Inovativní řešení frézovací hlavy

Tags: 3D tisk | Advanced Engineering | Inovace | Optimalizace | Výzkum

Do­sa­vad­ní kon­struk­ce fré­zo­va­cích hlav vy­chá­ze­ly z jed­no­li­tých pl­ných tva­rů, kte­ré těm­to nás­tro­jům za­ru­čo­va­ly vy­so­kou tu­host, ov­šem na úkor dy­na­mic­kých vlast­nos­tí nás­tro­je. Mož­nos­ti 3D tis­ku ko­vů a pok­ro­či­lé vý­poč­to­vé me­to­dy však v sou­čas­nos­ti umož­ňu­jí op­ti­ma­li­zo­vat tvar fré­zy tak, aby lep­ším po­mě­rem hmot­nos­ti a tu­hos­ti by­ly vý­raz­ně zlep­še­ny je­jí dy­na­mic­ké vlast­nos­ti.

Specialisté ze společnosti Advanced Engineering se spolu se svými akademickými partnery z Regionálního technologického institutu při Západočeské univerzitě v Plzni a Dopravní fakulty Jana Pernera Univerzity Pardubice podíleli na vývoji inovativního tvaru frézy, jenž by vyhověl pevnostním požadavkům na tento nástroj a přitom zlepšil jeho dynamické vlastnosti, čímž by přispěl ke zvýšení přesnosti a rychlosti obrábění.

V úvodních fázích výzkumu byly zkoumány možnosti topologických optimalizací dvoubřitých fréz bez výraznějších tvarových omezení. Tyto činnosti vedly ke vzniku velmi zajímavých tvarových konceptů, které by však v provozu narážely na omezující faktory vyplývající z provozních podmínek (především pak možného zachytávání obrobeného materiálu tělem frézy).

Proto bylo po skončení této etapy přistoupeno k řešení, které zachovává vnější povrchovou obálku původního tvaru frézy a topologické optimalizace jsou prováděny na vnitřní původně vyplněné struktuře. Takové tvarové úpravy by kvůli vzniku dutin nebyly dříve možné – jejich výrobu umožnil až příchod kovové aditivní výroby, jež se stává trendem současného strojírenství a slibuje velký potenciál i v budoucnu.

Výpočtová část projektu byla zpracována pomocí softwarových nástrojů od společnosti Altair, především pak implicitního optimalizačního řešiče pro metodu konečných prvků Altair OptiStruct.

Po počátečních obecných topologických optimalizacích pro získání přehledu o ideálním rámcovém tvaru omezeném různými požadavky včetně například vedení chladicích kanálků přistoupil řešitelský tým k návrhu využívajícímu tzv. porézní trámčité struktury.

Jedná se de facto o uspořádanou 3D mřížku složenou z relativně malých prutů. Taková struktura si při velmi výrazném snížení hmotnosti oproti plnému materiálu poměrně dobře zachovává původní pevnostní charakteristiky. Výhodou těchto struktur je zároveň jejich robustnost ve smyslu odolnosti proti šíření trhlin a skutečnost, že chladicí médium může v případě potřeby proudit celým vnitřním objemem dílu.

Výzvou v návrhu vhodné trámčité struktury bylo nejenom zabezpečení její bezproblémové tisknutelnosti (jednotlivé pruty nemohou mít sklon od vertikály vyšší než přibližně 45°), ale především zajištění rotační symetrie podle osy otáčení frézy.

Toho bylo nakonec dosaženo rozdělením vnitřního objemu do 6 sektorů, z nichž každý byl vyplněn porézní trámčitou strukturou s BCC (Body Centered Cubic) typem základní buňky tak, že v každém ze sektorů byla struktura pootočena o 60° podle osy rotace ve středu frézy. Tím bylo zároveň dosaženo toho, že na rozhraních sektorů na sebe mřížka navazovala a jednotlivé pruty se vhodně protnuly.

Na takto navržené mřížce byla řešena ještě tzv. Lattice optimalizace, což je výpočtová metoda v Altair OptiStruct, která umožňuje každému z tisíců prutů v mřížce individuálně přiřadit ideální tloušťku podle toho, jak je který prut zatěžován nebo jaký má vliv na celkovou tuhost.

Při srovnání s variantou, jejíž vnitřní prostor je celý vyplněn materiálem, lze říci, že se podařilo vyvinout frézu, jež má díky nižší hmotnosti výrazně lepší dynamické vlastnosti, vhodnější vlastní frekvence a přitom stále splňuje požadavky na její tuhost.

Pro další fázi vývoje, na níž byly práce již zahájeny, vidí výzkumný tým potenciál především ve využití lattice optimalizace v kombinaci s optimalizací topologickou. To by umožnilo nevyplňovat mřížkou celý vnitřní prostor, ale jen části, které mají na výsledné vlastnosti nezanedbatelný vliv, a zbytek prostoru nechat prázdný.

Popisovaný výzkumný projekt je jen jedním z příkladů, kdy optimalizační výpočtové technologie v kombinaci s 3D tiskem a zkušenostmi vědecko-výzkumných pracovníků mohou pomoci k nečekaně inovativním, dříve nepředstavitelným řešením a přínosům.

Kromě této výzkumné činnosti proběhla ve společnosti Advanced Engineering, s. r. o., i celá řada dalších inženýrských optimalizačních projektů, u nichž jsou přínosy v úsporách hmotnosti a vylepšení mechanických vlastností také řádově v desítkách procent. To pak v ekonomické rovině může pro zadavatele znamenat ještě výrazně vyšší úspory ve výrobě nebo provozu.

Popisovaný výzkum byl proveden s podporou projektu TRIO FV30149.