Különleges gyártástechnológiák (BSc)

Átírás

1 1. A megmunkálási módok osztályozása Bővebb értelmezésben: Különleges gyártástechnológiák (BSc) - tömeg csökkentő (anyagszétválasztó) - tömeg megtartó - tömeg növelő Alaptechnológiák: pl. forgácsoló megmunkálások pl. hőkezelések, öntés, szinterelés pl. bevonatolás, hegesztés, ragasztás - forgácsolás - képlékeny alakítás - egyéb 2 A forgácsoló eljárások osztályozása sokféle szempont szerint lehetséges a) Szerszámgép (megmunkálási mód) alapján - esztergálás - fúrás - marás - gyalulás - köszörülés -stb. b) Szerszám élgeometria alapján -határozott élű szerszámokkal -határozatlan élú szerszámokkal c) A leválasztott forgács elméleti jellemzői alapján -forgácskeresztmetszet állandó változó -a forgácsleválasztás jellege folyamatos szakaszos d) Az alakképzés geometriája alapján - profilozás ( a szerszám alakjának negatívja alakul ki a munkadarabon) - generálás,lefejtés: a szerszám él és a mdb relatív mozgása alakítja ki a felületet - (másolás): mesterdarab alakját követi a szerszám 3 4

2 e) A megmunkálás mozgásviszonyai (főmozgás) alapján -egyenesvonalú -forgó -rezgő -stb. f) A hasznosított energia tipusa alapján -mechanikai -hő (elektro-termikus) -kémiai -elektro-kémiai 2. Különleges megmunkálások - Kifejlesztésüket a megmunkálandó anyagok fejlődése indikálta - anyagválasztás anyagkészítés Új anyagszétválasztási technológiák - A szerszám (ha van) nem kell keményebb legyen a munkadarabnál - Különböző energia formák hasznosítása: - Mechanikai Különleges megmunkálás: - Hő - Kémiai Fizikai folyamatuk lényegében vagy - Elektrokémiai folyamatjellemzőkben jelentősen különböznek a hagyományos eljárásoktól 5 Különleges megmunkálások csoportosítása 2.1. Elektroeróziós megmunkálások (Szikraforgácsolás, EDM Electro Discharge Machining) Hőenergiát hasznosító eljárás (A hőenergiát különféle módokon hozhatjuk létre, e szerint különböztetjük meg az eljárásokat) - szokták ezt az eljárást az ún. villamos megmunkálások közé is sorolni - a villamos energiát nem mechanikaivá alakítja, hanem hőenergiává - az anyagleválasztásra fordított hányad kevés, a hatásfok kicsi - csak villamosan vezető anyagok munkálhatók meg így - szerszáma: elektróda, a mechanikai tulajdonságok nem fontosak - vezetőképesség - hőkapacitás - olvadáshő

3 Elektroeróziós megmunkálások Erózió: Külső hatásra létrejövő jelentős mértékű roncsolódás Elecktro-erózió: Elektromos kisülés hatására jön létre Szikraforgácsolás: A szikraforgácsoló rendszer felépítése - elektródákat (T W) egyenfeszültségre kapcsol - dielekrikumba (szigetelő folyadékba) merülve - kisüléssorozat létrehozása az elektródák között - szikrakisülés - ívkisülés - (hideg kisülés) hatására megy végbe 1: dielektrikum 2: előtoló mű 3: generátor E: szerszám W: munkadarab Kisülések szabályozása Elektroeróziós megmunkálás Tömbelektródás szikraforgácsolás Az anyagleválasztás folyamata szikraforgácsoláskor 11 - feszültség kapcsolása az elektródákra - potenciálkülönbség létrejötte a dielektrikumban az elektródás között (80-250V) - ionizáció a folyadékban (a) - a szigetelő átüt, vezető csatorna jön létre (szikra, ív) (b, c, d) -az ív hőmérséklete nő (10000K), gázbuborék keletkezik (c, d, e) - az anyag megolvad, gőzzé válik, szétfröccsen (e) - az ívfeszültség gyorsan esik, az energia utánpótlás megszűnik, a kisülési csatorna összeomlik, a gázbuborék szétrobban (f) - a megolvadt fém apró cseppekben szilárdul, kényszeröblítés - deionizáció, a teljes ciklusidő ~ 10-50µs 12

4 A szikraforgácsoló rendszer elemei Tömbelektródás szikraforgácsoló gép felépítése Tömbelektródás szikraforgácsoló gép felépítése a) A szikraforgácsoló gép gerjesztése A megmunkálási ciklust ún. impulzusgenerátorokkal vezéreljük - vezérelt impulzusgenerátor a generátor egyenfeszültségét tranzisztor és kapcsoló segítségével visszük az elektródákra - relaxációs generátor (olcsó) kapcsoló és tároló elemként kapacitást és induktivitást alkalmaznak - számítógépes vezérlés Szükséges tulajdonságok: b) Dielektrikum -kis vezetőképesség (kisebb távolságnál jön létre a kisülés, nagyobb energiasűrűség, jobb leképzés) - viszkozitás: nagyoláshoz nagy simításhoz kicsi - ne legyen egészségre ártalmas, - nagy forráspont ill lobbanáspont - anyaguk jellegzetesen: petróleum bázisú paraffinok vagy deionizált víz (kis furatok pl.) -hűteni és szűrni kell - a munkatérben mindig friss kel (áramoltatás) 15 16

5 Öblítési technikák c) Szerszám elektróda Normál Sugár Szükséges tulajdonságok: - magas olvadáspont - jó elektromos vezető - könnyen megmunkálható Fordított Leggyakoribb szerszámanyagok: - vörösréz, sárgaréz -grafit Rezgetéses A grafit napjainkban kezdi kiszorítani a rezet: Hőtágulási együtthatója a negyede a rézének, (alak és mérethűség) Sűrűsége ötöde a rézének, (könnyebb) Leválasztóképessége 1,5-3 szor nagyobb Az elektróda kopása Kisebb a kopása Nagyobb méretek alakíthatók ki belőle Nagyobb hősokk-kal szembeni ellenállás Megmunkálhatósága sokkal könnyebb Technológiai jellemzők - a leválasztott anyagrész annál nagyobb, minél nagyobb a kisülés energiatartalma - mennyiségi - sarok - frontális - oldal A grafit szublimál 3550 C-on, fekete füstfellegek kísérik a EDM-et Egyszeri szikrakisülés okozta kráter fémfelületen 19 20

6 Technológiai jellemzők Az áramerősség hatása a relatív kopásra - anyagáram, mm 3 /min, időegység alatt leválasztott anyag - az elektróda relatív kopása, %, elektróda kopás/mdb fogyás általában <10% elérhető (van példa 2 %-ra is) Az optimumérték 3-4 A áramerősségnél van -áramerősség: I v - ciklusidő: t i A felület minősége - irányítottság nélküli kráterek áthatása d, h (R max ) méretekkel jellemezhető - a felületi rétegben jelentős változások történnek - a ciklusidő és az áramerősség befolyásolja elsősorban Azonos energia esetén I e növelésével d csökken, h nő t c növelésével d nő, h csökken Azonos energia esetén I e növelésével d csökken, h nő t c növelésével d nő, h csökken 24

7 Az áramerősség és a ciklusidő hatása a felület érdességére A felület alatti rétegek tulajdonságai A hőhatás zónájában megváltozik a szövetszerkezet ill. az anyag tulajdonsága pl. edzett acél - Felület nagyon kemény - Maradófeszültség: az ujraszilárdult rétegben húzó, alatta nyomó (kedvezőtlen) - Rossz kifáradási tulajdonságok - Felületi réteg hálós repedésének veszélye A felületi érdesség a ciklusidő és az íváram növelésével növekszik A megmunkálás pontossága A szikraforgácsolás változatai Elsősorban az alkképzés pontosságát értjük alatta. Több tényező befolyásolja: - a gép kinematikai pontossága - beállítás pontossága - szerszám gyártási pontossága - hő okozta deformációk - elektróda rés egyenetlensége - elektródafogyás - egyenlőtlen anyagleválasztás Valódi változatok: - tömbelektródás - huzalelektródás

8 Huzalos szikraforgácsolás Huzalelektródás szikraforgácsolás - huzal: 0,05-0,3 mm átmérőjű vörös- vagy sárgaréz - szigetelő folyadék: deionizált víz - a huzal lassan fogy, pótolják - elektróda rés egyenetlensége - elektródafogyás - egyenlőtlen anyagleválasztás Ma már CNC vezérlésűek Léteznek kombinált berendezések is Lézersugaras megmunkálások (LBM, Laser Beam Machining) L A S E R Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation magyarul: fényerősítés indukált emisszióval Lézer: erős, párhuzamos fénysugarat adó fényforrás. Lézersugárzás: 1917 Einstein elmélete: megelőlegezte, hogy bizonyos feltételek együttállásakor a fény adott közegben nem csak gyengülhet, hanem erősödhet is Az első lézer: rubin lézer Theodore Maiman (1960) Ipari megmunkálások: vágás, fúrás, hegesztés, feliratozás, hőkezelés, átolvasztás, felületi mikroötvözés Lézersugár: nagy energiasűrűségű (koncentrált), párhuzamosított fénynyaláb, mintha végtelenben lévő fényforrásból jönne, kis átmérőben szabályozható. 31/ 32

9 2.2.1 Stimulált emisszió (áttekintés) A stimulált emisszió útján felszabaduló foton energiája, frekvenciája, fázishelyzete és haladási iránya azonos a stimulálást kiváltó fotonéval, továbbá az így megszaporodott fotonok további kölcsönhatások révén még újabb fotonokat szabadíthatnak fel Spontán emisszió Stimulált emisszió 35 36

10 2.2.2 Optikai rezonátor Azok a fotonok melyek haladási iránya nem merőleges a tükörre, kiszöknek az optikai üregből a két tükör tengelye mentén haladó fotonok száma nagyon megnövekszik, és fényerősítés történik stimulált sugárzás kibocsátással Optikai rezonátor A lézer közeget két tükör közé helyezik. A fénysugár ide-oda verődik, így a fotonok átlagos úthossza megnő, s vele együtt a stimulált emisszió valószínűsége

11 2.2.3 Lézersugár előállítása Az erősítő interferencia feltétele Állóhullám kialakulása: L m hullámhossz, 2 m: nagy egész szám. A frekvencia: c mc 2L Energia bevitellel (fény, hő) gerjesztjük az atomok, molekulák, ionok elektronjait, vagy megváltoztatjuk a molekulák rezgési állapotát. A gerjesztett elektronok magasabb energianívójú elektronpályára kerülnek. Az alapállapotba történő visszatérés során a két elektronpálya energiakülönbségének megfelelő hullámhosszúságú fényt sugároznak ki. A kisugárzott fényt rezonanciával erősítjük (a lézerkamra a hullámhossz felének egész számú többszöröse, egyik vége teljesen visszaveri a fényt, a másik részlegesen) Energia szint diagram A lézerfény jellemzői A fény színe (hullámhossza) az elektronpályák közötti energiaszint különbségtől függ E 4 E 3 E 2 E 1 Párhuzamos fénynyaláb (egy közönséges izzóval ellentétben). Monokromatikus, mivel a gerjesztett atomok meghatározott frekvenciájú sugárzást bocsátanak ki (a közönséges izzó fehér fénye különböző frekvenciájú sugárzások keveréke). Koherens:azaz a fényhullámok azonos fázisban vannak Polarizált (egy síkban rezgő)fény. A lézerek energiája kis térrészben koncentrálódik, impulzus üzemmód esetén nagyon rövid időtartamban. A lézerfény teljesítménysűrűsége nagy (a megszokott fényforrásokénak sokszorosa lehet). 43 A lézerek hatásfoka nagyonkicsi (0,1 18%). 44

12 A lézerfény tulajdonságai Lézerek típusai (a lézerközeg alapján) Nem befolyásolja a mágneses tér. Nem szükséges, hogy a munkadarab elektromos vezető legyen. Minden anyaggal kölcsönhatásba lép (fém, műanyag, fa, kerámia). Működéséhez nem kell vákuum. Nem keletkezik röntgen sugárzás Szilárdtest (szennyezettionkristály) lézer Rubin lézer Nd YAG lézer (Neodímium Yttrium Alumínium Gránát) gázlézer félvezetőlézer folyékony festéklézer plazmalézer Jellegzetes lézer fényforrások Rubin lézer - Rubin lézer - Nd-YAG lézer (Neodímium-Yttrium-Alumínium-Gránát) -CO 2 lézer -stb Rubin lézer -csak azok a sugarak maradnak meg a rendszerben, amelyek szigorúan párhuzamosak a kristály hossztengelyével. -amikor a fény energiája meghaladja azt a mértéket, amely már ki tud lépni a féligáteresztő tükrön, a lézer világítani kezd. -a két tükör miatt a kilépő fény már nagyon párhuzamos nyalábokból áll -a sugár széttartása (divergenciája) elhanyagolhatóan kicsi

13 Gázlézerek CO 2 lézer, nm He Ne lézer, nm elektromos gerjesztés He-Ne lézer Megmunkálások: Vágás Fúrás Hegesztés Jelölés, gravírozás Felület strukturálás Marás, üregképzés Ötvözés, hőkezelés Bevonás Lézerek alkalmazása Speciális alkalmazások: Prototípus gyártás (SLA, SLS, LOM..) Speciális bevonatok (LCVD,..) Képalkotás, optika Spektroszkópia Mérés Lézer sebészet Lézer fogászat 51 52

14 2.2.7 A lézersugaras megmunkálások lényege - A lézeres megmunkálások során a foton energiáját visszük át a céltárgyra termikus vagy fotokémiai energia formájában - Az energia átvitel eredményeként a céltárgy anyaga megolvad, és az olvadékot gázsugárral eltávolítjuk, vagy közvetlenül elpárologtatjuk - A lézeres megmunkálások lokalizált, kontaktusmentes eljárások, az erőhatások mikro-skálán mozognak (a foton-nyomás hatása elhanyagolható) A lézeres megmunkálógépek felépítése - lézer előállítása - sugárvezetés - fókuszálás - relatív mozgás A relatív mozgás többféleképp megoldható Mozgató rendszerek A relatív mozgás többféleképp megoldható 55 56

15 Megmunkáló gépek Lézersugaras vágás - Nagy energiasűrűségű, erősen fókuszált (d = 0,1 mm), koherens fény hatására a fém megolvad és részben elpárolog vagy elég - Az energia s alatt hővé alakul - Vágási sebesség: 1-10 m/min - energiasűrűség: W/mm 2 - a munkagáz (pl. argon) a megolvadt anyagot kifújja - vékony vágórés - relatíve keskeny hőhatás zóna Lézersugárral vágható anyagvastagságok A tükrökkel a sugár irányítható A lencsékkel fókuszálható A segédgáz eltávolítja az ömledéket - acél: 15 mm - műanyag. 25 mm 59 60

16 Lézersugárral vágható anyagvastagságok Lézersugárral vágható anyagvastagságok Lézersugárral vágható anyagvastagságok Lézersugaras technológiák 63 64

17 Lézersugaras technológiák Lézersugaras technológiák Lézersugaras fúrás Lézersugaras hegesztés Lézersugaras technológiák 2.3. Plazmasugaras megmunkálások (Plasma Beam Machining, PBM) Lézersugaras gravírozás A plazma - nagy energiaállapotú gáz - az anyag negyedik halmazállapota - ionok és elektronok halmaza - egyenáramú ív segítségével állítják elő K hőmérséklet hozható létre 67

18 A plazma Az anyag halmazállapotai Fogalma 4. halmazállapot (anyag energia szintje) Magas hőmérsékletű, elektromosan vezető,ionizált állapotú gáz Jellemzői töltések összekeveredve, egyenletesen helyezkednek Könnyen elmozdítható töltéshordozók jó elektromos vezető hőmérséklettel növelhető A plazma kialakulásának tényezői Az anyag plazma állapotban előfordul: világűrben igen magas hőmérsékleten természetes- vagy mesterséges úton létrejött gázkisülésekben Csillagködök: ködszerű, látható plazmaképződmények (Cygnus köd) Villám: Gázkisülés atmoszférikus nyomáson 71 72

19 Jellegzetes plazmaállapotok 73 Az univerzum látható anyagának 99,9%-a plazma állapotban van (csillagok, csillagközi és bolygóközi anyag) 74 Plazmatechnológia Felületek tisztítása Plazma képernyők Kémiai alkalmazások Plazma-megmunkálás, felületi rétegek felvitele, plazmaszórás Fluoreszcens lámpa Plazma alapú fényforrások Plazmasugaras megmunkálás Plazmaszórás Ívlámpa 75 76

20 A plazmasugaras vágás lényege Plazma előállítása: - elektróda (-) általában wolfram - munkadarab (+) -kettő között ív jön létre - a részecskék ütköznek a gázatomokkal, ionok jönnek létre - vágógáz és védőgáz - gáz: ne legyen eróziós hatása ne károsítsa az elektródát és a fúvókát Plazmasugaras vágás elemei Áramforrás, plazmaégő, munkadarab, vágóasztal, gázellátó-, hűtő rendszer A plazmavágás berendezései 79

21 A plazmavágás berendezései Plazmavágási eljárások Egygázos eljárás Kézi eljárásoknál Levegő vagy nitrogén Kátgázos eljárás Munkagáz (plazmagáz) Segédgáz (védőgáz) Többféle variáció Plazmavágási eljárások A plazma sugár hőmérsékleteloszlása (4mm re a kilépéstől) Vízzel védett plazmavágás Segédgáz helyett víz Hűtés Jobb felületminőség Korrózióálló anyagokhoz Víz-befecskendezéses plazmavágás Munkagáz oxigén vagy nitrogén Víz fecskendezés a sugárba Kisebb sugár átmérő Jobb felület 83

22 2.3.5 Plazma- és segédgázok, technológiai adatok Plazmagázok: Levegő Oxigén O 2 Nitrogén N 2 Argon - Hidrogén gázkeverék Ar (65%) - H 2 (35%) Nitrogén Hidrogén gázkeverék N 2 (95%) -H 2 (5%) Védőgázok: Levegő Nitrogén N 2 Széndioxid CO 2 Védőgáz helyett használnak vizet is. Technológiai adatok: Előtoló (vágási) sebesség Íváram Gázösszetételek Gáznyomások Fúvókamagasság Fúvóka anyag és kialakítás A plazmasugaras vágás minősége és hatékonysága Jellegzetes vágási felület Elhajlási vonalak Salak Viszonylag nagy vágási mélység A plazmavágás hatékonysága A plazmavágás hatékonysága 87 88

23 A plazmavágás hatékonysága A plazmavágás költéghatékonysága Plazmával segített forgácsolás 2.4. Elektronsugaras megmunkálás (Electron Beam Machining, EBM) Elektron ágyú: - Kibocsátja az elektronokat (katódsugárcső) - katód: volfrám, tantál - Felgyorsítja az elektronsugarat km/s - a fénysebesség 66%-a! - Elektromágneses mező: kis- (< 30 kv) és nagyfesz. (> 100 kv) rendszerek - Fókuszálja a munkadarabra (elektromágneses lencse ) - Nagy energiasűrűség 1 MW/mm 2 - Röntgen-sugár veszély

24 Megmunkáló gép Elektronsugaras hegesztőgép A vákuum feladata: - csökkenti a szennyeződéseket (hatása azonos a tiszta argonéval) - megakadályozza a levegőt alkotó gázok molekuláival való ütközéseket - megakadályozza az égést Precíziós finommegmunkálásokhoz: pl finomfúrás ( <10 m) Elektronsugár vákuumban Elektronsugár levegőben - A mdb a másodperc milliomod része alatt 1000 C-ra hevül, helyi olvadás és elpárolgás - az üreg belsejében kialakult nagy nyomás ki- és felfelé préseli az olvadékot a lyukból, - rendkívül pontos, kis átmérőjű furatok

25 Elektronsugaras megmunkálások alkalmazása - Speciális szűrők készítése (saválló acélból) - Fémek (Ti ötvözetek) és nemfémek, ultrakemény, rideg és törékeny anyagok (kerámiák, zafír, kvarc) precíziós fúrása - lemezvastagság 0,01-5mm - a sugár könnyen eltéríthető - hátrány: vákuum kell Az elektronsugaras megmunkálás energiasűrűsége

26 2.5. Kémiai megmunkálások (Maratás) (Chemical Machining, CHM) A kémiai megmunkálások a marandó munkadarab és a marószer között lejátszódó vegyi reakciókon alapulnak. Az anyagleválasztás tehát közvetlenül a marószer és a munkadarab kölcsönhatásában történik, nincs szükség áramforrásra. A folyamatokat legfeljebb hevítéssel vagy keveréssel intenzifikáljuk. Elsősorban agresszív maró anyagok alkalmasak. Alumínium, színesfémek és nemfémek (pl. üveg megmunkálására alkalmasak). Nem nagyméretű alkatrészek gyártásakor. Kémiai megmunkálások Maratás A megmunkálandó munkadarab felületet a megfelelő marószerrel közvetlen kapcsolatba kell hozni. Amelyeket nem akarunk megmunkálni, a marószer elől el kell takarni. Az alkatrészek felülettel párhuzamos rétegeinek meghatározott helyen való eltávolítására ill. vékony lemezek külső kontúrjának, áttöréseinek kialakítása. Foto-kémiai eljárások (i) Clean (ii) Apply resist (iii) UV exposure (iv) Development (v) Etching (v) Stripping Kémiai megmunkálások Maratás Technológiai paraméterei: A munkadarab és a vegyszer anyaga elsősorban ez határozza meg a merítés időtartama a hőmérséklet Oldószerként acélnál: sósav, kénsav, foszforsav keveréke üvegnél: hidrogénfluorid (folyékony üvegszerű, fényes gázállapot matt ) Takaráshoz: acélnál: tisztítás után különböző állapotú gumi, amit rászárítanak üvegnél: viasz, parafin Védő réteggel részben fedett felületeknél a bevonat határánál alámaródás tapasztalható (maratás mélységével egyezik meg). Pontosság: elsősorban a munkadarab pontossága határozza meg Felület minősége: A maratás jellegzetességei Érdesség: - munka jellegéből adódóan nem lényeges. közelítőleg eredeti felületnek felel meg Felületi réteg állapota : - változásokat (keménység,szövetszerkezet, felkeményedés) a megmunkálás (!) nem okoz. - Kifáradást rontó tényező nincs

27 A maratás sajátosságai A maratás sajátosságai Kémiai polírozás Megfelelően választott erős savba mártott érdes felületről a csúcsok lemaródnak, míg a mélyedésekben az anyag nem oldódik. Ennek oka, - hogy a csúcsokon és a mélyedésekben különböző az oldószer koncentrációja (és ennek megfelelően a ph értéke is), - a csúcsokon és a mélyedésekben különböző az oldószer koncentrációja (és ennek megfelelően a ph értéke is), - a mélyedésekben passziváló hártya képződik, amely gátolja a fém oldódását. - Túlmaratás lehetséges! - nincsenek erők, szerszámok - a maszk szélén alámetszés képződhet, kb. a rétegvastagság nagyságának felel meg A maratás alkalmazásai Jellegzetes alkalmazások Leggyakoribb alkalmazása: finommechanikában, műszertechnikában főként vékony (néhány tized mm vastagságú) lemezekből készült, bonyolult alakú alkatrészeket gyártása üveg maratása félvezetőtechnika nyomatott áramkörök készítése homogén és heterogén szövetszerkezetek vizsgálata, egyes fázisok megkülönböztetése és a szemcsehatárok láthatóvá tétele

28 A maratás sajátosságai 2.6. Elektrokémiai megmunkálások (Electron Chemical Machining, ECM) A folyamat lényege az ún. anódikus oldódás Kémiai polírozás - Az egyenlőtlen maródás következtében a felület fokozatosan simább lesz, fényesedik. - Polírozáshoz általában foszforsav salétromsav ecetsav megfelelő keverékét használják. - Leggyakoribb alkalmazási területe : különböző munkadarabok fényesítése Anód (+): - töltéscsere - fémleválás -O 2 keletkezik Katód (-): - töltéscsere - fémkiválás -H 2 keletkezik Elektrolit: NaCl vizes oldata - csapadék keletkezik (Fe-OH) - FeCl disszociál -hőfejlődés - csak a vizet kell pótolni - az intenzitás az áramerősségtől függ 109 Anód (+): - Fe = Fe e - fémleválás, Fe kationok -O 2 keletkezik Katód (-): - H 2 O + 2e - = H 2 + 2OH - az elektronok a vízmolekulákkal reagálnak, H 2 képződik OH - anion - fémkiválás -H 2 keletkezik Elektrolit: -Fe OH - = Fe(OH) 2 az Fe kationok és az OH anionok reakcióba lépnek vashidroxid kicsapódás Elektrolit: NaCl molekulái felbomlanak, nátrium + víz nátrium hidroxid + hidrogén 2Na +2H 2 O 2 NaOH + H 2 anód: vas oldódik, vasklorid 2Cl+Fe FeCl 2 a nátriumhidroxid és a vasklorid reakciója következtében nátriumklorid és vashidroxid 2NaOH+2FeCl 2 2NaCl +Fe(OH 2 )

29 Jellegzetes eljárások - Elektrokémiai süllyesztés - Elektrokémiai polirozás - Elektrokémiai köszörülés (elizálás) Elektrokémiai süllyesztés Szerszám (katód): vörösréz, sárgaréz vagy rozsdaálló acél A szerszámba furatokat készítenek, ezeken keresztül vezetik be az elektrolitot mintegy bar nyomáson. Az elektrolit áramlási sebessége a munkahézagban m/s. Elektrokémiai süllyesztés vázlata Az elektrokémiai megmunkálások előnyei: A szerszámkopás elmaradása. Az alacsony megmunkálási hőmérséklet. A szövetszerkezeti változások elmaradása. 114 Elektrokémiai süllyesztés NaCl molekulái felbomlanak, nátrium + víz nátrium hidroxid + hidrogén 2 Na + 2 H 2 O 2 NaOH + H 2 anód: vas oldódik, vasklorid 2Cl +Fe FeCl 2 a nátriumhidroxid és a vasklorid reakciója következtében nátriumklorid és vashidroxid 2NaOH+2FeCl 2 2NaCl +Fe(OH 2 ) Elektrokémiai süllyesztés Jellemző adatok (techn. adatok): Elektrolit: Munkafeszültség: Áramsűrűség: Munkarés (s): v f előtolósebesség: 0,2 10 mm/min Jellemzői: NaNO 3, NaCl, KCl, HNO 3 vizes oldata 5 20 V 0,1 4 A/mm 2 0,05 1 mm A munkakéregből a vashidroxidot tartalmazó elektrolitot elszívjuk, tisztítás és szűrés (ülepítés) után az elektrolitot ismét visszavezethetjük az elektrolit tartályba. A katód, az elektrolit nátriumklorid része nem fogy; a víz fogy utánpótlás + koncentráció biztosítás

30 Elektrokémiai süllyesztés Jellemzői: A katódon hidrogén válik ki, robbanásveszélyes gázbuborék formájában... csökken az anyagleválasztási sebesség. Öntöttvas, acélok megmunkálásakor az ionsav gyakran mérgező anyagokat tartalmaz környezetvédelmi utasítások. Elektrolit elektromos ellenállása miatt hő keletkezik, hűtésről gondoskodni kell. Felületminőség: igen kedvezően alakul ausztenites, saválló, rozsdamentes acéloknál Rmax < 1 μm szénacélok Rmax = 5 10 μm szemcseszerkezet nem szenved változásokat jól tükrösíthető Elektrokémiai süllyesztőgép példák Alkalmazási terület: Nagy keménységű, nehezen megmunkálható anyagok. Néhány nemesfém és nem nemvasfém (karbidok miatt) nem Elektrokémiai sorjátlanítás A szerszám nem dolgozó részeit szigetelik. Hatásmechanizmus azonos az elektrokémiai süllyesztéssel, de nincs előtoló mozgás. Az elektródákat a munkafeszültség bekapcsolása és az elektrolit hozzávezetése előtt megfelelő távolságra (0,5 1 mm) beállítják

31 Elektrokémiai sorjátlanítás Elektrokémiai polírozás Munkadarabot elektrolittal megtöltött kádba helyezzük. Elektródok közötti távolság lényegesen nagyobb mint elektrokémiai süllyesztésnél. Az áramerősség a csúcshatás és a kis elektródaköz miatt a kiálló sorjánál (csúcs hatás) a legnagyobb. Faraday törvény itt a legnagyobb az anyagleválasztási sebesség is. Az elektródák megfelelő kialakításával, különösen bonyolult alakoknál, nagysorozat és tömeggyártásban rendkívül gazdaságosan alkalmazható. Következmény: +áramsűrűség nagyon alacsony + mdb. felületéről nagyon vékony réteg válik le + az áramsűrűség a mdb. érdesség csúcsain nagyobb (mélyebb rétegeket az elektroliton képződő sófilm tölti ki) + a felület egyenetlenségei fokozatosan lemunkálódnak, a felületi érdesség javul Elektrokémiai polírozás Elektrokémiai polírozás - speciális alkalmazások, finom felületek létrehozása kiindulási állapot durva sorjátlanítás csiszolással 10 perc elektro polírozás Orvosi implantátumok, térdizület 124

32 2.6.2 Elektrokémiai köszörülés (elizálás) A hagyományos köszörülés és az elektrokémiai anyagleválasztás kombinációja. Az elektrokémiai megmunkálás előnyeit (szerszámkopás elmaradása, az alacsony megmunkálási hőmérséklet, szövetszerkezeti változások elmaradása) a köszörülésre tudjuk átültetni. Szerszám: fémkötésű (elektromosan vezető) köszörűkorong A mdb. felületén keletkező anód filmet (amely az elektrokémiai oldást hátráltatja) a mozgó szemcsék eltávolítják Elektrokémiai köszörülés (elizálás) Elektrokémiai köszörülés (elizálás) - szerszám: abrazív szemcsék, pl. bórnitrid (szigetel) fémes kötőanyagban (vezető) - alapvetően anódos megmunkálás - a szemcsék csak a leválasztott anyag eltávolításában segítenek - fontos a megfelelő résméret biztosítása 1: csiszoló szemcsék 2: fémes kötőanyag 3: munkadarab 4: fellazított réteg 5: elektrolit

33 Alkalmazás - NC köszörűgépen komplex profilok kialakítására - Kemény anyagok (zsugorított karbidok, alaktartó ötvözetek: Inconel, Nimonic, titánötvözetek, fémkompozitok: Al-Al2O3) megmunkálása - Speciális szerszám-elektródokat használnak polikristályos gyémánt (PCD) csiszolóporral Speciális alkalmazás: Elektrokémiai korongszabályozás fordított polaritás elektrokémiai úton a korong fém kötőanyagát oldja, a szemcsékre nincs hatással minden szemcse hasznosan, a megmunkálás során kopik el, majd a kopott szemcse kihullása biztosítja az új, éles szemcsék felszínre kerülését az intenzitást (a kötőanyag oldásának sebességét) az áramsűrűség (A/m2) értéke határozza meg, amit az anód katód távolságával (az elektrolit réteg vastagságával) állíthatunk be folyamatosan, megmunkálás közben is alkalmazható, kiküszöbölve a korong szabályozása által igényelt holtidőket 130 Az áramerősség hatása az elektrokémiai megmunkálások jellemzőire 2.7. Ultrahangos megmunkálások (Ultrasonic machining, USM) Ultrahang: azok a hangok, amelyek az emberi hallásküszöb, azaz 20 khz feletti frekvenciatartományba esnek. Két csoportra osztjuk az ultrahangot, aszerint, hogy a hang intenzitása 1W/m 2 nél kisebb vagy nagyobb. aktív ultrahangok, 1 W/m 2 nél nagyobb intenzitás esetén, passzív ultrahangok, 1 W/m 2 nél kisebb intenzitás esetén. 132

34 Ultrahangos megmunkálás Ultrahang: Rugalmas közegben terjed mechanikai hullám - terjedésükhöz közvetítő közeg kell - a közegek határától visszaverődnek - a jellemző ultrahang frekvencia: 16 khz MHz - hallható: 20 Hz - 20 khz. - infrahangok: 20 Hz alatt - energiasűrűség: 10W/cm 2 - ágyú elsütésekor az ágyúcső nyílása mellett közvetlenül 0,001 W/cm 2 hangenergia mérhető, ágyút kell elsütni egyszerre Gázban, folyadékban: longitudinális hullám, szilárd anyagokban emellett transzverzális és tágulási hullámok is jellemzőek Aktív ultrahangokat a műszaki életben megmunkálásra (forgácsolás, vágás, hegesztés, forrasztás, hőfejlesztés, gáztalanítás, tisztítás, stb.) alkalmazzák. Ilyenkor a mechanikus rezgés munkavégző képességét használják ki. Passzív ultrahangokat elsősorban a mérés és híradástechnikában, valamint a katonai felderítésben alkalmaznak. Az ultrahangok (általában) longitudinális, azaz hosszirányú hullámok, melyek az átvivő közeg molekuláinak gerjesztésével terjednek, elhanyagolhatóan kicsi csillapítással. A levegőben hangsebességgel terjed (20 C on 343 m/s). A terjedési sebesség a közvetítő közegtől függ: acél és alumínium: 5100 m/s, beton: 3800 m/s, víz: 1460 m/s. 134 Aktív ultrahangok alkalmazási területe elsősorban a kemény, rideg anyagok megmunkálása: oüveg ozafír okorund (alumínium oxid) oferrit opcd (polikristályos gyémánt) opiezokerámia okvarc o szilícium karbid bevonat oműszaki kerámia Ultrahangos anyagleválasztás: 1. Munkadarab 2. Rezgő szerszám 3. Csiszoló-szuszpenzió (bór-karbid vagy szlicíum-karbid) 135

35 Ultrahangos anyagleválasztó berendezés elvi felépítése Ultrahangos megmunkálógépek Magnetosztriktor és koncentrátor Piezoelektromos generátor 137 Koncentrátor kialakítások Ultrahangos megmunkálások paraméterei 1.A szerszám oszcilláció amplitúdója (a 0 ) ( µm) 2.A szerszám oszcilláció frekvenciája (f) (19 khz 25 khz) 3.A szerszám előtoló ereje (F) 4.Szerszám anyaga (lágyacél, titán ötvözés) 5.Az abrazív anyag típusa (bórkarbid, szilícium karbid, alumínium oxid) 6.Az abrazív anyag mérete (d) ( um) 7.A szerszám érintkező felület nagysága (A) 8.Az abrazív anyag koncentrációja (C) 9.A munkadarab és a szerszámanyag szilárdságának aránya λ=σ w /σ t

36 Ultrahangos megmunkálások paraméterei Az abrazív vízsugaras vágás technológiája Az abrazív vízsugaras technológiák történeti áttekintése I.e. : természetes folyósodrás ásványok tisztításához (Egyiptom) I.e. : mesterséges vízsugár ásványok tisztításához (Róma) 1850: vízsugár használata az arany bányászatában (USA) 1930: vízsugár alkalmazása a szénbányászatban (Oroszország, 7 bar) 1950: vízsugaras tisztítás 1960: a vízsugaras vágás kutatása 1970: nagynyomású rendszerek kifejlesztés ( 4000 bar) 1972: első ipari alkalmazások (FLOW) 1980: abrazív por adagolása a vízsugárhoz 1983: kereskedelemben beszerezhető abrazív vízsugaras berendezések

37 2.8.2 Az abrazív vízsugaras vágás elve Vágófej kialakítások Vízsugaras vágófej A vízsugaras rendszerek elemei Megmunkáló gép z y x Nyomásnövelő szivattyú Abrazív adagoló készülé k Rezgős adagoló Abrazív vízsugaras vágófej Munkadarab text Vízsugár energiát elnyelő tartály A rendszer vázlata

38 Nyomásfokozó Nyomásfokozó Nyomás: max. 360 MPa Löketszám: max. 60 1/min Dugattyúarány: CAD/CAM tervezés lépései MegaCAD Program Formátum konverzió MG Converter Program

39 Elhelyezési terv, szimuláció Nesting Program Különböző alakzatok előállítása Üvegek Kerámiák Fémek Műanyagok Különböző alakzatok előállítása Különböző alakzatok előállítása Fa Acél Nagy vastagságban is!! pl. 132 mm Kompozitok 156

40 2.8.5 Vágósugarak fajtái A megmunkáló sugár jellegzetességei Víz Víz Víz -Szuperszonikus sebesség v= m/s Bernoulli törvény: Nyomás létrehozása Vízsugaras vágás (WJ) Vízfúvóka Vízfúvóka Abrazív fúvóka Nyomás létrehozása Injektoros abrazív vízsugaras vágás (AWJ) Abrazív anyag tároló Szívótér (keverőtér) Nyomás létrehozása Abrazív szuszpenziós vágás (ASJ) Szuszpenziós fúvóka Abrazív anyag nyomástartó Abrazív anyag szuszpenzió Sebesség és energiaeloszlás a sugárban v 2 p v: a sugár sebessége p: víznyomás p= MPa ρ: a közeg sűrűsége A sugár belső struktúrája A sugár becsapódásának iránya - Becsapódási szög: 0-90 o a) merőleges sugár: ~90 o b) ferde sugár: <90 o c) érintő sugár: ~0 o Kölcsönhatás a környezettel: Közvetlenül a kilépésnél - a koherens sugár sérül célszerű forgácsolni! -a levegő mennyisége növekszik - megkezdődik a divergencia - a terhelésváltozhat: statikus dinamikus - a környezet elnyli az energia egy részét - Kis vízáram l/min - Kis forgácsoló erők, max. 100 N - Alacsony hőmérséklet o C - Nincs károsodás az anyagban

41 Injektoros sugár alkotóelemei víz, abrazív szemcsék, levegő Az anyagleválasztás lányege abrazív vízsugaras vágáskor Erózió: szilárd részecskékkel való ütközés hatására bekövetkezett jelentős anyagveszteség Nagy energiasűrűség Felgyorsult erózió Tömegarány Térfogatarány képlékeny alakváltozás nyírással kopás repedések összenövése rideg törés helyi megolvadás (szikrázás) Megmunkálás Rideg és szívós erózió vízsugaras vágáskor A vízsugaras vágás paraméterei Szívós erózió Szívós anyagokra tipikus anyagjellemző: Jellegzetes vízsugárral vágott felület - forgácsolási zóna - átmeneti zóna - elhajlási zóna Rideg erózió Rideg anyagokra tipikus anyagjellemző: AWJ Berendezés Anyag Eredmény abrazív anyag abrazív mérete abrazív tömegáram fúvóka hossz és átmér ő nyomás vágási sebesség keménység fúvóka magasság repedési tulajdonság keménység szilárdság lemez vastagság anyagleválasztási sebesség t űrés felületi érdesség vágórés szélesség és forma HV Kc

42 2.8.9 Pontossági kérdések A pontosság növelése a vágófej döntésével Változó vágási font 1 2 Vágófej döntése az előtolás síkjában v v v v Az irányváltás okozta pontatlanságok Vágófej döntése az előtolás síkjára merőlegesen v v Megmunkálási hiba > 0.1 mm A vágórés lehetséges alakjai Bevágási mélység értelmezése A technológiai paraméterek hatása Átvágott felület 30 mm W top W i W j W e 1 mm 1 mm A vágórés alakja az egyik legnehezebben kézben tartható minőségi jellemző W b,min W b,max Bevágott alumínium ill. üveg Alapvetően az időegység alatt bevitt energiával szabályozható Az anyagleválasztás a bevágási mélységgel jellemezhető Bevágási mélység: k max k max Influence of parameters on the cutting gap

43 A technológiai paraméterek hatása A technológiai paraméterek hatása Bevágási mélység Bevágási mélység Nyomás Előtolás Bevágási mélység Bevágási mélység Fúvóka magasság Abrazív áram Az előtolás és az abrazív áram hatása a bevágási mélységre Az előtolás és az abrazív áram hatása a bevágási mélységre depth of kerf k, mm 20,00 18,00 16,00 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 ma=6 g/s ma=5 g/s ma=4 g/s p=3000 bar traverse rate f,mm/min X12Cr13 rozsdamentes acél depth of kerf k, mm m= m= m= p=300 MPa traverse rate f, mm/min depth ofkerf k, mm m=200 m=100 p=200 MPa traverse rate f, mm/min depth of kerf k, mm m= m= m= p=250 MPa traverse rate f, mm/min m=400 AlMgSi0,5

44 A nyomás és az előtolás hatása a bevágási mélységre Különböző anyagminőségek bevágási mélységei depth of kerf k, mm f= f= f= f= f= m=400g/min pressure p, MPa depth of kerf k, mm depth ofkerf k, mm f= f= f= f= f= m=200g/min 0 pressur p, MPa f= f= f= f= f= m=100g/min pressure p, MPa AlMgSi0,5 depth of kerf k, mm AlMgSi0.5, p=2000 bar marble, p=2000 bar Steel X12Cr13, p=2000 bar AlMgSi0,5 traverse rate f, m/min márvány acél Kétféle lehetséges erózió Rideg (pl. márvány) Szívós (pl. alumínium) Acél: Nehézkes szívós erózió Jelentéktelen rideg erózió A megmunkált felület érdessége A megmunkált felület átlagos érdessége (200 mm/min) (250 mm/min) Irodalmi adatok [B. Havlik, Z. Krajny] surface surface roughness roughness Ra, Ra, um um 77 6,5 6,5 66 5,5 5,5 55 4,5 4,5 44 3,5 3, depth depth of of kerf, kerf, mm mm aluminium aluminium f=127 f=127 mm/min mm/min garnet garnet ma=3,8 ma=3,8 g/s g/s dn=0,25 dn=0,25 mm mm dm= dm= 0,76 0,76 mm mm p=207 p=207 Mpa Mpa p=345 p=345 Mpa Mpa surface surface roughness Ra, Ra, um um depth depth of of kerf, kerf, mm mm aluminium aluminium p=345 p=345 Mpa Mpa dn=0,25 dn=0,25 mm mm dm=0,76 dm=0,76 mm mm garnet garnet ma=3,8 ma=3,8 g/s g/s f=64 f=64 mm/min mm/min f=191 f=191 mm/min mm/min f=254 f=254 mm/min mm/min

45 A megmunkált felület átlagos érdessége A megmunkált felület érdessége p=200, 250, 300 Mpa, m a = 200, 400 g/min p=250 MPa,m a =400 g/min,f=100 mm/min p=200 MPa,m a =400 g/min,f=300 mm/min Ra, um f=100 mm/min Ra ~ 5 8 m f=300 mm/min Ra ~ 5 10 m R a = 6.03 m R z =69.41 m R a = 6.74 m R z =68.25 m feed rate, mm/min f=500 mm/min Ra ~ 4 10 m R a = 6.21 m R z =57.51 m p=200 MPa, m a =200 g/min, f=300 mm/min 35x 17x A megmunkált felület topográfiája Scanning elektron mikroszkóppal vizsgálva f= x AlMgSi p=320 MPa dn=0,25 mm dm=0,8 mm garnet 80 ma=6 g/s s=3 mm f=300 mm/min Abrazív anyagok Használatos abrazív porok: természetes vagy mesterséges Gránát homok Olivin Cu salak C salak Kvarc homok Korund Al 2 O 3 SiC Porcelán Szempontok: fizikai tulajdonságok környezeti hatások költséghatékonyság technológiai hatások ár

46 Gránát homok A gránát azon szilikátok (SiO 4 )összefoglaló neve, melyek tetraéderesen kristályosodnak pl. Mg, Ca, Fe, Mn vegyületei. Új állapotú gránát 80 abrazív por elektronmikroszkópos képe Pl.: almadin pyrope Mg 3 Al 2 [SiO4] 3 andradit uvarovit Ca3Cr 2 [SiO4] 3 25x 100x andradit kvarc almadin olivin 150x 250x Használt gránát 80 abrazív por elektronmikroszkópos képe A vízsugaras vágás költséghatékonysága 38x 77x 200x 200x

47 A vízsugaras vágás előnyei és hátrányai Laminált szerkezetek és térbeli alakzatok vágása Előny Hátrány széles tartományú anyag megmunkálható relatív nagy vastagságú lemez vágható folyamat alatt nincs hőfejlődés minimális alátámasztó erő kevés hulladék anyagra nézve nincs káros kihatás (repedés, edződés) nincs megolvadás és füst termelődés magas zajszint higroszkópos anyag nem megmunkálható por és gőz termelődés rövid a fúvóka élettartama pontossági problémák (vágási hézag formája, felületi érdesség, stb.) költésges hp t2 hw t1 tw Térbeli alakzatok vágása További lehetséges megmunkálások Többtengelyes robotok alkalmazása Biztonságtechnikai feltételek megoldása Lehetséges műveletek vágás fúrás esztergálás marás Műveleti sorrend sakkfigura készítés

48 Esztergálás Fúrás körpályán mozgó sugárral (vágás) álló sugárral a megmunkált átmérő a sugárátmérővel azonos Korrekt geometria biztosítása nehéz A befejező megmunkáláshoz: finomabb abrazív anyag Fogásvétel nélküli megmunkálás Marás Probléma: A bevágási mélység kézbentartása Marás Vízsugaras anyagleválasztási kísérletek 3D-s megmunkálási kísérletek

49 Marás Vízsugaras anyagleválasztási kísérletek További nagynyomású vízsugaras technológiák alkalmazási területei Üzemi nyomás [MPa] Szállított vízmennyiség [l/min] 1. Vízsugaras vágás 2. Falazatok bontása 3. Burkolatok, bevonatok eltávolítása 4. Nagy sík beton felületek gépi eltávolítása 5. Aszfalt érdesítése, eltávolítása 6. Felülettisztítás 7. Bányászat 8. Csatornatisztítás Munkavédelmi kérdések Munkavédelmi kérdések Azonnali orvosi intézkedés szükséges!!

50 3. Gyors prototípus készítés 3.1 Történeti áttekintés 1983: kísérletek 3D nyomtatás előállítására, kalifornia, Nagoya, Minneapolis 1986: C. Hull megalapítja a 3D System nevű céget eljárása a fotopolimerizáción alapul (sztereolitográfia) 1987: 3 amerikai, 3 japán, 1 német cég kezd el működni ezen a területen 3.2 Elnevezések Rapid Prototyping Desktop Manufacturing 3D Hardcopy Solid Free Form Fabrication Tool Less Manufacturing Automated Fabrication Layered Fabrication 3.3 A gyors prototípus készítés sajátosságai 3.4 Az eljárások csoportosítása gombnyomásra történő gyártás rétegenkénti testfelépítés elsődleges alaklétrehozás nincs szerszám minden darab önálló termék gyors (átfutási idő, változatok) automatizált A termék funkciója alapján: Szemléltető modell Gyártást támogató modell Funkcionális modell A rétegelőállítás stratégiája alapján: pontról-pontra vektor mentén felületről felületre

51 Eljárások csoportosítása Az eljárás fizikai tartalma alapján: SLA: Stereolitography (foto-polimerizáció) 3D System, Cubital SLS: Selective Laser Sintering (lézer szinterelés) EOS, DTM FDM: Fused Deposition Modelling (3D plotting) (huzalfelkrakás) Stratasys LOM: Laminated Object Manufacturing (lemezelt technikák) Helisys DSP Direct Shell Production (Droplet Deposition, 3D Printing): (keramikus vagy műanyag por ragasztása) Solingen Egyéb technikák : felrakó hegesztés, lemezkivágás, vízsugaras vágás, 3.5 A gyors prototípus készítés lépései CAD rajz elkészítése: kimenet.stl formátumban Szeletelés és letapogatási stratégia elkészítése Nyers darab előállítása (Green part) Utólagos kezelés Töltőanyag ill. támaszok eltávolítása, tisztítás, hőkezelés, anyagkezelés-keményítés, felületkikészítés 3.6 SLA, Sztereolitográfia Anyag: folyékony gyanta, viasz Rétegvastagság: 0,1-0,2 mm SLA, Sztereolitográfia Utólagos hőkezelés (kikeményítés) mindig szükséges. Polírozás, festés lehetséges Sztereolitográfiáhosz használt epoxigyanta tulajdonságai Epoxi1 Epoxi2 Mivel folyadékban van támaszról kell gondoskodni Szakítószilárdság (Mpa) Szakadási nyúlás (%) Ütőmunka (kj/m 2 ) Rugalmassági modulus (Mpa)

52 3.7 STL, Szelektív lézer szinterelés Szelektív lézer szinterelés Anyag: gyanta, műanyag fémpor keverék (Rm=400MPa) Funkcionális alkatrészek DTM Laser Sinterstation 2500 berendezés Három különböző eset: A szemcsék a határfelületen egymásba folynak (műanyag porok) Keverék fémpor alacsony olv. pontú részei megolvadnak Műanyaggal bevont fém v. kerámia por összeolvasztása, majd beitatása pl bronzzal

53 Szelektív lézer szinterelés Technológiai jellemzők Por összetétele Szemcsenagys ág Um Rétegvastagsá g mm Lézer teljesít ménye, W Pásztázási sebesség Bronz-Nikkel ,1-0, Bronz-Vas ,1-0, Alumíniumoxid 20 0,1-0,3 - - Réz-poliamid - 0, /0 RapidSteel2.0-0, Duraform ,