným působením abrazivních částic nesených paprskem. Vzniká velmi úzký řez vodním paprskem výhoda při řezání tvarově komplikovaných výrobků nebo v případě úspory drahých polotovarů. Technologie vysokoenergetického kapalinového paprsku VKP Použití: Řezání všech druhů ocelí - nástrojových, nerezových a speciálních ve stavu ţíhaném, ale i po konečném tepelném zpracování. Jediná vhodná dělicí technologie pro materiály typu lamináty, umělé hmoty, kompozity, keramiku, tepelné a elektrické izolanty. Další uplatnění v automobilním, papírenském, dřevařském oboru a průmyslu umělých hmot. PRI-Mn-S-001_mechatronicky vyrobek_koncept 20 / 24

21 TECHNOLOGIE LEPENÍ VÝHODY LEPENÝCH SPOJŮ spojování různorodých konstrukčních materiálů: o plasty, o kovy, o pryţ, o sklo, o keramika. lepení velmi tenkých a křehkých materiálů, lepení v prostředí s nebezpečím výbuchu, případně kde nelze svařovat z jiných bezpečnostních důvodů. Podstatné sníţení výrobních nákladů ve strojírenství: o přechod na jednodušší stavebnicové díly, o odpadají pracovní postupy spojené s připevňovacími prvky, o sníţení nákladů na odlitky a jejich opracování, o sníţení výskytu nekvalitních výrobků, o lepení mohou provádět i méně kvalifikované síly, o vyuţití větších tolerancí, o odpadá pouţití drahých nástrojů, speciálních zařízení a strojů. NEEXISTUJE UNIVERZÁLNÍ LEPIDLO vlastnosti spoje ovlivňuje mnoţství faktorů: typ lepidla, typ lepeného podkladu, okolní prostředí, činící kaţdou aplikaci unikátní. Lepidla jsou tvořena polymery představují tepelný i elektrický izolant, vodivá lepidla vytvoříme vnesením určitého mnoţství kovového (stříbrného nebo zlatého) prášku a dalších speciálních plnidel. Kyanoakrylátová jednosloţková lepidla tuhnou v rozmezí 10 s při pokojové teplotě, pouţití ve strojírenství, automobilovém, leteckém průmyslu, v kosmonautice. Lepidlo z epoxidových polymerů Optické lepidlo Přírodní a tzv. biolepidla spojování logických obvodů a komunikačních částí. sníţení útlumu signálu při průchodu spoji. vyuţívaná v medicíně. PRI-Mn-S-001_mechatronicky vyrobek_koncept 21 / 24

22 2 PŘÍKLADY A UKÁZKY MECHATRONICKÝCH VÝROBKŮ PŘÍNOS MECHATRONIKY MECHANIKA ELEKTROTECHNIKA a ELEKTRONIKA Vyšší rychlost pohybů Rozvoj nových mikroprvků, mikrosenzorů na jednom čipu Extrémně malé a přesné výchylky a polohy mechanismů Komunikace a přenos informací uvnitře mechatronických výrobků pomocí optických vláken Aktivní tlumení Pouţívání řízených magnetických loţisek při uloţení rychloběţných pohonů PRI-Mn-S-001_mechatronicky vyrobek_koncept 22 / 24

23 Oblasti výrobků s aplikovaným mechatronickým přístupem: INŽENÝRSKÁ MECHATRONIKA Aplikačním objektem je technické zařízení nebo technologický proces: robotické soustavy redundantní paralelní roboty lesní roboty roboty v zemědělství pro sklizeň ovoce a zemědělských plodin, stříhání ovcí, mechatronické zemědělské stroje Aplikačním objektem jsou vozidla s počítači v místech realizace určitých činností: brzdové soustavy s ABS, řízení spalovacího procesu v motorech, řízené pérování vozidel a tlumení vibrací strojů, systémy kosmických sond, systémy autopilota a zbraňových systémů. Aplikačním objektem jsou řístoje pro vybavení kanceláří a domácností: mobilní telefony, holící strojky, hudební soupravy, fotografické aparáty apod. MIKRO A NANOMECHATRONIKA BIOMECHATRONIKA Aplikačními okruhy jsou bioobjekty, především lidé: Biomechatronické soustavy o poznávací, o klinické, o rehabilitační, o sportovní, o pro invalidy např. inteligentní protézy. Další příklady mechatronických výrobků: číslicově řízené obráběcí stroje, průmyslové roboty, programovatelné automaty, fotokamery, bezobsluţné kamery, polygrafické stroje, lékařské přístroje, umělé satelity, počítačové systémy pro řízení letadel, inteligentní pračky, holící strojky apod. PRI-Mn-S-001_mechatronicky vyrobek_koncept 23 / 24

24 KONTROLNÍ OTÁZKY A ÚLOHY (mechatronický výrobek) 1. Uveďte základní znaky mechatronického výrobku. 2. Vysvětlete typické fáze při návrhu mechatronického výrobku. 3. Uveďte příklady výrobků, které lze označit jako mechatronické, a vysvětlete proč. 4. Uveďte moderní materiály pouţívané v mechatronických výrobcích. 5. Uveďte moderní technologie pouţívané v mechatronických výrobcích. 6. Co jsou nanomateriály a nanotechnologie? 7. V čem spočívá inteligence materálů? Uveďte příklady. PRI-Mn-S-001_mechatronicky vyrobek_koncept 24 / 24