NÁVRH 3D MODELU VÁLCE MOTORU JAWA 50 A JEHO MOŽNÁ REALIZACE VÝROBY

Transkript

1 NÁVRH 3D MODELU VÁLCE MOTORU JAWA 50 A JEHO MOŽNÁ REALIZACE VÝROBY DESIGN 3D MODEL JAWA ENGINE CYLINDER 50 AND ITS POSSIBLE REALIZATION OF PRODUCTION BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR Michal DUSBABA VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR doc. Ing. Josef SEDLÁK, Ph.D. BRNO 2014

2

3

4 Místo tohoto listu bude vloženo zadání (oboustranně). Zadání musí být vevázáno v obou vyhotoveních práce. Do druhého výtisku bude vložena kopie. Tento list není třeba tisknut!

5 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 4 ABSTRAKT Tato práce se zabývá návrhem 3D modelu válce motoru Jawa 50 s využitím CAD softwaru a výrobou pomocí moderních technologií. V práci byla shrnuta historie vybraných motocyklů Jawa 50. Dále zde byla uvedena charakteristika a rozbor použitých materiálů (aditivní, odlévaný) pro výrobu válce motoru Jawa 50. K návrhu válce motoru Jawa 50 byl použit parametrický program SolidWorks. Součástí práce byl popis a rozbor aditivní technologie Rapid Prototyping včetně aplikace jedné z metod Fused Deposition Modeling na prototypovém modelu válce motoru Jawa 50. Práce se dále zabývá prototypovou výrobou reálného odlitku válce motoru s využitím slévárenské technologie přesné lití pomocí vytavitelných modelů. Práce je ukončena diskusí, která popisuje problematické kroky, ke kterým docházelo v jednotlivých etapách výroby. Klíčová slova Master model, válec motoru Jawa 50, Rapid Prototyping, Fused Deposition Modeling, SolidWorks, vytavitelný model. ABSTRACT This thesis deals with the 3D model design of the Jawa engine cylinder 50 produced by means of modern technologies with the use of CAD software. History of selected Jawa 50 motocycles was summarized in this thesis. In addition characteristics and analysis of used materials (additive and cast) were given to describe the Jawa 50 engine cylinder production. The parametric programme named SolidWorks was used for the Jawa engine cylinder 50 design. The principle of Rapid Prototyping additive technology was described and analysed as a part of this thesis as well as the detailed demonstration of one of these methods called Fused Deposition Modeling on a pilot model of the Jawa engine cylider. The thesis also elaborates on a pilot production of the real engine cylinder casting using technology of casting - namely the technology of precise casting with the use of meltable models. The thesis is concluded with discussing disputable steps undertaken in particular production phases. Key words Master model, Jawa engine cylinder 50, Rapid Prototyping, Fused Deposition Modeling, SolidWorks, meltable model. BIBLIOGRAFICKÁ CITACE DUSBABA, Michal. Návrh 3D modelu válce motoru Jawa 50 a jeho možná realizace výroby. Brno Bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Ústav strojírenské technologie. 53 s. 4 přílohy. Vedoucí práce doc. Ing. Josef Sedlák, Ph.D.

6 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 5 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Návrh 3D modelu válce motoru Jawa 50 a jeho možná realizace výroby vypracoval(a) samostatně s použitím odborné literatury a pramenů, uvedených na seznamu, který tvoří přílohu této práce Datum Michal Dusbaba

7 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 6 PODĚKOVÁNÍ Děkuji tímto doc. Ing. Josefu Sedlákovi, Ph.D. za cenné připomínky a rady při vypracování bakalářské práce. Dále bych rád poděkoval Ing. Martinu Macků za pomoc při výrobě silikonové formy a voskových modelů. V neposlední řadě patří poděkování mým rodičům za umožnění studia na vysoké škole a podporu během studia.

8 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 7 OBSAH ABSTRAKT... 4 PROHLÁŠENÍ... 5 PODĚKOVÁNÍ... 6 ÚVOD HISTORIE A VÝVOJ MOTOCYKLU JAWA Prototyp Jawa 50 typ Jawa 50 typ Jawa 50 typ Jawa 50 typ Jawa 50 typ 20 a 21 Sport CHARAKTERISTIKA A ROZBOR POUŽITÉHO MATERIÁLU (ADITIVNÍHO, ODLÉVANÉHO) Aditivní materiály ABS plast - akrylonitril butadien styren PLA - polymléčná kyselina PC - polykarbonát Odlévaný materiál Slitiny hliníku pro odlitky KONSTRUKCE VÁLCE MOTORU V APLIKACI SOLIDWORKS Charakteristika CAD programu SolidWorks Tvorba dílu Tvorba sestavy Tvorba výkresu Vlastní konstrukce válce motoru Jawa VÝROBA VÁLCE MOTORU POMOCÍ ADITIVNÍ (METODA FMD) A SLÉVÁRENSKÉ TECHNOLOGIE Aditivní technologie Rapid Prototyping Princip technologie Rapid Prototyping Použití technologie Rapid Prototyping Rozdělení metod Rapid Prototyping Metoda Fused Deposition Modeling - FDM Tisk válce motoru Jawa Příprava 3D modelu válce motoru Jawa 50 v softwaru CatalystEX Nastavení tisku 3D modelu válce motoru Jawa 50 v software CatalystEX Tisk master modelu válce motoru Jawa 50 3D tiskárnou Dimension uprint... 34

9 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List Úprava modelu válce motoru Jawa Výroba silikonové formy válce motoru Jawa Výroba jednotlivých částí silikonové formy Odlití voskových modelů válce motoru Jawa Konečná úprava voskových modelů Slévárenská technologie - Přesné lití do keramických forem Charakteristika technologie přesného lití Výroba válců motoru Jawa 50 slévárenskou technologií pomocí vytavitelných modelů DISKUSE Zhodnocení tvorby master modelu aditivní technologií Rapid Prototyping metoda FDM Zhodnocení výroby silikonové formy válce motoru Jawa Zhodnocení výroby voskových modelů válce motoru Jawa Zhodnocení výroby odlitků válce motoru Jawa 50 ze slitiny AlSi7Mg0, Náklady na použitý materiál válce motoru Jawa ZÁVĚR... 48

10 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 9 ÚVOD Dnešní doba sebou nese rozvoj nových technologií ve výrobě, nejen v oblasti strojírenského průmyslu, ale také v mnoha průmyslových oblastí, které používají strojírenské výrobky. Nároky na intenzitu výroby jsou ovlivňovány neustálým pokrokem, a proto jsou rozvíjeny nové technologie. Mezi tyto moderní technologie patří i aditivní technologie Rapid Prototyping (RP). Rozvoj aditivní technologie RP přináší používání široké oblasti netradičních materiálů. Tato technologie poskytuje rychlejší produktivitu výroby prototypových součástí, které však podléhají několika výrobním požadavkům. Tvarově složité součásti, vysoká přesnost, nízké náklady na výrobu a s tím spojená kratší doba potřebná ke zhotovení prototypu, než je tomu tak u tradičních metod obrábění. Cílem technologie RP je vytvoření reálné součásti nebo sestav součástí z virtuálního 3D modelu/ů v co v nejkratším výrobním čase a v co nejvyšší kvalitě zpracování. Redukce času má za následek zrychlení celého výrobního procesu v kooperaci se snížením výrobních nákladů. Technologií RP je možné vyrobit bez omezení jakkoliv tvarově složitou funkční součást z různých materiálů - plast, vosk, kov atd. V dnešní době je technologie RP používána pro názornou představu tvarově složitých prototypů, kontrolu designu navrhovaného prototypu a případnou úpravu během jakékoliv fáze výroby, simulace v oblasti namáhání apod. Správnou volbou konkrétní metody RP se zvoleným aditivním materiálem je možné vyrobit součást s požadovanou přesností a možností případného obrobení funkčních ploch. Jedna z metod technologie RP včetně použitého materiálu byla v práci popsána a aplikována pro výrobu master modelu válce motoru Jawa 50. Master model byl následně povrchově upraven a použit pro výrobu silikonové formy. Zhotovená silikonová forma sloužila k odlití čtyř voskových modelů, které byly základem pro výrobu skořepinové formy. Do skořepinové formy byla odlita slitina hliníku AlSi7Mg0,6 a po zchladnutí slitiny byla provedena destrukce skořepinové formy. Hliníkové odlitky válce motoru Jawa 50 byly odděleny od vtokové a výfukové soustavy. Pomocí dokončovacích operací (řezání, broušení a tryskání) bylo možné jednotlivé hliníkové odlitky klasifikovat jako finální výrobky. Výroba skořepinové formy a odlitků z hliníkové slitiny AlSi7Mg0,6 byla provedena v tuzemské firmě s několikaletou praxí. Obr. 1 Finální odlitky válce motoru Jawa 50 ze slitiny AlSi7Mg0,6.

11 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 10 1 HISTORIE A VÝVOJ MOTOCYKLU JAWA 50 Motocykl Jawa 50 od svého prvního navržení prodělal několik vývojových etap. Během vývoje se na motocyklu měnily nejenom vzhled, ale i výkonové charakteristiky. Vše začalo roku 1953, kdy pánové Josef Jozíf, Miroslav Kubíček, Josef Šťastný, Jiří Mráz a Karel Mareš začali pracovat na starých archivovaných výkresech Jawa 50, které do té doby nebyly realizovány. Během celé vývojové éry motocyklu Jawa 50 až po současnost vzniklo mnoho typů motocyklu: prototyp Jawa 50 typ 359, Jawa 50 typ 550, Jawa 50 typ 555, Jawa 50 typ 05, Jawa 50 typ 20 a 21 Sport, a další [1]. 1.1 Prototyp Jawa 50 typ 349 V roce 1954 byl navržen prototyp s názvem Jawa 359 viz obr Později bylo rozhodnuto, že výroba bude uskutečněna v Povážských strojírnách na Slovensku [1]. Obr. 1.1 Prototyp Jawa 50 typ 349 [1]. Tento prototyp měl však několik vad, které byly postupem času upravovány. Ovládání tohoto motocyklu nebylo snadné až nebezpečné. Jezdec musel řadit jednotlivé rychlostní stupně pomocí otočné rukojeti, která neměla zajištěnou aretaci. Páčka od spojky byla umístěna na levé straně řídítek, přišroubovaná nad páčkou zadní brzdy. Motocykl nebyl vybaven zadním světlem, nýbrž jen odrazkou. Po několika ověřovacích zkouškách bylo rozhodnuto o dalších konstrukčních vylepšeních a následné sériové výrobě [1].

12 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List Jawa 50 typ 550 Předchůdce typu 550 měl několik konstrukčních nedostatků. Nově navržený typ 550 motocyklu Jawa viz obr. 1.2 prošel několika konstrukčními změnami. Byla použita nová technologie výroby některých dílů v motoru, ale také změna vizáže, některých dílů motorového ústrojí např. změna obohacování směsi u karburátoru. Technologie odlévání bloku a skříně motoru do pískové formy se nahradila tlakovým litím do kovových forem. Vznikla tak větší přesnost odlitků a zrychlila se výroba jednotlivých částí. Odrazku na zadním blatníku nahradilo světlo s přídavným osvětlením poznávací značky. Prvním modelům byly vytýkány další nedostatky z důvodu rychlé výroby. Během prvního roku výroby bylo provedeno celkem 50 úprav a další nedostatky byly opravovány v rámci garančních prohlídek. I přesto tak vznikla první sériově vyráběná Jawa 50 s označením typ 550 [1]. 1.3 Jawa 50 typ 555 Obr. 1.2 Jawa 50 typ 550 [1]. Roku 1958 se začal prodávat model 555, který byl doplněn o několik modernizačních prvků, které setrvaly několik let v další výrobě. Na pohled byl tento typ líbivějšího a ucelenějšího vzhledu. Na začátku prodeje byl dostupný ve dvou provedeních a to standart a de-luxe. V provedení de-luxe byly velice účelné tzv.,,revmaplechy, které chránily jezdcovi nohy. Vyráběn byl samozřejmě v několika barevných konfiguracích, nejčastěji byl prodáván v barvě višňově červené. U majitelů tohoto motocyklu je možné vidět toto nejčastější barevné provedení i dnes. Jawa 50 typ 555 dostal zcela novou kapotáž zakulacených tvarů viz obr Přední blatník byl protáhlejší a hlubší, tím více bránil proti zašpinění. Rám byl otevřený jako u předchozího modelu, aby vyhovoval všem uživatelům a ulehčoval nasednutí. Přední a zadní kolo byly zaměnitelné, obě vybaveny celonábojovými bubnovými brzdami. Výkonově se od svého předchůdce nelišil, nicméně bylo vyrobeno pár závodních speciálů, které dosahovaly rychlosti až 77km/h [1].

13 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 12 Obr. 1.3 Vlevo Jawa 50 typ 555, vpravo Jawa 50 typ 555 s tvz.,,revmaplechy [1]. 1.4 Jawa 50 typ 05 Vývoj motocyklů pokračoval kupředu a v roce 1962 se v Povážských strojírnách vyráběla nová série typu 05. Tento typ viz obr se od svých předchůdců významně lišil už napohled. Motocykl byl vybaven dvoumístným sedadlem. Jelikož mohl motocykl přepravovat dvě osoby, musely být samozřejmě provedeny i motorové úpravy. Zvláštní na tomto motocyklu také je, že tento typ nebyl brán jako licence Jawy, nýbrž se na konstrukci podíleli pouze pracovníci Povážských strojíren. Jak již bylo řečeno motor byl přepracován, aby snesl větší zátěž. Úprava spočívala v zpřesnění výroby všech kanálků ve válci, zvýšením komprese, nastavením časování, novým karburátorem a výfukovým systémem. Díky těmto úpravám byl výkon navýšen z 2,2 HP na 3 HP. Úpravy neskončily jen navýšením výkonu, bylo zapotřebí přizpůsobit ostatní součásti motoru. Primární řetěz byl širší, spojka přizpůsobena tak, aby přenášela bez jakéhokoliv rychlejšího opotřebení větší výkon. Převodovka zůstala třístupňová, ale oproti předchozím modelům měl každý převodový stupeň jiné převodové číslo [1]. Obr Jawa 50 typ 05 [1].

14 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List Jawa 50 typ 20 a 21 Sport Roku 1967 byl na trh uveden nový typ s číslem 20 a jeho sportovní varianta Sport 21 viz obr Od svých předchůdců typu 05 Standart a 05 Sport se tento typ o mnoho nelišil. Byla provedena pouze modernizace motoru, kde se povedlo zvýšit výkon z původních 2,2 kw(3k) na 2,6 kw(3,5k). Zvýšení výkonu bylo dosaženo pomocí několika prvků. Byl použit nový karburátor firmy Jikov typ 2917 PSb. Byla zvýšena komprese z 7,5:1 na 9,2:1 za pomoci,,ledvinkového spalovacího prostoru hlavy motoru. Úprava nastala i v časování (rozvodu) motoru. Technické parametry typu 20, 21 Sport jsou uvedeny v příloze P1 [1]. Obr. 1.5 Vlevo Jawa 50 typ 20, vpravo Jawa 50 typ 21 Sport [1].

15 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 14 2 CHARAKTERISTIKA A ROZBOR POUŽITÉHO MATERIÁLU (ADITIVNÍHO, ODLÉVANÉHO) V této kapitole jsou popsány použité aditivní materiály ke zhotovení master modelu válce motoru Jawa 50 pomocí technologie RP. Dále jsou zde uvedeny materiály používané pro odlévání výrobků metodou přesného lití pomocí vytavitelných modelů. 2.1 Aditivní materiály Aditivní technologie Rapid Prototyping (RP) má své zastoupení v široké oblasti použití nejen ve strojírenství, ale také ve zdravotnictví a spotřebním průmyslu. Výběr konkrétní metody RP pro daný případ je závislý na: požadované přesnosti vyrobeného modelu, dodatečném obrobení funkčních ploch modelu, volbě vhodného materiálu pro výrobu modelu [2, 3]. Technologie RP je možné rozdělit na několik metod, které se od sebe liší použitím odlišných materiálů. Základní rozdělení technologie RP z hlediska používaných materiálů je uvedeno v tab. 2.1 [3]. Tab. 2.1 Základní rozdělení technologií Rapid Prototyping [3]. Základní technologie rapid Prototyping Zkratka Materiál modelu Stereolitografie SLA, SL Fotopolymer Solid Ground Cutting SGC Fotopolymer, nylon Selective Laser Sintering SLS Polyamid, nylon, vosk, kovové prášky Direct Metal Laser Sintering DMLS Kovové prášky Laminated Object Manufacturing LOM Papír s jednostranným pojivem Fused Deposition Modeling FDM ABS, PLA, vosk, polykarbonát Multi Jed Modeling MJM Termopolymer, akrylátový fotopolymer Válec motoru Jawa 50 byl vyroben aditivní technologií FDM, proto budou v další části práce zmíněné příslušné materiály uvedené v tab ABS plast - akrylonitril butadien styren ABS plast je termoplastický kopolymer, který je složen z akrylonitrilu, butadienu a styrenu. Chemickou odolnost (vůči kyselinám, louhům, uhlovodíkům, olejům a tukům), pevnost a odolnost vůči teplu zajišťuje kombinace akrynolonitrilu a styrenu. Odolnost vůči rázu zajišťuje butadien [4, 5]. Kopolymery styren - akrylonitril (SAN) byly používány již od roku 1940, neboť měly větší pevnost oproti styrenu a nacházely tak širší využití. V průběhu válečného programu, který byl zaměřen na výrobu syntetického kaučuku, bylo přidáno třetího monomeru - butadien, což mělo za následek vytvoření nového plastu pod zkratkou ABS [4, 5].

16 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 15 Mechanické vlastnosti materiálu ABS ABS materiál je možné kvalifikovat v následujících bodech: vysoká pevnost v tahu, rozměrová stálost, tvrdost povrchu a tuhost v široké oblasti teplot, flexibilní, chemicky odolný, dobrá rázová houževnatost v nízkých teplotách od -40 C [4, 5]. Kombinací určitých látek je možné vyrobit celou řadu ABS plastů viz tab. 2.2 s různými mechanickými vlastnostmi, avšak konečné mechanické vlastnosti jsou ovlivňovány tepelným zpracování při výrobě a tvarování. ABS plasty lze zpracovávat až do 280 C, zhotovené výrobky odolávají teplotám do 105 C [4, 5]. Tab. 2.2 Různé modifikace ABS plastů [6, 7, 8]. Zkratka ABS ABSplus ABSi ABS-M30 PC/ABS Stručná charakteristika Základní materiál s nízkou mezí pevnosti v tahu 22 MPa. Vhodný pro rychlou produkci prototypových modelů. Pevnější materiál až o 40 % než ABS plast. Mez pevnosti v tahu 36 MPa. Při použití s technologií FDM vznikají pevnější a hladší modely s výraznější strukturou pro detail. Rázová houževnatost toho materiálu je vyšší než u základního ABS plastu. Mez pevnosti v tahu 37 MPa. Vhodný materiál pro funkční prototypy. Oproti základnímu ABS plastu má tento plast o 25 až 70 % vyšší mez pevnosti. Obvyklá mez pevnosti 36 MPa. Výsledný model prokazuje podobnou drsnost povrchu a strukturu detailu jako materiál ABSplus plast. Spojením polykarbonátu (PC) a ABS plastu je docíleno získání nejlepších vlastností obou plastů. Vyšší mez pevnosti a odolnost vůči teplu poskytuje PC, flexibilitu zajišťuje ABS plast. Mez pevnosti v tahu 41 MPa. Použití nachází v automobilovém průmyslu, elektronice, ve výrobě hraček atd. Na neupravený ABS plast je možné snadno nanášet různé vrstvy laku, chromu či samotný plast obarvit různými barvivy. Dále je možné ABS plasty lepit rozpouštědlovými lepidly na bázi toluenu a metylenchloridu nebo pomocí polyakrylátových lepidel [4, 5]. Použití ABS plastu Díky své universálnosti jsou ABS plasty nejpoužívanější materiál v širokém okruhu produktů viz obr Své podstatné zastoupení má i ve strojírenství, zejména při výrobě prototypových modelů [4, 5].

17 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List PLA - polymléčná kyselina Obr. 2.1 Produkty vyrobené z ABS plastu [5]. Kyselina polymléčná (PLA) je zařazena mezi biodegradabilní polyestery, neboť má tu schopnost postupného štěpení na oligomery až samotný monomer díky účinkům životního prostředí. Tento biologicky plně odbouratelný materiál je vyráběn z kukuřičného škrobu nebo cukrové třtiny [9, 10]. Mechanické vlastnosti materiálu PLA Největší předností PLA je sklon ke kroucení, který je daný minimálním rozpínáním při tavení. Při nižších teplotách tisknutí má model stále velkou pevnost a jednotlivé vrstvy tisknutého materiálu jsou kvalitně spojené. Po tisku lze model vyrobený z materiálu PLA dále opracovat běžnými metodami, ale z důvodu nízkému bodu tavení, není strojní broušení vhodná varianta, neboť materiál je rychle zahřán brusným papírem až k bodu měknutí. Tento problém lze snadno odstranit vhodným chlazením materiálu při samotném broušení. Ručním broušením a vrtáním lze materiál opracovat prakticky bez omezení. Povrchové úpravy jako je lakování, je možné po nanesení základní barvy pro tvrdé plasty [9, 10]. Použití PLA potravinářský průmysl (obaly potravin), lékařství, strojírenský průmysl (technologie RP) [9, 10] PC - polykarbonát Specifická skupina tvořena termoplastickými polymery - polykarbonáty jsou snadno opracovatelné, formovatelné a tepelně tvarovatelné. Díky těmto vlastnostem mají polykarbonáty zaručenou širokou oblast použití včetně technologie RP [11]. Mechanické vlastnosti materiálu PC Specifickým znakem polykarbonátů je kombinace velice dobré mechanické odolnosti, na pohled sklovité průhlednosti, vynikající rozměrové stálosti a vysoké tepelné odolnosti. PC poskytuje návrhářům svobodnou vůli designu pro širokou škálu výrobků. Ačkoliv polykarbonát disponuje vysokou odolností vůči rázovému zatížení, nevýhoda PC spočívá

18 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 17 v nízké odolnosti vůči poškrábání. Tato nevýhoda je odstraněna pomocí aplikace speciální ochranné vrstvy zejména u brýlových skel a vnějších součástek automobilů. Vlastnosti polymetylmetakrylátu (PMMA, akryl) jsou velice blízké vlastnostem PC, nicméně PC má vyšší pevnost a je použitelný v širším rozsahu pracovních teplot. Polymer PC je vysoce transparentní pro viditelné spektrum světla, disponuje vyšší propustností světla oproti jiným druhům skla [11]. Použití PC V roce 1953 byl PC objeven a v následujících letech byl používán pro komerční využití. Zpočátku byl PC používán pro elektrické a elektronické součásti např. obrazovky, konektory, později pro zasklívání skleníků a veřejných budov. Díky bezkonkurenční pevnosti materiálu a nízké hmotnosti je výčet možností použití téměř nekonečný od neprůstřelných oken až po kompaktní disky (CD, DVD). Polykarbonátové čočky vybaveny filtrem proti UV záření jsou použity ve slunečných brýlích, které jsou ideální pro sportovní využití díky zmíněné vysoké pevnosti PC. Uplatnění nachází ve stavebním průmyslu jako je výroba skleníků, venkovních staveb, ale také v automobilovém průmyslu ve výrobě světlometů a v neposlední řadě v oblasti zdravotnictví [11]. 2.2 Odlévaný materiál Slitiny hliníku je možné rozdělit podle různých kritériích. Nejčastěji se uvádí rozdělení podle způsobu zpracování jednotlivých slitin. Ke dnu bylo registrováno 18 slitin hliníku, které jsou vhodné pro tváření a 16 slitin hliníku, které se používají na odlitky. Dalším možným kritériem dělení slitin hliníku je zda jsou schopny měnit svoje mechanické vlastnosti jako je zvýšení tvrdosti nebo zvýšení pevnosti tepelným zpracováním - vytvrzováním. Tato schopnost je spjata s chemickým složením slitin, konkrétně s jejich polohou v rovnovážném diagramu odpovídající soustavy a mimo to je podmínkou dostatečné přesycení tuhého roztoku na bázi hliníku přísadovými prvky. Obecné rozdělení hliníku podle vhodnosti použití ke tváření a slévání a tepelnému zpracování ukazuje rovnovážný diagram obr. 2.2 [12]. Obr. 2.2 Schéma obecného rovnovážného diagramu binárních slitin hliníku [12] Slitiny hliníku pro odlitky Svoje uplatnění získávají u výroby tvarových odlitků litím do písku, do kovových forem nebo tlakovým litím. U první metody mají odlitky hrubou strukturu a nejhorší pevnostní

19 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 18 charakteristiky. U lití do kovových forem a tlakovým litím se dosahuje jemné struktury a lepších mechanických vlastností. Oproti slitinám hliníku ke tváření mají podstatně nižší mechanické vlastnosti, např. mez pevnosti v tahu je okolo 250 MPa [12]. Podle slitinových bází je možné rozdělit hliníkové slitiny pro odlitky na: Slitiny Al-Si (Binární siluminy) Tyto slitiny se rozdělují na podeutektické, eutektické a nadeutektické. Nejlepší slévárenské vlastnosti však mají nadeutektické. Eutektikum, které představuje tuhý roztok α a krystaly téměř čistého křemíku, přináší slitinám několik pozitivních vlastností. V poměrně velkém obsahu (40 až 75 hm%) podporuje vysokou zabíhavost a snižuje lineární smrštění. Dále snižuje sklon k tvorbě trhlin za tepla a sklon ke vzniku mikropórovitosti. K přednostem slitin Al-Si patří dobrá odolnost proti korozi. Přesto se pro tvarové odlitky používají méně, neboť větší zastoupení pro tvarové odlitky získaly pevnější speciální siluminy [12]. Speciální siluminy Ke zlepšení pevnostních charakteristik binárních siluminů přispěly přísady hořčíku a mědi. Takto vznikají speciální siluminy Al-Si-Mg a Al-Si-Cu, které lze ještě po odlití vytvrzovat. Slévárenské vlastnosti těchto siluminů jsou horší než u binárních siluminů Al-Si. Použitím přísadových prvků (Mn, Ti, Zn, Ni) se některé vlastnosti opět zlepšují. Speciální siluminy mají zastoupení v široké oblasti tvarově složitých a tenkostěnných odlitků, které se nacházejí v automobilech a v ostatní dopravní technice, např. skříně spalovacích motorů a převodovek, písty, hlavy válců, řemenice, pouzdra, disky kol, součásti pro letadla a další [12]. Pro výrobu odlitků válce motoru Jawa 50 pomocí vytavitelných modelů byla zvolena hliníková slitina AlSi7Mg0,6. Tento speciální silumin je běžně používán pro odlévání tvarově složitých odlitků s různě proměnlivým průřezem. Slitiny Al-Cu Binární slitiny Al-Cu se používají málo, avšak slitiny polykomponentní, které jsou ze základní báze Al-Cu odvozené mají své uplatnění větší. Přísady niklu a železa disperzně zpevňují tuhý matriční roztok, ve kterém jsou nerozpustné [12].

20 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 19 3 KONSTRUKCE VÁLCE MOTORU V APLIKACI SOLIDWORKS V kapitole je popsán postup navrhování tvarově složitého 3D modelu válce motoru Jawa 50. Pro modelování dané součásti byl zvolen parametrický program SolidWorks. 3.1 Charakteristika CAD programu SolidWorks Program SolidWorks je konstrukční software, který umožňuje konstruktérům, inženýrům a dalším tvůrčím profesionálům realizovat své výrobky v 3D rozměru. Mimo to nabízí návrhy plechových dílů, forem, svařenců a celou řadu simulačních programů, které mají pomoci ověřit návrhy 3D modelů před uvedením do výroby. Program je rozdělen na tři části, které může uživatel použít: díl, sestava a výkres viz obr. 3.1 [13, 14] Tvorba dílu Obr. 3.1 Rozdělení programu SolidWorks [13]. Díl je nejdůležitější část celého programu. Za použití skic uživatel navrhuje daný předmět v rozměru 2D. V první fázi je tedy vše vytvořeno ze základní skice, která musí být správně okótována. K přeměně skici z rozměru 2D do hmotného 3D tvaru je poskytována uživateli celá řada modelových prvků. Nabízené prvky jsou např. Rotace kolem osy, Přidání vysunutí, Spojení profilů, Odebrání vysunutí a mnoho dalších Tvorba sestavy Do sestavy je možné vkládat navržené díly pomocí vazeb, které zajišťují správné uložení navržených dílů a mohou tak uživateli prezentovat finální výrobek. Záložka analýza poskytuje uživateli několik typů kontrol, které jsou před samotnou výrobou a hlavně montáží velice důležité. Použitím Rozměrové analýzy, Kontroly přesahů, Ověření vzdáleností, Zarovnání děr a spoustu dalších kontrol umožní uživateli celý výrobek zkontrolovat a případné chyby rovnou v sestavě opravit Tvorba výkresu Tvorba výkresu je poslední část, která je nedílnou součástí každého výrobního procesu ve strojírenství. Program poskytuje vytvoření výkresové dokumentace jak jednotlivých dílů nebo sestav daného výrobku. Uživatel je schopen pomocí programu vytvořit plnohodnotný výkres součásti podle stanovených pravidel kótování s použitím kót, pozic, zobrazení řezu, zobrazení detailu apod. Plná asociativita souborů programu SolidWorks spočívá

21 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 20 v automatickém generování výkresové dokumentace po provedení změn v 3D modelu. Díky této výhodě je tvorba výkresové dokumentace snazší a časově méně náročná. 3.2 Vlastní konstrukce válce motoru Jawa 50 Před navrhováním vlastní konstrukce válce motoru Jawa 50 bylo zapotřebí celou konstrukci modelování důkladně promyslel. Šlo především o to, jak by modelování bylo co nejefektivnější z hlediska časové náročnosti a také složitosti některých konstrukčních prvků. Nejprve byla skicována polovina válce viz obr. 3.2 včetně žeber, která mají funkci chlazení. Obr. 3.2 Tvorba skici válce motoru Jawa 50. Při skicování bylo použito z panelu Skica několik tvarových skic jako jsou kružnice, přímka a tečný oblouk. Snadnou manipulaci při vyndávání voskových modelů ze silikonové formy při dalším zpracování zajistilo správné zakótování úhlů žeber pasivního chlazení. Po zakótování všech potřebných rozměrů jako byly rádiusy, rozteče a úhly žeber bylo možné skicu považovat za plně určenou a dále s ní pracovat. K přeměně z 2D rozměru do 3D modelu byl použit prvek Přidání vysunutím. Aby mohlo být tento prvek použit, bylo zapotřebí mít danou skicu plně uzavřenou. V tomto případě byla uzavřena pomocí osy, která byla použita záměrně. Dále už sám program nabídl možnost zadání délky v milimetrech do jaké bylo potřebné růžově vybarvenou plochu vysunout viz obr. 3.3.

22 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 21 Obr. 3.3 Přeměna 2D skici do 3D modelu. Potvrzením volby byla polovina válce vysunuta na potřebnou délku. Následně pro dokončení druhé poloviny válce bylo použito dalšího prvku a to Zrcadlení. Při volbě tohoto prvku musí být určeno jaká plocha nebo celkové vyhotovené prvky mají být zrcadleny. Dále je nutné zvolit rovinu či plochu, které určují pomyslnou hranici zrcadlení. Hranice zrcadlení byla zvolena Pravá rovina, která zároveň procházela pomyslnou osou válce motoru Jawa 50, jak je možné vidět na obr Obr. 3.4 Zrcadlení poloviny válce motoru Jawa 50. Po zhotovení hrubého modelu válce motoru byly dále modelovány jednotlivé kanálky. Jako první byly modelovány vnitřní přepouštěcí kanálky válce motoru. Skicování přepouštěcích kanálků bylo uskutečněno ze strany, kde je přišroubována hlava válce. V první řadě bylo nutné rozvrhnout rozteče a umístění děr pro spojovací šrouby tzv.,,štefty z důvodu snadné montáže finálního výrobku válce motoru Jawa 50. Tvar skici, který představoval ohraničení přepouštěcích kanálků viz obr. 3.5, byl zhotoven tvarově složitou křivkou. Při konstruování bylo použito několik zaoblení skici, tečných vazeb mezi jednotlivými přechody a středových oblouků. Tím vznikl přibližně stejný tvar, který byl

23 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 22 oproti originálu o 2 mm širší, což bylo záměrem. Poté byl použit prvek Přidání vysunutí a skica mohla být vysunuta do patřičné délky. Obr. 3.5 Ohraničení přepouštěcích kanálků válce motoru Jawa 50. Dále zbývalo vymodelovat výsledný vnitřní tvar přepouštěcích kanálků. Tvar byl zachován z tovární produkce, nicméně zaoblení a celková šířka byla oproti původnímu návrhu zvětšena o 2 mm. Zvětšení mohlo být provedeno jen do určitých rozměrů, neboť by úprava nepřinesla žádné pozitivní účinky. Docházelo by k nežádoucímu opotřebení ostatních součástí uvnitř motoru (těsnění), následnému úniku převodového oleje do spalovacího prostoru a velkému rozdílu spotřeby paliva. Po konečném zakótování viz obr. 3.6 byl použit prvek Odebrat vysunutím. Obr. 3.6 Skica vnitřních přepouštěcích kanálků motoru Jawa 50. Následně byla zadána potřebná hloubka odebrání materiálu v milimetrech. Poté bylo zapotřebí zaoblit a zkosit příslušné hrany, které vznikly předchozím odebráním materiálu. Pomocí prvků Zkosit viz obr. 3.7 a Zaoblit viz obr. 3.8, které tuto operaci provádějí, byly po zadání potřebných rádiusů a úhlů dokončeny vnitřní přepouštěcí kanálky.

24 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 23 Obr. 3.7 Zkosení hran přepouštěcích kanálků válce motoru Jawa 50. Obr. 3.8 Zaoblení hran přepouštěcích kanálků válce motoru Jawa 50. Dalším krokem bylo vymodelování výfukového kanálku. Nejprve byla vytvořena skica, která ohraničovala velikost a tvar. Skica byla konstruována v rovině žebra, kde je výfukový kanálek při montáži spojen s výfukem. Skica byla vytažena do 3D prostoru za použití prvku Přidání vysunutí. U zadávání potřebné délky vysunutí byla zvolena možnost vysunout danou skicu na obě strany. Na stranu ven z válce k výfuku byla pevně stanovená délka vysunutí číselnou hodnotou v mm. Druhým směrem k válci byla zadána možnost vysunout po plochu. Jako omezující plocha byla vybrána díra pro vložku válce viz obr. 3.9.

25 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 24 Obr. 3.9 Skica ohraničující tvar výfukového kanálku válce motoru Jawa 50. Po zaoblení hran, které vznikly vysunutím, byl dále modelován otvor výfukového kanálku. Zde bylo použito prvku Odebrat spojením profilů. Před použití tohoto prvku bylo nutné zkonstruovat dvě soustředné skici (kružnice a rovnoramenný lichoběžník se zaoblenými rohy) ve dvou rovnoběžných rovinách vzdálených od sebe 41 mm. Použitím prvku Odebrat spojením profilů vznikl konečný tvar výfukového kanálku, který představoval odebrané objemové těleso s podstavami zmiňovaných skic dle obr Obr Otvor výfukového kanálku válce motoru Jawa 50. Při modelovaní sacího kanálku válce motoru Jawa 50 byl použit stejný postup jako u výfukového kanálku. Skica, která představovala ohraničení tvaru (elipsa) viz obr. 3.11, byla vysunuta do patřičné hloubky s omezující plochou obdobně jako při skicování výfukového kanálku - díra pro vložku válce.

26 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 25 Obr Skica ohraničující tvar sacího kanálku válce motoru Jawa 50. Následně byl použit prvek Odebrání spojení profilů. Skici, které představovaly podstavy objemového tělesa, byly dva obdélníky se zaoblenými rohy vůči sobě zarovnané k delší straně obdélníka viz obr Odebrané objemové těleso představovalo konečný tvar sacího kanálku válce motoru Jawa 50. Obr Otvor sacího kanálku válce motoru Jawa 50. Pro dokončení 3D modelu válce motoru Jawa 50 v aplikaci SolidWorks, bylo použito prvku Zaoblení hran. Bylo nutné všechny vzniklé hrany zaoblit z důvodu správné zabíhavosti materiálu při výrobě silikonové formy a voskových modelů. Výsledný řez 3D modelu válce motoru Jawa 50 viz obr 3.13 bylo ještě nutné pomocí analýzy měření zkontrolovat zda sací a výfukový kanálek jsou ve správné pozici, aby nevznikly komplikace při nastavení časování a samotného předstihu motoru.

27 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 26 Obr Řez 3D modelu válce motoru Jawa 50.

28 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 27 4 VÝROBA VÁLCE MOTORU POMOCÍ ADITIVNÍ (METODA FMD) A SLÉVÁRENSKÉ TECHNOLOGIE Tato kapitola pojednává o postupu výroby navrženého tvarově složitého modelu válce Jawa 50 s využitím technologie RP. Dále je popsána výroba silikonové formy, sloužící pro odlévání voskových modelů. Voskové modely byly použity pro slévárenskou technologii přesného lití za pomoci vytavitelných modelů. 4.1 Aditivní technologie Rapid Prototyping Aditivní technologie má své podstatné zastoupení v dnešních moderních trendech. Jedna z nově rozvíjených technologií je i Rapid Prototyping (RP). Historie RP sahá do 80. let 20. století, kdy byla vyvinuta technika stereolitografie. Výhoda technologie RP spočívá v redukci času, který je potřebný pro návrh nového prototypu a zároveň potřebný pro samotnou výrobu. Lze tak snadno vyrobit funkční tvarově složitou součást a správným výběrem technologie i pevnostně vyhovující za kratší dobu, než tomu bývá u klasických metod obrábění. Redukce výrobního času poskytuje snížení výrobních nákladů součásti [2, 3] Princip technologie Rapid Prototyping Technologie RP poskytuje stavbu fyzických prototypových součástí z prostorových virtuálních 3D modelů. 3D model může být vytvořen v libovolném CAD systému s podporou tvorby objemového či plošného modelu nebo pomocí naskenování reálné součásti prostorovým skenerem. Vytvořený model je poté převeden do příslušného formátu (nejčastěji *.stl) za nutné podmínky, kdy všechny povrchy vytvořeného modelu jsou uzavřené. Tento proces zajišťuje automatické převedení vytvořeného 3D modelu do příčných řezů trojúhelníkové sítě polygonů, kde je možné definovat vzdálenosti jednotlivých vrstev viz obr. 4.1 [2, 3, 18]. Tvar vyrobené součásti. Tvary jednotlivých vrstev Proces tvorby součásti, vypočítané softwarem. schéma. Obr. 4.1 Obecný princip technologie RP [3]. Všechny metody RP vyžadují navržení tzv. podpůrné konstrukce, která zabraňuje případnému zborcení materiálu v místě, kde není v určité etapě tisku součásti zajištěna samonosnost. Vhodné navržení orientace v softwaru tiskárny před samotným tiskem snižuje spotřebu podpůrného materiálu, software vždy automaticky nastavuje určitou vrstvu podpůrného materiálu pod tištěnou součástí. Výrobek zhotovený technologií RP je tedy zhotoven opakovaným nanášením materiálu po vrstvách konstantní tloušťky v řádu setin až desetin mm (metoda aditivní), naproti tomu u konvenčních metod obrábění je z daného výrobku materiál odebírán ve formě třísky (metoda subtraktivní) [2, 3, 18].

29 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List Použití technologie Rapid Prototyping Technologie RP má v dnešní době zastoupení nejen v automobilovém a leteckém průmyslu viz obr. 4.2, ale její potenciál vzrůstá ve spotřebním průmyslu i zdravotnictví. Použitím technologie RP lze vyrobit prostorově složitý model s cílem získání názorné představy o celkovém provedení a tvaru. Následně slouží jako kontrola designu navrženého modelu, v kterékoli fázi vývoje je snadné upravit stávající geometrii a případně korigovat další vývojové fáze výrobku. Technologie RP má významné zastoupení v oblasti výroby nástrojů a uzavřených forem. Využití RP nachází také u simulací v oblastech namáhání, proudění, koncepčního konstruování, designu a archivace 3D modelů [2, 3, 18] Rozdělení metod Rapid Prototyping Obr. 4.2 Součásti vyrobené technologií RP [15, 16]. Společným principem všech metod technologie RP při výrobě modelu je opakované přidávání vrstev materiálu o dané tloušťce. Samotné přidávání materiálu je založeno na několika principech, kdy je použito specializovaných zařízení. Tato zařízení zahrnují spékání/slinování prášků o různém chemickém složení (kov, plast), nanášení vrstev roztaveného materiálu a spojování speciálních fólií. Základní rozdělení komerčně dostupných technologií RP z hlediska různých principů nanášení a použití materiálu je na obr. 4.3 [2,3]. Obr. 4.3 Schéma základního rozdělení metod RP [17].

30 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 29 Válec motoru Jawa 50 byl vyroben aditivní technologií FDM na bázi tuhých materiálů (plast ABSplus), proto bude dále popsána tato metoda. 4.2 Metoda Fused Deposition Modeling - FDM Historie metody FDM sahá do roku 1988, kdy byla vynalezena společností Stratasys, Inc. Výroba modelu metodou FDM je založena na postupném nanášení polotekutého termoplastického materiálu navinutého ve formě tenkého drátu na cívce, ze které je pomocí podávacího a dávkovacího systému vytlačován z vyhřívané trysky na podložku viz obr Vše začíná použitím softwaru CatalystEX vyvinutým firmou Statasys, Inc., ve kterém jsou nastaveny veškeré atributy potřebné pro tisk, tloušťka jednotlivých vrstev nanášeného materiálu, nastavení způsobu vyplnění stavebního a podpůrného materiálu, měřítko tisku, orientace v pracovním prostoru atd. 3D tiskárny, které pracují na principu FDM používají materiály jako jsou ABS nebo ABSplus plast, polykarbonát, elastomer, vosk atd. Zásobu materiálu poskytují 2 speciální kazety - jedna se stavebním materiálem, druhá s materiálem pro vytvoření podpor, neboť tato metoda vyžaduje stavbu podpůrné konstrukce. Podpůrná konstrukce zabraňuje případnému zborcení stavebního materiálu během tisku a je následně po vytisknutí modelu mechanicky nebo chemicky odstraněna. Pomocí kladek je stavební a podpůrný materiál dopravován do extruzivní trysky, ve které je ohříván o 1 C vyšší než je jejich teplota tavení. Po styku vytlačovaného materiálu s vytvářeným modelem je materiál ochlazen okolním vzduchem a ihned ztuhne. Extruzivní tryska pracuje v souřadnicovém systému v rovině X, Y dokud není dokončena jedna celá vrstva tisknutého modelu. Poté dojde k posunutí celé základní podložky o tloušťku nanášeného materiálu ve směru osy Z. Tento proces tisknutí jednotlivých vrstev v rovině X, Y a následné posunutí podložky o tloušťku materiálu v ose Z, se opakuje dokud není vyroben celý model. Správná volba orientace modelu na pracovní podložce a výrobního postupu výrazně ovlivňuje pevnost vyrobeného modelu [3, 18]. Výhody: Metoda FDM poskytuje vyrobení funkčního prototypu, který má mechanické vlastnosti blízké vlastnostem konečného produktu. Při procesu výroby modelu je vznik odpadu minimální (pouze materiál tvořící podpůrnou konstrukci). Podpůrnou konstrukci lze snadno odstranit mechanicky nebo chemickým způsobem. V průběhu procesu výroby modelu je možné samotné tisknutí pozastavit z důvodu výměny prázdné kazety s materiálem za novou a pokračovat dále v tisknutí [3]. Nevýhody: Nevýhoda metody FDM spočívá v omezené přesnosti dané tvarem použitého materiálu pro výrobu modelu a průměrem na výstupu extruzivní trysky. Rychlost procesu výroby nelze urychlit z důvodu principu metody FDM a vlastnostmi použitých materiálů. Další nevýhodou je smrštění zhotoveného modelu během chladnutí. Tato nevýhoda je spojena s vlastnostmi použitého materiálu, nicméně ji lze určitým způsobem korigovat vhodným nastavením samotného tisku v softwaru CatalystEX, což ale vyžaduje určitou zkušenost uživatele s daným softwarem [3].

31 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List Tisk válce motoru Jawa 50 Obr. 4.4 Schéma metody FDM [19]. Příprava a nastavení tisku navrženého válce motoru Jawa 50 byly provedeny v programu CatalystEX. Tisk navrženého válce byl proveden 3D tiskárnou uprint od firmy Dimension, která pracuje s metodou FDM. Stavebním materiálem válce motoru byl termoplast ABSplus Příprava 3D modelu válce motoru Jawa 50 v softwaru CatalystEX Příprava tisku 3D modelu válce Jawa 50 byla provedena v softwaru CatalystEX. Zhotovený model válce motoru byl z aplikace SolidWorks převeden do formátu *.stl viz obr. 4.5 [20]. Obr. 4.5 Import dat válce motoru Jawa 50 do softwaru CatalystEX [20].

32 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List Nastavení tisku 3D modelu válce motoru Jawa 50 v software CatalystEX Model válce motoru byl umístěn do pracovního souřadného systému a bylo provedeno jednotlivé nastavení parametrů tisku viz obr. 4.6, které bylo nezbytné pro vlastní tisk modelu válce motoru tiskárnou uprint [20]. Obr. 4.6 Nastavení vlastností 3D tisku válce motoru Jawa 50 [20]. Nastavení vlastností tisku 3D modelu válce motoru Jawa 50: Velikost vrstev (Layer resolution) Nastavení velikosti vrstev bylo možné provést ve třech variantách: 0,178 mm, 0,254 mm, 0,330 mm [20]. Tloušťka vrstvy byla již přednastavena od výrobce tiskárny uprint tj. 0,254 mm. Vzdálenost jednotlivých vrstev výrazně ovlivňuje kvalitu povrchu zhotoveného modelu a má podíl i na délce času potřebné k vyhotovení modelu [20]. Vyplnění modelu (Model interior) Způsob vyplnění 3D modelu bylo možné nastavit ze tří možností: Solid, Sparse - high density, Sparse - low density [20]. Možnost výplně 3D modelu je zvolena podle dalšího zpracování prototypu a nároků na požadované mechanické vlastnosti. Model válce motoru Jawa 50 bylo nutné vytisknout s nastavením výplně Solid z důvodu namáhání chladicích žeber při následném opracování modelu (broušení povrchu) a tvorby silikonové formy [20].

33 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 32 Solid Varianta výplně Solid je použita v případě, kdy je kladen důraz na vyšší pevnost a odolnost zhotovené součásti. Stavební materiál je takřka vyplněn v celém objemu součásti viz obr. 4.7 a jeho spotřeba je také u tohoto nastavení největší. Z tohoto důvodu je také čas potřebný pro 3D tisk nejdelší [20]. Sparse - high density Obr. 4.7 Možnost výplně Solid [20]. Pro následné obrábění součásti je použita možnost výplně Sparse - high density. Tato možnost výplně zajistí dostatečnou pevnost součásti při samotném obrábění, úsporu stavebního materiálu viz obr. 4.8 a snížení potřebného času pro 3D tisk [20]. Sparse - low denstity Obr. 4.8 Možnost výplně Sparse - high density [20]. U součástí sloužících pouze k vizualizaci bez požadavků na pevnost a odolnost je používána možnost výplně Sparse - low density. Spotřeba stavebního materiálu viz obr. 4.9 a čas potřebný k 3D tisku jsou u této volby nejnižší [20]. Obr. 4.9 Možnosti výplně Spase - low density [20].

34 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 33 Vyplnění podpory (Support fill) Volba výplně podpůrného materiálu byla vybrána z několika provedení: Basic, Sparse, Minimal, Break-away, Surround [20]. Podpůrná konstrukce je používána během tisku pro podepření přečnívajících tvarů tisknutého modelu, aby bylo zabráněno případnému zborcení stavebního materiálu v místě tisku. Po vytisknutí modelu je možné podpůrnou konstrukci odstranit mechanicky nebo chemickým způsobem. Varianta podpůrného materiálu pro tisk válce motoru Jawa 50 byla zvolena Sparse [20]. Basic Volba Basic je nejčastější nastavení u většiny modelů. Je zde použito konzistentní vzdálenosti mezi rastrovými drahami [20]. Sparse Možnost Sparse minimalizuje množství potřebného podpůrného materiálu. Vzdálenost mezi jednotlivými rastrovými drahami je větší než u nastavení Basic [20]. Minimal Tato varianta je použita u malých modelů, kde je zapotřebí podpůrnou konstrukci co nejsnadněji odstranit [20]. Break-away Nastavení Break-away má podobný charakter jako podpora Sparse. Odlišnost spočívá v delším času tisknutí dané podpory, ale nejjednodušším odstranění podpůrného materiálu, než je tomu tak u ostatních variant nastavení [20]. Surround Při tisknutí protáhlých a štíhlých modelů, kdy je celý model obklopen podpůrným materiálem je volen tento druh podpory [20]. Počet kopií (Number of copies) Možnost, ve které lze nastavit počet tisknutých kopií daného modelu [20]. Volba jednotek (STL units) Zde je možné nastavení jednotek 3D tisku (milimetry/palce). Před tiskem válce motoru Jawa 50 byly zvoleny jednotky v milimetrech [20]. Měřítko (STL scale) Toto nastavení určuje velikost měřítka daného modelu. V případě tisknutí válce motoru Jawa 50 bylo nastaveno měřítko 1:1 [20].

35 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 34 Software CatalystEX po zpracování dat ve formátu *.stl automaticky generuje podpůrnou konstrukci podle orientace 3D modelu v pracovním prostoru viz obr [20]. Obr Automatické generování podpůrné konstrukce válce motoru Jawa 50 [20]. Dále je možné zjistit stav zbývajícího objemu materiálu v kazetách, množství objemu stavebního a podpůrného materiálu potřebných pro zhotovení samotného modelu a potřebný výrobní čas viz tab. 4.1 [20]. Tab. 4.1 Základní informace o tisku master modelu válce motoru Jawa 50 [20]. Základní informace o 3D tisku master modelu válce motoru Jawa 50 Spotřebovaný stavební materiál 452,53 cm 3 Spotřebovaný podpůrný materiál 37,78 cm 3 Celkový čas potřebný pro tisk 23:53 hod Tisk master modelu válce motoru Jawa 50 3D tiskárnou Dimension uprint Po nastavení všech potřebných vlastností tisku, byl soubor odeslán z osobního počítače do tiskárny Dimension uprint. Základní informace o 3D tiskárně Dimension uprint jsou uvedeny v tab Zmačknutí tlačítka start tisku byl jediný úkon, který byl proveden u samotné tiskárny osobně viz obr Před samotným procesem výroby tiskárna automaticky předehřeje pracovní prostor na provozní teplotu 74 C. Poté byla na pracovní desku jako první nanesena 5 mm vrstva podpůrného materiálu, na kterou byl dále nanášen stavební materiál viz obr Vrstva podpůrného materiálu slouží ke snadnému oddělení zhotoveného master modelu od pracovní desky a zabraňuje nechtěnému poškození vyrobeného modelu.

36 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 35 Obr Spuštění 3D tisku tiskárnou Dimension uprint. Tab. 4.2 Základní informace o 3D tiskárně Dimension uprint [21]. Specifikace produktu Dimension uprint Modelovací materiál Modelovací prostor Tloušťka vrstvy ABSplus - barva slonová kost 203 x 152 x 152 mm 0,254 mm Podporované operační systémy Windows XP, Vista, 7 Síťové připojení Rozměry a váha Požadavky na napájení Ethernet TCP/IP 10/100 base T 635(š) x 660(h) x 940(v) mm, 94 kg VAC 50/60 Hz, jištění min. 7 A

37 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 36 a) b) Obr a) Začátek tisku modelu, b) Dokončený tisk modelu. 4.4 Úprava modelu válce motoru Jawa 50 Vytisknutý model bylo nutné v prvé řadě zbavit podpůrného materiálu, který byl v otvorech sacího a výfukového kanálku a mezi pracovní deskou a modelem. Pomocí šroubováku a kleští byly opatrně mechanicky odstraněny větší části podpor. Poté byl master model se zbylými částmi podpor vložen do ultrazvukové čističky P702 naplněné speciálním rozpouštěcím roztokem o teplotě cca 65 C. Zařízení omývalo master model pomocí ultrazvukových vln do doby než byl zbaven zbytku podpůrného materiálu viz obr a) b) Obr a) Vytisknutý master model s podpůrným materiálem, b) Odstranění zbylého podpůrného materiálu v ultrazvukové čističce P702. Získaný master model válce motoru Jawa 50 byl po odstranění podpůrného materiálu rozměrově shodný s virtuálním 3D modelem s vroubkovaným povrchem. Tento nedostatek vzniká jednotlivým nanášením vrstev stavebního materiálu během 3D tisku. Úprava povrchu byla nutná z důvodu dalšího využití master modelu k výrobě silikonové formy a voskových modelů, kdy voskový materiál při odlévání špatně zabíhal do silikonové formy a samotné vyndávání voskových modelů ze silikonové formy by nebylo snadné. Vyhlazení povrchu master modelu bylo docíleno opakovaným nanášením tekutého tmelu

38 FSI VUT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE List 37 ve spreji v kombinaci ručního broušení velice jemným brusným papírem ve vodní lázni. Tekutý tmel byl nanášen po tenkých vrstvách. Bylo vždy nutné nechat zaschnout předchozí nástřik nejméně 25 minut, aby došlo k rovnoměrnému pokrytí daného povrchu. Na model byly vždy naneseny 3 vrstvy v časovém intervalu 30 minut. Po nanesení třetí vrstvy bylo nutné nechat model vyschnout po dobu nejméně 24 hodin k dosažení správného vytvrzení tmelu. Následně byl master model ručně broušen jemným brusným papírem o zrnitosti 600, 800, 1200 ve vodní lázni. Z důvodu tvarově složitého modelu a vzniku malých vad z předchozího tmelení, bylo nutné tento proces opakovat 3 krát, přičemž tímto postupem bylo dosaženo co nejhladšího povrchu master modelu. Úprava povrchu master modelu pomocí tmelu a ručního broušení ve vodní lázni viz obr byla z celé výrobní etapy nejvíce náročná na čas a manuální zručnost. a) b) Obr a) Proces ručního broušení ve vodní lázni, b) Finální master model válce motoru Jawa 50 po vybroušení. 4.5 Výroba silikonové formy válce motoru Jawa 50 Před výrobou silikonové formy je velice důležité správné zvolení dělicí roviny. U master modelu válce motoru Jawa 50 byla tato volba dělicí roviny jednoduchá, neboť master model byl osově symetrický. Vzhledem k tvarové složitosti master modelu a výskytu sacího a výfukového kanálku byla silikonová forma složena z 5 samostatných částí - 3 jádra pro otvory a 2 poloviny silikonové formy, které charakterizovaly tvar chladicích žeber. Životnost silikonových forem je podstatně nižší než u neželezných forem a obrobených forem z oceli. Běžná trvanlivost forem je okolo 10 kusů při zachování přesnosti odlitků až do několika desítek kusů (30 až 40), u kterých není kladen důraz na přesnost Výroba jednotlivých částí silikonové formy Při vytváření jednotlivých částí formy byl vždy master model podepřen nařezanými tabulkami skla, které byly vždy slepeny pomocí tavné pistole, čímž bylo zabráněno možnému překlopení master modelu při samotném odlévání silikonové formy. Následně bylo odlévané místo ohraničeno plastelínou, aby nedošlo k přetečení silikonu. Ke zhotovení jednotlivých forem byl použit silikon SILASTIC T-4 smíchaný v poměru 10:1 s vytvrzovacím tužidlem viz příloha P2. Před každým odlitím jednotlivých částí formy bylo nutné směs silikonu a vytvrzovacího tužidla umístit do vakuového licího systému MK Mini, jak je možné vidět na obr Vakuová komora odsává vzduch na hodnotu o 1 bar nižší než je hodnota atmosférického tlaku, čímž je potlačen vznik