45
UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V CAD/CAM PROCESIH Diplomsko delo Študentka: Nika SAJKO Študijski program: Univerzitetni študijski program 1. stopnje Strojništvo Smer: Proizvodne tehnologije in sistemi Mentor: red. prof. dr. Jože BALIČ Somentor: doc. dr. Mirko FICKO Maribor, september 2010

UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V CAD/CAM PROCESIHpaketa se glasi 'A Platform for Innovation' oz. platforma za inovacije (Slika 3.1). Poleg CAE simulacij vključuje še modeliranje,

  • Upload
    others

  • View
    0

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V CAD/CAM PROCESIHpaketa se glasi 'A Platform for Innovation' oz. platforma za inovacije (Slika 3.1). Poleg CAE simulacij vključuje še modeliranje,

UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V

CAD/CAM PROCESIH

Diplomsko delo

Študentka: Nika SAJKO

Študijski program: Univerzitetni študijski program 1. stopnje Strojništvo

Smer: Proizvodne tehnologije in sistemi

Mentor: red. prof. dr. Jože BALIČ

Somentor: doc. dr. Mirko FICKO

Maribor, september 2010

Page 2: UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V CAD/CAM PROCESIHpaketa se glasi 'A Platform for Innovation' oz. platforma za inovacije (Slika 3.1). Poleg CAE simulacij vključuje še modeliranje,

Vložen original sklepa o

potrjeni temi diplomskega dela

Page 3: UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V CAD/CAM PROCESIHpaketa se glasi 'A Platform for Innovation' oz. platforma za inovacije (Slika 3.1). Poleg CAE simulacij vključuje še modeliranje,

- II -

I Z J A V A

Podpisana Nika SAJKO izjavljam, da:

je bilo predloţeno diplomsko delo opravljeno samostojno pod mentorstvom red. prof.

dr. Joţeta BALIČA in somentorstvom doc. dr. Mirka FICKA ;

predloţeno diplomsko delo v celoti ali v delih ni bilo predloţeno za pridobitev

kakršnekoli izobrazbe na drugi fakulteti ali univerzi;

soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjiţnici tehniških fakultet

Univerze v Mariboru.

Maribor, 26.5.2010 Podpis: ___________________________

Page 4: UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V CAD/CAM PROCESIHpaketa se glasi 'A Platform for Innovation' oz. platforma za inovacije (Slika 3.1). Poleg CAE simulacij vključuje še modeliranje,

- III -

ZAHVALA

Zahvaljujem se vsem, ki so mi stali ob strani in mi z

znanjem ter izkušnjami pomagali pri diplomskem

delu.

Zahvala velja mentorju red. prof. dr. Joţetu BALIČU

in somentorju doc. dr. Mirku FICKU za strokovno

pomoč ter podjetju Kaldera d.o.o., ki mi je omogočilo

praktično usposabljanje in izdelavo diplomske naloge.

Posebej bi se rada zahvalila moji druţini – staršema

Brigiti in Edvardu ter sestri Kaji, ki so me podpirali,

spodbujali, me navdajali z energijo in idejami ter mi

omogočili študij.

Hvala Tanji za lektoriranje, Urši za prevod in Daniju

za tehnično podporo.

Page 5: UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V CAD/CAM PROCESIHpaketa se glasi 'A Platform for Innovation' oz. platforma za inovacije (Slika 3.1). Poleg CAE simulacij vključuje še modeliranje,

- IV -

UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V CAD/CAM PROCESIH

Ključne besede: ekstruzija, orodja za ekstruzijo, HyperWorks, optimizacija, simulacije

UDK: 621.9-5:004.89(043.2)

POVZETEK

Specifika dela orodjarn je, da se ustreznost orodja lahko ugotovi šele takrat, ko je to že

izdelano. Ugotovljene nepravilnosti tako pomenijo popravljanje obstoječega orodja ali pa

celo izdelavo novega, kar lahko privede do podaljšanja rokov izdelave naročila in dodatnih

stroškov. To pomanjkljivost želimo odpraviti ali vsaj zmanjšati z uvedbo računalniških

simulacij v proces konstruiranja orodij za ekstruzijo.

V diplomskem delu je prikazan nov optimizacijski krog v oddelku konstrukcije. Praktični

primer prikazuje uporabno vrednost simulacij, saj smo na podlagi rezultatov preračunov

optimizirali obliko orodja za ekstruzijo.

Page 6: UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V CAD/CAM PROCESIHpaketa se glasi 'A Platform for Innovation' oz. platforma za inovacije (Slika 3.1). Poleg CAE simulacij vključuje še modeliranje,

- V -

USING OF SIMULATION METHODS IN CAD/CAM

Key words: extrusion, tools for extrusion, HyperWorks, optimization, simulations

UDK: 621.9-5:004.89(043.2)

ABSTRACT

The specifics of the tool companies are that one can state if a tool is adequant only after it

had already been made. The irregularities that have been found lead to repairs of the already

existing tool or even to making a new tool, which causes extensions of order delivery terms

and additional expenses. This deficiency should be eliminated or at least reduced by

introduction of computer simulations into the tool constructions for extrusion process.

In the diploma work a new optimizing circle in the construction section is presented.

The applied value of simulations is shown on a practical example – based on the calculated

results we optimized the shape of the tool for extrusion.

Page 7: UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V CAD/CAM PROCESIHpaketa se glasi 'A Platform for Innovation' oz. platforma za inovacije (Slika 3.1). Poleg CAE simulacij vključuje še modeliranje,

- VI -

KAZALO

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

1.1 OPIS SPLOŠNEGA PODROČJA DIPLOMSKEGA DELA ......................................................... 1

1.2 OPREDELITEV DIPLOMSKEGA DELA ............................................................................... 1

1.3 STRUKTURA DIPLOMSKEGA DELA ................................................................................. 2

2 TEORETIČNE OSNOVE EKSTRUZIJE ...................................................................... 3

2.1 DIREKTNA EKSTRUZIJA ................................................................................................. 3

2.2 INDIREKTNA EKSTRUZIJA .............................................................................................. 4

2.3 HIDROSTATIČNA EKSTRUZIJA ........................................................................................ 5

2.4 PREČNA EKSTRUZIJA ..................................................................................................... 5

2.5 PROCESNI PARAMETRI ................................................................................................... 6

3 PROGRAMSKI PAKET HYPERWORKS .................................................................... 7

3.1 POTEK DELA S HYPERWORKS ....................................................................................... 9

3.1.1 HyperMesh ........................................................................................................... 9

3.1.2 HyperXtrude ....................................................................................................... 10

3.1.3 HyperView ......................................................................................................... 10

3.2 UVOZ GEOMETRIJE V HYPERMESH ............................................................................. 10

3.2.1 Uvoz 2D načrtov ................................................................................................. 10

3.2.2 Uvoz 3D modelov ............................................................................................... 11

3.3 DOSEDANJA UPORABA ................................................................................................ 11

4 PREGLED CAX .............................................................................................................. 12

4.1 OBLIKOVANJE IN KONSTRUIRANJE ORODIJ ZA EKSTRUZIJO – ANALIZA OBSTOJEČEGA

PROCESA ................................................................................................................................ 12

5 PREDLOG NOVEGA MODELA IZDELAVE ORODJA ZA EKSTRUDIRANJE 16

5.1 PREDNOSTI NOVEGA MODELA [3] ................................................................................ 18

6 PRAKTIČNI PRIMER ................................................................................................... 19

6.1 PRIPRAVA 3D MODELA ............................................................................................... 21

6.2 IZVEDBA SIMULACIJ .................................................................................................... 25

6.3 REZULTATI IN DISKUSIJA ............................................................................................. 27

7 SKLEP .............................................................................................................................. 31

8 SEZNAM UPORABLJENIH VIROV ........................................................................... 33

9 ŽIVLJENJEPIS ............................................................................................................... 35

Page 8: UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V CAD/CAM PROCESIHpaketa se glasi 'A Platform for Innovation' oz. platforma za inovacije (Slika 3.1). Poleg CAE simulacij vključuje še modeliranje,

- VII -

KAZALO SLIK

Slika 2.1: Primeri proizvodov, ki jih dobimo z rezanjem profilov [7]. ...................................... 3

Slika 2.2: Shematični prikaz direktne ekstruzije ........................................................................ 4

Slika 2.3: Indirektna ekstruzija ................................................................................................... 4

Slika 2.4: hidrostatična ekstruzija ............................................................................................... 5

Slika 2.5: Prečna ekstruzija ........................................................................................................ 5

Slika 3.1: Logotip programskega paketa HyperWorks .............................................................. 7

Slika 3.2: Alfa Romeo 8c Competizione – primer avtomobila, ki je bil oblikovan s

HyperWorks-i [10] ............................................................................................................. 8

Slika 3.3: S HyperWorks-i oblikovana embalaţa in športna oprema [10] ................................. 8

Slika 3.4: Prikaz tipičnega poteka dela v HyperWorks .............................................................. 9

Slika 3.5: Linija cilindrov ......................................................................................................... 10

Slika 3.6: Risba 2D.dxf ............................................................................................................ 11

Slika 3.7: Model 3D.hm ........................................................................................................... 11

Slika 4.1: Potek obstoječega procesa konstruiranja.................................................................. 13

Slika 5.1: Predlog novega modela konstruiranja ...................................................................... 17

Slika 6.1: Načrt profila – ploščate palice .................................................................................. 19

Slika 6.2: Orodje A – 3D model za simulacije ......................................................................... 20

Slika 6.3: Matrica (zgoraj) in ustnik (spodaj) ........................................................................... 21

Slika 6.4: Inverz orodja ............................................................................................................ 22

Slika 6.5: Cilindri in odpiranje ................................................................................................. 22

Slika 6.6: Predkomora .............................................................................................................. 23

Slika 6.7: Ustnik ....................................................................................................................... 23

Slika 6.8: Profil ......................................................................................................................... 23

Slika 6.9: Pozicioniranje profila (rdeče barve) ......................................................................... 24

Slika 6.10: Kompleten model stanja materiala od surovca (trupec) do izdelka (profil). .......... 24

Slika 6.11: Prikaz komponent modela ...................................................................................... 25

Slika 6.12: Profil in cilindri (črna črta) .................................................................................... 25

Slika 6.13: Skupne ploskve med dvema komponentama so obarvane rumeno ........................ 26

Slika 6.14: Cilindri ................................................................................................................... 26

Slika 6.15: Zamreţen model ..................................................................................................... 26

Page 9: UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V CAD/CAM PROCESIHpaketa se glasi 'A Platform for Innovation' oz. platforma za inovacije (Slika 3.1). Poleg CAE simulacij vključuje še modeliranje,

- VIII -

Slika 6.16: Prikaz pomikov (levo) in hitrosti na izhodu (desno) za orodje A .......................... 27

Slika 6.17: Primerjava rezultatov simulacije (levo) in testnega ekstrudiranja (desno) – orodje

A ....................................................................................................................................... 27

Slika 6.18: Od zgoraj navzdol: modeli ustnikov za orodja A, B in C ...................................... 28

Slika 6.19: Primerjava rezultatov simulacij za orodja A, B in C ............................................. 29

Slika 6.20: Orodje B ................................................................................................................. 30

Slika 6.21: Orodje C ................................................................................................................. 30

Page 10: UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V CAD/CAM PROCESIHpaketa se glasi 'A Platform for Innovation' oz. platforma za inovacije (Slika 3.1). Poleg CAE simulacij vključuje še modeliranje,

- IX -

UPORABLJENE KRATICE

CAD - Computer Aided Design

CAE - Computer Aided Engineering

CAM - Computer Aided Manufacturing

FS - Fakulteta za strojništvo

GUI - Graphical User Interface

MKE - Metoda končnih elementov

Page 11: UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V CAD/CAM PROCESIHpaketa se glasi 'A Platform for Innovation' oz. platforma za inovacije (Slika 3.1). Poleg CAE simulacij vključuje še modeliranje,

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 1 -

1 UVOD

1.1 Opis splošnega področja diplomskega dela

Sodobna proizvodnja vključuje tudi računalniško podrto konstruiranje (CAD), torej snovanje

izdelkov z uporabo računalniških in programskih sistemov, in računalniško podprto

proizvodnjo (CAM). Razvoj tehnike je prišel tako daleč, da se v industriji vse bolj uporabljajo

nadgradnje CAD/CAM podprte proizvodnje, in sicer računalniške simulacije tehnoloških

postopkov. Pri tem ni dovolj zgolj razumevanje področja simulacij, ampak je treba prilagoditi

proces konstruiranja, v dosedanji utečen postopek dela v oddelku konstrukcije pa uvesti nov

optimizacijski krog, kjer bomo na podlagi rezultatov simulacij izboljšali obliko orodja in

posledično izdelka. Če bodo rezultati preračuna pokazali, da orodje ne ustreza, bomo

popravili geometrijo orodja in ga ponovno simulirali. Postopek se bo ponavljal, dokler ne bo

simulirano orodje ustrezno.

1.2 Opredelitev diplomskega dela

V diplomskem delu se bomo osredotočili na tehnološke simulacije procesa ekstrudiranja

aluminija. To je namreč novo področje, o katerem še ni veliko znanega in napisanega.

Praktični del diplomskega dela je vezan na podjetje Kaldera d.o.o. iz Slovenske Bistrice, ki je

edini proizvajalec orodij za ekstruzijo aluminija v Sloveniji in pokriva celoten proces od

konstruiranja do izdelave orodij. Ker ne obstajajo pravila o obliki orodij, ima v postopku

konstruiranja orodij še vedno velik vpliv subjektivni faktor – izkušnje konstrukterja.

Z uvedbo tehnoloških simulacij ekstruzije ţelimo izboljšati obliko orodja – glavni

problem pri ekstruziji profilov je neenakomerna hitrost tečenja materiala po preseku profila,

zato ţelimo na podlagi dobljenih rezultatov simulacij optimizirati geometrijo orodja

(predvsem dolţino cilindrov) in s tem izboljšati hitrostni profil ter obliko ekstrudiranega

profila. Simulacije so bile izvedene s programskim paketom HyperWorks podjetja Altair

Engineering.

Page 12: UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V CAD/CAM PROCESIHpaketa se glasi 'A Platform for Innovation' oz. platforma za inovacije (Slika 3.1). Poleg CAE simulacij vključuje še modeliranje,

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 2 -

1.3 Struktura diplomskega dela

V naslednjem poglavju so predstavljene teoretične osnove ekstruzije aluminija, saj postopek

ni splošno znan. Sledi kratka predstavitev programskega paketa HyperWorks, ki ga bomo

uporabljali za simulacije. V četrtem poglavju je opisan trenutni proces konstruiranja; prikazan

je postopek od sprejetja naročila do testiranja orodja. Nato je predstavljen predlog novega

modela procesa konstruiranja orodij, v katerega so vključene simulacije. Zadnje poglavje

prikazuje uporabo tehnoloških simulacij v orodjarni na primeru realnega orodja.

Page 13: UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V CAD/CAM PROCESIHpaketa se glasi 'A Platform for Innovation' oz. platforma za inovacije (Slika 3.1). Poleg CAE simulacij vključuje še modeliranje,

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 3 -

2 TEORETIČNE OSNOVE EKSTRUZIJE

Ekstruzija je proces, kjer surovec preoblikujemo s potiskanjem skozi ustrezno orodje

(matrico). Surovec je na vstopni strani matrice obremenjen s tlačno silo, zaradi česar je

napetostno stanje v preoblikovalnem prostoru istoimensko-triosno tlačno. Za izdelke je

značilno, da imajo po celotni dolţini enak presek. Tipični proizvod so dolgi paličasti

polizdelki, in sicer cevi, palice in profili. Pogosto dobimo končne izdelke z rezanjem

ekstrudiranega profila na manjše kose (Slika 2.1).

Slika 2.1: Primeri proizvodov, ki jih dobimo z rezanjem profilov [7].

Postopek ekstrudiranja lahko razčlenimo glede na vrsto orodja in smer ekstruzije:

istosmerna (direktna) ekstruzija

TOGA ORODJA protismerna (indirektna) ekstruzija

EKSTRUZIJA prečna ekstruzija

TLAČNI MEDIJ hidrostatična istosmerna (direktna) ekstruzija

2.1 Direktna ekstruzija

Istosmerna ali direktna ekstruzija je najbolj razširjen postopek izdelovanja iztisnjenih

profilov, primeren za vse vrste kovin. Značilno zanj je, da je smer izstopanja materiala iz

matrice enaka smeri stiskanja surovca (Slika 2.2).

Page 14: UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V CAD/CAM PROCESIHpaketa se glasi 'A Platform for Innovation' oz. platforma za inovacije (Slika 3.1). Poleg CAE simulacij vključuje še modeliranje,

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 4 -

Slika 2.2: Shematični prikaz direktne ekstruzije

2.2 Indirektna ekstruzija

Protismerna ekstruzija profilov se razlikuje od istosmerne po tem, da surovec v recipientu

miruje. Pestič, na katerem je pritrjena matrica, je votel in se premika proti mirujočemu

surovcu, iztisnjeni profil pa izstopa skozi pestič (Slika 2.3). Ker imata tok materiala in gibanje

pestiča za iztiskovanje nasprotno smer, imenujemo ta način tudi posredno ali indirektno

iztiskovanje.

Slika 2.3: Indirektna ekstruzija

recipient puša v recipientu

bat

tlačna plošča

opora

recipient

pestič

trupec

matrica

ojačevalec

puša v recipientu

trupec

matrica izstopajoči

profil

plošča

izstopajoči

profil

Page 15: UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V CAD/CAM PROCESIHpaketa se glasi 'A Platform for Innovation' oz. platforma za inovacije (Slika 3.1). Poleg CAE simulacij vključuje še modeliranje,

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 5 -

2.3 Hidrostatična ekstruzija

Pri hidrostatični ekstruziji izrivamo surovec skozi matrico posredno, z visokotlačnim medijem

(Slika 2.4). Trupec ima manjši premer kot recipient, ki je zapolnjen z medijem. Bat ustvari

pritisk, ki se preko tekočine – medija prenese na trupec.

Slika 2.4: Hidrostatična ekstruzija

2.4 Prečna ekstruzija

Prečna ekstruzija je način izrazito nestacionarnega iztiskovanja, pri katerem teče material

pravokotno na smer gibanja pestiča (Slika 2.5). Bistveno pri prečni ekstruziji je, da ostane

oblikovalna odprtina med preoblikovanjem nespremenjena. Zaradi preusmerjanja toka

materiala nastaja v komori

recipienta zelo veliko notranje in

zunanje trenje, ki povečuje

temperaturo preoblikovanca in

oteţuje tečenje materiala. Ker se

naslednji surovec zvari z ostankom

prejšnjega, lahko iztisnemo iz

recipienta praktično vso maso

surovca.

Slika 2.5: Prečna ekstruzija

matrica

ojačevalec izstopajoči

profil

recipient

tesnila

tlačni medij

bat

tlačna plošča

izstopajoči profil

ojačevalec

matrica recipient

bat

Page 16: UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V CAD/CAM PROCESIHpaketa se glasi 'A Platform for Innovation' oz. platforma za inovacije (Slika 3.1). Poleg CAE simulacij vključuje še modeliranje,

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 6 -

2.5 Procesni parametri

Z izbiro ustreznih preoblikovalnih parametrov lahko povečamo produktivnost

preoblikovalnega postopka. Ta cilj najlaţje doseţemo z dovolj veliko silo stiskanja in

posledično tudi povečanjem hitrosti, vendar pa je največja sila oz. imenska sila pri vsakem

stroju omejena.

Na natančnost orodja vplivamo s pravilnimi konstrukcijskimi in geometrijskimi

lastnostmi orodja, zahtevane mehanske lastnosti izdelka pa doseţemo s pravilno kemično

sestavo surovca.

Na potek ekstruzije imajo odločilni vpliv tehnološki oz. procesni parametri, in sicer [9]:

napetostno stanje,

temperaturne razmere,

stopnja deformacije,

hitrost deformacije,

pogoji trenja,

konstrukcijske značilnosti orodij,

oblika ekstrudiranega profila.

Page 17: UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V CAD/CAM PROCESIHpaketa se glasi 'A Platform for Innovation' oz. platforma za inovacije (Slika 3.1). Poleg CAE simulacij vključuje še modeliranje,

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 7 -

3 PROGRAMSKI PAKET HYPERWORKS

Programski paket HyperWorks je izdelek podjetja Altair Engineering. Slogan programskega

paketa se glasi 'A Platform for Innovation' oz. platforma za inovacije (Slika 3.1). Poleg CAE

simulacij vključuje še modeliranje, analize, vizualizacijo, reševanje linearnih in nelinearnih

problemov, optimizacijo konstrukcij itd. Je med vodilnimi programi v industriji, saj je široko

uporaben pri komercialnih CAD in CAE rešitvah.

Slika 3.1: Logotip programskega paketa HyperWorks

HyperWorks omogoča učinkovito oblikovanje, načrtovanje, vrednotenje in optimiziranje

izdelka. S pomočjo simulacij lahko preizkusimo in ocenimo različne materiale, postopke

izdelave in oblike izdelka. S tem prihranimo stroške izdelave realnih modelov in pospešimo

fazo konstruiranja izdelkov.

Simulacije omogočajo stroškovno učinkovite odgovore na nešteto 'kaj če…' vprašanj, ki

so gonilna sila inovacij. Nenazadnje je ustvarjanje novih idej tisto, kar omogoča podjetjem

konkurenčne prednosti na trgu.

Področja, ki jih pokriva HyperWorks:

Vesoljska industrija; podjetja Airbus, Boeing, Bombardier Aerospace, Eurocopter in

še mnoga druga uporabljajo Altair-ove produkte za izboljšavo konstrukcij. S pomočjo

HyperWorks aplikacij v letalski industriji zmanjšujejo teţo in povečujejo moč

konstrukcij, preizkušajo trdnost, izvajajo napetostne analize itd. Aplikacija

HyperMesh sluţi tudi kot neposredni vmesnik za večje CAD pakete, kot so Catia,

SolidWorks, Pro-Engineer.

Avtomobilska industrija; za dizajn (Slika 3.2), zmanjševanje stroškov izdelka,

podaljševanje ţivljenjske dobe, povečevanje produktivnosti. Aplikacija HyperCrash

simulira trke - ang. crash tests.

Page 18: UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V CAD/CAM PROCESIHpaketa se glasi 'A Platform for Innovation' oz. platforma za inovacije (Slika 3.1). Poleg CAE simulacij vključuje še modeliranje,

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 8 -

Slika 3.2: Alfa Romeo 8c Competizione – primer avtomobila, ki je bil oblikovan s HyperWorks-i [10]

Medicina; za oblikovanje ortopedskih in medicinskih pripomočkov, zagotavljanje

optimalne ţivljenjske dobe vsadkov.

Potrošništvo; za oblikovanje embalaţe, športne opreme (Slika 3.3), aparatov, naprav

itd. in za zmanjševanje stroškov izdelave, za izboljševanje ţivljenjskega cikla

izdelkov, simuliranje uporabe izdelkov …

Slika 3.3: S HyperWorks-i oblikovana embalaža in športna oprema [10]

Obrambna in vojaška industrija.

Elektronika; za oblikovanje izdelkov, za elektromagnetne in toplotne analize, za

manjšanje porabe materiala za 'bolj zelene' izdelke. HyperWorks uporabljajo svetovno

znana podjetja, med drugim LG, Toshiba, Canon, Nokia, Motorola, Asus in

Whirlpool.

Energetika; na podlagi metode končnih elementov znanstveniki optimizirajo plinske in

parne turbine, preverjajo konstrukcijske lastnosti jedrskih elektrarn, analizirajo vetrne

turbine itd.

Ladjedelništvo; ustvarjanje učinkovite strukture plovila s stališča stabilnosti in

hidrodinamike, zmanjševanje mase in stroškov izdelave …

Teţka industrija; kmetijska mehanizacija, tovornjaki, gasilska vozila, vozila v

gradbeništvu in rudarstvu so ves čas izpostavljena velikim obremenitvam, zato je

toliko bolj pomembno, da se pred izdelavo preveri ustreznost s simulacijami.

Page 19: UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V CAD/CAM PROCESIHpaketa se glasi 'A Platform for Innovation' oz. platforma za inovacije (Slika 3.1). Poleg CAE simulacij vključuje še modeliranje,

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 9 -

3.1 Potek dela s HyperWorks

Programski paket HyperWorks vsebuje ogromno programov, ki so namenjeni različnim

industrijam. Za simulacije ekstruzije aluminija se uporabljajo trije programi, in sicer

HyperMesh, HyperXtrude in HyperView.

Slika 3.4: Prikaz tipičnega poteka dela v HyperWorks

3.1.1 HyperMesh

S HyperMesh-om pripravimo model. Vanj uvozimo CAD model v .STEP ali .IGS formatu.

Program sicer omogoča kreiranje in urejanje 2D in 3D oblik, vendar pa je mnogo manj

priročen kot na primer Catia ali SolidWorks, zato je bolje geometrijo dokončno pripraviti v

uvoz 3D CAD modela

urejanje oz. priprava geometrije

zamrežitev modela, vnos parametrov in

robnih pogojev

zagon solverja

vizualizacija rezultatov

PRE

POST

RUN

HyperMesh

HyperXtrude

HyperView

Page 20: UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V CAD/CAM PROCESIHpaketa se glasi 'A Platform for Innovation' oz. platforma za inovacije (Slika 3.1). Poleg CAE simulacij vključuje še modeliranje,

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 10 -

katerem izmed CAD programov. V HyperMesh-u model zamreţimo in vnesemo parametre,

kot so hitrost ekstruzije, temperatura orodja, trupca in bata itd. HyperMesh je preprocesor, saj

omogoča interaktiven vnos podatkov za preračun (Slika 3.4).

3.1.2 HyperXtrude

HyperXtrude je CAE orodje za izvajanje simulacij, virtualna stiskalnica, ki simulira tok

materiala skozi orodje [8]. Preračun poteka po metodi končnih elementov.

3.1.3 HyperView

Altair HyperView je postprocesor in omogoča grafičen prikaz oz. vizualizacijo rezultatov.

3.2 Uvoz geometrije v HyperMesh

Program sicer podpira uvoz (import) tako 2D kot 3D formatov, vendar se je v praksi izkazalo,

da je primeren samo uvoz 3D modelov.

3.2.1 Uvoz 2D načrtov

Ustrezen format za uvoz v HyperMesh je .dxf. Pri pripravljanju načrta se mora upoštevati

naslednje:

2D krivulje se lahko izvlečejo v prizmatična 3D telesa (iz kroga v valj, iz pravokotnika

v kvader)... Konusnih oblik se iz 2D skice ne da ustvariti.

Definirane morajo biti dolţine komponent (dolţina trupca, predkomore itd.).

Vse komponente morajo biti narisane v pravi poziciji glede na x-y ravnino.

Linija cilindrov1 mora biti v vsakem primeru v 3D obliki. Primer:

Slika 3.5: Linija cilindrov

1 bearing curve

Page 21: UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V CAD/CAM PROCESIHpaketa se glasi 'A Platform for Innovation' oz. platforma za inovacije (Slika 3.1). Poleg CAE simulacij vključuje še modeliranje,

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 11 -

2D načrti zadostujejo samo za najpreprostejše modele (Sliki 3.6 in 3.7), vendar pa v praksi

načeloma ne srečujemo tako poenostavljenih orodij, zato je neizogibna priprava 3D modela.

Slika 3.6: Risba 2D.dxf

Slika 3.7: Model 3D.hm

3.2.2 Uvoz 3D modelov

Za uvoz (import) 3D modelov v HyperMesh se lahko uporabijo modeli v .igs in .step formatu.

Primerjava:

format .step shrani model kot telo, zaprt volumen, medtem ko so v .igs datotekah 3D

modeli shranjeni kot mnoţica ploskev;

datoteke .step so pribliţno trikrat manjše od .igs;

v HyperMesh-u je laţje urejati površine in črte, teţje pa je spreminjati telesa.

Če je torej model le delno pripravljen in ga je treba v HyperMesh-u dokončno urediti, je to

laţje z .igs datotekami. Če pa je model pripravljen v popolnoma ustrezni obliki za simulacije

(glej poglavje 6.1 Priprava 3D modela), je primernejši format .step, ki uvozi volumske

modele in ni treba ročno spreminjati ploskev v telesa.

3.3 Dosedanja uporaba

Tehnološke simulacije ţe uporablja vodilno konkurenčno podjetje v branţi, ki na podlagi

rezultatov simulacij optimizira obliko trnov. Fizični rezultati ekstrudiranega profila so

primerljivi z modeli, ki jih dobijo na simulacijah [1].

Page 22: UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V CAD/CAM PROCESIHpaketa se glasi 'A Platform for Innovation' oz. platforma za inovacije (Slika 3.1). Poleg CAE simulacij vključuje še modeliranje,

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 12 -

4 PREGLED CAX

CAD je kratica za računalniško podprto konstruiranje. S CAD lahko ustvarjamo

dvodimenzionalne krivulje in oblike, pa tudi tridimenzionalne površine in telesa. CAD

uporabljajo na mnogih področjih, in sicer v avtomobilski industriji, ladjedelništvu, vesoljski

industriji, oblikovanju, protetiki … Posebna razseţnost uporabe se kaţe tudi na področju

računalniških animacij, kjer s CAD orodji delajo posebne učinke v filmih, reklamah itd.

Računalniško konstruiranje zajema naslednje aktivnosti [2]:

snovanje in razvoj izdelkov,

konstruiranje sklopov, elementov in detajlov,

analiziranje in vrednotenje konstrukcije,

modificiranje.

4.1 Oblikovanje in konstruiranje orodij za ekstruzijo – analiza obstoječega

procesa

Cilj konstrukterjev je oblikovati orodje, ki bo imelo optimalne karakteristike in bo ustrezalo

zahtevanim specifikacijam. To doseţemo s pravilnimi geometrijskimi in tehničnimi

lastnostmi orodja.

Konstruiranje orodij za ekstruzijo sedaj poteka na osnovi izkušenj konstrukterjev.

Uspešnost zasnovanega orodja se pokaţe šele na testnem ekstrudiranju s fizičnim orodjem.

Orodje je torej treba najprej izdelati, da lahko nato preverimo ustreznost. V primeru napak pri

testnem ekstrudiranju (oblika profila odstopa od zahtevane, material se preveč segreje, na

določenih delih profila zmanjkuje materiala …) je treba izvesti korekcijo orodja. Novo orodje

ima izboljšano obliko, ki je načeloma primerna za izdelavo izdelka. Lahko pa se zgodi, da je

potrebna še ena korekcija.

Iz opisanega postopka sta jasno vidni glavni pomanjkljivosti obstoječega procesa

konstruiranja:

zaradi korekcij orodja gre izdelek kasneje v izdelavo, kar pri današnjih zelo kratkih

dobavnih rokih povzroča velike teţave;

korekcije so dodatni strošek.

Page 23: UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V CAD/CAM PROCESIHpaketa se glasi 'A Platform for Innovation' oz. platforma za inovacije (Slika 3.1). Poleg CAE simulacij vključuje še modeliranje,

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 13 -

V nadaljevanju bomo prikazali potek obstoječega procesa snovanja in konstruiranja orodij za

iztiskovanje (Slika 4.1).

NAROČNIK

DOBAVITELJ

NAROČNIK in

DOBAVITELJ

Slika 4.1: Potek obstoječega procesa konstruiranja

Zahteve in

specifikacije

Karakteristike,

navodila in koncept

CAD

modeliranje

CAM

izdelava

Testiranje in

korekcije

Pregled in

vrednotenje

Pro

izvodnja

K

onst

rukci

ja

Ko

rek

cije

- n

otr

an

je

Ko

rek

cije

- n

otr

an

je

Usk

laje

va

nje

Ko

rek

cije

- z

un

an

je

Page 24: UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V CAD/CAM PROCESIHpaketa se glasi 'A Platform for Innovation' oz. platforma za inovacije (Slika 3.1). Poleg CAE simulacij vključuje še modeliranje,

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 14 -

Proces se začne z naročilom, ki vsebuje zahteve in specifikacije orodja. V podjetju nato

pripravijo karakteristike in navodila za konstruiranje (delovni nalog). Če se pojavijo

nejasnosti, jih uskladijo z naročnikom.

Naslednji korak je vezan na oddelek konstrukcije, kjer se začne snovanje in modeliranje

orodja; še zmeraj prevladuje 2D način konstruiranja, redkeje so pojavlja prostorsko 3D

modeliranje.

Sledi pregled in vrednotenje konstrukcije orodja, kar je subjektiven pregled, ki je

ponovno odvisen od izkušenj konstrukterja. Morebitne izboljšave so moţne z notranjo

korekcijo, vendar so v tej fazi redke kakršnekoli spremembe (konstrukter nima merila, po

katerem bi preveril obstoječo rešitev).

S tem je faza konstruiranja zaključena, lahko se prične priprava NC - programa in

izdelava orodja v proizvodnji. Izdelano orodje dostavimo naročniku, ki izvede testno

ekstrudiranje. Nato opravijo meritve iztisnjenega testnega profila in ugotovijo, ali je ta v

skladu z zahtevami.

V celotnem postopku od naročila do izdelanega orodja lahko komaj sedaj prvič

objektivno ovrednotimo ustreznost orodja, vsa prejšnja vrednotenja so bila zgolj ugibanja in

predvidevanja na podlagi izkušenj. Če se pojavijo odstopanja od zahtevanih lastnosti profila,

se izvedejo korekcije (Slika 4.1).

manjše napake odpravijo z notranjimi korekcijami neposredno v proizvodnji,

večja odstopanja pa zahtevajo zunanje korekcije – korekcije zasnove in geometrijske

oblike orodja ter ponovno izdelavo korigiranega orodja.

Iz sheme je razvidno, da gre za povezavo med CAD in CAM. V fazi konstruiranja se pojavlja

CAD, sama izdelava orodja pa poteka v računalniško podprti proizvodnji - CAM.

Ustaljeni način procesa konstruiranja v praksi kaţe mnoge pomanjkljivosti. Slabosti

obstoječega modela procesa konstruiranja so [3]:

nedorečeno, teţavno, zamudno in velikokrat nejasno definiranje vhodnih specifikacij

glede na zahteve kupca;

v procesu geometrijskega modeliranja se v veliki večini uporablja 2D način, v manjši

meri 3D modeliranje;

snovanje in konstruiranje orodja temelji v veliki meri na izkustvih konstrukterja;

Page 25: UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V CAD/CAM PROCESIHpaketa se glasi 'A Platform for Innovation' oz. platforma za inovacije (Slika 3.1). Poleg CAE simulacij vključuje še modeliranje,

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 15 -

opravljajo se nekateri kontrolni analitični izračuni, vendar ne v smislu celovitih,

povezanih rešitev;

simulacijske tehnike se v fazi konstruiranja ne uporabljajo;

potrebni popravki geometrije orodja se le redko izvedejo še v času konstruiranja in so

prej izjema kot pravilo;

samo povratna informacija, ki jo dobimo iz testnega preizkusa orodja, je tista, ki

vpliva na potrebne korekcije orodja, saj le tako lahko dobimo ustrezne korekcijske

informacije;

v procesu izdelave krmilnih informacij za proizvodnjo se veliko informacij o obliki

izdelka podvaja oz. ponavlja;

v takšnem načinu dela je napake teţko odkriti;

v procesu snovanja, konstruiranja in izdelave orodij se vedno znova pojavljajo motnje,

čeprav se je podobna proizvodnja ţe odvijala nemoteno;

obvladovanje stroškov je omejeno;

ponovljivost konstruiranja in izdelave orodij je slaba zaradi netransparentnega

procesa;

prilagajanje zahtevam kupca/naročnika je teţavno;

podjetje se ne more prilagajati novim zahtevam po oblikovno zahtevnih orodjih večjih

dimenzij.

Page 26: UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V CAD/CAM PROCESIHpaketa se glasi 'A Platform for Innovation' oz. platforma za inovacije (Slika 3.1). Poleg CAE simulacij vključuje še modeliranje,

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 16 -

5 PREDLOG NOVEGA MODELA IZDELAVE ORODJA ZA

EKSTRUDIRANJE

V poglavju 4.1 smo ugotovili, da ima dosedanji postopek konstruiranja orodij ogromno

pomanjkljivosti. Glavna slabost je pomanjkanje objektivnega merila, s katerim bi lahko

ovrednotili ustreznost orodja ţe med samim konstruiranjem.

Z uvedbo tehnoloških simulacij ţelimo odpraviti ta negativni faktor in konstrukterjem

vnaprej podati informacije o obnašanju materiala pri ekstruziji. Tako bodo lahko spreminjali

in prilagajali obliko orodja, še preden bo to izdelano. Novi model procesa konstruiranja (Slika

5.1) se od dosedanjega modela (Slika 2.2) razlikuje v novem primarnem optimizacijskem

krogu v oddelku konstrukcije (na sliki označen zeleno).

Prva sprememba je ţe na področju snovanja geometrije orodja, saj sedaj poteka vse

izključno v 3D obliki. Model mora biti prilagojen zahtevam programskega paketa za

simulacije (HyperWorks). Konstrukter glede na dosedanje izkušnje pripravi prvi model

orodja, ki ga nato simuliramo s HyperWorks-i. Na podlagi dobljenih rezultatov optimizira

geometrijsko obliko orodja in pripravi nov 3D model, ki ga ponovno simuliramo. Postopek

ponavljamo, dokler nismo zadovoljni z rezultati simulacij – to je primarni optimizacijski

krog v konstrukciji. Izdelek mora ustrezati geometrijskim zahtevam, tok materiala skozi

orodje pa mora biti čim bolj laminaren.

Nadaljujemo po ustaljenem postopku – na podlagi analize rezultatov simulacij,

dosedanjih izkušenj in analitike pripravimo končni načrt oz. model orodja. Po pregledu in

ovrednotenju sledi NC - programiranje, izdelava orodja ter dostava orodja naročniku, ki

izvede testiranje. Po testiranju so sicer še moţni popravki orodja, a naj bi bili minimalni, saj je

oblika orodja ţe bila optimizirana v primarnem optimizacijskem krogu.

Prikazan model bi bil idealen, vendar predvidevamo, da v praksi ne bo popolnoma

dosegljiv. Na potek ekstruzije namreč poleg orodja vplivajo tudi drugi faktorji, na primer

struktura zlitine, operativni parametri pri ekstruziji, stabilnost procesa itd. Vsekakor pa se

ţelimo prikazanemu modelu čimbolj pribliţati.

V prejšnjem modelu je potekala povezava med CAD in CAM, sedaj pa z računalniškimi

simulacijami vključimo še CAA – računalniško podprte analize oz. Computer Aided

Analysis.

Page 27: UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V CAD/CAM PROCESIHpaketa se glasi 'A Platform for Innovation' oz. platforma za inovacije (Slika 3.1). Poleg CAE simulacij vključuje še modeliranje,

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 17 -

NAROČNIK

DOBAVITELJ

NAROČNIK in

DOBAVITELJ

Slika 5.1: Predlog novega modela konstruiranja

Zahteve in

specifikacije

Karakteristike,

navodila in koncept

Navodila

CAD

modeliranje

CAM

izdelava

Testiranje in

korekcije

Rezultati

(Ali orodje ustreza?)

Pro

izv

od

nja

K

onst

rukci

ja

Usk

laje

va

nje

Analiza in

sinteza

Simulacije

NOVO Primarni optimizacijski

krog (notranje korekcije)

Pregled in

ovrednotenje

DA

NE

Optimiziranje

Page 28: UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V CAD/CAM PROCESIHpaketa se glasi 'A Platform for Innovation' oz. platforma za inovacije (Slika 3.1). Poleg CAE simulacij vključuje še modeliranje,

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 18 -

5.1 Prednosti novega modela [3]

Nov model postopka konstruiranja orodij ima mnogo prednosti, med drugim:

celoten proces omogoča konstruiranje in izdelavo orodij za iztiskovanje geometrijsko

zahtevnih oblik izdelkov z večjimi dimenzijami;

v procesu konstruiranja se izključno uporablja postopek 3D modeliranja, kar pomeni,

da ni več podvajanja geometrijskih informacij o orodju v fazi priprave dela oz. NC

programiranja;

pri snovanju in konstruiranju orodja se vedno uporabljajo numerične simulacije

tečenja materiala v orodju. Rezultati simulacije omogočajo izbiro optimalne

geometrijske oblike orodja tako, da so izpolnjeni naslednji bistveni pogoji:

o enakomeren hitrostni profil v coni preoblikovanja,

o čimbolj enakomerna temperaturna porazdelitev v orodju in izdelku,

o razporeditev pritiskov v coni preoblikovanja;

prenos podatkov med sistemom konstruiranja in pripravo proizvodnje je avtomatski in

bazira na skupnih informacijah;

usklajevanje zahtev s kupcem in izdelava specifikacij je enostavnejša, hitrejša in

predvsem bolj zanesljiva;

morebitne napake pri zasnovi geometrijske oblike orodja se odpravijo ţe v fazi

modeliranja;

v proizvodnji se pojavlja manj napak in manj motenj zaradi nekonsistentne

dokumentacije;

močno se zmanjša obseg potrebnega testiranja fizičnega orodja.

Page 29: UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V CAD/CAM PROCESIHpaketa se glasi 'A Platform for Innovation' oz. platforma za inovacije (Slika 3.1). Poleg CAE simulacij vključuje še modeliranje,

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 19 -

6 PRAKTIČNI PRIMER

V nadaljevanju je prikazan primer reševanja problema s testno geometrijo (Slika 6.1), ki smo

ga realizirali z dogovorom kupec – dobavitelj. Izdelana so bila tudi testna orodja (ter izvedena

testna ekstrudiranja) do nivoja ustreznosti izdelka (profila) glede na zahtevane karakteristike.

Slika 6.1: Načrt profila – ploščate palice

Page 30: UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V CAD/CAM PROCESIHpaketa se glasi 'A Platform for Innovation' oz. platforma za inovacije (Slika 3.1). Poleg CAE simulacij vključuje še modeliranje,

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 20 -

Pri ekstruziji se je pojavil problem, da so se ob straneh pojavljale razpoke (primanjkovalo je

materiala). Zamislili smo si novo obliko orodja (orodje A). Na spodnji sliki je prikazan 3D

model za to orodje.

Slika 6.2: Orodje A – 3D model za simulacije

trupec

ustnik

predkomora

profil s cilindri

Page 31: UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V CAD/CAM PROCESIHpaketa se glasi 'A Platform for Innovation' oz. platforma za inovacije (Slika 3.1). Poleg CAE simulacij vključuje še modeliranje,

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 21 -

6.1 Priprava 3D modela

Za simulacije potrebujemo model toka materiala (aluminija) skozi orodje in ne modela

samega orodja. Zato je treba model orodja urediti tako, da dobimo njegov inverz. Kot smo

zapisali v poglavju 3.1.1, model najlaţje pripravimo v CAD programu (npr. SolidWorks). V

nadaljevanju so zapisani napotki za pripravo 3D modela, primernega za simulacije.

1. Izhodišče je model orodja (ustnik in matrica).

Slika 6.3: Matrica (zgoraj) in ustnik (spodaj)

Page 32: UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V CAD/CAM PROCESIHpaketa se glasi 'A Platform for Innovation' oz. platforma za inovacije (Slika 3.1). Poleg CAE simulacij vključuje še modeliranje,

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 22 -

2. Sestavimo ju v sklop, tako da sta njuni legi takšni kot v realni situaciji.

3. Koordinatno izhodišče postavimo:

glede na z os: na začetku cilindrov (obrnjen tako, da ekstruzija poteka v

pozitivni z smeri);

glede na x in y os: v centru orodja.

4. Ustvarimo polni valj, ki ima enake zunanje gabarite kot orodje.

5. Z Boolovo operacijo odštejemo ustnik in matrico od polnega valja. S tem dobimo inverz

orodja – kar je bil prej votli del orodja, je sedaj volumsko telo. Dobili smo torej notranjo

obliko orodja oz. obliko toka aluminija med postopkom ekstruzije (Slika 6.4).

Slika 6.4: Inverz orodja

6. Dobljen model razdelimo na 3 telesa (Slike 6.5, 6.6 in 6.7).

Slika 6.5: Cilindri in odpiranje

Page 33: UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V CAD/CAM PROCESIHpaketa se glasi 'A Platform for Innovation' oz. platforma za inovacije (Slika 3.1). Poleg CAE simulacij vključuje še modeliranje,

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 23 -

Slika 6.6: Predkomora

Slika 6.7: Ustnik

7. Ustvarimo še eno telo, in sicer v obliki profila, dolgega toliko, kolikor merijo najdaljši

cilindri (Slika 6.8). Pozicioniramo ga na začetek cilidrov (Slika 6.9). Dve komponenti se

prekrivata, in sicer profil, ki je obarvan rdeče, in cilindri z odpiranjem, obarvani rumeno.

Slika 6.8: Profil

Page 34: UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V CAD/CAM PROCESIHpaketa se glasi 'A Platform for Innovation' oz. platforma za inovacije (Slika 3.1). Poleg CAE simulacij vključuje še modeliranje,

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 24 -

Slika 6.9: Pozicioniranje profila (rdeče barve)

8. Manjka še samo eno telo, in sicer trupec. Postavimo ga pred dotoke (Slika 6.10).

Slika 6.10: Kompleten model stanja materiala od surovca (trupec) do izdelka (profil).

9. Model shranimo v .step formatu, saj je optimalno pripravljen za potrebe simulacije in ga

tako v HyperMesh-u ne bo treba več modificirati.

Page 35: UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V CAD/CAM PROCESIHpaketa se glasi 'A Platform for Innovation' oz. platforma za inovacije (Slika 3.1). Poleg CAE simulacij vključuje še modeliranje,

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 25 -

6.2 Izvedba simulacij

S pomočjo HyperMesh-a dokončno uredimo in pripravimo geometrijo za izvedbo simulacij,

poimenujemo komponente, zamreţimo model, itd. V program uvozimo .step datoteko s 3D

modelom (pripravljenim po navodilih v poglavju 6.1). Takšen model je ţe razdeljen na

komponente, dodan je trupec, model je pravilno orientiran.

Naslednji korak je poimenovanje komponent. Uporabljati moramo angleška imena, da

jih kasneje program sam zazna. Vsaki komponenti določimo drugačno barvo, da jih laţje

ločimo med seboj (Slika 6.11).

Slika 6.11: Prikaz komponent modela

Ustvarimo še eno komponento in vanjo shranimo črte, ki prikazujejo končno linijo cilindrov.

Slika 6.12: Profil in cilindri (črna črta)

Page 36: UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V CAD/CAM PROCESIHpaketa se glasi 'A Platform for Innovation' oz. platforma za inovacije (Slika 3.1). Poleg CAE simulacij vključuje še modeliranje,

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 26 -

Nato posamezne komponente poveţemo med seboj z Boolovo operacijo. Skupne ploske se

obarvajo rumeno. Nastanejo tri skupne površine: med trupcem in ustnikom, ustnikom in

predkomoro ter predkomoro in profilom (Slika 6.13).

Slika 6.13: Skupne ploskve med dvema komponentama so obarvane rumeno

Ustvarimo še 'linije cilindrov' oz. 'Bearing curve lines'. S tem pokaţemo, od kod do kod

segajo cilindri (Slika 6.14).

Slika 6.14: Cilindri

Priprava modela je tako zaključena. Sledi vnašanje parametrov, vezanih na proces ekstruzije.

Izberemo material obdelovanca, temperature trupca, matrice in recipienta ter hitrost

ekstrudiranja. Določimo tudi velikost elementov, s katerimi zamreţimo model, in dolţino

izstopnega profila, ki ga ţelimo simulirati. S tem je model pripravljen.

Slika 6.15: Zamrežen model

Page 37: UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V CAD/CAM PROCESIHpaketa se glasi 'A Platform for Innovation' oz. platforma za inovacije (Slika 3.1). Poleg CAE simulacij vključuje še modeliranje,

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 27 -

6.3 Rezultati in diskusija

Preračun je pokazal, da sredina palice zaostaja, konci pa prehitevajo (Slika 6.16).

Slika 6.16: Prikaz pomikov (levo) in hitrosti na izhodu (desno) za orodje A

Ker nas je zanimalo, v kolikšni meri simulacije kaţejo realno sliko, smo orodje izdelali in

primerjali rezultate ekstrudirane palice med 'virtualno' in realno stiskalnico (Slika 6.17).

Desna slika prikazuje palico po testnem ekstrudiranju pri kupcu. Izkazalo se je, da se rezultat

simulacij izjemno dobro ujema z realnim stanjem.

Slika 6.17: Primerjava rezultatov simulacije (levo) in testnega ekstrudiranja (desno) – orodje A

Page 38: UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V CAD/CAM PROCESIHpaketa se glasi 'A Platform for Innovation' oz. platforma za inovacije (Slika 3.1). Poleg CAE simulacij vključuje še modeliranje,

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 28 -

S takšno obliko palice in razporeditvijo hitrosti na izhodu nismo zadovoljni, saj izdelek ne

dosega geometrijskih zahtev, zato smo spremenili geometrijo orodja – konstrukterji so

pripravili modela za novi orodji B in C, pri katerih je povečan dotok materiala v sredini

palice. Pri orodju B je zmanjšan most na ustniku, pri orodju C pa je most popolnoma

odstranjen (Slika 6.18). Izkušnje iz preteklosti so kazale, da je pri takšnih palicah ponavadi

treba zmanjšati dotok materiala v sredino, zato je bila osnovna verzija orodja z mostom, kar

pa se je kasneje izkazalo za slabost.

Slika 6.18: Od zgoraj navzdol: modeli ustnikov za orodja A, B in C

Page 39: UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V CAD/CAM PROCESIHpaketa se glasi 'A Platform for Innovation' oz. platforma za inovacije (Slika 3.1). Poleg CAE simulacij vključuje še modeliranje,

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 29 -

Simulirali smo še ostali dve verziji orodja in nato primerjali rezultate vseh treh orodij (Slika

6.19). Orodje C se je izkazalo za ustrezno, saj so hitrosti na izhodu najbolj enakomerne,

sredina pa samo še minimalno zaostaja za obema koncema palice.

Pomiki Hitrosti

Orodje A

Orodje B

Orodje C

Slika 6.19: Primerjava rezultatov simulacij za orodja A, B in C

Page 40: UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V CAD/CAM PROCESIHpaketa se glasi 'A Platform for Innovation' oz. platforma za inovacije (Slika 3.1). Poleg CAE simulacij vključuje še modeliranje,

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 30 -

Odločili smo za izdelavo obeh orodij - B in C. Ţeleli smo namreč preveriti in primerjati

rezultate med realnim profilom in rezultatom simulacij (Sliki 6.20 in 6.21).

Slika 6.20: Orodje B

Slika 6.21: Orodje C

Primerjava pokaţe, da so rezultati simulacij izredno dober pribliţek realnemu stanju. Testni

profili, ekstrudiranimi z orodji A, B in C, so potrdili, da je za to ploščato palico

najprimernejše orodje C.

Page 41: UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V CAD/CAM PROCESIHpaketa se glasi 'A Platform for Innovation' oz. platforma za inovacije (Slika 3.1). Poleg CAE simulacij vključuje še modeliranje,

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 31 -

7 SKLEP

Teoretični del diplomskega dela predstavlja ekstruzijo kot preoblikovalni postopek. Prikazani

so štirje različni načini ekstruzije. Pri nas se najpogosteje pojavljata direktna in indirektna

ekstruzija s togim orodjem. Predstavili smo tudi programski paket HyperWorks, ki ga

uporabljamo za simulacije. S pomočjo sheme smo razloţili, kako poteka delo s programskim

paketom in čemu sluţijo posamezni programi, kot so HyperMesh, HyperXtrude in

HyperView. Prav ta del je na začetku dela in uvajanja programa predstavljal veliko teţavo, saj

je bilo treba ugotoviti, čemu sluţi posamezni program in kako deluje. Tudi grafični

uporabniški vmesnik2 je izjemno specifičen in smo potrebovali kar nekaj časa, da smo se

navadili delati s programom. Model procesa izvedbe naročila smo shematično prikazali na

podlagi proizvodnega procesa v podjetju Kaldera d.o.o. Gre za splošen princip v orodjarstvu,

kjer se ustreznost orodja preveri šele na fizičnem testu.

V današnjem času so podjetja izpostavljena hudi konkurenci in bitki za trg. Ob klasičnih

izdelovalnih procesih je teţko zadostiti vsem kriterijem, zato je uvajanje novosti nujno za

obstanek na trgu. Z uvedbo optimizacijskega kroga smo zmanjšali stroške korekcij,

optimizirali smo geometrijsko zahtevne oblike orodij in dosegli boljšo hitrostno in

temperaturno porazdelitev v izdelku. Pričakujemo, da bodo posledično daljše tudi ţivljenjske

dobe orodij.

Računalniške simulacije še vedno niso razvite do te mere, da bi jim lahko popolnoma

zaupali. Lahko so nam napotek pri konstruiranju in dopolnilo dosedanjemu znanju ter

izkušnjam. Kljub temu smo z rezultati, ki smo jih dobili, zadovoljni, saj so zelo dober

pribliţek dejanskemu stanju.

Trenutno je pomanjkljivost simulacij relativno dolg čas preračuna, saj kompleksne

modele računalnik simulira tudi do 10 ur. Zaradi čakanja na rezultate se podaljšuje rok dobave

orodja. Čas preračuna je sicer moţno skrajšati s slabšim mreţenjem modela, vendar se je

izkazalo, da ni smiselno popravljati velikosti elementov na večje vrednosti, kot so privzete,

saj v tem primeru rezultati izračuna niso verodostojni.

Pomisleke imamo tudi o analiziranju rezultatov simulacij pri kompleksnejših modelih.

Ugotoviti moramo namreč merilo in sistem, kako bomo pri takšnih orodjih razbrali rezultate

iz dobljenih slik. Prav ta problem predstavlja izziv za delo v prihodnje.

2 GUI – Graphical User Interface

Page 42: UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V CAD/CAM PROCESIHpaketa se glasi 'A Platform for Innovation' oz. platforma za inovacije (Slika 3.1). Poleg CAE simulacij vključuje še modeliranje,

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 32 -

Ker je zanesljivost orodij pomembna kompetenca orodjarne, ţelimo v prihodnosti na

podlagi računalniških simulacij izboljšati orodja do te mere, da bodo kasnejše korekcije

minimalne.

Page 43: UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V CAD/CAM PROCESIHpaketa se glasi 'A Platform for Innovation' oz. platforma za inovacije (Slika 3.1). Poleg CAE simulacij vključuje še modeliranje,

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 33 -

8 SEZNAM UPORABLJENIH VIROV

[1] Andredi T. Extrusion Simulations : A New Approach in Die-Design Process.

International Conference on Extrusion and Benchmark, Dortmund, 16. – 17. 9. 2009.

[2] Balič Joţe. CAD/CAM postopki. Maribor : Fakulteta za strojništvo, 2002.

[3] Balič Joţe. Poročilo za projekt InoProAl. Maribor, 2010.

[4] Balič Joţe. Računalniška integracija proizvodnje. Maribor : Fakulteta za strojništvo,

2001.

[5] Balič Joţe. Računalniško integrirana proizvodnja : učbenik. Maribor : Zaloţniška

dejavnost pri tehniških fakultetah, 1996.

[6] Extrusion [svetovni splet]. Wikipedia. Dostopno na WWW:

http://en.wikipedia.org/wiki/Extrusion [10. 5. 2010].

[7] Extrusion and Drawing of Metals [svetovni splet]. University of Louisiana. Dostopno

na WWW: www.ucs.louisiana.edu/~snd7483/MCHE365/15.ppt [7.7.2010].

[8] Extrusion simulation software [svetovni splet]. AllBusiness. Dostopno na WWW:

http://www.allbusiness.com/primary-metal-manufacturing/alumina-aluminum/232848-

1.html [10. 5. 2010]

[9] Gologranc Franc. Preoblikovanje, Del 2 : Masivno preoblikovanje. Ljubljana : Fakulteta

za strojništvo, 1999.

[10] HyperWorks [svetovni splet]. Altair Engineering Inc. Dostopno na WWW:

http://www.altairhyperworks.co.uk/ [11. 5. 2010]

[11] HyperWorks 10.0. Help. Altair, 2009.

[12] Jereb Janez. Tehnologija obdelave za oblikovalca kovin, 2. Dopolnjena izdaja.

Ljubljana : Tehniška zaloţba Slovenije, 1997.

[13] Krähenbühl Y., Bourqui B. Simulation Aided Extrusion in the Design Practice.

International Conference on Extrusion and Benchmark, Dortmund, 16. – 17. 9. 2009.

[14] Kraut Bojan. Krautov strojniški priročnik, 14. slovenska izdaja / izdajo pripravila Joţe

Puhar, Joţe Stropnik. Ljubljana : Littera picta, 2003.

[15] Kumar S., Vijay P. Die design and experiments for shaped extrusion under cold and hot

condition [svetovni splet]. Varanasi: Science direct, 2007. Dostopno na WWW:

http://www.sciencedirect.com/science?_ob=ArticleURL&_udi=B6TGJ-4MYVG6D-

3&_user=10&_coverDate=07%2F23%2F2007&_rdoc=1&_fmt=high&_orig=search&_

Page 44: UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V CAD/CAM PROCESIHpaketa se glasi 'A Platform for Innovation' oz. platforma za inovacije (Slika 3.1). Poleg CAE simulacij vključuje še modeliranje,

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 34 -

sort=d&_docanchor=&view=c&_acct=C000050221&_version=1&_urlVersion=0&_use

rid=10&md5=3196a92f244b35a44e3335808aa85989#implicit0 [10. 5. 2010]

[16] Li G., Yang J., Oh J.Y., Foster M., Wu W., Tsai P., Chang W. Advances of Extrusion

Simulation in DEFORM-3D. International Conference on Extrusion and Benchmark,

Dortmund, 16. – 17. 9. 2009.

[17] Skauvik Inge. Computer Simulation Improves Quality and Reduces Cost of Aluminium

Extrusion [svetovni splet]. Havik : Fluent Inc, 1999. Dostopno na www.fluent.com

[18] Stebunov S., Lishnij A., Biba N., Belotti S., Fazzini P. Development and Industrial

Verification of Qform-Extrusion Program for Simulation Profile Extrusion.

International Conference on Extrusion and Benchmark, Dortmund, 16. – 17. 9. 2009.

Page 45: UPORABA TEHNOLOŠKIH SIMULACIJ V CAD/CAM PROCESIHpaketa se glasi 'A Platform for Innovation' oz. platforma za inovacije (Slika 3.1). Poleg CAE simulacij vključuje še modeliranje,

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 35 -

9 ŽIVLJENJEPIS

Europass življenjepis

Osebni podatki

Priimek / Ime Sajko Nika

Naslov Zgornji Gabernik 69, SI-3241 Podplat (Slovenija)

Prenosni telefon +386 40590560

E-pošta [email protected]

Državljanstvo slovensko

Datum rojstva 30. september 1988

Spol Ženski

Izobraževanje in usposabljanje

Obdobje 17.06.2010 – 18.06.2010

Glavni predmeti/pridobljeno znanje in kompetence

Znanje o uporabi programska HyperMesh

Naziv in status ustanove, ki je podelila diplomo, spričevalo ali certifikat

Altair Engineering Torino (Italija)

Obdobje 01.09.2003 – 30.09.2007

Naziv izobrazbe in/ali pridobljene poklicne kvalifikacije

Gimnazijski maturant

Naziv in status ustanove, ki je podelila diplomo, spričevalo ali certifikat

Gimnazija Celje - Center Kosovelova ulica 1, 3000 Celje (Slovenija)

Stopnja izobrazbe po nacionalni ali mednarodni klasifikacijski lestvici

5

Znanja in kompetence

Materni jezik(i) slovenščina

Drugi jezik(i) angleščina, nemščina