Katedra konstruování strojů Fakulta strojní K 2 POPIS TVORBY VYKLÁPĚNÉHO DÍLU doc. Ing. Martin Hynek, PhD. a kolektiv verze - 1.0 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky
POPIS TVORBY VYKLÁPĚNÉHO DÍLU ÚVOD Tento dokument rámcově nastiňuje postup tvorby akustického dílu automobilu. Tento díl je specifický tím, že jedna jeho část je v podkosu, proto se při lisování musí tato část dílu vyklopit, aby díl byl vyrobitelný. Díl je vyroben z bavlny vyztužené termoplastickými vlákny, které je třeba tepelně fixovat pro udržení tvaru. Zdroje obrázků: metrology.leica-geosystems.com Vzorové nástroje zpracované v rámci tohoto projektu: WLB_316(KA 02.11), WPD_346(KA 02.03), WL_345(KA 02.04), WPk_347(KA 02.06), WWSV_408(KA 02.08)
POSTUP VÝROBY DÍLU Materiál-bavlna vyztužená termoplastickými vlákny je nejprve předpřipravena v nástroji z lisovaného plechu Polotovar, který má již přibližný tvar dílu je slisován v parním lisovacím nástroji Díl je následně vyjmut z lisovacího nástroje a vložen do kalibračního nástroje, aby si udržel vylisovaný tvar Následně je třeba díl oříznout - to se provede pomocí vodního paprsku v robotickém centru Nakonec je díl kontrolován na kontrolním nástroji NÁSTROJE PRO VÝROBU DÍLU Pro výrobu tohoto dílu je třeba zkonstruovat celou řadu nástrojů Tyto nástroje zde budou představeny NÁSTROJ Z LISOVANÉHO PLECHU Tento nástroj slouží k předpřípravě polotovaru pro vlastním lisováním Do nástroje se vloží bavlna doplněná o termoplastická vlákna, tento materiál je nástrojem pěchován do přibližného tvaru dílu za studena. Na nástroj nejsou kladeny žádné požadavky z hlediska přesnosti dílu, jelikož se jedná pouze o přípravnou operaci. Nástroj je vyroben co nejlevnějším způsobem, jako svařenec. Tvarová plocha je vyrobena z děrovaného plechu, který je ručně tvarován vyklepáváním dle tvaru kopyta NÁSTROJ Z DĚROVANÉHO PLECHU V ŘEZU Více informací o tomto nástroji viz NÁSTROJ Z LISOVANÉHO PLECHU WLB_316 (KA 02.11)
PARNÍ LISOVACÍ NÁSTROJ Parní lisovací nástroj slouží k lisování dílu, díl při lisování dostane konečný tvar Předpřipravený polotovar z nástroje z děrovaného plechu je vložen do parního lisovacího nástroje a slisován Bloky nástroje jsou vyhřívané horkým olejem, čímž je nahřán i vložený díl a tím je zvýšena jeho plasticita Parní systém umístěný ve spodní polovině nástroje slouží k přivádění páry do prostoru dílu, čímž se změní vlastnosti dílu a umožní jeho lepší tváření Bloky nástroje jsou obrobeny z bloků z nástrojové oceli, nástroj je opatřen čtyřmi mečovými vedeními pro přesné vedení a osmi externími dorazy, aby se minimalizoval průhyb v pracovní poloze nástroje ŘEZ PARNÍM LISOVACÍM NÁSTROJEM Více informací o tomto nástroji viz PARNÍ LISOVACÍ NÁSTROJ WPD_346 (KA 02.03)
KALIBRAČNÍ NÁSTROJ Kalibrační nástroj slouží k odkládání dílů při jejich vyjmutí z parního lisovacího nástroje Díly se z parního lisovacího nástroje vyjímají za vyšších teplot, kdy termoplastická vlákna ještě nezafixovala vylisovaný tvar dílu. Díl by se tak mohl při pouhém odložení zdeformovat. Kalibrační nástroj zabraňuje této deformaci tím, že jeho tvarové plochy odpovídají tvarovým plochám lisovacího nástroje a díl je z kalibračního nástroje vyjímán při teplotě dostatečně nízké, aby již nedošlo k jeho deformaci. Bloky nástroje jsou vytvořeny slepením desek z materiálu NECURON a jejich následným ofrézováním. Toto je levnější řešení, nežli je vyrábět z oceli, či hliníku a jelikož nástroj neprovádí vlastní lisování a na tvarové plochy tudíž nepůsobí lisovací síly, je možno tohoto řešení využít. Nástroj je dále opatřen pouze čtyřmi dorazy a dvěma vedeními. Více informací o tomto nástroji viz KALIBRAČNÍ NÁSTROJ WPK_347 (KA 02.06)
ŠABLONA PRO OŘEZ VODNÍM PAPRSKEM Díl je třeba ještě oříznout po obvodě a vyříznout do něj díry. Šablona pro ořez vodním paprskem je odlitá z laminátu (skořepina o tloušťce cca 30mm). Díl se na ní usadí, šablona se vloží do obráběcího centra a díl je zpracováván dvěma roboty najednou. Díl je přidržován v průběhu ořezávacího procesu pomocí podtlaku vedeným zevnitř šablony. Šablona je také prořezávána vodním paprskem, aby se nerozpadla, je vybavena stínícími plechy OBRÁBĚCÍ CENTRUM PRO ŘEZÁNÍ VODNÍM PAPRSKEM Více informací o šabloně pro řezání vodním paprskem viz ŠABLONA WATERJET WWSV_408 (KA 02.08) Více informací o obráběcím centru pro vodní paprsek viz dokument ŘEZÁNÍ VODNÍM PAPRSKEM
KONTROLNÍ NÁSTROJ Kontrolní nástroj pro kontrolu rozměrů dle tolerančního pole je vyroben z NECURONU. Díl je na kontrolním nástroji kontrolován v poloze, ve které je umístěn v autě (nevyklopený). Více informací o tomto nástroji viz KONTROLNÍ NÁSTROJ WL_345 (KA 02.04)
VYKLÁPĚNÍ DÍLU Tento díl je v poloze, ve které je umístěn v autě, nevyrobitelný, jelikož nelze umístit do nástroje tak, aby žádná z jeho částí nebyla v podkosu. Na obrázku modře zobrazená část dílu je v podkosu. Je třeba celou přední část dílu vyklopit tak, aby nebyla v podkosu a dala se tedy lisováním vyrobit. Na obrázku je tato část dílu zobrazena v červeném obdélníku.
Na obrázku je vidět vyklopení dílu pro nástroj z děrovaného plechu. Fialově je vyklopený díl a šedivou barvou je díl v původní poloze. Pro nástroj z děrovaného plechu je díl vyklopen nejvíce, aby se usnadnila příprava polotovaru. Pro ostatní nástroje je díl vyklopen o něco méně, viz detail přední části dílu na obrázku. Díl je vyklopen jen tolik, aby na něm nevznikaly podkosy. Po vylisování a oříznutí dílu bude možné díl sklopit do původní polohy, ve které bude umístěn v autě. Vyklopení pro nástroj z děrovaného plechu Vyklopení pro lisovací nástroj, kalibrační nástroj a šablona pro ořez dílu Díl v původní poloze
ZPŮSOBY VYKLOPENÍ DÍLU Díl je možné vyklopit v zásadě třemi způsoby: 1. Již při návrhu dílu v CAD softwaru vytvořit díl vyklopený, případně zpracovat více variant vyklopení 2. Při návrhu technologie výroby dílu dodatečně vyklopit v CAD softwaru díl do požadované polohy 3. Vytvořit prototyp dílu, ten vyklopit a v této poloze naskenovat pomocí 3D skeneru U tohoto nástroje byla použita 3. Varianta, která zde na následujících stránkách bude blíže popsána. TVORBA VYKLOPENÉHO DÍLU 3D SKENOVÁNÍM Postup tvorby vyklopeného dílu: Vytvoření prototypu dílu, jeho vyklopení a a zafixování ve vyklopené poloze Skenování ploch vyklopeného dílu 1. Představení technologie 3D skenování 2. Skenování mračen bodů 3. Tvorba trojúhelníkové STL sítě z mračen bodů 4. Tvorba NURBS ploch z trojúhelníkové STL sítě PŘÍPRAVA NAPOLOHOVANÉHO DÍLU KE SKENOVÁNÍ Část dílu, která bude skenována je třeba vytvořit jako prototyp, vyklopit jej a zafixovat v této poloze Toto lze dosáhnout: 1. Silikonovým modelem usazeném na laminátovém otisku LAMINÁTOVÝ OTISK
SILIKONOVÝ MODEL UMÍSTĚNÝ NA LAMINÁTOVÉM OTISKU 2. Silikonovým modelem umístěném na kopitě z Necuronu SILIKONOVÝ MODEL UMÍSTĚNÝ NA KOPITĚ Z NECURONU
3D SKENOVÁNÍ PŘEDSTAVENÍ SKENOVACÍHO SYSTÉMU LEICA LASER TRACKER Plochy silikonového modelu lze poté naskenovat a následně z nich vytvořit plošný model, který lze napojit na plochy zbylé části dílu. Tento postup bude popsán dále. Ke skenování modelu byl použit systém Leica laser tracker. Jedná se o tzv. 3D skener, založený na laserové technologii. Laserový paprsek generovaný uvnitř sloupu trackeru je pomocí zrcátka a otočné hlavy směřován do reflektoru. Reflektorem může být kulička se zrcátky směřujícími k jednomu bodu-jejímu středu, která dokáže odrazit laserový paprsek zpět a určit tím svou polohu s přesností na setiny milimetru. Pro plošné skenování je třeba použít T-Scan, který má v sobě zabudovaný reflektor snímající jeho polohu, diody snímající natočení. Uvnitř T-scanu se nachází generátor laserového paprsku a zrcátko, které jej rozkmitá tak, že je schopen snímat až 3000bodů za sekundu. Natočení T-scanu snímá pomocí diod otočná kamera zvaná T-Cam. REFLEKTOR T-CAM LASER TRACKER T-SCAN
PROCES SKENOVÁNÍ MRAKŮ BODŮ PLOŠNÉ SKENOVÁNÍ Jedná se o bezkontaktní metodu, při níž je rozkmitaný laserový paprsek přemisťován po skenovaném povrchu. Na obrázku je vidět princip skenování pomocí systému Leica laser tracker: 1. Laserový paprsek vycházející zevnitř trackeru je pomocí zrcátka směřován do T-Scanu 2. T-Scan je držen pracovníkem, jeho poloha je určena laserovým paprskem a natočení je snímáno T-Camem pomocí diod umístěných na T-Scanu. 3. T-Scan je posouván podél měřeného povrch ve vzdálenosti cca 200mm nad povrchem. 4. Snímaná data jsou přenášena do počítače (controlleru), kde dochází k jejich zobrazení v reálném čase. 5. Naměřená data jsou dále vyhodnocena po skončení měření. ZPRACOVÁNÍ NASKENOVANÝCH MRAČEN BODŮ Výstupem plošného skenování je velké množství bodů nazýváno také mračno bodů (point cloud). S těmito body je třeba dále pracovat, aby bylo možné z nich získat plochy. NASKENOVANÁ MRAČNA BODŮ
Nejprve je třeba z bodů vytvořit trojúhelníkovou síť tzv. STL síť Je to základní způsob zpracování bodů, ze kterých je povrch vytvořen velkým množstvím trojúhelníků. Trojúhelníky nejsou jen spojnicemi naměřených bodů, jsou vytvářeny pomocí sofistikovaného softwaru tak, aby co nejlépe reprezentovaly měřený povrch. Můžete si všimnout, že na rovnějších místech je tato síť řidší, nežli v radiusech a tvarově složitějších místech, je to právě proto, aby byl co nejvěrněji zachycen tvar měřeného objektu. MRAČNA BODŮ STL SÍŤ
Pro další zpracování je důležitá taktéž hustota STL sítě, přičemž vyšší hustota sítě zaručuje vyšší přesnost, ale také delší dobu zpracovávání dat více práce při tvorbě NURBS ploch, nižší hustota sítě je vhodná také z důvodu větší přehlednosti a menších nároků na systémové prostředky počítače. I při redukování počtu trojúhelníků je stále zachována nerovnoměrnost hustoty sítě vzhledem k tvaru povrchu. HRUBÁ STL SÍŤ JEMNÁ STL SÍŤ
STL síť je však pouze prvním krokem k vytvoření plošného modelu. Její nevýhodou je, že se s ní v běžných CAD softwarech prakticky nedá pracovat, většina softwarů ji umí pouze zobrazit, což je dostatečné třeba při řešení úloh zástavbových rozměrů apod. Nicméně pro další práci je třeba z této STL sítě vygenerovat tzv. NURBS plochy, což jsou plochy standardně používané v CAD softwarech, a se kterými se dá již dále pracovat. Na rozdíl od tvorby STL sítě, která je plně automatizovaná, je tvorba NURBS ploch proces v podstatě manuální. Existují programy, které tuto tvorbu sítě umožňují, např. program POLYWORKS. RUČNÍ TVORBA NURBS PLOCH V PROGRAMU POLYWORKS
Druhý možný způsob tvorby NURBS ploch je použití automatické tvorby ploch z STL souborů. Tuto funkci obsahuje např. Catia v5 v rámci modulu Quick surface reconstruction. Pomocí této funkce můžete nechat systém automaticky vypočítat plochy, nicméně jste velmi omezeni co se týče ovlivnění výsledného plošného modelu, můžete nastavovat pouze přesnost a poměrnou velikost tvořených ploch. Ze srovnání výsledků automaticky vytvořených ploch s plochami vytvářenými ručně je jasně patrné, že ne vždy můžeme použít automatiku, je třeba zvážit účel, ke kterému potřebujeme vytvářet plochy. NURBS PLOCHY VYTVOŘENÉ AUTOMATICKY (VARIANTA VYHNUTÁ) NURBS PLOCHY TVOŘENÉ RUČNĚ (VARIANTA NEVYHNUTÁ)