EFEKTYWNE PROJEKTOWANIE KORPUSÓW CENTRÓW OBRÓBCZYCH

17.06.2016
by Marcin Zolnierczuk


Konstruktorzy projektując dzisiejsze obrabiarki CNC aby zapewnić wymaganą dokładność wymiarowo-kształtową muszą uwzględnić kilka kwestii związanych ze sztywnością styczną i dynamiczną, tłumieniem drgań oraz rozszerzalnością cieplną konstrukcji. Koszt produkcji też jest nie bez znaczenia, jak na każdym rynku konkurencja jest silna i chcąc osiągnąć sukces, producenci muszą ciągle rozwijać swoje produkty. Obecnie, klienci oczekują produktów dostosowanych do ich potrzeb, obrabiarek projektowanych na indywidualne zamówienie na które nie będą czekać miesiącami.

JAK PROJEKTOWAĆ SZYBCIEJ I EFEKTYWNIEJ?


Przykład firmy Heidenreich & Harbeck AG (producent wysokiej jakości odlewów żeliwnych) której inżynierowie zaprojektowali optymalny kształt suportu frezarki HSC w 20 godzin roboczych – 4 razy szybciej niż do tej pory, zmniejszyli o 50% jej odkształcenia, zmniejszyli masę o 15% oraz zredukowali koszt o 15%, [1]. Było to możliwe dzięki zastosowaniu symulacji metodą elementów skończonych MES oraz specjalnego narzędzia do optymalizacji topologii.



Efekt optymalizacji topologii suportu frezarki HSC

Automatyczna optymalizacja konstrukcji (topologii, kształtu, wymiaru) z zastosowaniem programów komputerowych i analiz MES powoli wchodzi do biur konstrukcyjnych i działów B+R. Już samo zastosowanie symulacji MES dostarcza istotnych informacji na temat sztywności i zachowania się danej konstrukcji. Pozwala zoptymalizować grubość ścianek, wymiary żeber, otworów i promieni tak aby spełnić określone wymagania.

Dużo lepszy efekt w krótszym czasie oferuje optymalizacja topologii. Polega ona na znalezieniu takiego rozkładu materiału w danej przestrzeni konstrukcyjnej który zapewnia minimalną masę/maksymalną sztywność, spełniając jednocześnie określone kryteria jak sztywność, dopuszczalne naprężenia, odkształcenia oraz uwzględniając przy tym sposób produkcji. Materiał podczas symulacji w kolejnych krokach jest usuwany z miejsc w których nie jest potrzebny aż do momentu spełnienia określonego celu.

Części odlewane w szczególności nadają się do optymalizacji topologii z uwagi na dużą dowolność kształtu. Dzisiejsze oprogramowanie jak Optistruct pozwala przeprowadzić optymalizację elementu uwzględniając metodę produkcji danej części jak odlewanie, tłoczenie, wtryskiwanie lub wytłaczanie poprzez zastosowanie ograniczeń w postaci płaszczyzn podziału, kierunków wyjmowania elementu z formy, kierunków płynięcia materiału, płaszczyzn symetrii, określonych szyków elementów/otworów/żeber, maksymalnego/minimalnego wymiaru elementu. Nowe narzędzia dają nowe możliwości projektowania lekkich i wydajnych konstrukcji w dużo krótszym czasie.



Przykład optymalizacji topologii z uwzględnieniem kierunku wyciągnięcia materiału

Od lat techniki optymalizacji topologii z sukcesem stosowane są w przemyśle lotniczym i motoryzacyjnym, czyli tam gdzie masa ma istotne znaczenie oraz czas na realizację danego projektu jest krótki.

PODSUMOWANIE


Większość firm produkujących centra obróbcze wykorzystuje symulacje MES głownie do weryfikacji konstrukcji w końcowym etapie projektowania gdzie zazwyczaj nie ma już czasu i miejsca na większe zmiany konstrukcyjne. Zaczynając projektowanie od symulacji MES i optymalizacji topologii konstruktorzy od samego początku wiedzą jaki kształt elementu jest najbardziej optymalny. Dzięki temu cały etap projektowania jest znacznie krótszy.

ZALETY WYKORZYSTANIA OPTYMALIZACJI TOPOLOGII DO PROJEKTOWANIA KORPUSÓW:

• wysoka wydajność konstrukcji przy mniejszej masie • krótszy czas prac inżynierskich • mniejsze zużycie materiału, niższy koszt produkcji

Stosowanie optymalizacji topologii nie jest jeszcze powszechne gdyż wymaga specjalistycznej wiedzy, znajomość narzędzi oraz specjalnego oprogramowania. Wymienione wady nie są problemem w przypadku korzystania z usług doświadczonych firm inżynierskich.

Referencje

[1] http://www.fe-design.de/fileadmin/FE_DESIGN/_anwendungen/Maschinenschlitten_HH/TOSCA-Heidenreich-Harbeck_en.pdf

Dziękujemy za przeczytanie! Zapraszam do dyskusji i zadawania pytań odnośnie symulacji MES i optymalizacji topologii.