UPORABA 3D-SKENIRANJA V ORODJARSTVUorodja za preoblikovanje plo čevine, sodobni pristopi pri na črtovanju le-teh ter postopek skeniranja, ter prakti čnega dela, ki zajema skeniranje

-I-

UPORABA 3D-SKENIRANJA V ORODJARSTVU

Diplomsko delo

Študent: Mihael Čretnik

Študijski program: Smer:

Visokošolski strokovni; Strojništvo Orodjarstvo

Mentor: izr. prof. dr. Miran Brezočnik

Somentor: red. prof. dr. Jože Balič

Maribor, 2009

-II-

Vložen original sklepa o potrjeni temi diplomskega dela

-III-

I Z J A V A

Podpisani Mihael ČRETNIK izjavljam, da:

• je bilo predloženo diplomsko delo opravljeno samostojno pod mentorstvom izr. prof.

dr. Mirana Brezočnika in somentorstvom red. prof. dr. Jožeta Baliča;

• predloženo diplomsko delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev

kakršnekoli izobrazbe na drugi fakulteti ali univerzi;

• soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet

Univerze v Mariboru.

Maribor, 22. 9. 2009 Podpis:

-IV-

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju izr. prof. dr. Miranu

Brezočniku in somentorju red. prof. dr. Jožetu Baliču

za pomoč in vodenje pri opravljanju diplomskega dela.

Zahvaljujem se tudi podjetju Weba Maribor, ki mi je

omogočilo opravljanje praktičnega dela diplomske

naloge. Hkrati se zahvaljujem tudi sodelavcem

Laboratorija za inženirsko oblikovanje za strokovno

pomoč pri opravljanju diplomskega dela

Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogočili

študij in me skozi ves čas študija tudi podpirali.

-V-

UPORABA 3D-SKENIRANJA V ORODJARSTVU

Ključne besede:

Avtomobilska industrija, preoblikovanje pločevine, orodjarstvo, orodja za preoblikovanje,

skeniranje, CAD/CAM/CAE.

UDK: 004.92: 621.9 (043.2)

POVZETEK

V diplomski nalogi predstavljamo postopek 3D-skeniranja, s pomočjo katerega smo v podjetju

Weba Maribor ugotavljali kakovost izdelave oblikovnega kosa orodja za preoblikovanje

pločevine. Kos je bil namenjen za uglednega evropskega proizvajalca avtomobilov. Projekt je

bil izveden v štirih korakih: skeniranje orodja po mehanski obdelavi, analiziranje

pridobljenih podatkov z referenčnim CAD-modelom, skeniranje orodja po ročni obdelavi,

analiza pridobljenih podatkov z referenčnim CAD-modelom.

Diplomska naloga je zgrajena iz uvodnega teoretičnega dela, v katerem so predstavljena

orodja za preoblikovanje pločevine, sodobni pristopi pri načrtovanju le-teh ter postopek

skeniranja, ter praktičnega dela, ki zajema skeniranje orodja za preoblikovanje pločevine v

podjetju Weba Maribor.

-VI-

USING 3D-SCANNING IN TOOLMAKING

Key words:

Automotive industry, sheet metal forming, toolmaking, dies for metal forming, scanning,

CAD/CAM/CAE.

UDK: 004.92: 621.9 (043.2)

ABSTRACT

In this diploma I represent technique of 3D-scanning, which was used for measurement

control of forming die for sheet metal forming in company Weba Maribor. The part, internal

part of C-pillar, was for well-known European automobile manufacturer.

The project was realize in four steps; scanning the forming die after milling and analyze the

data – compare the scanning data with the reference CAD-model, and scanning the forming

die after handle work and analyze the data - compare the scanning data with the reference

CAD-model.

The diploma is separate into two sectors; the first-one represent the theory about forming

dies, how forming dies work and how are they designed and theory about 3D-scanning. The

second part of diploma is about the project, which was already mention above.

-VII-

KAZALO VSEBINE

1 UVOD .............................................................................................................. 1

2 DELITEV ORODIJ ZA PREOBLIKOVANJE PLOČEVINE ................. 4

2.1 VRSTE PREOBLIKOVALNIH ORODIJ ...................................................... 4

2.1.1 REZILNA ORODJA ............................................................................................... 5

2.1.2 POSAMIČNA ORODJA ......................................................................................... 6

2.1.3 PROGRESIVNA ORODJA .................................................................................... 8

2.1.4 STOPENJSKA – TRANSFERNA ORODJA ....................................................... 10

2.2 DELOVNE OPERACIJE V ORODJIH ........................................................ 12

3 KONSTRUIRANJE ORODIJ ZA PREOBLIKOVANJE PLOČEVINE

............................................................................................................................. 14

4 3D-SKENIRANJE ........................................................................................ 20

4.1 PRISTOPI PRI NAČRTOVANJU IZDELKA ............................................. 21

4.2 POSTOPEK VZVRATNEGA INŽENIRSTVA ........................................... 24

4.3 PREDSTAVITEV RAZLIČNIH TEHNOLOGIJ 3D-SKENIRANJA ....... 26

4.4 UPORABA DIGITALIZACIJE V PRAKSI ................................................. 32

4.4.1 HITRO FREZANJE .............................................................................................. 32

4.4.2 VZVRATNO INŽENIRSTVO .............................................................................. 33

4.4.3 MERSKA KONTROLA ....................................................................................... 34

4.4.4 MERJENJE DEFORMACIJ IN DOLOČEVANJE MATERIALNIH

LASTNOSTI .................................................................................................................... 35

4.4.5 DIGITALIZACIJA ORODIJ PO ROČNIH OBDELAVAH ................................ 36

5 PRIMER SKENIRANJA ORODJA ZA PREOBLIKOVANJE

PLOČEVINE ..................................................................................................... 38

5.1 OPIS SKENERJA ATOS II ............................................................................ 41

-VIII-

5.2 SKENIRANJE VLEČNIH DELOV PREOBLIKOVALNEGA ORODJA43

5.3 OBDELAVA ZAJETIH PODATKOV .......................................................... 45

5.4 ANALIZA PREOBLIKOVALNEGA ORODJA PO MEHANSKI

OBDELAVI .............................................................................................................. 48

5.5 ANALIZA PREOBLIKOVALNEGA ORODJA PO ROČNI OBDELAVI

.................................................................................................................................... 51

6 SKLEP ........................................................................................................... 54

7 LITERATURA ............................................................................................. 55

8 ŽIVLJENJEPIS ............................................................................................ 56

-IX-

KAZALO SLIK

Slika 1.1: Transferna stiskalnica s pripadajočimi seti orodij (Volkswagen AG) ....................... 1

Slika 1.2: Pločevinski izdelki za avtomobilsko industrijo (Tower Automotive) ....................... 2

Slika 1.3: Primer VHO obdelave preoblikovalnega orodja (Lapple) ......................................... 3

Slika 2.1: Rezilno orodje vodeno z vodilnimi stebri .................................................................. 5

Slika 2.2: Primer posamičnega orodja ........................................................................................ 6

Slika 2.3: Primer vgradnje plinske vzmeti.................................................................................. 8

Slika 2.4: progresivno orodje s pripadajočim trakom................................................................. 9

Slika 2.5: Shematski prikaz progresivnega orodja ................................................................... 10

Slika 2.6: Transferno orodje ..................................................................................................... 11

Slika 3.1: 3D-model vlečnega pestiča (Tebis) .......................................................................... 15

Slika 3.2: Trodimenzionalni metodni plan ............................................................................... 16

Slika 3.3: Numerična simulacija preoblikovanja stranice avtomobila s KMD in tanjšanjem

pločevine ........................................................................................................................... 19

Slika 3.4: Simulacija gibanja orodja med procesom v stiskalnici ............................................ 19

Slika 4.1: Skeniranje varjenega sklopa (Metris) ....................................................................... 20

Slika 4.2: Različni metodologiji razvoja in izdelave orodij ..................................................... 22

Slika 4.3: Zgornji del oblikovnega dela orodja kot telo ........................................................... 22

Slika 4.4: Primer CNC obdelave in trdnostne analize .............................................................. 23

Slika 4.5: Proces izdelave novega avtomobila ......................................................................... 24

Slika 4.6: Skeniranje pločevinskega dela (Kreon).................................................................... 25

Slika 4.7: Primer napake na skeniranem objektu zaradi neustrezne svetlobe .......................... 26

Slika 4.8: Različne tehnike 3D-skeniranja ............................................................................... 27

Slika 4.9: Tipalna glava podjetja DEA ..................................................................................... 27

Slika 4.10: Naprava za računalniško tomografijo (Metris) ...................................................... 29

-X-

Slika 4.11: Digitalizacija B-nosilca .......................................................................................... 30

Slika 4.12: Poligonimeriziran model orodja z enakomerno porazdeljenimi gradniki .............. 30

Slika 4.13: NC-programiranje STL-modela ............................................................................. 33

Slika 4.14: Primer skeniranja glave, za kasnejšo izdelavo čelade (Schubert AG) ................... 34

Slika 4.15: Primer merskega protokola .................................................................................... 34

Slika 4.16: Primer barvne skale odstopkov .............................................................................. 35

Slika 4.17: Princip določevanja materialnih lastnosti s skenerjem Aramis podjetja GOM ..... 36

Slika 4.18: Prikaz glavnih napetosti v B-nosilcu ...................................................................... 36

Slika 5.1: Referenčni CAD model preoblikovalnega orodja .................................................... 38

Slika 5.2: Proizvodna hala podjetja Weba Maribor .................................................................. 39

Slika 5.3: Primer avtomobilske karoserije in mesta pritrditve nosilcev na Volkswagnu

Touaregu (Tower Automotive) ......................................................................................... 40

Slika 5.4: Porazdelitev energije pri stranskem trku .................................................................. 41

Slika 5.5: Skener Atos II .......................................................................................................... 42

Slika 5.6: Umerjanje skenerja ................................................................................................... 44

Slika 5.7: Orodje z referenčnimi točkami ................................................................................. 44

Slika 5.8: Prikaz napak zaradi vdora svetlobe .......................................................................... 46

Slika 5.9: Označevanje in brisanje napake ............................................................................... 46

Slika 5.10: Iskanje optimalne površine .................................................................................... 46

Slika 5.11: Postavitev koordinatnega sistema .......................................................................... 47

Slika 5.12: Hitro orientiranje modelov ..................................................................................... 47

Slika 5.13: Prikaz hitre primerjave in primerjave po metodi best-fit ....................................... 48

Slika 5.14: Prikaz odstopkov po mehanski obdelavi (skala ±0,2mm)...................................... 49

Slika 5.15: Prikaz odstopkov na obeh krajiščih ........................................................................ 49

Slika 5.16: Prikaz odstopkov na pestiču po mehanski obdelavi (skala ±0,1mm) .................... 50

Slika 5.17: Prikaz največjih odstopkov na pestiču po mehanski obdelavi ............................... 50

-XI-

Slika 5.18: Odstopanja vlečne matrice po ročni obdelavi (skala ±0,1mm) .............................. 51

Slika 5.19: Prikaz največjih odstopanj na matrici po ročni obdelavi ....................................... 52

Slika 5.20: Prikaz odstopkov na pestiču po ročni obdelavi ...................................................... 52

Slika 5.21: Prikaz odstopkov na pestiču na krajiščih ............................................................... 53

KAZALO TABEL

Tabela 4.1: Primerjava posameznih tehnik skeniranja ............................................................. 31

Tabela 5.1: Merni volumni skenerja Atos II ............................................................................ 42

Tabela 5.2: Karakteristike skenerja Atos II .............................................................................. 43

-XII-

UPORABLJENE KRATICE

CAD Computer Aided Design

CNC Computer Numerical Control

CAM Computer Aided Manufacturing

CAE Computer Aided Engineering

MKE Metoda Končnih Elementov

CMM Coordinate Measuring Machine

CCD Charge Coupled Device

NC Numerical Control

CT Computer tomography

STL Standard Template Library

HDD Hyper Die Dynamics

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

-1-

1 UVOD

Izdelke iz pločevine danes srečujemo na različnih področjih, kot sta npr. avtomobilska

industrija in industrija bele tehnike.

Orodja za preoblikovanje pločevine so lahko posamična, progresivna ali kombinirana.

Za njih je značilno da so visoko produktivna in opremljena z najsodobnejšo hidravlično,

pnevmatsko in elektro opremo (slika 1.1). Da orodja uspešno delujejo in da so kar se da

zanesljiva, morajo biti skrbno načrtovana, zasnovana in konstruirana. S tem predvsem

preprečimo zastoje in prihranimo stroške, ki bi se s tem pojavili.

Danes obstajajo številna priporočila, ki jih orodjarne uspešno uporabljajo. Bistvo teh

priporočil je, da so to neke vrste standardi, ki jih zapiše naročnik orodja, vsebujejo pa

posebnosti posameznega proizvajalca. To pomeni, da se ta priporočila glede na proizvajalce

popolnoma razlikujejo.

Izdelano novo orodje je podvrženo številnim preizkusom. Naročnik orodja si namreč

pripravi listo konstrukcijske ustreznosti, po kateri preverja dogovore, upoštevanje standardov

in delovanje orodja na stiskalnici.

Za orodjarstvo lahko na splošno rečemo, da je panoga, v kateri je združena velika

količina znanj s področja računalniškega konstruiranja, tehnološke priprave dela,

programiranja večosnih CNC-strojev, materialov itd.

Slika 1.1: Transferna stiskalnica s pripadajočimi seti orodij (Volkswagen AG)


-2-

Orodjarstvo je danes visoko inovativna industrijska panoga, ki se ukvarja z izdelavo

orodij in merilnih priprav. Gre predvsem za posamično proizvodnjo zelo zahtevnih, unikatnih

izdelovalnih sistemov-orodij. Orodjarstvo predstavlja eno izmed najzgodnejših faz za izvedbo

serijske proizvodnje, bodisi v avtomobilski industriji bodisi industriji bele tehnike.

Za današnje izdelke, ki se pojavljajo na trgu je značilno, da imamo več različic določenega

izdelka. Zaradi takšnega načina proizvodnje je potreba po orodjih vse večja, kajti posamezno

orodje je namenjeno za izdelavo enega tipa izdelka; če se geometrija izdelka spremeni, je za

izdelavo takšnega izdelka potrebno popolnoma novo orodje.

Iz tehničnega vidika vse večja kompleksnost izdelkov narekuje več zaporednih faz

izdelave (tehnologije izdelave izdelka). To pomeni, da potrebujemo niz orodij, ki so lahko

posamična orodja, skupina združenih posamičnih orodij ali progresivna orodja. Pri

progresivnih orodjih imamo za vhodni material pločevinast trak, ki se prenaša od ene faze

orodja do druge, medtem ko moramo pri posamičnih orodjih, ki so vpeta na skupno vpenjalno

ploščo prenos izdelka zagotoviti s pomočjo posebnih prijemal – transferjev.

Zaradi zahteve proizvajalcev avtomobilov po zmanjšanem številu sestavnih delov,

postajajo le-ti vedno bolj kompleksni in zahtevni za izdelavo, čigar posledica je, da so tudi

orodja za izdelavo omenjenih izdelkov vedno bolj kompleksna. Zato lahko rečemo, da razvoj

orodjarstva narekuje predvsem industrija s svojimi vedno bolj zahtevnimi izdelki (slika 1.2).

Slika 1.2: Pločevinski izdelki za avtomobilsko industrijo (Tower Automotive)


-3-

Za sodobno orodjarno so pomembna predvsem visoka stopnja tehnološke opremljenosti, ki se

odraža v:

• najmodernejši 5-osni obdelovalni stroji (slika 1.3),

• računalniško konstruiranje orodij (3D-modeliranje orodij),

• računalniške simulacije preoblikovanja pločevine (Autoform, Pam-stamp),

• digitalna tehnologija preverjanja oblikovne, dimenzijske ustreznosti izdelkov,

• informacijski sistem sledljivosti vseh dejavnosti v proizvodnem procesu.

Slika 1.3: Primer VHO obdelave preoblikovalnega orodja (Lapple)

V diplomskem delu opisujemo uporabo 3D-skeniranja na področju orodjarstva, in

sicer na primeru oblikovnega vložka za preoblikovanje pločevine. Namen naloge je bil

ugotoviti merska odstopanja dejanskega orodja v primerjavi s 3D-modelom. Projekt je bil

izveden v štirih korakih, in sicer skeniranje orodja po mehanski obdelavi, analiza pridobljenih

podatkov z referenčnim CAD-modelom, skeniranje orodja po ročni obdelavi in analiza

pridobljenih podatkov z referenčnim CAD-modelom.

Prednosti, ki jih ima tak način določitve merske kakovosti, so predvsem v hitrosti in

natančnosti, obenem pa se v elektronski obliki ohrani površina, ki je bila spremenjena med

postopkom ročne obdelave.


-4-

2 DELITEV ORODIJ ZA PREOBLIKOVANJE PLOČEVINE

Orodja za preoblikovanje pločevine lahko delimo na tri različne načine.

Po vrsti:

• stopenjaska-transfer orodja,

• progresivna orodja,

• kombinirana orodja,

• posamična orodja.

Po načinu hladnega preoblikovanja:

• klasični način; kovina na kovino,

• hydroforming; voda - zrak preko gume na kovino,

• preoblikovanje v gumi; kovina na gumo.

Po velikosti (d x š x v):

• mala orodja (500 x 500 x 500),

• srednja (1500 x 2500 x 1500),

• velika (5000 x 2500 x 2000).

Orodje za hladno preoblikovanje pločevine se v osnovi deli na zgornji in spodnji del, ki sta

prek vodil povezana med seboj. Med zgornji del (upogibni pestič) in spodnji del (upogibna

matrica) vstavimo pločevino, nakar se orodje preko vodil zapre (združi), in s tem pločevino

stisnemo, orodje pa izvede eno ali več preoblikovalnih operacij.

2.1 VRSTE PREOBLIKOVALNIH ORODIJ

Po operacijah, ki se izvajajo v preoblikovalnih orodjih, da pridemo do končnega izdelka,

delimo preoblikovalna orodja na rezilna, posamična, progresivna in stopenjska.


-5-

2.1.1 REZILNA ORODJA

Rezanje velja za enega izmed najbolj razširjenih postopkov na področju preoblikovanja

pločevine. Za skoraj vsak iz pločevine izdelan del, je s postopkom rezanja izdelana platina ali

pa je po enem od postopkov prostorskega preoblikovanja izdelek preluknjan ali obrezan.

Rezilna orodja, ki jih uporabljamo danes, posebej pri manjših serijah uspešno zamenjuje laser,

plazma ali vodni curek.

Rezilna orodja delimo na:

• namenska rezilna orodja,

• univerzalna rezilna orodja,

• rezilna orodja za posebne postopke rezanja.

GLAVNE IZVEDBE REZILNIH ORODIJ

Po vodenju delimo rezilna orodja na:

• prosta rezilna orodja,

• rezilna orodja vodena z rezilno ploščo,

• rezilna orodja vodena z vodilnimi stebri (slika 2.1).

Slika 2.1: Rezilno orodje vodeno z vodilnimi stebri


-6-

2.1.2 POSAMIČNA ORODJA

Pri posamičnih orodjih (slika 2.2) se izvede ena sama preoblikovalna faza, material za

preoblikovanje pločevine v kosu (platina), je odrezan tako, da dobimo optimalni izkoristek

materiala in zahtevano obliko izdelka. Strega pločevine orodju je lahko ročna, z robotom ali

pa uporabljamo namenske podajalne naprave.

Slika 2.2: Primer posamičnega orodja

SESTAVNI ELEMENTI POSAMIČNIH ORODIJ

ZGORNJA IN SPODNJA OSNOVNA PLOŠČA

Osnovni plošči imata nosilno vlogo in vlogo vpenjalnega elementa na stiskalnico. Plošči iz

navadnega konstrukcijskega jekla nosita ves zgornji in spodnji del orodja. Z njima tudi

prilagajamo skupno višino orodja.

ZGORNJE OHIŠJE

Ohišje je najpogosteje odlito. Ima vlogo nosilca preoblikovalno-upogibnih segmentov in

pridrževalno-izmetalne plošče. Vodila so vstavljena in vijačena na odlitek za točno prileganje

zgornjega in spodnjega dela orodja.


-7-

SPODNJE OHIŠJE

Spodnje ohišje ima poleg nosilne in vodilne funkcije tudi funkcijo omejevanja poti gubnega

ravnalca – pločevinskega držala. Vodilne površine na zunanji steni odlitka parimo z vodili

zgornjega dela orodja, na notranji steni pa z vodili pločevinskega držala.

UPOGIBNI SEGMENTI

Preoblikovalni segmenti so jedro funkcije in konstrukcije orodja, saj se z njimi fizično izvaja

postopek preoblikovanja pločevine. Segmenti so izdelani iz kakovostnega orodnega jekla in

jih po mehanski obdelavi tudi kalimo. V določenih primerih upogibne segmente prevlečemo z

raznimi nitridi, s čimer se poveča obstojnost oz. življenska doba orodja.

PLOČEVINSKO DRŽALO

Glavna funkcija pločevinskega držala je, da omogoči enakomeren vlek pločevine, brez

nastanka gub in snemanje izdelka po končani fazi globokega vleka.

Pritisk držala mora biti tako odmerjen, da material prične teči, ne samo med vlečnim

obročem in pestičem, ampak tudi med vlečnim obročem in držalom. Če je pritisk prevelik in

pločevino preveč zadržujemo, lahko natezna napetost v materialu prekorači dopustne

napetosti in material se pretrga. V primeru premajhnega pritiska pa se na vlečencu pojavijo

gube. Za pravilen potek vlečenja je tako sila pridrževanja pločevine izredno pomembna. Za

pravilno delovanje, pločevinsko držalo ne sme biti togo, temveč se mora elastično prilagajati

površini pločevine.

Obstajajo tudi orodja brez držala, vendar je v takem primeru možno vleči le plitve,

votle oblike z majhnim vlečnim razmerjem.

IZMETALNA PLOŠČA

Ta plošča ima funkcijo snemanja izdelka iz vlečnih segmentov, saj se zaradi sile vleka pestič

in pločevina sprimeta. Oblika izmetača se prilega izdelku.

UPOGIBNI PAH

Pah je za debelino izdelka zmanjšana inverzna oblika upogibnih segmentov. Pah je lahko iz

enega samega kosa ali pa je sestavljen iz več segmentov.


-8-

OSNOVNA PLOŠČA VZMETI

Ta plošča povezuje med seboj paket plinskih vzmeti, ki dvigujejo pločevinsko držalo.

PLINSKE VZMETI

Plinske vzmeti (slika 2.3), omogočajo izredno točno nastavitev sile pridržavanja pločevine,

omogočajo pa tudi povratni hod elementov orodja.

OR OD JE ZA PREOBLIKOVAN JE PLOČEVINE

pestič

matrica

blažilni vijak

spremenljivavišina orodja

tlačna plošča

plinska vzmet

vodilo

vpenjalna plošča

Slika 2.3: Primer vgradnje plinske vzmeti

VODILNI STEBER

Stebri zagotavljajo izjemno točno vodenje orodja med fazo preoblikovanja, ko se orodje

zapira. Vodilni steber drsi v vodilni puši, ki je vstavljena v ohišje na spodnjem delu orodja.

PLOŠČATA VODILA

Imajo popolnoma enako nalogo kot vodilni stebri. V tem primeru vodijo zgornji in spodnji del

orodja in so glavna vodila orodja. Uporabljajo se za vodenje upogibnih segmentov.

DISTANČNIKI

Zagotavljajo potrebno, fiksno razdaljo med deli orodja pri delovnem gibu. Določajo skrajno

lego, do katere se orodje lahko zapre.

2.1.3 PROGRESIVNA ORODJA

Progresivna orodja so ena izmed najproduktivnejših orodij kar jih lahko srečamo v industriji.

Svoje mesto največkrat zasedejo v avtomobilski industriji in industriji gospodinjskih

aparatov.


-9-

Progresivna orodja opravljajo več delovnih operacij v skupnem ohišju, kar pomeni, da

so vse operacije za izdelavo izdelka združene v enem samem orodju (slika 2.4). Material za

preoblikovanje je pločevina v traku, ki je zvita v kolobarju, ki ga avtomatski podajalnik

podaja (odvija) v stiskalnico oziroma orodje.

Slika 2.4: progresivno orodje s pripadajočim trakom

GLAVNI ELEMENTI PROGRESIVNIH ORODIJ (slika 2.5)

• zgornja nosilna plošča,

• spodnja nosilna plošča,

• tlačno-snemalna plošča.

• stebrna vodila,

• plinske vzmeti,

• rezilna plošča – matrica,

• pločevinsko držalo,

• upogibni pestič.


-10-

Slika 2.5: Shematski prikaz progresivnega orodja

2.1.4 STOPENJSKA – TRANSFERNA ORODJA

Stopenjska orodja (slika 2.6) so posamezna orodja, ki so pritrjena na skupno ploščo in si

sledijo po takšnem vrstnem redu operacij, kakršen je bil zamišljen v tehnologiji oziroma planu

izdelave izdelka. Tehnologija torej v tem primeru pomeni zaporedje preoblikovalnih operacij.

Material je v posameznih kosih, transport med posameznimi orodji pa je zagotovljen s

posebnimi prijemali – transferji.

Najpogostejši vrstni red operacij v preoblikovalnih orodjih je:

• izrezovanje platine,

• vlečenje,

• obrezovanje vlečenca,

• kalibriranje,

• rezanje in luknjanje,

• upogibanje in kalibriranje in

• upogibanje in rezanje.


-11-

Slika 2.6: Transferno orodje

Za katero vrsto orodja se bo naročnik odločil je odvisno predvsem od naslednjih dejavnikov:

• predvidene letne količine izdelkov,

• število let izdelave.

To je pomembno predvsem zaradi tega, ker strošek orodja in ostalih pripomočkov vpliva na

končno ceno izdelka.

ZRAČNOST MED PESTIČEM IN MATRICO

Vlečni del orodja je sestavljen iz vlečnega pestiča in vlečne matrice. Špranjo med matrico in

pestičem imenujemo zračnost in je pri orodjih izjemnega pomena. V splošnem mora biti

zračnost večja od debeline pločevine, ki jo vlečemo, s tem pa pride zaradi pojavljanja zraka

med matrico in pestičem do zmanjšanja vlečne sile, na drugi strani pa se pojavijo gube na

stenah vlečnega dela, ker pestič nima več pravega vodenja. Določitev zraka med matrico in

pestičem je zato vedno zelo težavna naloga.

V splošnem pa velja, da mora biti zrak tolikšen, da lahko še gladko prepušča pločevino

z največjo dopustno toleranco, ne da bi na vlečencu nastale napake.


-12-

EMPIRIČNE ENAČBE ZA DOLOČITEV ZRAČNOSTI

Za jekleno pločevino: ( )2

1

1007,0 ssz ××+= (2.1)

Za aluminijasto pločevino: ( )2

1

1002,0 ssz ××+= (2.2)

Za druge neželezne kovine: ( )2

1

1004,0 ssz ××+= (2.3)

z – [mm] – zračnost

s – [mm] – debelina pločevine

Izredno pomembno vlogo pri postopku globokega vleka ima tudi vstopna odprtina, ki najbolj

vpliva na vlečno razmerje. Najbolj enostavna oblika vstopne odprtine je krožni lok.

Priporočene vrednosti zaokrožitev vlečnih robov matrice in pestiča so:

6,1m

m

dr = (2.4)

3,6p

p

dr = (2.5)

rm [mm] – zaokrožitev vlečnega roba matrice

rp [mm] – zaokrožitev vlečnega roba pestiča

dp [mm] – relativni premer pestiča

dm [mm] – relativni premer matrice

Večja vlečna razmerja je možno dobiti z vstopno odprtino oblike konusa, traktrise ali elipse. Z

vstopno oblike traktrise se dosežejo vlečna razmerja do 2,8, z vstopno odprtino elipse pa celo

do 3,6. Slabost takšnega orodja sta visoka matrica in dolga pot pestiča.

2.2 DELOVNE OPERACIJE V ORODJIH

Za orodja, ki se danes uporabljajo v serijski proizvodnji avtomobilske industrije ali industriji

bele tehnike je značilno, da so izredno visoko produktivna. Težnja v industriji je, da je poseg


-13-

človeka pri izdelavi pločevinskih delov minimalen. Tako se v orodjih izvajajo številne

delovne operacije, ki so potrebne za izdelavo izdelkov iz pločevine.

IZSEKOVANJE

Pri izsekovanju iz osnovne pločevine, ki je največkrat navita v kolobar, izsekamo platino

oziroma rondelo ustrezne oblike. Težnja za prihodnost je, da se proces izsekovanja platine

izvede s tehnologijo laserskega rezanja.

VLEČENJE

Pri postopku vlečenja, iz osnovne oblike – rondele, izvlečemo osnovno obliko izdelka.

Vlečenje lahko poteka v več stopnjah, število stopenj je odvisno od vlečnega razmerja. V

praksi stremimo k temu, da je število vlekov čim manjše, saj se s tem zmanjša število vlečnih

orodij in s tem tudi cena orodja in izdelka. Pri postopku vlečenja se soočimo z največjimi

težavami, saj moramo poskrbeti, da se pločevina razvleče v vse smeri enakomerno, da ne

nastajajo pri vlečenju gube, da ne prihaja do pretrga pločevine, do prevelikega stanjšanja

materiala, da se material med vlekom ustrezno utrdi itd.

KALIBRIRANJE

Postopek kalibriranja uporabljamo zato, da dosežemo točne dimenzije, oblike, stene izdelka

(tolerance odpreska). To izvedemo z natančnimi kalibrirnimi pahi, matricami, trni itd.

REZANJE

Pri operaciji rezanja gre za postopno ločevanje materiala, kot ga predvidevajo delovne

operacije.

UPOGIBANJE

Operacija v orodju, kjer dobi izdelek delno ali pa tudi končno obliko s postopkom upogibanja.


-14-

3 KONSTRUIRANJE ORODIJ ZA PREOBLIKOVANJE

PLOČEVINE

Že v fazi ponudbe konstrukcija prevzema aktivno vlogo z zasnovo orodja, ki je sestavni del

ponudbe in pridobitve posla. Tu je orodjarna že seznanjena z robnimi pogoji in z zahtevami

naročnika, kot so:

• roki izdelave,

• število kosov iz orodja na leto,

• okolje kjer deluje orodje, stiskalnica, transferji,

• zadovoljevanje standardov, zahtev in priporočil s strani naročnika,

• posebni pogoji in želje.

Danes se večina izdelkov konstruira s pomočjo računalniške tehnike (CAD), kar inženirjem

močno olajša delo, hkrati pa tudi izjemno pohitri proces razvijanja novega izdelka. V procesu

konstruiranja inženir določa funkcijo izdelka, njegovo obliko, materialne lastnosti, način

izdelave itd. Računalniško konstruiranje znotraj celotnega procesa zajema naslednje

aktivnosti:

• snovanje in razvoj izdelka,

• konstruiranje sklopov, elementov in detajlov,

• analiziranje in ovrednotenje konstrukcije in

• modificiranje.

Konstruiranje orodij je proces pri katerem izkušnje ogromno pomenijo. Treba je vedeti, da

nobeno orodje ne bo odšlo k naročniku s takšno geometrijo, kakršna je bila skonstruirana v

CAD sistemu. Razlog za to je predvsem ta, da se v fazi preizkušanja orodja išče optimalni

odpresek, to pomeni izdelek, ki je brez porušenih površin oblike in z dovoljenim stanjšanjem

pločevine na določenih mestih. Razlog, da pride do teh napak je v:

• material pločevine, ki je lahko različen od predvidenega,

• neznank pri določitvah robnih pogojev računalniških simulacijah vleka,


-15-

• kratkih dobavnih rokov ali ekonomsko opravičljivih razlogov, ki ne dovoljujejo

izdelave prototipnega orodja.

Zato se v fazi preizkušanja prilagajajo vlečni radiji, oziroma izravnavajo površine (stene) s

tuširanjem in brušenjem, da dobimo lep vlek.

Danes so konstrukterjem orodij v veliko pomoč razna napotila, ki jih izdajajo

naročniki in po katerih se konstrukterji tudi morajo ravnati. Poleg napotil, so v veliko pomoč

tudi standardni elementi orodij, kot so standardizirana ohišja, vzmeti, vijaki, ki jih lahko

enostavno iz elektronskega kataloga uvozimo v naše orodje. Danes se orodja konstruirajo

večinoma v 3D-tehniki (slika 3.1), saj ima ta način dela ogromno prednosti:

• možnost konstruiranja kompliciranih sestavljenih in progresivnih orodij,

• obširne 3D knjižice standardnih elementov,

• nazorna konstrukcija tudi kompliciranih oblik preoblikovalnih delov orodij,

• avtomatsko kreiranje detajlov in prerezov konstrukcije,

• možnost dinamične simulacije delovanja orodja,

• prilagodljivost za kasnejše spreminjanje,

• podpora CAM obdelave.

Slika 3.1: 3D-model vlečnega pestiča (Tebis)

3D-konstrukcija orodja se začne z uvozom modela v ustrezen CAD sistem. Sledi modeliranje

oz. geometrijsko prilagajanje oblike, ki jo zahteva naročnik orodja – priprava modela

(preoblikovalne stopnje). V tem koraku določimo tudi lego izdelka v orodju pri posamezni


-16-

fazi preoblikovanja. Nato sledi dejanska konstrukcija orodja in na koncu primerjava

rezultatov med numerično simulacijo in rezultati iz prakse.

UPORABA NUMERIČNIH SIMULACIJ

Danes si konstruiranja preoblikovalnih orodij brez uporabe numeričnih simulacij sploh ne

moremo predstavljati. Določena podjetja s področja avtomobilske industrije od svojih

dobaviteljev tudi zahtevajo uporabo teh simulacijskih pripomočkov pri razvoju orodij za

preoblikovanje pločevine, s pomočjo katerih ovrednotijo konstrukcijsko zasnovo orodja.

Seveda je poleg znanja uporabe programskega paketa pomembno imeti tudi izkušnje, da si

lahko rezultate, ki jih dobimo s pomočjo simulacije pravilno interpretiramo.

Simulacijske pakete je danes smotrno uporabiti že v fazi razvoja samega izdelka, ko je

približno znana njegova geometrija; s tem preverimo ali je izdelek sploh možno izdelati, če

ne, je treba geometrijo popraviti. Najbolj smotrno je simulacijske pakete uporabiti v fazi

tehnološke priprave dela, saj so tu možni največji prihranki pri času (slika 3.2). Treba je

ugotoviti število preoblikovalnih operacij in vmesne stopnje orodij, določiti pa je treba tudi

tehnološke parametre.

Slika 3.2: Trodimenzionalni metodni plan


-17-

VRSTNI RED POTEKA IZVEDBE SIMULACIJE:

1. Geometrijo orodja in platine vnesemo v programski paket za izvedbo simulacije.

Datoteko z geometrijo lahko prenesemo s katerega koli paketa za konstruiranje s

pomočjo prevajalnikov, kot so IGES, STEP, VDA, CATIA itd.

2. Mreženje orodja in platine pomeni popis površin z MKE mrežo. Za hitrejše delo so

nam danes v pomoč moduli za avtomatično mreženje, ki so integrirani v programske

pakete. Kakovostni rezultati simulacij so v veliki meri odvisni od natančnosti mreže,

se pravi od gostote in oblike mreže. Mreža mora biti na mestih, kjer pričakujemo

največje deformacije dovolj gosta, da dobimo uporabne rezultate, vendar pa ne sme

biti pregosta, saj s tem po nepotrebnem povečamo število linearnih enačb in dodatno

obremenimo sistem za analizo deformacijsko napetostnih stanj.

3. Sledi popis materialnih lastnosti izdelka. Parametri oz. zakoni potrebni za popis

materiala so že integrirani v paketu. Vanje vstavimo koeficiente, katere dobimo od

naročnika ali pa se opravijo standardni laboratorijski preizkusi. Najbolj potrebni

podatki za kakovostno izvedbo simulacije so:

• modul elastičnosti E,

• krivulja plastičnega utrjevanja,

• koeficient anizotropije r0, r45, r90,

• krivulja mejne deformabilnosti KMD in

• meja elastičnosti.

4. Definiramo kinematiko preoblikovalnega procesa in torne razmere na kontaktnih

površinah

5. Izračun preoblikovalnega postopka po metodi MKE. Postopek lahko razdelimo na:

pozicioniranje platine v orodju (v primeru velikih izdelkov in debele pločevine

program prične z izračunom povesa zaradi lastne teže), primik držala, večstopenjsko

preoblikovanje in elastično izravnavanje potem, ko izdelek vzamemo iz orodja in ga

obrežemo.


-18-

6. Poprocesiranje rezultatov. Uporabniško prijazni moduli omogočajo enostaven prikaz

rezultatov, ki so za preoblikovanje pločevine najbolj potrebni.

Simulacijski paketi nam v teh različnih fazah razvoja omogočajo:

• določevanje optimalne začetne oblike platine in optimalno razporeditev izdelkov za

optimalen izkoristek materiala,

• Simulacijo preoblikovalnega postopka (slika 3.3):

- napovedovanje kritičnih mest na obdelovancu, kjer se lahko pojavi nevarnost

porušitve ali nedopustnega tanjšanja materiala, površinskih napak ali gubanja,

- optimiranje oblike izdelka,

- optimiranje tehnologije,

- optimiranje procesnih parametrov,

- določitev preoblikovalnih sil.

• Simulacije elastičnega izravnavanja:

- napovedovanje elastičnega izravnavanja,

- optimiranje aktivnih delov orodja za kompenzacijo elastičnega izravnavanja.

• Simulacije inovativnih preoblikovalnih postopkov:

- preoblikovanje krojenih prerezov,

- preoblikovanje z medijem,

- preoblikovanje v elastičnih orodjih,

- inkrementalno preoblikovanje,

- preoblikovanje v vročem stanju,

- trdnostna analiza celotnega seta orodij (FEM analiza).


-19-

Slika 3.3: Numerična simulacija preoblikovanja stranice avtomobila s KMD in tanjšanjem pločevine

Danes se na tržišču pojavlja veliko število programskih orodij, s katerimi lahko opravljamo

omenjene analize. Dejstvo je, da so prednosti in tudi nujo omenjenih simulacij spoznali tudi

razvijalci CAD paketov, tako da nam danes že ti omogočajo omenjene simulacije. Vendar pa

se točnost končnih rezultatov ne more primerjati s specializiranimi orodji, saj gre v tem

primeru za bolj ali manj okrnjene verzije specializiranih programov.

Najbolj zastopana programska orodja za omenjene simulacije so tako Autoform, Pam-

stamp, Dynaform in Altair HyperWorks katerega velika prednost je tudi v tem, da nam z

modulom HDD (Hyper Die Dynamics) omogoča simulacijo gibanja orodja znotraj stiskalnice

med preoblikovalnim procesom (slika 3.4).

Slika 3.4: Simulacija gibanja orodja med procesom v stiskalnici

Z uporabo simulacijskih paketov zmanjšamo stroške proizvodnje, omogočimo pravočasen

prihod izdelkov na trg, hitro odpravljanje napak na orodjih in predvsem zmanjšamo tveganje

pri razvoju novih izdelkov in preoblikovalnih tehnologijah.


-20-

4 3D-SKENIRANJE

Osnovni namen skeniranja (digitalizacije) je izdelava digitalne kopije izdelka. Najprej je treba

izdelek skenirati (slika 4.1), nato pa se na podlagi tako pridobljenih podatkov izdela CAD-

model izdelka, določi pot obdelave za CNC stroj ali CAE analiza.

Prvotno so s tem postopkom izdelovali proizvode drugih proizvajalcev in jih nato

izboljševali. Na ta način so prihranili ogromno časa in stroškov, kajti faza razvoja je pri takem

načinu dela odpadla. S tem postopkom so tudi na novo konstruirali proizvode, ki so jih

izdelovali po licenci ali izboljševali njihovo zunanjo podobo.

Ta postopek je doživel popolno preobrazbo pod vplivom hitrega inženirstva, ki je bil v

posameznih oddelkih podjetij vedno bolj razširjen. Skeniranje vzorca obdelovanca in izdelava

matematičnega (numeričnega) modela, na osnovi zajete množice točk, ki je nadomestila

neposredno modeliranje v CAD paketih, je podjetjem omogočila, da so skrajšali čas razvoja

za več tednov.

Slika 4.1: Skeniranje varjenega sklopa (Metris)


-21-

Vzvratni inženiring je danes sestavni del procesa načrtovanja in izdelave proizvoda. Lahko ga

definiramo kot proces, katerega končni produkt je oblikovanje matematičnega modela iz

fizičnega. Razlogi, zakaj se odločamo za vzvratni inženiring so:

• obstajajo posamezni deli, za katere ne obstaja konstrukcijska oziroma izdelovalna

dokumentacija,

• v nekaterih primerih je treba potegniti iz modela samo podatke o 2D profilu; za

dokončno oblikovanje dela je bolj učinkovito modeliranje z uporabo tega profila in

ustreznih CAD/CAM sistemov,

• potencialna področja uporabe so industrija injekcijskega tlačnega litja (hitra izdelava

orodij, obnova poškodovanih orodij ali podvajanje orodij). Uporabnost tega postopka

pa segajo tudi izven strojniškega področja, saj je zelo smotrno postopek uporabiti tudi

na področjih kot so medicina, proizvodnja igrač, očal, itd.

V vseh primerih uporabe vzvratnega inženirstva je treba poznati zahteve za uporabo tega

postopka. V nekaterih primerih želimo pridobiti konstrukcijske informacije za mehansko

obnavljanje, lahko pa zahtevamo informacije, ki so potrebne za načrtovanje na osnovi

modifikacij. V primeru iskanja informacij za konstruiranje nas zanimajo predvsem absolutne

tolerance, nasprotno v primeru načrtovanja na osnovi modifikacij želimo pridobiti podatke o

obliki.

4.1 PRISTOPI PRI NAČRTOVANJU IZDELKA

Danes se lahko načrtovanja in izdelave novega proizvoda lotimo po dveh različnih

uveljavljenih poteh (slika 4.2) in sicer:

• konvencionalni način ali

• nekonvencionalni način.


-22-

Slika 4.2: Različni metodologiji razvoja in izdelave orodij

KONVENCIONALNI NAČIN

Konvencionalno zaporedje aktivnosti pri načrtovanju in izdelavi novega izdelka s

CAD/CAE/CAM sistemi se običajno začne z geometrijskim modeliranjem, z uporabo CAD

sistema. Geometrijski model lahko predstavimo na več načinov, in sicer kot žični model, kot

površino ali kot telo (slika 4.3).

Slika 4.3: Zgornji del oblikovnega dela orodja kot telo


-23-

Po končanem modeliranju, se pridobljene CAD informacije izvažajo v standardnem formatu

(IGES, STL, ASCII, VDA) in uvažajo v enakem formatu v CAE sisteme (predvideno za

simuliranje modela) ali v razne CAM sisteme (definiranje poti obdelave – NC-koda) kot

prikazuje slika 4.4.

Slika 4.4: Primer CNC obdelave in trdnostne analize

NEKONVENCIONALNI NAČIN

Konvencionalno zaporedje aktivnosti pri načrtovanju proizvoda ni uporabno, če je namen

uporabiti reinženiring in morebiti simulirati in optimirati že obstoječe dele/orodja brez

informacije v CAD formatu. V tem primeru je treba uporabiti tehnike, ki omogočajo

zajemanje podatkov o geometriji orodij ali delov in na podlagi teh informacij izdelati

matematični model. Tako uporabljen model kasneje uporabimo v CAE in CAM sistemih. Ta

proces običajno imenujemo vzvratni inženiring. Omenjen proces dela prikazuje slika 4.5 in

sicer na primeru razvoja novega avtomobila (vir Metris).


-24-

Slika 4.5: Proces izdelave novega avtomobila

4.2 POSTOPEK VZVRATNEGA INŽENIRSTVA

Postopek vzvratnega inženirstva lahko razdelimo v tri stopnje:

• skeniranje,

• segmentiranje podatkov,

• prirejanje podatkov.

Prvi cilj metodologije vzvratnega inženirstva je oblikovati konceptualni model (npr. površino

sestavljeno iz mreže trikotnikov) izhajajoč iz fizičnega modela (orodja, prototipa). V ta namen

potrebujemo tehniko 3D-skeniranja, podprto z zmogljivo programsko opremo.

3D-skeniranje je postopek zajemanja podatkov z nedefinirane površine. Med

skeniranjem se analogno tipalo giblje po površini vzorca (z dotikom oziroma brez dotika)

naprej oziroma nazaj, sistem pa zapisuje informacije o površini v obliki numeričnih datotek

(slika 4.6). Produkt skeniranja je opis vzorca v obliki oblaka točk, ki ga lahko v nadeljevanju

uporabimo za generiranje G-kode za obdelovalne centre, za izdelavo kopije ali različnih

geometrijskih inačic osnovne oblike.


-25-

Slika 4.6: Skeniranje pločevinskega dela (Kreon)

Če skeniramo nek vzorec bodisi orodje ali kakšen del avtomobilske karoserije, moramo

upoštevati naslednje vplivne faktorje:

• iz kakšnega materiala je narejen model,

• kakšno je fizično stanje modela,

• potrebe po vpenjanju,

• zahteve pozicioniranja,

• napake naprave za digitaliziranje,

• dosegljive naprave za digitaliziranje,

• kakšna je zahtevana uporaba pridobljenega geometrijskega modela.

Zelo pomembna zadeva pri samem izvajanju skeniranja je, da v primeru nastanka napake, to

napako znamo pravilno ovrednotit. Zgodi se lahko, da napako, ki smo jo zakrivili sami, bodisi

zaradi neprimerne okolice, v kateri smo izvajal skeniranje, bodisi zaradi napake, ki jo je

povzročila merilna naprava, napako pripišemo izdelavi modela, kar je velika napaka pri

interpretaciji rezultatov. Takšno vrsto napake je treba opisati in jo v fazi obdelave podatkov v

ustreznem programskem paketu tudi odpraviti in na koncu tudi upoštevati pri končnem

izdelku. Na sliki 4.7 tako lahko vidimo napako, ki je posledica vdora svetlobe na skeniran

objekt.


-26-

Slika 4.7: Primer napake na skeniranem objektu zaradi neustrezne svetlobe

Med vsemi zgoraj naštetimi faktorji, ki jih moramo upoštevati pri skeniranju, je zadnji

verjetno najbolj pomemben, vendar v večini primerov premalo upoštevan.

RAZLIKA MED DIGITALIZIRANJE IN SKENIRANJEM

Pojma digitaliziranje in skeniranje se velikokrat uporabljata za opisovanje istega procesa.

Običajno se pojem digitaliziranje nanaša na postopek posnemanja diskretnih točk z

nedefinirane površine s tipalom na dotik. Vendar se danes v industrijo uvajajo vedno nove

tehnologije; danes se podatke s površin zajema s pomočjo laserja, CCD-kamer, umetnega

vida, sistemi z analognimi tipali. Tako se danes pojem digitalizacije uporablja kot generični

opis za postopek pridobivanja podatkov z nedefinirane površine.

4.3 PREDSTAVITEV RAZLIČNIH TEHNOLOGIJ 3D-SKENIRANJA

Oblak digitalnih točk lahko zajamemo z različnimi tehnikami digitaliziranja, ki jih delimo v

dve skupini (slika 4.8):

• mehanske tehnike (s fizičnim kontaktom tipala) in

• optične tehnike (brez fizičnega kontakta tipala).


-27-

V primeru mehanskih tehnik se običajno uporabljajo koordinatni merilni stroji (CMM) ali

CNC frezalni stroji kot osnova, opremljeni z dotikalnimi tipali, kot sta npr. Retroscan ali

Renscan podjetja Renishaw.

Oblak točk(digitalizirani podatki)

Software zadigitalizacijo

CMM s tipalom

CNC-frezalni stroj s tipalom

CTračunalniškatomografija

Fizikalni model(vzorec ali prototip)

CMM zlaserskimsistemom

CNC-frezalnistroj z laserskim sistemom

Slika 4.8: Različne tehnike 3D-skeniranja

Danes lahko na koordinatnih merilnih napravah, ki so opremljene z raznimi tipali, izvajamo

izredno natančno merjenje kakršnegakoli merjenca, hkrati pa so te naprave tudi izredno

fleksibilne. Uporaba koordinatnih merilnih naprav (CMM) za merjenje oblike merjenca ima

velik vpliv na produktivnost procesa, vendar je treba tudi upoštevati zahtevnost površin, ki jih

bomo merili. Ravno to je danes vzrok, da so CMM opremljene z velikim številom raznih

tipal. Eno izmed merilnih glav prikazuje slika 4.9.

Slika 4.9: Tipalna glava podjetja DEA


-28-

Tipalne glave z enim tipalom so najbolj razširjene na področju merjenja prizmatičnih delov in

preprostih površin. Na površini ta tipala zajemajo točko za točko. Analogna tipala za

kontinuirno merjenje pa nasprotno lahko na hitro zajamejo na tisoče točk.

Za merjenje z dotikom je značilno, da s tem načinom dosežemo najboljše rezultate s

stališča točnosti in kakovosti obdelane površine. Problemi se pojavijo, kadar meritev

izvajamo na majhnih delih ali pa na delih, ki so izdelani iz zelo mehkega in krhkega materiala

(njihova površina se ne blešči, npr. glina, plastelin) – v takšnih primerih se priporoča uporaba

brezdotikalnih, laserskih ali optičnih sistemov.

V primeru merjenja površine brez dotika pa uporabljamo CMM- ali CNC-frezalne

stroje, ki so opremljeni z laserskimi tipali ali samostojne naprave, katerim so dodani optični

senzorji. (npr. CCD kamere) za brezdotikalno merjenje koordinat.

Gre za merjenje z optičnimi tipali, ki se delijo na tipala za posamezne točke, svetlobne

zapore in tipala, ki omogočajo analiziranje upodobitve delov merjenca; na merjenec se

projicira strukturna svetlobna mreža. Novi optični sistemi za merjenje omogočajo zajem

velikih elementov modela, karoserij ali konstrukcije letala, ki poteka zelo hitro, saj lahko

zajamejo okoli 20 000 točk v sekundi

CT-TEHNOLOGIJA

CT je angleška kratica za ''computer tomography'' in pomeni računalniška tomografija.

Tomografija izhaja iz grške besede tomos. CT je metoda, ki uporablja X žarke pri zajemanju

3D-podatkov. Največkrat se uporablja v medicinske namene pri digitalizaciji notranjih

človeških organov.

Prednost CT-tehnologije digitaliziranja v primerjavi z ostalimi metodami je v

zajemanju delov objekta, ki niso v vidnem polju, se pravi so v notranjosti objekta. Dobra

lastnost omenjene tehnike je tudi, da ni občutljiva na odbojne lastnosti površine. Slabosti pa

najdemo v tem, da velike spremembe v gostoti materiala lahko močno vplivajo na natančnost.

Tvegana je tudi uporaba v prisotnosti radioaktivnih elementov. Napravo za računalniško

tomografijo prikazuje slika 4.10.


-29-

Slika 4.10: Naprava za računalniško tomografijo (Metris)

OPTIČNA DIGITALIZACIJA

Pri optičnih refleksijskih metodah na objekt usmerimo svetlobo in na osnovi refleksije te

svetlobe določimo obliko objekta. Pristopov je več, vendar je najbolj uporaben postopek, pri

katerem se točke na površini objekta določajo s pomočjo optične triangulacije. Za ta namen

uporabljamo optične globinske senzorje, ki so varni in enostavni za uporabo. Slabost teh

senzorjev je, da niso zmožni vzorčenja notranjosti objektov, kot tudi ne vzorčenja objektov

izven vidnega polja kamere. Tako je za rekonstrukcijo 3D opisa celotnega objekta treba zajeti

več globinskih slik iz primerno izbranih gledišč.

Na tržišču se pojavlja kar nekaj proizvajalcev opreme, ki nudijo optično digitalizacijo,

med najpomembnejšimi so Kreon – Francija, CogniTens – Izrael, GOM – Nemčija, Metris –

Belgija, Steinbichler – Nemčija in drugi. Na sliki 4.11 vidimo optično skeniranje B-nosilca s

skenerjem Atos II.


-30-

Slika 4.11: Digitalizacija B-nosilca

3D-CAD REKONSTRUKCIJA IZ SKENIRANIH PODATKOV

Podatki, ki jih pridobimo s skeniranjem – oblak točk (v x, y in z koordinatah), se izvozi v

sistem za programsko rekonstrukcijo modela, kjer je preveden v konceptualni model, podprt z

mrežo trikotnikov na površini ali pa s CAD podatki o površini. Ko je konceptualni model

končan, je postopek dela podoben kot pri konvencionalnem poteku dela – sledi geometrijsko

modeliranje v CAD sistemu.

Slika 4.12: Poligonimeriziran model orodja z enakomerno porazdeljenimi gradniki

Glede na to, da danes poznamo različne tehnike zajemanja podatkov s fizičnega modela, je

smotrno določene med njimi tudi primerjati. Tabela 4.1 nam prikazuje primerjavo nekaterih

tehnik skeniranja.


-31-

Tabela 4.1: Primerjava posameznih tehnik skeniranja

Tehnika skeniranja

Prednosti Pomanjkljivosti

CCD - kamera

• Hitro • Visoka cena opreme • Neobčutljivost na barvo merjenca z

dodatno svetlobo, ki je programsko krmiljena

• Natančnost pada linearno z oddaljenostjo kamere od merjenca

• Možnost skeniranja v natančnosti nekaj mikrometrov za zelo majhne površine

• Skeniranih naoljenih in mokrih merjencev je popačeno

• Možnost več kamer naenkrat • Vsakršen prah povzroča težave pri skeniranju

laser

• Natančno in hitro skeniranje po Z osi (0,001 mm ali bolje)

• Visoka cena opreme

• Brezdotikalna metoda • Ni možno skenirati svetlečih, bleščečih materialov

• Možnost skeniranja mehkih materialov

• Ni možno skenirati na področju zarez ali strmih površin zaradi dodatnega odboja

Dotikalno - klasično

• Zelo natančno po vseh oseh (odvisno od naprave za skeniranje v celoti)

• Ni primerna za mehke materiale

• Hitro skeniranje geometrijsko znanih oblik

• Ne omogoča skeniranja neznanih površin oz. je tovrstno skeniranje počasno in precej nenatančno

• Zelo natančno skeniranje kovancev in podobnih reliefov

• Možnost skeniranja z roko ali avtomatsko

• Ročna skenirna naprava (merilna roka) je uporabna za skeniranje objektov zelo velikih dimenzij, kot so letala, ladje, velika ogrodja strojev in naprav, pri tem pa se natančnost merjenja bistveno ne spremeni

Dotikalno – Renishaw

(Cyclone 2)

• Zelo natančno po vseh oseh (0,001 mm)

• Tipala so večjih dimenzij

• Relativno nizka cena naprave • Ni primerno za mehke materiale

• Možnost uporabe različnih tipal za različne površine

• Površina tipala je podvržena obrabi


-32-

Idealna naprava za 3D skeniranje naj bi bila kombinacija laserja, CCD-kamere in dotikalnega

tipala, podprta z ustreznim krmilnikom.

4.4 UPORABA DIGITALIZACIJE V PRAKSI

Digitalizacija se danes v svetu uporablja na vedno več področjih in v vse večjem obsegu.

Predstavljena bodo samo nekatera področja, kjer je digitalizacija danes že uveljavljena.

Kakovostna digitalizacija je v bistvu osnova za kakovostno obratno inženirstvo.

4.4.1 HITRO FREZANJE

Hitro frezanje pomeni neposredno izdelavo izdelka (npr. dupliciranje) s pomočjo podatkov, ki

smo jih pridobili z digitalizacijo. V večini primerov to pomeni NC-programiranje STL-

modela, čeprav danes že obstajajo digitalizatorji, katerih direkten izhod je že koda za

obdelavo. Vendar je potrebno poudariti, da je programiranje STL-modela nekoliko boljša

možnost, saj lahko v tem primeru sami določimo strategijo obdelave in optimiramo parametre

frezanja (slika 4.13).

Zaradi tega mora biti kakovost STL-modela kolikor se le da velika; to pomeni, da

moramo odpraviti vse napake, ki se na model preslikajo kar pomeni nekoliko več dela.

Prednost hitrega frezanja je predvsem v tem, da se izognemo vzvratnemu inženirstvu, kar

posledično pomeni, da zmanjšamo možnost napak na modelu, pomemben pa je tudi prihranek

na času. Čas, ki je potreben za digitalizacijo in izdelavo kakovostnega modela, je za večino

primerov en do dva dni.

V praksi to pomeni, da če pri skeniranju orodja opazimo veliko odstopanje med CAD-

modelom in skeniranim modelom, lahko izdelamo ustrezno G-kodo, ki bo razlike med

modeloma izničila.


-33-

Slika 4.13: NC-programiranje STL-modela

4.4.2 VZVRATNO INŽENIRSTVO

Primer uporabe digitalizacije za namen vzvratnega inženiringa je v praksi zelo pogost. Kot

smo že poudarili, se v praksi velikokrat zgodi, da za določen izdelek ni na voljo

dokumentacije. V primeru, da se računalniški model potrebuje, poleg izdelave dvojnikov, še

za kakšne druge aplikacije, STL-model ponavadi ni dovolj, saj so spremembe v današnji

programski opremi še pretežavne. V takšnem primeru nastopi vzvratno inženirstvo oz.

kreiranje CAD-modela.

Vhodni podatki za vzvratno inženirstvo so največkrat pridobljeni s pomočjo skeniranja

in sicer v obliki oblaka točk. V primeru nezahtevnih oblik lahko podatke povzamemo s

pomočjo raznih merilnih strojev in naprav, npr. koordinatnih merilnih strojev. Velika

pomanjkljivost takšnega zajema podatkov je ta, da je za kvaliteten popis površine podatkov

premalo. Tak način zadošča kvečjemu za popis enostavnih oblik, kot so valji, stožci, krogle

itd.

Odločanje za način zajema podatkov je odvisno torej od zahtevnosti izdelka. Pravilo

pa je, da če želimo čim boljši približek CAD-modelu, je skeniranje nujnost.

Praktičen primer skeniranja in vzvratnega inženirstva prikazuje slika 4.14. V tem

primeru je proces skeniranja uporabljen pri razvoju čelade za dirkača formule 1, kjer je zelo

pomembno, da se čelada zaradi varnosti popolnoma prilagaja dirkačevi glavi. Tako so bili

podatki pridobljeni s skeniranjem uporabljeni za neposredno izdelavo čelade.


-34-

Slika 4.14: Primer skeniranja glave, za kasnejšo izdelavo čelade (Schubert AG)

4.4.3 MERSKA KONTROLA

Velika prednost današnjih digitalizatorjev je predvsem velika natančnost, saj lahko merimo v

območju med 0,01 in 0,03 mm, kar omogoča uporabo tudi v fazi dimenzijske kontrole

izdelka. Podatki, bodisi v obliki oblaka točk, bodisi v formatu STL, se primerjajo z

referenčnim CAD-modelom. Končni rezultat je barvna skala odstopkov, merski protokol, ki

ga prikazuje slika 4.15 ali deviacija posameznih točk.

Prednost uporabe digitalizatorja pred koordinatnimi merilnimi stroji je predvsem v

hitrosti in kakovosti meritve. Rezultat meritve je grafičen in nakazuje tudi odstopanje oblike, s

čimer dobimo bistveno več informacij o merjencu.

Slika 4.15: Primer merskega protokola

V primeru serijske merske kontrole, ko je treba zagotoviti veliko ponovljivost meritev

podobnih ali enakih izdelkov ali sklopov (v primeru serijske proizvodnje), se pojavlja vedno

večja potreba po avtomatizaciji digitalizacije. V tem primeru je skener možno namestiti bodisi


-35-

na industrijskega robota bodisi na rotacijsko mizo. Na sliki 4.16 lahko vidimo barvni prikaz

odstopkov na serijskem pločevinskem izdelku.

Slika 4.16: Primer barvne skale odstopkov

4.4.4 MERJENJE DEFORMACIJ IN DOLOČEVANJE MATERIALNIH

LASTNOSTI

Poleg vseh možnosti, ki nam jih ponujajo digitalizatorji, od merske kontrole do vzvratnega

inženirstva, nam nekateri, kot sta Argus in Aramis podjetja GOM, ponujajo tudi merjenje

deformacij pri preoblikovanju in optimizacijo preoblikovalnih procesov.

Vsak digitalizator spremlja zmogljiva programska oprema, ki nam v tem primeru

lahko poda porazdelitve glavnih in ostalih napetosti, prikaže nam lahko stanjšanje pločevine

kot tudi diagram mejnih deformacij in mejo tečenja za posamezen material.

Glavne aplikacije vključujejo verifikacijo numeričnih simulaciji in grobo vrednotenje

preoblikovalnih procesov.

Na ta način lahko tudi testiramo materiale, do kolikšne stopnje se jih da preoblikovati.

Princip omenjene tehnike nam prikazuje slika 4.17.

Z uporabo teh digitalizatorjev, lahko modificiramo oz. popravimo orodje, da bo le to

delovalo boljše in bo odpresek kar se da kvaliteten.


-36-

Slika 4.17: Princip določevanja materialnih lastnosti s skenerjem Aramis podjetja GOM

POSTOPEK MERJENJA DEFORMACIJ S SISTEMOM ARGUS

Postopek merjenja deformacij se začne z namestitvijo krožnih pik na površino merjenca, ki se

med preoblikovalnim procesom deformirajo skupaj z merjencem – metoda fotogrametrične

analize. Deformirani merjenec se po preoblikovalni operaciji posname s kamero visoke

resolucije iz različnih zornih kotov. Po principu fotogrametrične metode, se nato vse posnete

točke projicirajo v program, kjer se nato na podlagi razmaka pik določijo tenzorji deformacij

po celotni površini merjenca, medtem ko se tanjšanje debeline sten določa na podlagi

konstantnosti volumna. Rezultati merjenja in analize so prikazani trodimenzionalno skupaj s

krivuljo mejnih deformacij (slika 4.18).

Slika 4.18: Prikaz glavnih napetosti v B-nosilcu

4.4.5 DIGITALIZACIJA ORODIJ PO ROČNIH OBDELAVAH

Vsako orodje je treba po računalniško krmiljeni obdelavi še ročno popraviti (korekcija vlečnih

radiev, tuširanje), kar pomeni, da se geometrija orodja nekoliko spremeni. S skeniranjem se ti


-37-

podatki ohranijo, kar pomeni, da v primeru naročila novega orodja, lahko pridobimo ogromno

časa v tej fazi, saj ni potrebe po tako obsežnem preizkušanju orodja, saj imamo te korekcije že

na voljo.


-38-

5 PRIMER SKENIRANJA ORODJA ZA PREOBLIKOVANJE

PLOČEVINE

V podjetju Weba Maribor smo za naročnika, znanega evropskega avtomobilskega

proizvajalca, izdelali transferno orodje za izdelavo notranjega dela C-nosilca (slika 5.1). V

pomoč pri kontroli oblikovnega dela orodja, smo uporabili metodo optičnega skeniranja, pri

čemer smo pridobljene podatke kasneje primerjali s referenčnim CAD modelom.

Slika 5.1: Referenčni CAD model preoblikovalnega orodja

Naloga je bila izvedena v štirih stopnjah in sicer:

• skeniranje vlečnega pestiča in matrice po strojni obdelavi,

• primerjava skeniranih objektov z referenčnima CAD modeloma,

• skeniranje vlečnega pestiča in matrice po fazi tuširanja,

• primerjava skeniranih objektov po tuširanju z referenčnima CAD modeloma.


-39-

WEBA MARIBOR

Delniška družba Unior d.d. in Weba GmbH sta 23.11. 2007 podpisali pogodbo o ustanovitvi

mešanega podjetja, ki bi nadeljevalo tradicijo izdelave orodij za preoblikovanje pločevine,

zlasti za avtomobilsko industrijo. Podjetje WEBA GmbH iz sosednje Avstrije/Steyr, spada

med pomembnejše evropske dobavitelje preoblikovalnih orodij, katerih kupci so renomirana

svetovna podjetja kot so Adam Opel GmbH, Audi AG, BMW AG, Daimler AG, Dura GmbH,

ThyssenKrupp Umformtechnik GmbH, Tower Automotive GmbH in drugi. Z omenjeno

združitvijo je podjetje Unior M.P.P. tehnološka oprema zagotovo dobilo spoštovanja

vrednega strateškega partnerja, ki bo zagotavljal kontinuiteto del, prav tako pa poskušal

dvigniti že tako visoko kakovost dela ter poskušal prenesti določena dela, predvsem razvoj

orodij za preoblikovanje visokotrdnostnih pločevin.

Podjetje zaposluje okoli 250 ljudi na lokaciji v industrijski coni Tezno v Mariboru

(slika 5.2). Nudijo celovite rešitve na področju preoblikovanja pločevine, kar jim omogoča

ustrezno visoko usposobljen kader kot tudi visoko zmogljiva oprema, ki jo ima podjetje v

lasti.

Tako podjetje za svoje razvojne aktivnosti uporablja programski paket Mechanical

desktop za 3D-modeliranje, za programiranje računalniško podprtih strojev pa CAD/CAM

paket Catia V5. Prav tako ima podjetje v lasti simulacijski paket za simulacijo globokega

vleka Autoform, s katerim si pomagajo pri določitvi metodnega plana.

Prav tako, kot je sodobno opremljen razvojni oddelek, slednje velja tudi za proizvodne

prostore, kjer podjetje za potrebe rezkanja uporablja najsodobnejše rezkalne centre med katere

sodi tudi pet-osni Deckel-Maho. Za potrebe laserskega razreza uporabljajo prav tako pet-osni

laser, medtem ko za meritve uporabljajo 3D-merilni stroj DEA SCIROCCO.

Slika 5.2: Proizvodna hala podjetja Weba Maribor


-40-

VLOGA C-NOSILCA

C-nosilec predstavlja skupaj z A- in B-nosilcem izjemno pomembne strukturne dele znotraj

celotne avtomobilske karoserije (slika 5.3). Omenjeni nosilci namreč predstavljajo povezavo

med streho in stranico avtomobila, pri čemer je A-nosilec sprednji, B-nosilec srednji in C-

nosilec zadnji. Pri karavanskih in SUV izvedenkah se pojavlja še en nosilec in sicer D-

nosilec. Omenjeni nosilci služijo kot varnostna kletka za voznika avtomobila in so običajno

izdelani iz visokotrdnostnih jekel, kot so npr. HSLA (high strength low alloy) ali TRIP

(transformation induces plasticity steels) pločevina.

D-nosilec

C-nosilec

B-nosilec

A-nosilec

Slika 5.3: Primer avtomobilske karoserije in mesta pritrditve nosilcev na Volkswagnu Touaregu (Tower Automotive)

Osnovna naloga C-nosilca je povezava strehe vozila z zadnjim stranskim blatnikom, oziroma

stransko steno avtomobila. Nosilec sestavljajo zunanji (vidni) del, lahko tudi integriran v

stransko steno, notranja ojačitev kot dodatna ojačitev v predelu strehe in v predelu vodnega

kanala ob stiku vezne stene (pokrov za zadnjimi sedeži) in zadkom avtomobila.

Omenjeni nosilec z ostalimi igra veliko vlogo pri togosti karoserije (širša kot je, bolje

je, vendar je pri tem mrtvi kot za voznika bistveno večji pri pogledu stransko nazaj). Kot

rečeno, omenjeni nosilci pri trku avtomobila nase prevzemajo energijo trka, katere

razporeditev v primeru stranskega udarca nam prikazuje slika 5.4.


-41-

Slika 5.4: Porazdelitev energije pri stranskem trku

5.1 OPIS SKENERJA ATOS II

Skeniranje je potekalo z optičnim skenerjem nemškega podjetja GOM ATOS II, katerega

lastnik je Fakulteta za strojništvo Univerze v Mariboru.

Skeniranje z omenjenim sistemom zagotovi geometrijo celotne oblike objekta. Tehnologija se

v veliki večini uporablja na področju avtomobilske industrije in sicer za:

• vzvratni inženiring,

• mersko kontrolo,

• optimizacijo poti rezalnega orodja pri proizvodnji oblikovnih orodij in

• monitoringa v serijski proizvodnji.

Skener ATOS II (slika 5.5) deluje po principu zajemanja globinskih slik s pomočjo črtnega

vzorčenja površine skeniranega objekta. Slike lahko zajema z gostoto 1,3 milijona točk, ki jih

nato preda poprocesorju v obliki oblaka točk.

Sistem je sestavljen iz močnega projektorja in dveh CCD-kamer. V podporo skenerju

je močan računalnik, ki premore 64-bitni dvojedrni procesor z 8 GB Ram-a in je sposoben

vsako izmed 1,3 milijona točk umestiti s pomočjo koordinatnega sistema v virtualni prostor.

Prednost omenjenega skenerja je v visoki natančnosti, enostavnosti, mobilnosti in možnosti

uporabe v težkih razmerah, kot so med drugim proizvodni prostori.

Skener omogoča skeniranje objektov različnih velikosti, in sicer od potniških letal pa do

miniaturnih injekcijsko brizganih izdelkov. V ta namen ima predložene štiri sete različnih

merilnih volumnov (tabela 5.1):


-42-

Tabela 5.1: Merni volumni skenerja Atos II

Merilni volumen Razdalja merjenja Objektiv kamere Objektiv projektorja

100 x 80 x 80 750 35 23

200 x160 x 160 750 23 17

350 x 280 x 280 750 17 12

550 x 440 x 440 750 12 8

Slika 5.5: Skener Atos II

MERILNI POSTOPEK S SISTEMOM ATOS II

• Pozicioniranje senzorja in skeniranje

Prvi postopek pred skeniranjem je umerjanje sistema in njegovo pozicioniranje pred

objektom, ki ga želimo skenirati. Po vsaki sliki, se objekt ali skener, pomika tako, da

je mogoče s čim manjšim številom posnetkov zajeti ves objekt. Vsi posnetki se

avtomatično transformirajo v koordinatni sistem, s čimer se zagotovi celotni oblak

točk objekta.

• Obdelava podatkov

Po obdelavi podatkov se izdela polimeriziran model, podprt z mrežo osnovnih

elementov, kot so npr. trikotniki. Omenjeni model je nato primeren za izvoz v obliki

STL-formata, mersko kontrolo s CAD-modelom ali verifikacijo preko tehniške

dokumentacije.

• Poročilo in rezultati

Pridobljeni podatki kot so odstopanja od oblike, se nato izvozijo v CAD program kjer

se vrši nadaljna obdelava.


-43-

Karakteristike skenerja Atos II, s katerim je bilo opravljeno skeniranje nam prikazuje tabela

5.2

Tabela 5.2: Karakteristike skenerja Atos II

Konfiguracija sistema ATOS II

Število merilnih točk 1 300 000 v 1s

Čas merjenja 1s

Merilno območje (min) 175 x 140 mm2

Merilno območje (max) 2000 x 1600 mm2

Razmik med točkami 0,12 – 1,4 mm

Svetilnost 400 ANSI - Lumen

Kamera (število pikslov) 2 x 1 400 000

Dimezije projektorja 490 x 260 x 170 mm2

Teža projektorja 5,2 kg

Temperatura obratovanja 0 – 500C

5.2 SKENIRANJE VLEČNIH DELOV PREOBLIKOVALNEGA

ORODJA

Skeniranje preoblikovalnega orodja smo pričeli s pripravo merjenca – preoblikovalnega

orodja, ki smo ga najprej premazali s TiO2, s čimer smo preprečili sijaj, ki ga je oddajalo

orodje. Sledilo je umerjanje CCD-kamere, s pomočjo posebne plošče z markacijami, ki je

sestavni del opreme skenerja (slika 5.6).

.


-44-

Slika 5.6: Umerjanje skenerja

Po končanem umerjanju kamere, je bilo treba na orodje nalepiti posebne referenčne točke,

katerih namen je, da se z njihovo pomočjo posamezne slike v koordinatnem sistemu

avtomatično sestavljajo v celoto. Pravilo je, da morajo biti v vsakem posnetku kamere vsaj tri

referenčne točke, saj tako kamera nima prevelikih težav pri sestavljanju posameznih

posnetkov v celoto. Slika 5.7 prikazuje preoblikovalno orodje opremljeno z referenčnimi

točkami.

Slika 5.7: Orodje z referenčnimi točkami

Ko je celoten sistem in merjenec bil pripravljen, smo začeli z meritvijo. Pri meritvi se vzorci

merilnih črt (sledi) projicirajo na površino orodja, rezultate nato zajamejo merilne glave, v

katere sta vgrajeni dve CCD-kameri. Z digitalno obdelavo slike se izračuna neodvisno, po

triangulacijskem načelu, za vsako od 1,3 milijona zajetih točk njena prostorska lega. Ker je bil


-45-

merjenec bistveno večji, kot pa je merilno območje skenerja, je bilo treba opraviti več

posnetkov, ki se jih s prilepljenimi referenčnimi točkami transformira v koordinatni sistem

objekta. Pri tem se merilna glava s kamero, ki je pritrjena na stativ in sicer tako, da se le-ta

lahko vrti, vodi preko orodja, da se pridobi čim več posnetkov merjenega objekta. Pri vsaki

poziciji pride do zajema izredno natančnih merilnih podatkov, povezanih z zajetim izsekom

objekta. S pomočjo prilepljenih referenčnih točk sistem lahko preračunava vsako pozicijo

zaznavala in transformira skenirane merilne podatke v predhodno določen koordinatni sistem

objekta.

5.3 OBDELAVA ZAJETIH PODATKOV

Po končanem skeniranju obeh polovic orodij, je sledila obdelava – analiza pridobljenih

podatkov (oblakov točk) z namenom, ugotoviti odstopanja dejanskega orodja napram

modeliranemu CAD modelu.

Obdelava podatkov je potekala s programskim paketom podjetja GOM, ki je tudi

proizvajalec omenjenega skenerja.

Po odprtju oblaka točk preoblikovalnega orodja, je najprej treba izvesti poligonizacijo,

kar pomeni, da orodje popišemo z osnovnimi elementi – trikotniki, in s tem tudi orodje

povežemo. Po poligonizaciji sledi priprava oblaka točk. Priprava je pomembna predvsem s

sledečega vidika. Pri skeniranju namreč lahko pride do določenih napak, v našem primeru do

vdora svetlobe, kar je pomenilo, da se je površina na tistem mestu popačila. Pogosta napaka je

tudi, da skener določene površine, ki je sicer majhna, ne zajame, in tako ostane na tem mestu

majhna luknja, ki jo je treba zapolniti. Površino je bilo treba iz omenjenega mesta izbrisati,

luknjo ki je pri tem nastala, pa zapolniti s pomočjo ustreznega ukaza. Pri tem je treba paziti

predvsem na to, da se novo ustvarjena površina čimbolj sklada z obstoječim orodjem.

Potrebno je omeniti, da je do teh napak prišlo na več mestih, zato je te popravke treba

upoštevati tudi pri sami analizi, saj je možno, da so napake bistveno manjše kot kaže sam

program. Na slikah 5.8, 5.9 in 5.10 vidimo omenjene napake in njihovo popravljanje.


-46-

PRIKAZ POPRAVLJANJA NAPAK

• označevanje popačene površine

Slika 5.9: Označevanje in brisanje napake

• iskanje optimalne novo ustvarjene površine

Slika 5.10: Iskanje optimalne površine

Slika 5.8: Prikaz napak zaradi vdora svetlobe


-47-

Po odpravi napak, ki se pojavijo pri skeniranju, orodje obrežemo in ga zgladimo s pomočjo

ustreznega ukaza. V našem primeru smo glajenje izvedli z 0,05 mm, kar pomeni, da smo

površine zgladili za omenjeno vrednost. Prevelika vrednost pri glajenju, bi namreč povzročila

napake in s tem bi bila vprašljiva relavantnost merjenih podatkov.

Nato sledi uvoz referenčnega CAD-modela, ki nam je služil kot referenca pri

primerjavi obeh orodij in postavitev koordinatnega sistema, kar prikazuje slika 5.11.

Slika 5.11: Postavitev koordinatnega sistema

Ko imamo v delovnem oknu pripravljen oblak točk kot tudi CAD-model, slednjega približno

poravnamo za ročno primerjavo, kar pomeni, da oba modela približno primerjamo, kot lahko

vidimo iz slike 5.12.

Slika 5.12: Hitro orientiranje modelov


-48-

V naslednji fazi je treba določiti točke za spojitev, saj ročna primerjava ni natančna, zato je

treba izvesti primerjavo po metodi best-fit (slika 5.13). V ta namen je treba določiti vsaj 4

točke, če se le da na ravnih mestih po katerih bo program združil CAD-model in oblak točk.

Slika 5.13: Prikaz hitre primerjave in primerjave po metodi best-fit

Na tak način izvedemo analizo odstopanj, ki se pojavljajo pri izdelku. V programu lahko nato

spreminjamo skalo, tako da lahko analiziramo, v kakšnem tolerančnem območju se giblje

orodje.

5.4 ANALIZA PREOBLIKOVALNEGA ORODJA PO MEHANSKI

OBDELAVI

ANALIZA MATRICE

Na slikah 5.14 in 5.15 prikazujemo rezultate merske analize odstopanj dejanskega orodja,

napram referenčnega CAD-modela. Iz slik je lepo razvidno, da se modela v celoti ne ujemata

popolnoma, kar je tudi realno pričakovati, saj je v praksi nemogoče izdelati oblikovno orodje,

ki bi bilo identično CAD-modelu. Glede na to, da gre za mersko kontrolo orodja direktno po

mehanski obdelavi, ki je bila opravljena na računalniško vodenem CNC-frezalnem stroju, je

bilo pričakovati, da bosta oba modela v zelo ozkem tolerančnem območju. Odstopanja, ki so

nastala na orodju v tej fazi obdelave, so tako posledica napak, ki se pojavljajo v programu za

frezanje in pa tudi v morebitni obrabi rezilnih orodij. Dejstvo, ki pa je iz slike razvidno pa je,


-49-

da je celotna matrica izdelana zelo natančno, največji odstopki se namreč pojavljajo na

skrajnem levem in desnem delu (rumena barva) in znašajo +0,08m

Slika 5.14: Prikaz odstopkov po mehanski obdelavi (skala ±0,2mm)

Slika 5.15: Prikaz odstopkov na obeh krajiščih


-50-

ANALIZA PESTIČA

Podobno, kot smo zapisali za odstopanja v primeru matrice, lahko podobno zapišemo tudi za

pestič, saj se tudi v tem primeru največja odstopanja pojavljajo ravno na obeh krajiščih, se

pravi v skrajnem levem in desnem delu orodja (slike 5.16 in 5.17). Pomembno pa je zapisati

dejstvo, da sta tako matrica kot tudi pestič izdelana znotraj tolerančnega območja ±0,2mm.

Slika 5.16: Prikaz odstopkov na pestiču po mehanski obdelavi (skala ±0,1mm)

Slika 5.17: Prikaz največjih odstopkov na pestiču po mehanski obdelavi


-51-

5.5 ANALIZA PREOBLIKOVALNEGA ORODJA PO ROČNI

OBDELAVI

ANALIZA MATRICE

Glede na to, da je v orodjarstvu zelo majhna verjetnost, da bo orodje že po mehanski obdelavi

izdelovalo kakovostne izdelke, se običajno po tej obdelavi izvede še naknadna ročna

obdelava. Tako je bilo tudi v tem primeru, kjer je pri prvih testnih preizkusih orodja prihajalo

do pretrga vlečenca in sicer na skrajnem levem robu orodja. Tako je bilo pri analizi

pričakovati, da bodo največje spremembe opazne ravno na tem območju (sliki 5.18 in 5.19).

Velika dilema pri tuširanju orodja je, katera polovica orodja naj se tušira. Dejavniki, ki

vplivajo na to odločitev so npr. na kateri strani orodja se poda offset (tj. neke vrste dodatek

površine), katera stran orodja se lažje tušira, prisotnost raznih nitridnih vložkov itd. Glede na

to, da je dostopnost površine na matrici nekoliko otežena, se je v našem primeru tuširal pestič,

kar pomeni, da večjih sprememb na sami matrici ni bilo mogoče pričakovati.

Slika 5.18: Odstopanja vlečne matrice po ročni obdelavi (skala ±0,1mm)


-52-

Slika 5.19: Prikaz največjih odstopanj na matrici po ročni obdelavi

ANALIZA PESTIČA

Kot je bilo omenjeno pri analizi matrice, se je zaradi že zgoraj omenjenih razlogov izvedlo

tuširanje pestiča. Pri tem mislimo predvsem na prilagajanje – večanje radiusov, da se zagotovi

čimbolj enakomeren vlek brez prekomernega tanjšanja pločevine in brez raznih pretrganin.

Tako lahko vidimo iz slik 5.20 in 5.21, da se na problematičnih mestih dejanska površina

orodja, zaradi omenjenih korekcij, nekoliko bolj razlikuje v primerjavi z analiziranimi

podatki, ki so bili pridobljeni po fazi mehanske obdelave.

Slika 5.20: Prikaz odstopkov na pestiču po ročni obdelavi


-53-

Slika 5.21: Prikaz odstopkov na pestiču na krajiščih


-54-

6 SKLEP

Načrtovanje izdelka, bodisi posameznega dela ali orodja, preko integriranega vzvratnega

inženirstva, je sodobna metodologija, ki je še v raziskovalni in razvojni fazi. Če je ta

metodologija podprta z ostalimi tehnologijami, kot so hitro frezanje, hitra izdelava prototipov

ali 5-osno frezanje, omogoča znižanje časov izdelave in s tem povezanih stroškov, tako

razvoja, kot tudi menedžmenta. Za te proizvodne aktivnosti predstavlja 3D-skeniranje

začetno aktivnost zajemanja geometrijske oblike proizvodov. Ugotovimo lahko, da uporaba

tega postopka, integriranega z novejšimi postopki, ki so podprte z numerično simulacijo in

optimizacijo postopka in proizvoda, povečuje končno kakovost proizvoda in konkurenčnost

na zahtevnih trgih.

S projektom, ki je opisan v diplomski nalogi, smo ugotovili, da je bilo celotno orodje

izdelano zelo natančno. Odstopanja po mehanski obdelavi so bila v obsegu ±0,2 mm, kar

dejansko pomeni, da so bili programi za izdelavo orodja izdelani zelo skrbno, hkrati pa to

kaže na kakovostno programsko CAM-orodje. Glede na testne poizkuse, ki so bili izvedeni po

mehanski obdelavi, je prihajalo do pretrga pločevine na skrajnem levem delu orodja, zato smo

na tem mestu opravili korekcije površine, da bi zagotovili optimalni izdelek, kar smo na

koncu tudi dosegli. Zaradi omenjenih korekcij orodja, smo novo površino prav tako skenirali,

s čimer smo pridobili 3D-model optimiziranega orodja.


-55-

7 LITERATURA

[1] Jože Balič. Računalniške integracije v orodjarstvu: univerzitetni učbenik. Fakulteta za

strojništvo, Univerza v Mariboru, Maribor, 2007.

[2] Luka Botolin. 3D-digitalizacija in obratno inženirstvo v praksi. IRT 3000 (2006), let. 4,

št. 5, str. 118–121.

[3] Giovani Bono. Z merjenjem do množice točk. IRT 3000 (2007), let. 1, št. 7, str. 84–85.

[4] Mirko Sokovič. 3D-skeniranje – pomembna faza pri vzvratnem inženiringu. Euroteh

(2004), let. 3, št. 3, str. 83–90.

[5] Samo Gazvoda. Uporaba 3D-digitalizacije v praksi. Euroteh (2004), let. 3, št. 3, str. 91–

93.

[6] Merjenje s sistemom Argus. Form + Wekzeug (2003), št. 4.

[7] Tomaž Pepelnjak. ESI-Group in proizvodi družine PAM. Euroteh (2004), let. 3, št. 4,

str. 76–77.

[8] Bojan Zupan, Aleš Remškar. Neposredni zajem skeniranih objektov v 3D-CAD

programu. V: Polajnar A., Poje J., Junkar M. (ur.). Orodjarstvo 2006. Rast obsega –

potrebni pogoj za uspeh: zbornik posvetovanja, Portorož, 11. in 12. Oktober 2006.

Ljubljana: GZS, Združenje kovinske industrije, Odbor za orodjarstvo, 2006, str. 53–58.

[9] Volk M.: Kontrola izdelkov ter povratno inženirstvo v orodjarstvu, Diplomsko delo,

Fakulteta za strojništvo, Univerza v Mariboru, Maribor, 2009.

[10] www.gom.com (26.7.2009)

[11] www.eta.com (26.7.2009)

[12] www.metris.com (30.7.2009)

[13] www.altairhyperworks.com (30.7.2009)


-56-

8 ŽIVLJENJEPIS

Moje ime je Mihael Čretnik. Rojen sem bil 25. 3. 1985 v Mariboru. Osnovno šolo sem

obiskoval na Osnovni šoli Pohorskega odreda v Slovenski Bistrici. Po uspešnem zaključku

osnovne šole, sem šolanje nadeljeval na takratni Srednji kovinarski, strojni in metalurški šoli

v Mariboru, kjer sem po štirih letih šolanja pridobil naziv strojni tehnik. Leta 2004 sem se

vpisal na visokošolski strokovni študijski program strojništvo na Fakulteti za strojništvo

Univerze v Mariboru. V 3. letniku študija na omenjeni fakulteti sem kot izbirno smer izbral

orodjarstvo.

Documents

UPORABA 3D-SKENIRANJA V ORODJARSTVUorodja za preoblikovanje plo čevine, sodobni pristopi pri na črtovanju le-teh ter postopek skeniranja, ter prakti čnega dela, ki zajema skeniranje