Co to jest technologiczność modelu przestrzennego części?
Jednym z czynników decydujących o jakości projektu jest możliwość jego realizacji. Konstruktor mechanik powinien więc nieustannie pamiętać o tym, że każdy projekt (rysunek 2D lub model 3D) jest dopiero początkiem realizacji procesu produkcji nowego wyrobu, a każdy proces produkcyjny ma swoje wymagania technologiczne. W związku z tym wydaje się oczywiste, że każdy projekt powinien uwzględniać specyficzne wymagania wynikające z zastosowania określonego sposobu wytwarzania projektowanej części lub wyrobu. I wcale nie chodzi tu o to, czy zaprojektowana część lub narzędzie (forma, tłocznik, stempel itd.) będą wytwarzane na obrabiarce CNC, a program obróbki będzie zdefiniowany na bazie przestrzennego modelu tej części. Myślę tu o takiej metodzie projektowania, która uwzględnia spełnienie wszystkich wymagań konstrukcyjnych oraz technologicznych. W literaturze takie podejście do projektowania nosi nazwę Design for Manufacturing (DFM), czyli Projektowanie Uwzględniające Wytwarzanie.
Praktyczna definicja metodyki DFM mogłaby być następująca:
- DFM oznacza, że zaprojektowany wyrób jest możliwy do wytworzenia.
- DFM oznacza zdefiniowanie takich relacji pomiędzy projektem wyrobu a procesem jego wytwarzania, które ułatwią optymalizację technologiczności wyrobu.
- DFM to taki proces rozwojowy nowego wyrobu, w którym zespoły konstrukcyjne współpracują z zespołami technologicznymi w celu zapewnienia wysokiej jakości wyrobu końcowego. Współpraca różnych zespołów inżynierów oznacza też możliwość wykonywania wielu zadań równolegle, czyli zastosowanie metodyki projektowania współbieżnego.
- DFM to taka metoda projektowania, która zapewnia optymalne dopasowanie projektowanego wyrobu do możliwości wytwórczych danej firmy.
- DFM to takie zastosowanie systemów komputerowego wspomagania, w którym zaprojektowany wyrób jest relatywnie łatwy do wytworzenia, wykonany z minimalnej ilości materiału, odpowiedniej jakości i najtańszy z możliwych.
- DFM to metoda, która pomaga zmniejszyć koszty wytwarzania i montażu już w fazie projektowej, na przykład dzięki optymalizacji wykorzystania komponentów typowych i standardowych.
Wdrożenie takiej metody pracy wymaga oczywiście pewnych zmian w strukturze firmy i wdrożenia wspomagającego tą metodę systemu komputerowego. Zmiany organizacyjne mogą polegać na utworzeniu interdyscyplinarnych zespołów projektowych, w których już od fazy projektowania wstępnego będzie można poszukiwać nie tylko rozwiązania spełniającego wszystkie wymagania zamawiającego, ale także takiego, które uwzględni wszystkie ograniczenia konstrukcyjne, technologiczne czy montażowe. Tak rozumiane zespoły projektowe mogą być definiowane jako wirtualne, jeśli tylko wdrożony w firmie system CAx/PDM to umożliwia.
Dzisiejsze systemy CAD oferują pewne możliwości analizy technologiczności projektowanej części, na przykład analizę minimalnego promienia krzywizny obrabianej powierzchni czy analizę pochyleń technologicznych ścian modelu przestrzennego. Jeśli rysunki lub modele przestrzenne wyrobu posiadają specyficzne atrybuty, takie jak koszt, waga, materiał, rodzaj obróbki powierzchniowej, nazwa dostawcy czy czas dostawy, to łatwo można sobie wyobrazić optymalizację wytwarzania tego wyrobu jeszcze na etapie jego konstruowania. Rozwiązywanie problemów tego typu może być wspomagane przez systemy przygotowania produkcji lub systemy z grupy PDM (Product Data/Document/ Development Management) powiązane z bazami danych modeli CAD. Cel takiej optymalizacji nie musi się ograniczać do aspektów technicznych projektu, bo nic nie stoi na przeszkodzie, by optymalizować liczbę dostawców czy czas dostawy materiału surowego lub komponentów standardowych. Optymalna (minimalna) liczba dostawców oznacza możliwość negocjacji niższych cen, a czas dostawy jest zazwyczaj powiązany z ceną, która jest wyższa dla krótszych terminów realizacji. Optymalizacja w tym zakresie oznacza wybór takiego terminu realizacji dostawy, który zapewni płynność produkcji lub montażu.
W zakresie systemu CAD realizacja współpracy pomiędzy konstruktorem mechanikiem a technologiem ogranicza się w zasadzie do spełnienia wymagań dotyczących technologiczności. Dla konstruktora mechanika, ale też dla wszystkich innych uczestników procesu powstawania wyrobu końcowego, niezbędne staje się podejmowanie świadomych
decyzji. Świadomych, to znaczy takich, które uwzględniają skutki podjętej decyzji dla kolejnych, następujących po etapie projektowania etapów procesu powstawania wyrobu. Wybór materiału, sposobu obróbki części, rodzaju komponentu standardowego wpływa przecież na czas i koszt produkcji czy montażu oraz na cenę i jakość wyrobu końcowego.
Poniżej chciałbym rozważyć kilka przykładów poświęconych projektowaniu części formowanych, to znaczy odkuwek, odlewów i wyprasek. Poprawność technologiczną modeli takich części uzyskujemy poprzez poprawną definicję powierzchni podziału, kierunku otwarcia formy, pochylenia ścian oraz zaokrąglenia krawędzi. Jeżeli projektowanie części formowanych wykonujemy w systemie wspomagającym modelowanie bryłowe, to warto przestrzegać następującej procedury:
1. Przed rozpoczęciem projektowania:
a) W zależności od metody produkcji części oraz materiału części ustalić
minimalny kąt pochylenia ścian, zapewniający możliwość wyjęcia
wyprodukowanej części z formy,
b) Ustalić minimalną dopuszczalną wartość promienia zaokrąglenia krawędzi (Rmin)
— ważne szczególnie tam, gdzie powierzchnie robocze form i matryc mają być
frezowane narzędziem z krawędzią tnącą zaokrągloną promieniem (Rfrez):
Rmin ≥ Rfrez,
2. W czasie projektowania:
a) Zastanowić się nad strukturą modelu przestrzennego:
- Jakie kontury?
- Na jakich płaszczyznach?
- Jakie elementy dodatkowe (punkty, kierunki, powierzchnie, itp.)?
b) Zdefiniować proste bryły podstawowe,
c) Jeżeli trzeba, zdefiniować elementy dodatkowe:
- Żebra,
- Gniazda mocujące itp.
d) Sprawdzić, które ze ścian modelu wymagają pochylenia, a potem zdefiniować
te pochylenia:
- Sprawdzić, czy zdefiniowane są pochylenia technologiczne wszystkich wymaganych powierzchni modelu przestrzennego,
e) Zaokrąglić krawędzie:
- Sprawdzić poprawność (minimalny promień) zaokrągleń krawędzi.
Konstruktor-mechanik, którego zadaniem jest wykonanie modelu przestrzennego części, powinien nie tylko uwzględnić aspekt technologiczności projektowanej części, ale też sposób, w jaki następujący po nim w procesie powstawania wyrobu konstruktor narzędziowiec będzie mógł skorzystać z modelu konstrukcyjnego. Niestety, nie zawsze model konstrukcyjny jest „przyjazny” dla narzędziowca. Większość systemów CAD umożliwia definicję TYLKO jednej reprezentacji geometrycznej dla każdej projektowanej
części. Byłoby idealnie, gdyby dla tej samej części (ten sam model przestrzenny, ten sam numer części w bazie danych itd.) mogły być zdefiniowane dwie, lub jeśli trzeba więcej, reprezentacje geometryczne: konstrukcyjna i technologiczna.
PRZYKŁAD 1
Proces frezowania kieszeni z pochylonymi ścianami bocznymi może być zdefiniowany szybciej, jeśli zastosowany zostanie frez kształtowy. Model geometryczny części obrabianej musi być w tym przypadku uproszczoną wersją modelu konstrukcyjnego, a wymagane pochylenie ścian kieszeni będzie pochodną kształtu i położenia freza kształtowego.
PRZYKŁAD 2
Model konstrukcyjny części kutej zawiera opis geometryczny powierzchni kutych i frezowanych. A to oznacza, że konstruktor matrycy musi zmodyfikować ten model tak, by mógł wykonać jego „odcisk” w płycie matrycy. Model technologiczny odkuwki, który
konstruktor-narzędziowiec mógłby wykorzystać do definicji matrycy, musi być uproszczoną wersją modelu konstrukcyjnego. Nie może on zawierać żadnych cech geometrycznych, które są modelem obróbki skrawaniem. (...)
