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

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV KONSTRUOVÁNÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF MACHINE AND INDUSTRIAL DESIGN ZAŘÍZENÍ PRO VAKUOVÉ LITÍ DO SILIKONOVÝCH FOREM VACUUM CASTING CHAMBER DIPLOMOVÁ PRÁCE DIPLOMA THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR JAKUB ROUPEC ING. DAVID PALOUŠEK BRNO 2007

2 ANOTACE Cílem diplomové práce je konstrukce zařízení pro vakuové odlévaní do silikonových forem. Diplomová práce obsahuje rešerši z oblasti Rapid Prototypingu. Dále je v úvodní části zpracována oblast vakuového odlévání plastů, používaných materiálů, vakuovacích podmínek a je zde popsán postup při odlévání. Vlastní práce se zabývá konstrukcí vakuové komory s využitím 3D parametrického modeláře. Je zde řešena pevnostní analýza vakuové komory pomocí metody konečných prvků, konstrukce vnitřního zařízení komory a finanční rozvaha. KLÍČOVÁ SLOVA Rapid Prototyping, Rapid Tooling, Rapid Manufacturing, vakuová odlévací komora, 3D parametrický modelář, MKP ANOTATION Thesis objective is construction of equipment for casting in vacuum into silicone mould. Thesis introduction contains recherché from Rapid Prototyping section. Below in the introduction is data processing of vacuum casting section, used materials, vacuum conditions and description of casting process. One's own works considers construction of vacuum casting chamber in 3D parametric modeler. There is solution of strain stress analysis with the help of Finite Element Method (FEM), construction of inner equipment a financial premeditation. KEY WORDS Rapid Prototyping, Rapid Tooling, Rapid Manufacturing, Vacuum casting chamber, 3D parametric modeler, FEM BIBLIOGRAFICKÁ CITACE ROUPEC, J. Zařízení pro vakuové lití do silikonových forem. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, XY s. Vedoucí diplomové práce Ing. David Paloušek.

3

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

5

6 Obsah strana OBSAH ÚVOD...3 RAPID PROTOTYPING...4. Základní přehled Preprocessing Processing Postprocessing Technologie výroby modelu SL LS FDM LOM DP VAKUOVÉ ODLÉVÁNÍ Princip tvorby modelu Používané materiály Silikony Licí materiály Vakuovací podmínky Vakuová čerpadla Zařízení na trhu KONSTRUKCE VAKUOVÉ KOMORY Výsledná podoba prototypu vakuové komory Varianta A Orientační pevnostní výpočet Rám plechové konstrukce Boční výztuha konstrukce Příčná výztuha police Celkové zpevnění konstrukce Varianta B Orientační pevnostní výpočet Zpevnění konstrukce Zpřesnění výpočtu Zvýšení tuhosti dveří Zpřesnění zatížení v oblasti dveří Varianta C Orientační pevnostní výpočet Úprava dveřního otvoru a pevná police Přesahy předního plechu Zvětšení tloušťky plechu a navržení žeber Držáky odlévacích misek Snížení hmotnosti konstrukce Žebra bočních plechů Ověření výpočtu v softwaru Ansys Workbench Finanční rozvaha Vnitřní zařízení komory Výtah komory Servomotor a pevnostní kontrola pohybového šroubu...62

7 strana 2 Obsah Odlévací misky Servomotory pro otáčení licích misek Dveře vakuové komory Elektroinstalace CELKOVÁ FINANČNÍ ROZVAHA MASTER MODEL, SILIKONOVÁ FORMA A ODLITEK Master model Silikonová forma Odlitek ZÁVĚR... 9 LITERATURA SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ SEZNAM OBRÁZKŮ A GRAFŮ SEZNAM TABULEK SEZNAM PŘÍLOH... 00

8 Úvod strana 3 ÚVOD Na trhu rozhoduje o úspěšném výrobku několik faktorů. Kromě funkčních parametrů to je v posledních letech především design, ergonomie a rychlost uvedení výrobku na trh. Právě ergonomii, design a správnou funkci výrobku lze nejsnáze ověřit na funkčním prototypu. Prototypy z kovových materiálů je nejvýhodnější vyrábět konvenčními metodami třískového nebo abrazivního obrábění. Ovšem vyrábět prototypy z plastových materiálů vstřikováním do forem je časově i finančně neúnosné a prodlužuje to výrazně dobu zavedení výrobku na trh. Zvláště v dnešní době, kdy pronikly plasty do všech oborů lidské činnosti a jen málokterý výrobek se obejde bez plastových součástí, se stává funkční prototyp plastového dílu zásadním bodem při vývoji výrobku. Proto se v moderních provozech čím dál více uplatňují technologie z oblasti Rapid Prototyping, díky kterým lze vyrobit během několika hodin funkční prototyp přímo z CAD modelu a to v kancelářském prostředí. Díky těmto technologiím lze výrazně zkrátit dobu od návrhu po zavedení výrobku do výroby. Jedním ze zařízení, které se používá v oblasti Rapid Prototyping technologií, je i vakuová odlévací komora, jejíž konstrukce je cílem této diplomové práce. Obr. Rapid Prototyping [ 25 ]

9 strana 4 Rapid Prototyping RAPID PROTOTYPING.. Základní přehled Rapid Prototyping (RP) označuje oblast technologií, která se doslova zabývá rychlou výrobou prototypu. Tato oblast vznikla v osmdesátých letech a od té doby se vyvíjí nové technologie a metody. Vznik modelu pomocí RP metod je založen na přidávání materiálu po vrstvách k již dříve vytvořeným vrstvám. Klasické třískové obrábění naopak materiál po vrstvách odebírá. V roce 987 představila firma 3D Systems, Inc (USA) první RP systém SLA- [33], založený na principu stereolitografie (SL). Tímto rokem začal progresivní vývoj oblasti RP. Vznikaly nové metody tvorby modelu, RP se začal propojovat s 3D CAD technologiemi, reverzním inženýrstvím, vznikly obory Rapid Tooling (RT) a Rapid Manufacturing (RM). Rapid Manufacturing a Rapid Tooling byly založeny na základech RP. Rozdíl mezi Rapid Prototyping a Rapid Manufacturing je pouze v následném použití vyrobené součásti [3]. Rapid Prototyping využívá součást jako model nebo prototyp, zatímco Rapid Manufacturing využívá součást jako funkční díl koncové sestavy. Předpoklady pro využití RM jsou kusová výroba, složitost dílu, větší rozměrové tolerance a nízké nároky na mechanické vlastnosti materiálu. Pomocí technologie Rapid Tooling se vyrábí nástroje (formy, kovové modely, opravy nástrojů, atd ). Tato technologie využívá pro výrobu modifikované metody LS (Laser Sintering) a FDM (Fused Deposition Modelling) z oblasti Rapid Prototyping. Později, kdy se již technologie RP, RT a RM diferencovaly natolik, že se již mluvilo o samostatných kategoriích, byla zavedena oblast Additive Fabrication [2,34], která souhrnně označuje tyto tři technologie. V poslední době vývoj v oblasti Additive Fabrication směřuje k těmto cílům [3,3]: Lepší mechanické vlastnosti prototypových materiálů Zdokonalení metody Selective Laser Sintering (nyní je nutné součástku ručně opracovat nebo ofrézovat) Zjednodušení konstrukce a obsluhy výrobních zařízení Snížení ceny výrobních zařízení a používaných materiálů Zrychlení výrobního procesu Zvyšování přesnosti rozměrů vyrobené součástky (dle technologie) Vyšší automatizace výrobního procesu Snížení rizika vzniku chyb při výrobě Rapid Prototyping je moderní směr, který se neustále rozvíjí. Využití má především v automobilovém průmyslu, letectví, spotřebním průmyslu, lékařství [], optice, atd. Např. v automobilovém průmyslu využívají RP téměř všichni světový výrobci [4,5,6]: Auto Union (Audi), Adam Opel AG, Ford AG, Mercedes Benz (Daimler Chrysler), BMW, Jaguar, Seat, Citroën/PSA, Fiat, Volvo, Piaggio, Porsche, Saab, Rover, Renault nebo Škoda. Z firem působících v leteckém průmyslu lze uvést [4]: General Electric, Leistritz, MAN, MTU, Pratt&Whitney nebo Rolls Royce. Z dalších odvětví průmyslu lze jmenovat [4] vývoj turbín (Siemens), optiku (Weiss, Rodenstock) nebo elektrotechnický průmysl (Elektrolux, ETA).

10 Rapid Prototyping strana 5 V diagramu na obr.. je zobrazen postup tvorby fyzického modelu. Zdroj dat může být získán vymodelováním v libovolném z 3D modelářů (Catia, ProEngineer, Inventor, SolidWorks, Rhinoceros, 3D MAX Studio, atd.) nebo může být získán za pomoci některé z metod reverzního inženýrství (reverzní inženýrství je proces, který vytvoří z fyzického modelu kopii v podobě 3D digitálního geometrického modelu). Po přípravných operacích následuje výroba digitálního modelu. V následujících kapitolách jsou stručně popsány přípravné operace, výroba modelu a princip jednotlivých technologií výroby. Zdroj dat: 3D CAD Reverzní inženýrství STL digitální data Fyzický model: SL LS FDM LOM 3DP Obr.. Diagram přímé tvorby modelu nebo prototypu Základní fáze vzniku fyzického modelu pomocí RP jsou: Preprocessing Processing Postprocessing.2 Preprocessing Preprocessing označuje všechny přípravné práce před vlastní výrobou. Digitální model se musí převést do formátu STL (Stereolitography file). Převod do tohoto formátu podporuje většina 3D strojírenských CAD modelářů s možností nastavení hustoty polygonální sítě. Pro převod se také může použít speciální software (např. Magic), který umožňuje opravy a úpravy STL formátu. Firma produkující zařízení pro Rapid Prototyping obyčejně dodává software, který připraví model v STL formátu na výrobu. Tento proces zahrnuje orientaci dílu, generaci řezů (určení stavěcího materiálů a podpor) a generaci NC drah. Po těchto operacích je možné začít s výstavbou dílu..2

11 strana 6 Rapid Prototyping.3.3 Processing Processing označuje vlastní tvorbu modelu. V diagramu na obr.. je pět základních technologií výroby modelu [34]: SL Stereolitografie LS Laser Sintering FDM Fused Deposition Modelling LOM Laminated Object Manufacturing 3DP Three Dimensional Printing Další dvě skupiny technologií se využívají především v oblasti Rapid Tooling a jsou odvozené z Rapid Prototyping. Technologie jednotlivých firem mají obchodní označení, proto nejsou názvy v rámci skupiny jednotné: Power Bed systémy založené na LS (Selective Laser Sintering, Direct Metal Laser Sintering, LaserCUSING, atd.) Power Deposition systémy založené na FDM (Direct Metal Deposition, Laser Engineering Net Shaping, atd.).4.4 Postprocessing Postprocessing nebo-li dokončovací práce zahrnují několik základních procesů, jejichž užití je závislé na použité výrobní technologii: Základní proces postprocessingu je odstranění podpor. Podpory označují podpůrný materiál, který je přidáván ke stavěnému modelu, aby bylo možné stavět převislé části modelu, dutiny a tvarově složité části. Podpory lze odstraňovat mechanicky (SL, LOM, FDM) nebo chemicky (FDM). Chemické odstranění podpor u technologie FDM probíhá vyplavením v zásaditém roztoku. Podpory není nutné stavět u technologií Laser Sintering a Three Dimensional Printing. Čištění. Zvláště u modelů vyráběných z prášků (LS a 3DP). Vytvrzování. Např. u stereolitografie je nutné model vytvrdit, což je pomalý a zdlouhavý proces. Napouštění různými tužidly se používá pro zvýšení mechanické tuhosti (3DP). U Laser Sinteringu bývá materiál pórovitý, takže vhodným napouštědlem lze měnit mechanické vlastnosti již hotového modelu Úprava povrchu. U většiny designových počinů je kladen důraz na povrchové zpracování. Ani laserové technologie nemají takovou přesnost, aby dokázaly vyrobit hladké povrchy. Existuje několik postupů, jak povrch upravit.. tmelení nejčastěji se používá polyuretanový tmel 2. leptání u FDM lze nástřikem speciálního rozpouštědla natavit tzv. schodky způsobené vertikálním posunem stavěcí platformy 3. broušení pokud není kladen požadavek na velkou přesnost, je možné nechat vyrobit model o trochu větší, zaformovat ho a odlitek následně vybrousit Je důležité si uvědomit, že Postprocessing je nedílnou součástí výroby prototypu a významnou měrou může ovlivnit konečnou cenu a čas výroby prototypu.

12 Rapid Prototyping strana 7.5 Technologie výroby modelu.5. SL Stereolitografie je nejstarší z technologií Rapid Prototyping. Byla vyvinuta firmou 3D Systems, Inc [33]. Princip této metody [2] spočívá v postupném vytvrzování tekutého fotopolymeru (plastické hmoty citlivé na světlo) pomocí laseru (HeCd). Vrstva modelu, která se zrovna tvoří, je vždy u hladiny tekutého polymeru. Když je vrstva hotova, posune elevátor model dolů o hodnotu tloušťky vrstvy Výhody: Nevýhody:. nejpřesnější metoda (velmi dobrý detail a povrch) 2. velké množství použitelného materiálu. v postprocessingu (dokončovací operace) nutné čištění a pomalé tvrzení polymeru 2. menší tepelná a mechanická odolnost modelu 3. nutná stavba podpor a jejich mechanické odstranění Obr..2 Stereolitografie [ 35 ]

13 strana 8 Rapid Prototyping LS Laser Sintering je novější metoda než SL. Tento systém byl vyvinut na texaské univerzitě v Austinu [3]. Je založen na postupném spékání jednotlivých vrstev pomocí laseru [2]. Výchozím materiálem je prášek (plastový, kovový nebo slévárenský písek). Výhody: Nevýhody:. model je pevnější než u SL 2. LS nevyžaduje stavbu podpor 3. široká škála materiálů (termoplasty, polystyren, slitiny niklového bronzu, kovové materiály, pískové směsi) 4. kovové materiály se používají v Rapid Tooling v odvozených technologiích viz. kap. 3.. nelze pracovat na jednom zařízení s různými materiály (různé vytvrzovací podmínky) 2. postprocessing zahrnuje nutné očištění modelu od prášku 3. pro zlepšení mechanických vlastností se hotový model napouští tužidly Obr..3 Princip Laser Sinteringu [ 5 ]

14 Rapid Prototyping strana FDM Fused Deposition Modelling je metoda, jež je kompromisem odolnosti modelu, rychlosti a přesnosti stavby modelu. Byla vyvinuta firmou Stratasys, Inc [7]. Jako jediná spolu s 3DP nepoužívá laser. Materiál je přiváděn tenkým vláknem z termoplastu do vyhřívané trysky. Ta vlákno ohřeje na teplotu o C vyšší než je teplota tání materiálu [3]. Tryska poté nanáší požadovanou vrstvu modelu. Materiál při styku s již zhotovenou části modelu rychle tuhne a dochází k pevnému spojení..5.3 Výhody: N evýhody:. dobré mechanické vlastnosti materiálů (velice podobné plastům) 2. možné využití více druhů materiálů na jednom modelu 3. podpory lze odstranit vyplavením v roztoku hydroxidu sodného 4. po odstraněné podpor žádný další postprocessing 5. nízká cena. FDM vyžaduje stavbu podpor 2. horší kvalita povrchu než u laserových technologií 3. nižší přesnost Obr..4 Fused Deposition Modelling [ 6 ]

15 strana 20 Rapid Prototyping LOM Tento systém byl vyvinut americkou firmou Helisys [8]. Model je tvořen na svisle se pohybující podložce. Celý proces modelování probíhá tak, že se na nanesenou a vyřezanou vrstvu natáhne papírová folie opatřená vrstvou polyetylénu, která se poté přitlačí soustavou vyhřívaných válců, čímž dojde ke slepení obou vrstev [2]. Paprskem laseru je vyřezán požadovaný obrys vytvářené vrstvy. Přebytečná odřezaná folie je laserem rozdělena na čtverce a později odstraněna. Po vytvoření vrstvy se podložka sníží o tloušťku folie a postup se opakuje. Výhody: Nevýhody:. rychlá tvorba modelu 2. vhodné na tvorbu velkých modelů. hodně odpadu 2. horší kvalita povrchu nutné ruční opracování Obr.. 5 Laminated Object Manufacturing [ 34 ]

16 Rapid Prototyping strana DP.5.5 Systém byl vyvinut v Massachusetts Institute of Technology [3]. Vrstva prášku je nanášena válcem přes stavěcí prostor a zpevněna pojivem, které je aplikováno tryskou z nanášecí hlavy. Princip nanášení pojiva je obdobný jako u inkoustového tisku [2]. Výhody: Nevýhody:. velmi dobrá produktivita stavby 2. nevyžaduje stavbu podpor 3. True Color Printing plnobarevný tisk 4. vysoké rozlišení (u Z50 nastavení tloušťky vrstvy 0,089 0,203 mm) 5. prášek lze opakovaně používat 6. velký výběr materiálů s širokým spektrem materiálových vlastností 7. nízké výrobní náklady modelu. nutný postprocessing napouštění tužidlem pro zvýšení mechanické tuhosti Obr..6 Three Dimensional Printing [ 34 ]

17 strana 22 2 Vakuové odlévání VAKUOVÉ ODLÉVÁNÍ 2. Princip tvorby modelu Součástí technologie Rapid Prototyping je také odlévání plastů ve vakuu. Vakuové lití je vhodné pro malé série do cca 00 kusů prototypových dílů z polyuretanových a polyamidových materiálů, které se svými vlastnostmi velmi blíží materiálům sériových dílů. Lití se provádí do silikonových forem (materiál ESSIL, SILASTIC). Forma se vyrobí zalitím master modelu do silikonového materiálu. Master model lze získat z již existující součásti nebo z prototypového modelu vyrobeného některou z RP technologií zmíněných v minulé kapitole. Master model se musí náležitě upravit. Vhodnou lepící páskou se musí dostatečně oblepit dělící rovina. Je vhodné např. zalepit díry pro šrouby, které mohou být vyvrtány po odlití, apod. K master modelu se musí přilepit vtokový kanálek a za pomoci tenkých drátů vhodně umístit model do prostoru formovací nádoby. Před zalitím master modelu silikonem je nutné silikon zavakuovat a tím ho zbavit rozpuštěných bublinek vzduchu. Po zalití master modelu silikonem se musí vakuování opakovat. Po ztuhnutí silikonu se forma rozřízne. Vytvoří se tak již naznačená dělící rovina. Vyjmutím master modelu je forma hotová. Do ní jsou ve vakuu odlévány ze speciálního dvousložkového materiálu malosériové prototypové díly. Forma se většinou před odléváním vyhřeje na teplotu okolo 70 C pro zlepšení zatékavosti. Někdy se také zahřívá licí materiál. Odlitek je vhodné nechat vytvrdit (temperovat) za zvýšené teploty 50 až 70 C. Materiál odlitku je potom odolnější vůči mechanickému poškození. Vlastnosti odlévaných dílů je možné nasimulovat poměrem licích složek přesně podle vlastností sériového dílu (tvrdost, barva, pružnost, čirost, atd.). Odlitky lze dále opracovávat, lakovat a následně použít jako ověřovací plně funkční díly. Tato technologie se používá například při výrobě prototypových dílů v automobilovém průmyslu, ale také v mnoha dalších oborech - pro výrobu prototypů elektrického nářadí, domácích elektrospotřebičů, telefonů, počítačů atd. Shrnutý postup tvorby modelu v bodech:. úprava master modelu (obr. 2.a, obr. 2.b) 2. vakuování silikonu (obr. 2.c) 3. zalití master modelu silikonem (obr. 2.d) 4. opakované vakuování formy s master modelem (obr. 2.e) 5. vychladnutí formy při teplotě okolo 70 C 6. rozříznutí formy a vyjmutí master modelu (obr. 2.f, obr. 2.g) 7. vyhřátí formy na teplotu 70 C 8. promíchání a odlití dílu ve vakuu (obr. 2.h, obr. 2.i) 9. vytvrzení odlitku při teplotě 50 až 70 C 0. vyjmutí odlitku (obr. 2.j)

18 2 Vakuové odlévání strana 23 Obr. 2. Postup tvorby prototypového modelu [ 7 ]

19 strana 24 2 Vakuové odlévání Používané materiály 2.2. Silikony Na výrobu forem pro odlévání ve vakuu jsou nejčastěji používány silikonové kaučuky. Snadno se zpracovávají i vytvrzují a jejich konečné vlastnosti uspokojují i náročné požadavky uživatelů. Mimo výroby forem jsou vhodné i na výrobu dalších výrobků. Jejich použití je tedy velmi široké. Pro praktické použití silikonových kaučuků je zejména důležitá pružnost. Díky ní se snadno z forem uvolňují i tvarově komplikované odlitky. Ve většině případů není nutno pro snadné uvolnění z formy používat separátory. Z formy lze vyjmout i odlitek s negativním zkosením. Další výhodnou vlastností je průsvitný vzhled, který umožňuje rozříznutí formy přesně podle naznačených dělících rovin na master modelu. Silikony mají velmi nízké smrštění, dobrou rozměrovou stabilitu, jsou velice houževnaté a mají středně vysokou tvrdost. Formy ze silikonových kaučuků jsou použitelné pro odlévací hmoty na bázi polyuretanů, epoxidů, polyesterů ale i silikonů. Dále je možno do těchto materiálů odlévat i nízkotavitelné slitiny, sádru, keramiku, atd. [3]. Silikon je dvousložkový materiál složený ze základní složky, která se po smíchání s vytvrzovacím činidlem vytvrdí při pokojové teplotě adiční reakcí. Vytvrzení lze urychlit temperováním nebo urychlovači. Při odlévání silikonové formy bez vakuování může nastat problém se vzduchovými bublinkami přítomnými v silikonu. To má negativní vliv na kvalitu povrchu a při odlévání tenkostěnných odlitků může dojít i ke zhroucení stěny formy. Na trhu je velká nabídka různých druhů silikonů, které se mohou lišit materiálovými charakteristikami (viskozita, tvrdost, pevnost v tahu, smrštitelnost, doba práce se směsí). Např. pro transparentní odlitky se doporučuje tzv. forma suchá, která na povrchu není tolik mastná a dovoluje snadnější vyjmutí transparentního odlitku. Na druhou stranu forma z tohoto silikonu má menší životnost než forma ze silikonu pro běžné odlitky. Výrobci a prodejci silikonů uvádí 00 až 200 vyrobených odlitků z jedné formy [9]. Pro kvalitní zatečení silikonu okolo master modelu se doporučuje používat zpomalovač reakce. Tím se prodlouží doba zpracovatelnosti. Zvláště u složitých modelů je to výhodné, protože silikon stačí kompletně zatéci okolo celého master modelu.

20 2 Vakuové odlévání strana Licí materiály Pro vakuové odlévání do silikonových forem se nejčastěji používají polyuretanové pryskyřice. Tyto pryskyřice mají materiálové vlastnosti velice podobné plastům. Kterému plastu se bude vytvrzená hmota blížit svými materiálovými vlastnostmi, záleží na typu použité pryskyřice a na množství vytvrzovacího činidla. V praxi jsou nejčastěji napodobovány tyto plasty:. PE (polyethylen) hračky, mikrotenové sáčky, elektrotechnická instalace 2. ABS (akrylonitrilbutadienstyren) spotřební průmysl 3. PP (polypropylen) textilní průmysl, obalový průmysl 4. PS (polystyren) izolace, spotřební průmysl 5. PA (polyamid) textilní průmysl 6. PMMA (polymetylmetakrylát) plexisklo 7. PC (polykarbonát) stavebnictví 8. POM (polyoxymethylen) strojírenství (vodící kroužky, pouzdra, atd.) 9. PEEK (polyetereterketon) strojírenství (tyče, trubky, ozubená kola, atd.) Plasty samy o sobě mají kladné i záporné materiálové vlastnosti. Pro dané použití kombinují výrobci polyuretanových pryskyřic kladné vlastnosti více plastů. Např. PE/PP, PE/PP/PS, ABS/PS, atd. Zvyšuje se tak např. tepelná odolnost, rázová houževnatost, pevnost v tahu, pevnost v ohybu, apod. Informace o materiálových vlastnostech polyuretanových pryskyřic jsou zpracovány z propagačních materiálů firmy ACR Czech s.r.o. [9]. Polyuretanové pryskyřice jsou dvousložkové materiály. Základní složka se míchá s vytvrzovacím činidlem nejčastěji v těchto poměrech: 00/00, 00/80, 00/60, 00/50, 00/40, atd. Po důkladném smíchání obou složek se doba zpracovatelnosti pohybuje v rozmezí 3 až 8 minut. Pro snížení viskozity a tím zlepšení zatékavosti do formy lze licí materiál předehřát. Zkrátí se tím ale podstatně doba zpracovatelnosti. Proto je důležité konfrontovat dobu zpracovatelnosti a viskozitu. Materiál s nízkou viskozitou je zbytečné zahřívat. Snadno zateče do formy a nezkrátí se doba zpracovatelnosti. U některých materiálů je nutné zvažovat teplotu zahřátí, aby materiál neztuhl kvůli kratší době zpracovatelnosti dříve než úplně zateče do formy. Viskozita polyuretanových pryskyřic se velice liší. Od nízkoviskózních pryskyřic (00 mpa.s) po pryskyřice s vyšší viskozitou (okolo 300 mpa.s). Doba odformování se u různých polyuretanových pryskyřic obvykle pohybuje od 25 do 20 minut při teplotě temperování 70 C. Teplotní odolnost pryskyřic se pohybuje v rozmezí od 75 až po 220 C. Modul pružnosti dosahuje hodnot od 500 po 4500 MPa. Hustota pryskyřic je od,06 do,22 g/cm 3. Tvrdost plastových materiálů se obvykle měří zkouškou tvrdosti podle Shorea. Jedná se o dynamicko-elastickou zkoušku, kdy se zjišťuje výška odskoku zkušebního tělesa od měřené plochy. Hodnota tvrdosti se spočítá jako poměr výšky odskoku ku počáteční výšce zkušebního tělesa a vyjadřuje se v procentech. Tzn., že hodnota tvrdosti se může teoreticky pohybovat od 0 po 00. Čím je zkoušený materiál tvrdší, tím méně kinetické energie zkušebního tělesa se přemění na elastickou energii zkoušeného materiálu a zkušební těleso odskočí do větší výšky. Pro tvrdší plasty se používá stupnice Shore D, pro pryže Shore A. Tvrdost polyuretanových pryskyřic se pohybuje v rozmezí 74 až 85 Shore D.

21 strana 26 2 Vakuové odlévání U pryskyřic s materiálovými vlastnostmi pryží se tvrdost pohybuje okolo 70 Shore A. Polyuretanové pryskyřice mají určité zabarvení (např. bílé, béžové, černé, transparentní průhledné, atd.) nebo lze jejich zabarvení modifikovat libovolnými pigmenty dodávanými s materiály. Lze tedy odlévat libovolně barevné díly. Obr. 2.2 Různobarevné odlitky [ 7 ] Vakuovací podmínky Vakuovací podmínky, které výraznou měrou ovlivňují kvalitu odlitku, jsou dvě. Je to hodnota dosaženého vakua a výkon čerpaní vzduchu z recipientu. Potřebné hodnoty těchto vakuovacích podmínek byly podle výrobců licích materiálů a silikonů zjištěny experimentálně a nejsou nijak teoreticky podložené. Lze citovat z informací poskytnutých firmou ACR Czech s.r.o. [8]: záleží na tom, co budete stavět za stroj. Pokud tzv."vakuovou komoru", kde se jednotlivé složky promíchají, smísí a pak odlijí, tak se běžně montují vývěvy s výkonem od 25 do 40 m 3 /hodinu. podtlak, by měl dosahovat hodnot alespoň -96kPa za běžných atm. venkovních podmínek. Rozhodně je odzkoušené, že např. -93kPa už prostě na bezbublinkatý výrobek nestačí.. Všechny výše uvedené informace jsou založeny více na praxi než na výpočtech. A tyto informace platí pro možnost používání libovolných pryskyřic bez omezení - tedy univerzální užití.

22 2 Vakuové odlévání strana Vakuová čerpadla 2.4 Podle předchozí kapitoly by mělo vakuové čerpadlo splňovat následující parametry: Minimální čerpací výkon 25 m 3 /hod Minimální podtlak -96 kpa za normálních atmosférických podmínek Normální atmosférické podmínky jsou Pa. Tzn., že absolutní tlak by měl být Pa tj. 53,25 mbar. Základní typy vývěv, které jsou běžně na trhu k dispozici, jsou: Vodokružná vývěva Rotační olejová vývěva Rootsova vývěva Difuzní vývěva Turbomolekulární vývěva Níže uvedené údaje o čerpacích výkonech a absolutním tlaku vycházejí z konstrukčních možností jednotlivých typů vývěv. Informace byly zpracovány ze zdrojů Ústavu mikroelektroniky na fakultě Elektrotechnických a komunikačních technologií Vysokého učení technického v Brně [20]. Vodokružná vývěvy se používají pro tzv. hrubé vakuum. Jejich konstrukce dovoluje téměř libovolný čerpací výkon, ale absolutní tlak je limitován hodnotou cca 33 mbar. Tato hodnota je pro použití vakuové komory dostatečná. Nevýhodou těchto vývěv je potřebná vodovodní instalace. V téměř kancelářském prostředí, kde zpravidla bývají vakuové komory instalovány, je to nevýhoda a zbytečná komplikace. Rotační olejové a rootsovy vývěvy jsou používány do tlaků 0 - Pa, tj. 0,00 mbar. Tohoto tlaku je dosaženo dvoustupňovou konfigurací vývěv. Pro tlak 53,25 mbar by stačila jednostupňová konfigurace. Oba typy vývěv jsou olejové. Olej se nepoužívá jen k mazaní (snížení opotřebení a hlučnosti), ale také k utěsnění pracovního prostoru a chlazení vývěvy. Existují např. rotační vývěvy suché, které ale nedosahují potřebných hodnot absolutního tlaku v jednostupňové konfiguraci. Nevýhoda použití oleje je v nutném odfiltrování oleje z vyčerpávaného vzduchu. To se děje odstředivým odlučovačem oleje a použitím filtrů na výstupu. Turbomolekulární a difuzní vývěvy se používají k tlakům od 0 - do 0-7 Pa. Pro předčerpání se používají Rootsovy a olejové rotační vývěvy, aby nedocházelo k vysokým tlakovým diferencím na vstupu a výstupu turbomolekulárních a difuzních vývěv.

23 strana 28 2 Vakuové odlévání Cena vývěv s potřebnými parametry se na trhu pohybuje mezi 30 až 70 tis. Kč [2,22]. Při stavbě vakuové komory by mohla být zkonstruována i rotační olejová vývěva. Konstrukce je úplně stejná jako u rotačních olejových kompresorů. Pouze na výstupu je atmosférický tlak, kdežto u kompresoru je atmosférický tlak na vstupu. Je zde uváděna konstrukční shoda s kompresorem, protože v praxi se více konstruují kompresory než vývěvy a ke kompresorům je tudíž více podkladů (konstrukčních i výpočtových). Obr. 2.3 Princip lamelového rotačního kompresoru/vývěvy [ 9 ]. sací filtr 2. separátor (odlučuje olej ze stlač. vzduchu) 3. společný chladič oleje a stlač. vzduchu 4. olejový filtr 5. termostat oleje 6. rotor 7. lamela 8. ventil minimálního tlaku 9. olej 0. pojišťovací ventil

24 2 Vakuové odlévání strana Zařízení na trhu Jedním z největších světových výrobců vakuových komor pro odlévání do silikonových forem je německá firma MK Technology GmbH []. Dalším významným výrobcem v této oblasti je skupina MCP Group [0], konkrétně německá pobočka v Lübecku. 2.5 Obr. 2.4 Největší vakuová komora skupiny MCP Group [ 0 ] Obr. 2.5 Největší vakuová komora firmy MK Technology GmbH [ ] Z konstrukčních zajímavostí je vhodné poukázat na tzv. Differential Pressure System. Je to systém, kdy je horní licí a míchací část komory vzduchotěsně oddělena od spodní části, kde je umístěna forma. Při odlévání je zvýšen tlak v horní části cca o 00 mbaru. Tím je simulováno odstředivé lití. Výhody tohoto systému jsou: perfektní zatečení licího materiálu do složitých a tenkostěnných forem vysoce viskózní materiály lépe zatékají materiály s krátkou dobou zpracovatelnosti zatečou zcela do formy ještě před ztuhnutím

25 strana 30 3 Konstrukce vakuové komory 3 3 KONSTRUKCE VAKUOVÉ KOMORY Návrh konstrukce vakuové komory odpovídá PLM (Product Lifecycle Management) principu. Tento princip je založen na operativních změnách návrhu a modelu po celou dobu vývoje prototypu vakuové komory. Tyto změny mohou nastat např. v důsledku:. Nevyhovující konstrukce z hlediska funkčních parametrů. 2. Nevyhovující konstrukce z hlediska pevnosti. 3. Vysoké náklady na výrobu. 4. Složitost a technologická náročnost výroby. 5. Nepříznivé provozní vlastnosti (životnost, údržba, bezporuchovost, bezpečnost, opravitelnost, atd....). 6. Nesoulad s platnými normami. 7. Porušení patentové čistoty (užití cizího patentu, průmyslového vzoru nebo ochranné známky). 8. Neodpovídající ergonomie, ekologie nebo estetický vzhled (ergonomický výrobek lze z pohledu pracovníka snadno obsluhovat, kontrolovat nebo řídit). 9. Nevyhovující prototyp 0. Výsledný produkt neodpovídá představám zadavatele. Vývoj vakuové kom ory se řídil dle algoritmu na obr. 3.. V hlavních uzlech algoritmu vždy probíhala kontrola konstrukce. Pokud se ukázalo, že konstrukce nevyhovuje z nějakého výše zmíněného důvodu, vrátil se algoritmu do místa, kde byla možná náprava. NEVYHOVUJE IDEOVÝ NÁVRH 3D MODEL VYHOVUJE FEM ANALÝZA HODNOCENÍ FEM ANALÝZY LZE NELZE ZMĚNA 3D MODELU NEVYHOVUJE VYHOVUJE NEVYHOVUJE NÁVRH NEPEVNOSTNÍCH ČÁSTÍ KONSTRUKCE KONEC NÁVRHU VYHOVUJE FINÁLNÍ PODOBA NEVYHOVUJÍ NEPEVNOSTÍ ČÁSTI Obr. 3. Algoritmus návrhu konstrukce

26 3 Konstrukce vakuové komory strana 3 Tento postup a užití moderních 3D CAD technologií výrazně zkracují dobu od ideového návrhu po výrobu prvního funkčního prototypu. Např. pokud by se postupovalo tradičním způsobem (2D CAD), počítala by se pravděpodobně pevnost konstrukce analyticky. Analytický výpočet lze aplikovat jen na tvarově jednoduché součásti. Muselo by tedy dojít ke značnému zjednodušení výpočtu. Tím pádem by se musel značně zvýšit i koeficient bezpečnosti (člen, který de facto vypovídá o přesnosti výpočtu). Mohlo by dojít ke zbytečnému použití silnějšího a masivnějšího materiálu nebo k výrobě nedostatečně odolné konstrukce. Další z výhod 3D technologie je automatické generování výrobních výkresů. Výkresy nemusí být při každé konstrukční změně složitě opravovány, ale změna všech výkresových pohledů je automatická. Využitím 3D CAD technologie lze během vývoje konstrukce sledovat její fyzikální a materiálové vlastnosti (hmotnost dílů nebo sestavy, objem, těžiště, momenty setrvačnosti, atd.). Díky 3D CAD technologii lze sledovat a následně zamezit vzniku kolizních stavů v sestavě. Jestliže je zaveden PDM systém (Produkt Data Management), lze on-line konzultovat jednotlivé kroky např. s technologem, zadavatelem, vedoucím projektu, atd. Díky tomu může konstruktér reagovat na jednotlivé připomínky daleko dříve. Lze také již s dostatečným předstihem zajistit materiál na výrobu a zajistit vhodné dodavatele. Bylo by možné vyjmenovat spoustu dalších výhod 3D CAD technologie a PDM systému, popř. PLM systému. Musí být ale také zmíněny nevýhody. Jsou to především vysoké náklady na pořízení a vývoj softwaru, instalaci a školení. Další nevýhodou je dočasný propad produktivity práce způsobený prvotními pracemi v novém systému. Obr. 3.2 ukazuje integraci PLM, což je komplexnější řešení PDM systému (viz. obr. 3.3). Analogie integrací obou systémů je na pohled zřejmá. Obr. 3.2 Integrace PLM řešení [ 23 ]

27 strana 32 3 Konstrukce vakuové komory Obr. 3.3 PLM a PDM systém [ 24 ] 3D návrh konstrukce vakuové komory dle diagramu na obr. 3.3 zasahuje částečně do oblasti výzkumu, částečné do oblasti výroby, ale plně zasahuje oblast vývoje výrobku. Je-li zaveden PDM systém (systém pro elektronickou správu dat), pak jsou v databázi PDM systému přehledně uložena všechna data i s příslušnými právy přístupu (např. přístupová práva konstruktéra, technologa, vedoucího projektu, sekretářky, atd.). PDM systém obvykle obsahuje data z těchto počítačových oblastí: CAD (Computer Aided Design) počítačem podporovaný návrh CAE (Computer Aided Engineering) počítačem podporované strojírenství FEM (Finite Element Method) metoda konečných prvků CAM (Computer Aided Manufacturing) počítačová podpora výroby CNC (Computer Numerical Control) číslicové řízení počítačem CAQ (Computer Aided Quality Assurance) počítačem řízená kontrola a zajištění kvality při výrobním procesu PDM systém může být rozšířen na PLM systém (systém spravující data po celý život produktu). PLM systém zpracovává navíc informace o prodeji, likvidaci nebo servisu výrobku.

28 3 Konstrukce vakuové komory strana Výsledná podoba prototypu vakuové komory Na obr. 3.4, 3.5 a 3.6 je výsledná podoba prototypu vakuové komory. Této podoby bylo dosaženo po sérii výpočtů, návrhových a koncepčních změn (kap. 3.2 až 3.5). Prototyp bude podrobně popsán v dalších kapitolách, tak jak postupně procházel vývojem. Na obrázcích jsou uvedeny základní díly sestavy a základní rozměry. 3. Obr. 3.4 Výsledná podoba vakuové komory

29 strana 34 3 Konstrukce vakuové komory Obr. 3.5 Hlavní rozměry vakuové komory Obr. 3.6 Řez komorou a detail licích misek

30 3 Konstrukce vakuové komory strana Varianta A Návrh vakuové komory má tři koncepční varianty. V první variantě (varianta A) jsou nosným prvkem konstrukce plechy. Celá varianta A byla modelována 3D modelářem Inventor verze od firmy Autodesk. Pevnostní výpočty byly provedeny modulem Pevnostní analýza implementovaným do tohoto softwaru firmou Ansys, Inc. Konstrukce byla zatížena tlakem p = 0, MPa na všechny stěny komory. Tlak odpovídá hodnotě maximálního možného podtlaku. V následujících podkapitolách je podrobně popsána varianta A Orientační pevnostní výpočet Nejdříve bylo potřeba orientačně zjistit pevnost a slabá místa konstrukce. V tomto orientačním výpočtu byla uvažována pouze plechová konstrukce bez dalších výztuží. Výsledek výpočtu ekvivalentního napětí a celkové deformace je na obr V návrhu byl použit plech tloušťky 3 mm. Z výsledků je patrné, že maximální ekvivalentní napětí se pohybuje vysoko nad mezí kluzu materiálu (R e =355MPa). Mez kluzu je hranice, nad níž neplatí Hookův zákon, který je základní rovnicí pevnostního výpočtu. Hodnoty ekvivalentního napětí a deformace sice neodpovídají skutečným hodnotám, ale ukazují na nebezpečné zatížení. Například uprostřed bočních tabulí má ekvivalentní napětí hodnotu v intervalu 23 až 454 MPa Obr. 3.7 Ekvivalentní napětí a celkové deformace

31 strana 36 3 Konstrukce vakuové komory Rám plechové konstrukce Celkovou tuhost konstrukce měl zvýšit rám. Ten byl navržen z L-profilů z konstrukční, za tepla válcované oceli dle normy ČSN o rozměrech 35x35x4. Profily tvořily vnější rám kolem komory a značně zvýšily celkovou tuhost konstrukce. Je to patrné z obr Pevnostní analýza názorně ukazuje nebezpečná místa konstrukce. Při posuzování ekvivalentního napětí je potřeba myslet na to, že výsledky dosažené metodou konečných prvků mohou být v místech nespojitosti značně závislé na správné volbě hustoty sítě (počtu elementů). Z praxe je známé, že v místech nespojitosti dochází při dvojnásobném zvětšení počtu elementů k značnému rozdílu ve výsledném napětí. Obyčejně má větší hustota sítě za následek zpřesnění výpočtu. V praxi se postupuje obvykle tak, že se v okolí nespojitostí záměrně zhušťuje konečnoprvková síť a to do doby až rozdíl mezi jednotlivými výsledky je pro daný výpočet zanedbatelný. Modul Pevnostní analýza neumožňuje zhustit síť v potřebných místech konstrukce (místa nespojitosti rohy, vruby, sváry, atd.). Nelze zde zadat mapovanou síť či určit velikost konečnoprvkového elementu. Existuje volba jemnosti sítě, kterou se volí parametr z intervalu od -00 do 00, kde 00 znamená nejjemnější síť. Tato volba parametricky určuje globální velikost elementů. Software při výpočtu velikosti elementů bohužel nezohledňuje velikost součásti. Ze závěrečné zprávy je Obr. 3.8 Ekvivalentní napětí a celkové deformace možné zjistit počet elementů a počet uzlů. Pro hřídel o rozměrech ø5x60 se vytvořila konečnoprvková síť s cca uzly a pro vakuovou komoru o rozměrech 800x500x500 byla vytvořena síť s cca uzly. Nastavení jemnosti sítě bylo u obou případů na hodnotě 00. Byl proveden kontrolní výpočet u hřídele s vrubem pro různé nastavení sítě (0 výchozí nastavení a 00 nejhustší síť) a výsledky byly značně rozdílné viz obr Méně hustá síť má maximální napětí (,536 MPa) v místě vetknutí a hustější síť má maximum (,856 MPa) v místě vrubu. Výsledné hodnoty se liší o 7%. Jelikož se nedají elementy dále zmenšovat, nedá se ani určit, zda je hustější síť již natolik jemná, aby bylo dosaženo dostatečně přesných výsledků. Přihlédne-li se k počtu uzlů a k velikosti hřídele a komory, lze konstatovat, že u komory ne vygeneroval software dostatečně hustou síť k přesnému určení ekvivalentního napětí v místech nespojitostí. Při hodnocení výsledků MKP řešiče Inventoru se musí postupovat opatrně s ohledem na možné nepřesnosti v místech

32 3 Konstrukce vakuové komory strana 37 nespojitostí. Maxima napětí v rozích rámu jsou nebezpečná místa, ale nemusí dosahovat tak extrémních hodnot nebo naopak mohou být ještě vyšší. Další nepříjemná místa konstrukce jsou středy všech plechů, kde se hodnoty napětí pohybují okolo 600 MPa. Tyto hodnoty jsou zřejmě velice přesné, protože středy plechů mají okolo sebe velké spojité plochy a zatížení působí přímo na tyto plochy. Další vývoj konstrukce musel tudíž směřovat ke zpevnění středů plechů. Obr. 3.9 Vliv hustoty sítě na přesnost výsledků

33 strana 38 3 Konstrukce vakuové komory Boční výztuha konstrukce Zpevnění levého a pravého boku bylo provedeno L-profily z konstrukční, za tepla válcované oceli o rozměrech 25x25x4. Výsledky pevnostní analýzy jsou na obr Maximální napětí má nyní velice extrémní hodnotu a to dokonce ještě vyšší (232 MPa) než v předchozím návrhu (600 MPa). Toto nebezpečné místo leží právě na nově přidaném L-profilu boční výztuže. Je zřejmé, že na konstrukci působí značný tlak a že je nutný další krok ke zvýšení tuhosti. Koncepce tohoto návrhu spočívala v jednoduchém řešení a na minimální hmotnosti komory. Je jasné, že větší profily by neúměrně zvýšily hmotnost konstrukce a neměly by patřičný vliv na zvýšení tuhosti. Obr. 3.0 Ekvivalentní napětí a celkové deformace

34 3 Konstrukce vakuové komory strana Příčná výztuha police Nejjednodušším a velice efektivním řešením, jak zvýšit tuhost boků konstrukce, je umístit dovnitř pevnou polici. Původní návrh počítal s policí, kterou lze vyjmout. Zvětšil by se tak vnitřní prostor komory nutný pro vakuování silikonu, který se používá jako materiál formy. Během vakuování dochází k zvětšování objemu silikonu vlivem tvorby bublinek vzduchu rozpuštěných v materiálu. Výrobci a prodejci silikonů [9] doporučují použít při vakuování až 5x větší nádobu než je objem silikonu. Problém se zvětšováním objemu lze vyřešit vhodným krokováním vakuování a tudíž nebude za potřebí tak objemná nádoba. Vyjmutím police by došlo, 3 vzhledem k umístění odlévacích misek, ke zvýšení prostoru o cca 25 dm. Tato situace není příliš výhodná vzhledem k celkovým rozměrům komory. Police byla navržena z 3 mm plechu. Přidání police do sestavy snížilo maximální napětí téměř trojnásobně viz obr. 3.. Při použití plechu s mezí kluzu 355 MPa se konstrukce dostává ke koeficientu bezpečnosti rovnu jedné Obr. 3. Ekvivalentní napětí a celkové deformace

35 strana 40 3 Konstrukce vakuové komory Celkové zpevnění konstrukce Kvůli vysokým hodnotám celkových deformací bylo nutné zvětšit tloušťku plechu na 4 mm a přidat výztuhy. Nejdříve byl přidán na horní stranu komory z vnitřní strany L-profil o rozměrech 25x25x4 mm. Jelikož byl tento profil jednoznačně tužší než 4 mm plech, stal se koncentrátorem napětí. I když se celkové deformace snížily o více než polovinu, napětí, které se objevilo na L-profilu, bylo vyšší než napětí na plechu bez profilu. Přestože byl profil zdvojen viz obr. 3.2, napětí kleslo jen na 29 MPa a deformace v okolí výztuhy měly hodnotu 2,5 mm. Tato analýza ukázala, že nosné prvky konstrukce nemohou být plechy o malé tloušťce. Okolní tlak je natolik vysoký, že výztuhy nemohou zpevnit plechy natolik, aby nedocházelo k vysokým deformacím a že naopak tyto výztuhy fungují jako koncentrátory napětí. Tato analýza ukazuje na dva poznatky, jak zabránit značným deformacím plechu:. zvětšením tloušťky plechu (cca 0 5 mm) 2. tuhý a pevný rám s dostatečným množstvím příček, které člení plech na větší množství menších ploch D alší ideový návrh vakuové komory by měl být založen na pevném a tuhém rámu. Obr. 3.2 Ekvivalentní napětí a celkové deformace

36 3 Konstrukce vakuové komory strana Varianta B 3.3 Varianta B byla obdobně jako varianta A modelována 3D modelářem Inventor firmy Autodesk a zatěžována vnějším tlakem o velikosti 0, MPa. Pevnostní analýza byla počítána v FEM softwaru firmy ANSYS, Inc. ANSYS Workbench 0.0. Modul Pevnostní analýza integrovaný v Inventoru umí počítat pevnostní analýzu pouze součástí a nikoliv celých sestav. Proto byl použit software ANSYS Workbench 0.0, který podporuje práci sestav a automaticky při importu dat vkládá mezi jednotlivé součásti sestavy vazby typu Contact Bounded (kontakt tvořený pevnou vazbou). Přenos dat mezi těmito dvěma softwary byl proveden ve standardizovaném formátu STEP. Grafické výstupy byly renderovány softwarem 3D MAX Studio 8 firmy Autodesk. Nosným prvkem konstrukce je rám tvořený uzavřeným tenkostěnným obdélníkovým profilem. Byl vybrán profil o rozměrech 50x30x4. Tloušťka stěny 4 mm je největší možná pro dané rozměry Orientační pevnostní výpočet 3.3. Na tvorbu rámu byl použit modul Generátor rámečků, který je součástí Inventoru. Tento modul značně urychlil práci. Během několika desítek minut byl vymodelován návrh rámu viz. obr Obr. 3.3 Konstrukce rámu Na vnější strany rámu byl vymodelován a ustaven plech o tloušťce 4 mm. Jak ukázaly výpočty u varianty A, nemělo smysl používat plechy o menší tloušťce. Pouze přední plech, ve kterém je vstupní otvor do komory, byl zvolen s tloušťkou 5 mm s ohledem na možné deformace a nutnost dobré těsnosti mezi plechem a dveřmi komory. Na obr. 3.4 je orientační návrh vakuové komory.

37 strana 42 3 Konstrukce vakuové komory Obr. 3.4 Orientační návrh vakuové komory varianta B Na obrázku 3.4 je záměrně horní a boční plech zobrazen průhledně, aby bylo vidět dovnitř komory. Tato sestava byla importována do softwaru ANSYS Workbench 0.0 a byl proveden pevnostní výpočet. Tento výpočet byl pouze orientační, aby se zjistila slabá místa konstrukce. Proto také nebylo počítáno s dveřmi komory. Zatížení bylo zjednodušeno a aplikováno na celé plochy plechů, přestože tlak působí pouze na části plechů okolo komory. Tzn., že na pravou část, kde je prostor pro elektroinstalaci a trubky na vysávání vzduchu, tlak nepůsobí. Na obr. 3.5 je výsledné napětí a deformace. Z obrázku jsou patrná 4 místa s vysokými lokálními maximy. Jsou to spodní rohy komory. V každém z těchto rohů jsou odebrány posuvy ve třech směrech. Sestavě nebo součásti v softwaru Workbench musí být odebrány všechny stupně volnosti. Pokud se tak nestane a sestava má několik ( až 3) stupě volnosti, program umístí tzv. Weak springs, které tyto stupně odeberou. Sestava se v těchto směrech nemůže pohybovat, ale může se volně deformovat. Vakuová komora je posazena na podložku, což odebírá pouze jeden stupeň volnosti. Vlivem symetrického zatížení se sestava ve skutečnosti nemůže pohybovat. Pro Workbench je počet stupňů volnosti příliš velký na to, aby použil Weak springs. Bylo tedy nutné do spodních rohů komory umístit vazby odebírající posuvy ve třech směrech. V každém rohu byla umístěna vazba do jednoho uzlu konečnoprvkové sítě. Kvůli tomu v těchto místech vznikají vysoká lokální maxima napětí. Tato místa jsou v porovnání s rozměry komory velice malá a na výsledné napětí a deformace nemají žádný vliv. Vysoká maxima se odrazí na měřítku barevné legendy. Proto musela být tato legenda upravena. Začátek modré a konec oranžové barvy odpovídá rozmezí 0 80 MPa. Červená barva pak rozmezí MPa. Na barevném rozložení ekvivalentního napětí je vidět, že červená barva se vyskytuje pouze v rozích. Tzn., že

38 3 Konstrukce vakuové komory strana 43 nejvyšší reálné ekvivalentní napětí je menší než 80 MPa a vyskytuje se v horní části plechu tvořícího záda komory a v rádiusech vstupního otvoru. Barevná mapa rozložení celkových deformací ukazuje, že nejslabší místo konstrukce je v horní části zadního plechu a v zadní části levého zadního rohu rámu. Další vývoj tedy nutně směřoval ke zpevnění zadního plechu. Obr. 3.5 Ekvivalentní napětí a celkové deformace

39 strana 44 3 Konstrukce vakuové komory Zpevnění konstrukce Závěr předchozí kapitoly ukazuje na nutné zpevnění plochy horní části zadního plechu a levého rohu rámu téže části. Proto bylo namodelováno žebro úhlopříčně přes tuto plochu a symetricky k němu na druhou stranu druhé viz. obr Porovnání ekvivalentního napětí ukazuje výrazné snížení oproti předchozímu výpočtu (z 80 MPa na 40 MPa). Také celková deformace v levém zadním horním rohu se snížila z přibližně,5 mm na hodnotu pod 0,230 mm viz. obr Na obrázku 3.6 je vidět, že vysoké napětí z rádiusů vstupního otvoru (obr. 3.5) vymizelo a objevilo se zvýšené napětí podél hran tohoto otvoru. Obr. 3.6 Ekvivalentní napětí

40 3 Konstrukce vakuové komory strana 45 Tuhost konstrukce je již dostatečná, protože ekvivalentní napětí nepřevyšuje hodnotu 40 MPa. Koeficient bezpečnosti se vypočítá dle vzorce: R e k = [4] σ e kde: k [-] je koeficient bezpečnosti; R e [Pa] - mez kluzu; σ e [Pa] - maximální ekvivalentní napětí; V Tab. 3. jsou vypočítané hodnoty koeficientu bezpečnosti. obdélníkový profil plech R e mez kluzu [MPa] k koeficient bezpečnosti [-] 6 9 Tab. 3. Koeficient bezpečnosti Obr. 3.7 Celkové deformace

41 strana 46 3 Konstrukce vakuové komory Zpřesnění výpočtu Předchozí výpočet aplikoval zatížení na celé plochy plechů a neuvažoval zatížení přenášené dveřmi. Dveře byly navrženy z polykarbonátu tloušťky 20 mm, který má následující materiálové charakteristiky [26,27,36]: Hustota 90 kg.m -3 Youngův modul 3,2 GPa Poissonova konstanta 0,38 - Smluvní mez pevnosti 75 MPa Obr. 3.8 Ekvivalentní napětí Modrá oblast v pravé části komory ukazuje, že není na tuto oblast aplikováno zatížení. Zatížení téměř odpovídá skutečnosti. Výjimku tvoří dveře. Zatížení bylo aplikováno na plochu dveří i na část plechu, který se s dveřmi překrývá. Tzn., že na malou oblast, kde jsou dveře a plech v zákrytu působí napětí dvakrát. Dalším zjednodušením je absence těsnění. Model je sestaven tak, že dveře jsou v přímém kontaktu s plechem. To pravděpodobně odpovídá skutečnosti, protože těsnění se při zatížení zdeformuje a dveře přilehnou na plech. Z obr. 3.8 je vidět, že na dveře nepůsobí větší napětí než 5 MPa, ale maximální celková deformace, kterou toto napětí způsobí je téměř 7,5 mm. Na obrázku je také vidět, že dveře pronikají do poličky. S tak velkými deformacemi na 20 mm tlustém polykarbonátu se při simulaci zatížení nepočítalo a tudíž nebyl ani definován kontakt mezi poličkou a dveřmi.

42 3 Konstrukce vakuové komory strana Zvýšení tuhosti dveří Protože je polykarbonát značně drahý, je výhodnější zvýšit tuhost dveří pomocí přepážky v předním plechu. Zvětší-li se opěrná plocha dveří o přední plech, zmenší se také deformace dveří. Proto byly v předním plechu vymodelovány dva otvory místo jednoho viz. obr Obr. 3.9 Změna vstupního otvoru Na obr je vidět vliv tohoto konstrukčního zásahu. Maximální celková deformace se snížila z extrémní hodnoty 7,5 mm na 2,2 mm. Měřítko barevné mapy je posunuto tak, že deformace odpovídající žluté barvě jsou v rozmezí 0,24-0,27 mm. Obr Celkové deformace

43 strana 48 3 Konstrukce vakuové komory Zpřesnění zatížení v oblasti dveří Deformace dveří o velikosti 2,2 mm (viz předchozí kapitola) je pořád vysoká. Je proto nutné zvětšit tloušťku dveří z 20 mm na 30 mm. V 3D modelu vakuové komory jsou dveře modelovány jako jedna polykarbonátová deska. Ve skutečnosti budou dveře slepeny ze dvou slabších desek, protože maximální vyráběná tloušťka je 25 mm. Dveře budou ze dvou 5 mm desek nebo z jedné 20 mm a 0 mm desky. Bude vybrána cenově výhodnější varianta. Polykarbonátové desky se k sobě lepí speciálním lepidlem, které nesnižuje průhlednost [28]. Slepené desky vypadají jako jedna. Z pevnostního hlediska se dveře budou chovat také jako jedna deska. Aby bylo zatížení vakuové komory maximálně reálné, je potřeba odstranit dvojité zatížení v překrývající se oblasti předního plechu a dveří (viz. kap ). Obr. 3.2 Celkové deformace Na obr. 3.2 je maximální hodnota celkové deformace 0,725 mm. Z hlediska funkce dveří je tato hodnota pravděpodobně dostačující. Nyní má Varianta B finální podobu. Celkové deformace a ekvivalentní napětí komory jsou v přijatelných mezích. Před dalším krokem algoritmu z obr. 3. je nutné zhodnotit Variantu B dle seznamu v úvodu kapitoly 3. Komora pravděpodobně nebude vyhovovat z hlediska nízkých nákladů na výrobu a z hlediska složitosti výroby. Jiná konstrukce komory by mohla být v těchto ohledech výhodnější. V závěru kap je naznačeno možné řešení konstrukce komory za použití silných plechů. Toto řešení by bylo natolik rozdílné od stávající konstrukce, že je nevýhodné měnit 3D model Varianty B. Ve vývoji komory je nutné vrátit se na začátek algoritmu popsaném na obr. 3.. Tímto začátkem je nový ideový návrh, kterým bude Varianta C. Zda tato varianta bude výhodnější než Varianta B, ukáže až finanční rozvaha v kap. 3.4.