CZ27335U1 - Forma pro výrobu lopatky průmyslového ventilátoru zhotovená metodou "Additive Manufacturing" - Google Patents

Description

Technické řešení se týká konstrukce, materiálu a způsobu zhotovení formy pro výrobu kompozitové lopatky průmyslového ventilátoru.

Dosavadní stav techniky

Lopatky průmyslových ventilátorů, které jsou zhotoveny z kompozitních materiálů, složených z polymerní či keramické matrice s vláknovou výztuží, jsou nej častěji vyráběny v dělených negativních formách různé konstrukce i materiálu.

Pro kusovou a malosériovou výrobu lopatek (série do cca 50 ks) jsou nejčastěji používány formy kompozitové, na bázi vyztužených reaktoplastových polymerů, zhotovované buď metodou laminační, nebo metodou licí. Větší formy, zhotovované obvykle laminací, bývají tvořeny odolnou povrchovou vrstvou z plněného polymeru (tzv. předgel, gelcoat), která tvoří pracovní plochu formy. Na ní jsou uloženy vrstvy laminátu, tvořící skořepinu formy. Materiál laminátu bývá volen buď s ohledem na nízké výrobní náklady (např. skelná tkanina nebo střiž a polyesterová matrice) nebo s přihlédnutím k jiným požadavkům, např. k teplotní roztažnosti výrobku, je-li lopatka zhotovována při zvýšené teplotě. Laminované formy bývají na rubové straně opatřeny systémem výztužných žeber (obvykle také laminátových), dodávajících formě potřebnou tuhost.

Lité formy bývají zhotovovány obvykle z kompozitní směsi, sestávající z polymerní matrice (epoxid, polyuretan, metakrylát, apod.) a výztužné fáze, kterou mohou být krátká skleněná, uhlíková či basaltová vlákna, částicová nebo sférická plniva, apod. Lité formy nacházejí uplatnění v případě menších výrobků, a to z důvodu výsledné vyšší hmotnosti a horších mechanických vlastností litého kompozitu.

Komplikací, která je společná pro kompozitní formy obecně, tj. jak pro laminované, tak lité, je nezbytnost konstrukce a výroby tzv. matečního modelu (kopyta), jehož otiskem forma vznikne. Výroba matečního modelu bývá zdlouhavá a nákladná, s vysokým podílem ruční práce. Náklady na výrobu modelu představují až 80 % celkových nákladů na pořízení formy a průběžná doba výroby modelu dosahuje i několika měsíců. Mateční model je třeba zhotovit pokaždé, i v případě sérií čítajících pouze jednotky kusů. Obtíže spojené s výrobou matečního modelu tak neúměrně zvyšují náklady a omezují možnosti výrobce operativně reagovat na poptávku.

Zvláštní kategorií forem, výhradně pro kusovou výrobu lopatek, jsou formy keramické. Keramické formy jsou nej častěji zhotovovány z různých typů hemihydrátu síranu vápenatého, tj. sádry. Obvykle se používá sádra IV., tj. nej vyšší kvalitativní třídy (označovaná též jako kamenná čí alabastrová). Používány jsou též cementové či aluminosilikátové směsi. Z technologického hlediska se jedná nej častěji o formy lité, i když keramické licí materiály lze zpracovávat i do struktur vyztužených vláknitým materiálem a připomínajících tak kompozit. Vzhledem k porezitě keramických materiálů je nutno pracovní povrch forem vždy důkladně zatěsnit - osvědčená je např. kombinace základního separačního vosku s polyvinylalkoholem. Je-li vyžadována vyšší životnost formy, lze na pracovní plochu formy aplikovat standardní polymerní předgely na bázi epoxidu či polyesteru, které se s keramikou dobře vážou. Mezi hlavní přednosti tohoto typu forem patří nízké výrobní náklady a rychlá výroba. Formy jsou tvarově relativně přesné a stálé. Nevýhodou je především nízká životnost, a to řádově jednotky kusů výlisků. Formy vycházejí i poměrně hmotné a mechanicky málo odolné (křehké). Zásadním nedostatkem je opět nutnost zhotovení matečního modelu k výrobě otisku formy.

Pro středně a velkosériovou výrobu (série od cca 50 ks) bývají formy nejčastěji zhotovovány z kovů.

- 1 CZ 27335 Ul

Kovové formy jsou obecně dobře odolné vůči mechanickému či tepelnému poškození funkčních ploch a mají i dlouhou životnost, řádově minimálně ve stovkách vyrobených výlisků - těžiště jejich aplikace je tedy ve středně a velkosériových výrobách. Jejich nevýhodou je vysoká hmotnost, která znesnadňuje manipulaci, energeticky náročné cykly ohřev - chlazení, odlišný koeficient teplotní roztažnosti oproti vytvrzovanému dílu a vysoká cena.

Kovové formy jsou nejčastěji vyráběny technologií strojního obrábění z litého, kovaného či válcovaného polotovaru, po němž obvykle následuje manuální dokončování funkčního povrchu (zabrušování stop po obrábění, leštění), což je faktor zvyšující náklady i celkovou průběžnou dobu výroby formy.

Problém vysokého podílu ruční práce při výrobě kovových forem lze obejít např. aplikací technologie galvanoplastického vylučování slitin niklu. Tímto způsobem je možno získat na pozitivním matečním modelu kovovou negativní skořepinu s přesným otiskem tvaru dílu. Takto vytvořená skořepina v tloušťce řádově jednotek mm je však značně křehká a je nutno ji vyztužit, např. zalitím do pomocného opěrného materiálu nebo vhodnou podpůrnou konstrukcí, která může být i velmi masivní. Komplikací, podobnou té u kompozitních a keramických forem, je opět nezbytnost konstrukce a výroby matečního modelu, na němž je nikl galvanicky vylučován. Nevýhodou galvanoplasticky zhotovených forem je omezený sortiment použitelných kovů (v podstatě pouze nikl) a vysoká křehkost, daná amorfní strukturou materiálu, což vyžaduje mimořádnou šetrnost při manipulaci.

Společnou vlastností všech kovových forem jsou vysoké náklady na pořízení, pohybující se až v řádech milionů Kč. Výroba kovových forem vyžaduje sofistikované a nákladné strojní vybavení (víceosé frézky, galvanovna, zámečnická dílna). Podobně jako kompozitní formy, vyznačují se i kovové dlouhými průběžnými časy výroby.

Podstata technického řešení

Podstatou technického řešení je zhotovení formy z termoplastického polymeru metodou Additive Manufacturing (označovanou též jako Rapid Prototyping, Direct Digital Manufacturing, 3D tisk, apod.). Principem je převedení virtuálního digitálního návrhu dílu do reálné podoby postupným vrstevnicovým nanášením (stavbou) polymemího termoplastického materiálu v práškové, kapalné, či pasto vité formě s jeho následným vytvrzením nebo ztuhnutím, a to dle předem vytvořeného digitálního vzoru formy. Proces probíhá ve speciálním zařízení, v tzv. 3D tiskárně.

Forma, která je předmětem tohoto užitného vzoru, je tvořena ze dvou částí s rovinnou dělicí plochou v rovině symetrie lopatky. Přesná poloha obou částí formy vůči sobě je zajištěna dvěma kuželovými výstupky a korespondujícími kuželovými prohlubněmi v dělicí ploše protější části formy. Jedna část formy je opatřena těsnicí drážkou. Rubové části formy jsou opatřeny systémem výztužných žeber. Poloviny formy jsou k sobě spojeny šrouby.

Ke zhotovení formy je možno zvolit jednu z tří variant metody Additive Manufacturing: a) Stereolitografie

Typickým rysem stereolitografie je výchozí tekutý polotovar - fotopolymer (plast polymerující působení UV světla). Stůl, na kterém celá stavba probíhá, je ponořený v nádrži naplněné fotopolymerem tak, aby ho vždy hladina překrývala o výšku vrstvy. Tloušťka jedné stavební vrstvy se u této metody pohybuje zpravidla od 0,05 do 0,2 mm. V místech stavby součásti je kapalina nasvícena UV světlem. Tím se iniciuje chemická reakce vytvrzení polotovaru. Po zarovnání povrchu nožem stůl sjede o tloušťku jedné stavební vrstvy níž a cyklus se zopakuje.

Existuje variantní forma metody, která místo tekutého polymeru využívá jako polotovar pastu. To umožňuje snazší vmíchání kovového nebo keramického prášku jako výztuže.

-2CZ 27335 Ul

Selective Laser Sintering

Principem metody je nanášení práškového polotovaru, jeho následného natavování a spojování (sintrování) pomocí výkonného laseru. Varianta tohoto principu, při které se polotovar nejen nataví, ale úplně roztaví, je nazývána Selective Laser Melting.

Pro samotné nanášení prášku jsou rozlišovány dvě hlavní konstrukční varianty. Při první z nich je nanesen prášek v konstantní tloušťce po celém stavebním prostoru stroje a laserový paprsek spojuje pouze ten, ze kterého vznikne výrobek. Stroje druhé varianty mají tiskovou hlavu vybavenou jak spojovacím laserem, tak i výstupem pro prášek. Tato hlava nenanáší prášek v celé vrstvě, ale pouze tam, kde je třeba, tj. v místě budoucí stěny výrobku.

b) Fused Deposition Modeling

Principem metody je natavování termoplastického vlákna do polotekutého stavu a jeho nanesení tryskou na základní materiál, kde okamžitě tuhne. Tryska se při nanášení pohybuje ve směrech X a Y a po dokončení stavební vrstvy se posune svisle ve směru Z.

Přínosem technického řešení, které je předmětem tohoto užitného vzoru, je možnost rychlého zhotovení formy bez nutnosti výroby matečního modelu. Výroba formy uvedené konstrukce navrženým způsobem je mimořádně efektivní, především v segmentu kusové a malosériové výroby lopatek ventilátorů. Aplikací výrobní metody Additive Manufacturing pro zhotovení formy uvedené konstrukce dochází ke zkrácení průběžné doby přípravy výroby z řádů měsíců na jednotky dnů. Z toho vyplývá i adekvátní úspora nákladů a možnost rychle reagovat na požadavky zákazníka.

Objasnění výkresů

Technické řešení je blíže osvětleno pomocí obr. 1, 2, 3 a 4:

Obr. 1: části formy v pohledu,

Obr. 2: část formy s těsnicí drážkou v pohledu,

Obr. 3: rozměrové schéma formy,

Obr. 4: poloha formy při výrobě (způsob vrstvení materiálu).

Příklad uskutečnění technického řešení

Forma pro výrobu lopatky průmyslového ventilátoru s prismatickým eliptickým průřezem o tloušťce 4 mm, o půdorysných rozměrech 80 χ 300 mm, s válcovou stopkou 0 16 ^x 20 mm, je tvořena ze dvou částí 1 a 2 s rovinnou dělicí plochou 3 v rovině symetrie lopatky. Rubové části formy jsou opatřeny systémem výztužných žeber 8. Část formy 2 je opatřena těsnicí drážkou 4 o průřezu 5 x 4 mm. Tloušťka stěn formy a výztužných žeber je jednotná, a to 2 mm. Poloviny formy jsou k sobě spojeny šrouby M6, procházejícími celkem 18 otvory 5 o 0 6,6 mm. Přesná poloha obou částí formy vůči sobě je zajištěna dvěma kuželovými výstupky 6 o výšce 5 mm a 0 10 mm, korespondujícími s kuželovými prohlubněmi 7 v dělicí ploše protější části formy.

Forma je vyrobena metodou Fused Deposition Modeling z materiálu polykarbonát obchodního označení Fortus® (Stratasys GmbH).

Obě části formy byly při výrobě aditivní metodou vrstveny krokem o nominální tloušťce 0,254 mm v poloze „na boku“ (obr. 4).

Claims (4)

1. Forma pro výrobu lopatky průmyslového ventilátoru zhotovená metodou „Additive Manufacturing“, vyznačující se tím, že je tvořena ze dvou částí (1) a (2) s dělicí plochou (3), opatřených na rubové straně systémem výztužných žeber (8), přičemž část formy (2) je opat5 řena těsnicí drážkou (4).

2. Forma podle nároku 1, vyznačující se tím, že přesná poloha obou částí formy (1) a (2) vůči sobě je zajištěna dvěma kuželovými výstupky (6) a korespondujícími kuželovými prohlubněmi (7) v dělicí ploše protější části formy a obě části formy jsou k sobě spojeny šrouby, procházejícími otvory (5).

ío

3. Forma podle nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že je zhotovena z termoplastického polymemího materiálu polykarbonát, polyamid nebo akrylonitrilbutadienstyren (ABS).

4 výkresy