Különleges megmunkálások (MSc)

1. A különleges megmunkálások jellegzetességei és csoportosításuk Különleges megmunkálások (MSc) www.uni-miskolc.hu/~ggytmazs -Kifejlesztésüket a megmunkálandó anyagok fejlődése indikálta -anyagválasztás anyagkészítés Különleges megmunkálás: fizikai folyamatuk lényegében, vagy folyamatjellemzőkben jelentősen különböznek a hagyományos eljárásoktól Különböző energia formák hasznosítása: -Hő -Kémiai -Elektrokémiai -Mechanikai 2/ Mikor alkalmaznak különleges megmunkálásokat? - Ha a megmunkált anyag keménysége, szilárdsága túlságosan nagy. - Ha a munkadarab túlságosan rugalmas vagy karcsú ahhoz, hogy elviselje a forgácsolás közben fellépő erőket. - Ha összetett bonyolult alakzatot kell megmunkálni (külső, belső). - Ha nem megengedett jelentősebb hő keletkezése, illetve a felületi hőmérséklet növekedése. - Ha nem keletkezhet maradó feszültség - Ha a felületi minőség nem biztosítható. - Ha a pontosság nem kielégítő. Különleges megmunkálások csoportosítása Mechanikai energiát hasznosítók Kémiai energiát hasznosítók Elektro-kémiai energiát hasznosítók Ultrahangos Vízsugaras Abrazív vízsugaras Kémiai Elektro-kémiai Hőenergiát hasznosítók Elektro-eróziós Lézersugaras Elektronsugaras Ionsugaras Plazmasugaras 3

a) Termikus anyagleválasztási eljárások Két nagy csoportba oszthatók: Elektromos áram termikus hatását kihasználó eljárások: o szikraforgácsolás (EDM) Sugaras megmunkálások: jól koncentrálható nagy energiasűrűségű sugár végzi a megmunkálást: o lézersugaras (LBM), oelektronsugaras (EBM), oionsugaras (IBM) o Plazmasugaras, plazmaíves(pbm, PAC) megmunkálások b) Kémiai megmunkálások CHM (Chemical Machining) A marandó munkadarab és a marószer között lejátszódó vegyi reakciókon alapulnak. Az anyagleválasztás közvetlenül a marószer és a munkadarab kölcsönhatásában történik, nincs szükség semmilyen áramforrásra. Eljárások: Maratás Kémiai polírozás 5 6 c) Elektrokémiai megmunkálások ECM (Electrochemical Machining) Az eljárás az elektromos áram vegyi hatásán alapul. Csoportosítása: Elektrokémiai süllyesztés Elektrokémiai köszörülés Elektrokémiai polírozás Elektrokémiai sorjátlanítás d) Mechanikai megmunkálások Az eljárások mechanikai folyamatok alkalmazásán alapulnak Csoportosításuk: Sugaras eljárások o vízsugaras vágás (WJM, WJC) o abrazív vízsugaras vágás (AWJM, AWJC) Ultrahangos megmunkálás (USM) Nagysebességű forgácsolás (HSC vagy HSM) Ultraprecíziós megmunkálás (UP) Keménymegmunkálás (HC) Minimál kenés, szárazmegmunkálás Mikroforgácsolás (MC) 7 8

2. Elektroeróziós megmunkálások (Szikraforgácsolás, EDM Electro Discharge Machining) Elektroeróziós megmunkálások Hőenergiát hasznosító eljárás (A hőenergiát különféle módokon hozhatjuk létre, e szerint különböztetjük meg az eljárásokat) Erózió: Külső hatásra létrejövő jelentős mértékű roncsolódás Elecktro-erózió: Elektromos kisülés hatására jön létre - 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 - szikrakisülés - ívkisülés - (hideg kisülés) hatására megy végbe - vezetőképesség - hőkapacitás - olvadáshő Kisülések szabályozása Elektroeróziós megmunkálás Elektroeróziós megmunkálások Történelmi áttekintés az elektromos kisülés eróziós hatását 1770-ben fedezték fel primitív EDM gépek (1920.-40., vibráló elektródok, relaxáló áramkörök, szervo kontroller) a II. világháború idején terjedt el, a fegyvergyártásnál alkalmazták, különleges keménységű anyagok megmunkáló módszere (impulzus generátor, X-Y-Z irányú mozgatás) EDM szabadalom: 1943., Lazarenko-testvérek WEDM szabadalom: 1945., Perfilev és Bauer az első szerszám és gépgyártásban alkalmazható berendezést az Erosimat C gépet Magyarországon fejlesztették ki, ami 1958-ban elnyerte a Brüsszeli Világkiállítás Nagydíját 1960-as évek: független impulzus-generátorok 1970. körül javítják a mechanikát, az öblítést, a vezérlést (CNC), az elektronikát 1975. használható WEDM megmunkálógép Szikraforgácsolás: 2.1 Szikraforgácsoló rendszer felépítése - elektródákat (T W) egyenfeszültségre kapcsol - dielekrikumba (szigetelő folyadékba) merülve - kisüléssorozat létrehozása az elektródák között 1: dielektrikum 2: előtoló mű 3: generátor E: szerszám W: munkadarab 11

Tömbelektródás szikraforgácsolás 2.2 Az anyagleválasztás folyamata szikraforgácsoláskor 13 - 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 14 2.3. A szikraforgácsoló rendszer elemei Tömbelektródás szikraforgácsoló gép felépítése Tömbelektródás szikraforgácsoló gép felépítése 15 16

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 kell (áramoltatás) 17 18 Öblítési technikák c) Szerszám elektróda Normál Sugár Szükséges tulajdonságok: - magas olvadáspont - jó elektromos vezető - könnyen megmunkálható Leggyakoribb szerszámanyagok: Fordított Rezgetéses 19 - vörösréz - króm-réz - wolfram-réz - wolfram-ezüst - sárgaréz - wolfram -acél, - grafit 20

A grafit napjainkban kezdi kiszorítani a rezet: 2.4 Technológiai jellemzők 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 - 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 21 Potenciál-különbség: 40-400 V (pulzáló egyenáram) Áramerősség: 1-300 A Szikraköz: 0,01-0,05 mm Szikrahőmérséklet: 3800 C Egyszeri szikrakisülés okozta kráter fémfelületen 22 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 <2% elérhető Az optimumérték 3-4 A áramerősségnél van - áramerősség: I v 1-300 A - ciklusidő:t i (0,004-1 sec) -jellemző energia felhasználás:1,8w/mm 3 /min 23 24/30

2.5 A felület minősége 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 25/30 Azonos energia esetén I e növelésével d csökken, h nő t c növelésével d nő, h csökken 26/30 Az áramerősség és a ciklusidő hatása a felület érdességére A felület minősége Felületi réteg probléma a szikraforgácsolásnál A felületi érdesség a ciklusidő és az íváram növelésével növekszik A szikraforgácsolt felület alatti réteg kilágyul, keménysége csökken. A kilágyult réteg vastagsága arányos a vágási energiával (0,05 mm simítófokozatban, 0,2 mm nagyoló fokozatban). 27/30 28

A felület minősége Felületi réteg kikeményedés, mikrorepedés A munkadarab élettartamának növelése érdekében az újrakristályosodott fémet tartalmazó kikeményített réteget eltávolítják, vagy a dielektrikumba adagolt segédanyagporok (Al, Si, C, 1-100 µm) segítségével felületileg ötvözik, tükörszerű EDM felületet hozva létre (kevés mikrorepedés). 2.6 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 kilágyított réteg abrazív megmunkálással távolítható el. 29 30/30 2.1.5 A megmunkálás pontossága 2.1.6 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 31/30 32/30

Tömbelektródás szikraforgácsolás Tömbelektródás szikraforgácsolás Elektróda bolygatás forgó fej és tömbelektróda 33 34 Huzalos szikraforgácsolás Huzal anyagok Ma már CNC vezérlésűek Léteznek kombinált berendezések is. - 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 Anyagleválasztás Sárgaréz 100% Bevonatos sárgaréz 45% Zn / 55% Cu Acélmagos cink bevonat Az áramerősség és a kisütési frekvencia megduplázása kétszeresére növeli az anyag leválasztás sebességét. A huzalfeszítés növelése csökkenti a huzal vibrációját, a vágórés szélességét, így növelhető az előtolás sebessége. (határ: a huzal szakítószilárdsága). 35/30 36

Huzalos szikraforgácsolás Huzalos szikraforgácsolás 37 38 Mikro szikraforgácsolásos fúrás Megoldandó problémák: Precíziós elektróda (volfrám, volfrámkarbid) megmunkálás Elektróda pozicionálás ( 1 m, sztereo mikroszkóp!!), Nagy nyomású dielektrikumos öblítés Megfelel villamos jellemzők (I = 0,01*IEDM) Pontos elektróda vezetés Hengeres mikro-elektróda D = 30 m és az általa volfrámba fúrt lyuk EDM-mel fúrt háromszög-lyuk 39

3. 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. 1/ 2 3.1 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. 3 4

Spontán emisszió Stimulált emisszió 5 6 3.2 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 7 8

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. 9 10 3.3 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). 11 12

Energia szint diagram 3.4 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). A lézerek hatásfoka nagyonkicsi (0,1 18%). 13 14 A lézerfény tulajdonságai 3.5 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 15 16

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. 17 18 Gázlézerek CO 2 lézer, 10.600 nm He Ne lézer, 632.8 nm elektromos gerjesztés 19 20

He-Ne lézer Megmunkálások: Vágás Fúrás Hegesztés Jelölés, gravírozás Felület strukturálás Marás, üregképzés Ötvözés, hőkezelés Bevonás 3.6 Lézerek alkalmazása Speciális alkalmazások: Prototípus gyártás (SLA, SLS, LOM..) Speciális bevonatok (LCVD,..) Képalkotás, optika Spektroszkópia Mérés Lézer sebészet Lézer fogászat 21 22 3.7 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) 3.8 A lézeres megmunkálógépek felépítése - lézer előállítása - sugárvezetés - fókuszálás - relatív mozgás A relatív mozgás többféleképp megoldható 23 24

Megmunkáló gépek Mozgató rendszerek A relatív mozgás többféleképp megoldható 25 26 3.9 Lézersugaras vágás - Nagy energiasűrűségű, erősen fókuszált (d = 0,1 mm), koherens fény hatására a fém megolvad és részben elpárolog vagy elég - Az energia 10-11 s alatt hővé alakul - Vágási sebesség: 1-10 m/min - energiasűrűség: 10 4-10 5 W/mm 2 - a munkagáz (pl. argon) a megolvadt anyagot kifújja - vékony vágórés - relatíve keskeny hőhatás zóna A tükrökkel a sugár irányítható A lencsékkel fókuszálható A segédgáz eltávolítja az ömledéket 27 28

Lézersugárral vágható anyagvastagságok Lézersugárral vágható anyagvastagságok - acél: 15 mm - műanyag. 25 mm 29 30 Lézersugárral vágható anyagvastagságok Lézersugárral vágható anyagvastagságok 31 32

3.10 Lézersugaras technológiák Lézersugaras technológiák Lézersugaras fúrás 33 34 Lézersugaras technológiák Lézersugaras technológiák Lézersugaras hegesztés Lézersugaras gravírozás 35 36

4.1 A plazma 4. Plazmasugaras megmunkálások (Plasma Beam Machining, PBM) - nagy energiaállapotú gáz - az anyag negyedik halmazállapota - ionok és elektronok halmaza - egyenáramú ív segítségével állítják elő -10 7 K hőmérséklet hozható létre A plazma 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 2 Az anyag halmazállapotai A plazma kialakulásának tényezői 3 4

Az anyag plazma állapotban előfordul: Jellegzetes plazmaállapotok világűrben igen magas hőmérsékleten természetes- vagy mesterséges úton létrejött gázkisülésekben Csillagködök: ködszerű, látható plazmaképződmények (Cygnus köd) Villám: Gázkisülés atmoszférikus nyomáson 5 6 Plazmatechnológia Felületek tisztítása Plazma képernyők Kémiai alkalmazások Plazma-megmunkálás, felületi rétegek felvitele, plazmaszórás Fluoreszcens lámpa Plazma alapú fényforrások Plazmaszórás Az univerzum látható anyagának 99,9%-a plazma állapotban van (csillagok, csillagközi és bolygóközi anyag) 7 Ívlámpa 8

4.2 Plazmasugaras megmunkálás 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 9 A plazmasugaras vágás lényege 4.3 Plazmasugaras vágás elemei Áramforrás, plazmaégő, munkadarab, vágóasztal, gázellátó-, hűtő rendszer 11 12

A plazmavágás berendezései A plazmavágás berendezései 14 4.4 Plazmavágási eljárások Plazmavágási eljárások Egygázos eljárás Vízzel védett plazmavágás Kézi eljárásoknál Levegő vagy nitrogén Segédgáz helyett víz Hűtés Jobb felületminőség Korrózióálló anyagokhoz Kétgázos eljárás Víz-befecskendezéses plazmavágás Munkagáz (plazmagáz) Segédgáz (védőgáz) Többféle variáció 15 Munkagáz oxigén vagy nitrogén Víz fecskendezés a sugárba Kisebb sugár átmérő Jobb felület 16

A plazma sugár hőmérsékleteloszlása (4mm re a kilépéstől) 4.5 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 18 4.6 A plazmasugaras vágás minősége és hatékonysága A plazmavágás hatékonysága Jellegzetes vágási felület Elhajlási vonalak Salak Viszonylag nagy vágási mélység 19 20

A plazmavágás hatékonysága A plazmavágás hatékonysága 21 22 A plazmavágás költéghatékonysága 4.7 Plazmával segített forgácsolás 23

5. Elektronsugaras megmunkálás (Electron Beam Machining, EBM) Elektron ágyú: - Kibocsátja az elektronokat (katódsugárcső) - katód: volfrám, tantál - Felgyorsítja az elektronsugarat 200 000 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 Megmunkáló gép 26 Elektronsugaras hegesztőgép A vákuum feladata: - csökkenti a szennyeződéseket (hatása azonos a tiszta argonéval) - megakadályozza a levegőt alkotó gázok molekuláival való ütközéseket - megakadályozza az égést Elektronsugár vákuumban Elektronsugár levegőben 27

Precíziós finommegmunkálásokhoz: pl finomfúrás ( <10 m) 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 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 - a sugár könnyen eltéríthető - hátrány: vákuum kell

Az elektronsugaras megmunkálás energiasűrűsége

6. 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 1 2 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. 3 4

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 5 6 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 7 8

A maratás sajátosságai 7. 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 9 Anód (+): - Fe = Fe 2+ + 2e - 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 2+ + 2OH - = 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 ) 11 12

Jellegzetes eljárások - Elektrokémiai süllyesztés - Elektrokémiai polirozás - Elektrokémiai köszörülés (elizálás) 7.1 Elektrokémiai süllyesztés Szerszám (katód): vörösréz, sárgaréz vagy rozsdaálló acél A szerszámba furatokat készítenek, ezeken keresztül vezetik be az elektrolitot mintegy 10 25 bar nyomáson. Az elektrolit áramlási sebessége a munkahézagban 10 50 m/s. Elektrokémiai süllyesztés vázlata Az elektrokémiai megmunkálások előnyei: A szerszámkopás elmaradása. Az alacsony megmunkálási hőmérséklet. A szövetszerkezeti változások elmaradása. 14 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. 15 16

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. 17 7.2 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 19 20

Elektrokémiai sorjátlanítás 7.3 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 21 22 Elektrokémiai polírozás Elektrokémiai polírozás - speciális alkalmazások, finom felületek létrehozása kiindulási állapot durva sorjátlanítás csiszolással 10 perc elektro polírozás Orvosi implantátumok, térdizület 24

7.4 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. 25 26 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

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 30 Az áramerősség hatása az elektrokémiai megmunkálások jellemzőire

8. 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. Ultrahangos megmunkálás Ultrahang: Rugalmas közegben terjed mechanikai hullám - terjedésükhöz közvetítő közeg kell - a közegek határától visszaverődnek - a jellemző ultrahang frekvencia: 16 khz - 100 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, - 10 000 ágyút kell elsütni egyszerre Gázban, folyadékban: longitudinális hullám, szilárd anyagokban emellett transzverzális és tágulási hullámok is jellemzőek 1 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. 3 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 4

Ultrahangos anyagleválasztás: Ultrahangos anyagleválasztó berendezés elvi felépítése 1. Munkadarab 2. Rezgő szerszám 3. Csiszoló-szuszpenzió (bór-karbid vagy szlicíum-karbid) 6 Ultrahangos megmunkálógépek Koncentrátor kialakítások Magnetosztriktor és koncentrátor Piezoelektromos generátor 8

Ultrahangos megmunkálások paraméterei Ultrahangos megmunkálások paraméterei 1. A szerszám oszcilláció amplitúdója (a 0 ) ( 15 50 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) (100 800um) 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 9 10 11

Különleges megmunkálások alkalmazása Eljárások összehasonlítása

8. Abrazív vízsugaras vágás 8.1. 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 2000: 6000 bar 8.2 Az abrazív vízsugaras vágás elve Vágófej kialakítások Vízsugaras vágófej

A vágófej működési elve A vízsugaras rendszerek elemei 1: nagynyomású víz; 2: elsődleges (vizes) fúvóka; 3: keverőkamra; 4: védősapka; 5: fröccsenő víz; 6: munkadarab; 7: a munkadarabot tartó rács; 8: a kádban lévő víz; 9: a munkadarab már vágott része; 10: abrazív fúvóka; 11: abrazív homok Megmunkáló rendszer A nyomásfokozó z y x Nyomásnövelő szivattyú Abrazív adagoló készülék Abrazív vízsugaras vágófej Rezgős adagoló Munkadarab text Vízsugár energiát elnyelő tartály Nyomás: max. 360 MPa Löketszám: max. 60 1/min Dugattyúarány: 21.5

Nyomásrendszer 8.4 CAD/CAM tervezés lépései MegaCAD Program Formátum konverzió MG Converter Program Elhelyezési terv, szimuláció Nesting Program

Különböző alakzatok előállítása Különböző alakzatok előállítása Üvegek Fa Kerámiák Fémek Műanyagok Kompozitok Acél Nagy vastagságban is!! pl. 132 mm Abrazív vízsugaras vágás Abrazív vízsugaras vágás

8.5 A vágósugarak fajtái 8.6 A megmunkáló sugár jellegzetességei Víz Víz Víz 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 szuperszonikus sebesség v=500 1400 m/s Sebesség és energiaeloszlás a sugárban v 2 p Bernoulli törvény: v: a sugár sebessége p: víznyomás p=150 500 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: a koherens sugár sérül a levegő mennyisége növekszik megkezdődik a divergencia a terhelés változhat: statikus dinamikus a környezet elnyeli az energia egy részét Közvetlenül a kilépésnél célszerű forgácsolni! Kis vízáram 0.5 5 l/min Kis forgácsoló erők, max. 100 N Alacsony hőmérséklet 60 90 C Nincs károsodás az anyagban

Injektoros sugár alkotóelemei víz, abrazív szemcsék, levegő 8.7 Az anyagleválasztás lényege 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 8.8 A vízsugaras vágás paraméterei Szívós erózió Rideg erózió AWJ Berendezés Anyag Eredmény Szívós anyagokra tipikus anyagjellemző: HV Jellegzetes vízsugárral vágott felület forgácsolási zóna átmeneti zóna elhajlási zóna Rideg anyagokra tipikus anyagjellemző: K Ic abrazív anyag abrazív mérete abrazív tömegáram fúvóka hossz és átmérő nyomás vágási sebesség keménység fúvóka magasság repedési tulajdonság keménység szilárdság lemez vastagság anyagleválasztási sebesség t űrés felületi érdesség vágórés szélesség és forma

8.9 Pontossági kérdések A pontosság növelése a vágófej döntésével Változó vágási front 1 2 Vágófej döntése az előtolás síkjában v v v v Az irányváltás okozta pontatlanságok Megmunkálási hiba > 0.1 mm A vágórés lehetséges alakjai (anyag: laminált papír) Vágófej döntése az előtolás síkjára merőlegesen v v 8.10 A bevágási mélység értelmezése 8.11 A technológiai paraméterek hatása a vágórésre és pontosságra Átvágott felület W top W i 1 mm 30 mm W j W e 1 mm W b,min A vágórés alakja az egyik legnehezebben kézben tartható minőségi jellemző W b,max Bevágott alumínium ill. üveg Az anyagleválasztás a bevágási mélységgel jellemezhető Bevágási mélység: k max Alapvetően az időegység alatt bevitt energiával szabályozható

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 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 traverse rate f,mm/min X12Cr13 stainless steel depth of kerf k, mm 45 40 35 30 m=400 25 20 m=200 15 m=100 10 5 0 p=300 MPa 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 traverse rate f, mm/min depth ofkerf k, mm 45 40 35 30 m=400 25 20 m=200 15 m=100 10 5 0 p=200 MPa 80 280 480 680 880 traverse rate f, mm/min depth of kerf k, mm 45 40 35 30 m=400 25 20 m=200 15 m=100 10 5 0 p=250 MPa 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 traverse rate f, mm/min AlMgSi0,5

Az előtolás és az abrazív áram hatása a bevágási mélységre Különböző anyagminőségek bevágási mélységei depth of kerf k, mm f=100 45 40 f=300 35 30 f=500 25 f=700 20 15 f=800 10 5 m=400g/min 0 150 200 250 300 350 150 200 250 300 350 pressure p, MPa depth of kerf k, mm depth ofkerf k, mm f=100 45 40 f=300 35 30 f=500 25 f=700 20 15 f=800 10 5 m=200g/min 0 pressur p, MPa f=100 45 40 f=300 35 30 f=500 25 20 f=700 15 f=800 10 5 m=100g/min 0 150 200 250 300 350 pressure p, MPa AlMgSi0,5 depth of kerf k, mm AlMgSi0.5, p=2000 bar marble, p=2000 bar Steel X12Cr13, p=2000 bar 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 250 500 750 1000 1250 1500 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 8.12 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 3,5 33 00 55 10 10 15 15 20 20 depth depth of of kerf, kerf, mm mm aluminium aluminium f=127 f=127 mm/min mm/min garnet garnet 80 80 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 99 88 77 66 55 44 33 00 55 10 10 15 15 20 20 25 25 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 80 80 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

A megmunkált felület átlagos érdessége A megmunkált felület érdessége 12 10 Saját mérések 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 8 6 4 2 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 0 0 100 200 300 400 500 600 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 A megmunkált felület érdessége 35x A megmunkált felület topográfiája Scanning elektron mikroszkóppal vizsgálva 17x f=100 170x AlMgSi p=320 MPa dn=0,25 mm dm=0,8 mm garnet 80 ma=6 g/s s=3 mm W t =10.70 m P t = 61.52 m W t = 54.37 m P t = 101.6 m W t =57.60 m P t = 94.36 m f=300 mm/min

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

8.14 A vízsugaras vágás költséghatékonysága 8.15 A vízsugaras vágás előnyei és hátrányai Előny 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 Hátrány magas zajszint higroszkópos anyag nem megmunkálható por és gőz termelődés rövid a fúvóka élettartama pontossági problémák (vágási hézag formája, felületi érdesség, stb.) költésges 8.16 Alkalmazási lehetőségek Laminált szerkezetek és térbeli alakzatok vágása Térbeli alakzatok vágása Többtengelyes robotok alkalmazása Biztonságtechnikai feltételek megoldása hp t2 hw t1 tw

A vízsugaras megmunkálás alkalmazási lehetőségei A vízsugaras megmunkálás alkalmazási lehetőségei Kb. 420MPa Kb. 600MPa 8.17 További lehetséges megmunkálások Esztergálás Lehetséges műveletek vágás fúrás esztergálás marás A befejező megmunkáláshoz: finomabb abrazív anyag Fogásvétel nélküli megmunkálás Műveleti sorrend sakkfigura készítés

Esztergálás Esztergálás Fúrás körpályán mozgó sugárral (vágás) álló sugárral a megmunkált átmérő a sugárátmérővel azonos Korrekt geometria biztosítása nehéz Marás Probléma: A bevágási mélység kézbentartása Marás Vízsugaras anyagleválasztási kísérletek 3D-s megmunkálási kísérletek

Marás Vízsugaras anyagleválasztási kísérletek 8.18 További nagynyomású vízsugaras technológiák alkalmazási területei 400 Üzemi nyomás [MPa] 350 300 250 200 150 100 50 0 0 1 2 3 4 7 5 6 8 50 100 150 200 250 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 8.19 Munkavédelmi kérdések Munkavédelmi kérdések Azonnali orvosi intézkedés szükséges!!

9. Gyors prototípus készítés 9.1 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 9.2 Elnevezések Rapid Prototyping Desktop Manufacturing 3D Hardcopy Solid Free Form Fabrication Tool Less Manufacturing Automated Fabrication Layered Fabrication 9.3 A gyors prototípus készítés sajátosságai 9.4 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

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, 9.5 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 9.6 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) 46-47 59-60 Szakadási nyúlás (%) 11-2 7-19 Ütőmunka (kj/m 2 ) 33 27-30 Rugalmassági modulus (Mpa) 1628 2920

9.7 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

Szelektív lézer szinterelés Technológiai jellemzők Por összetétele Szemcsenagys ág Um Rétegvastagsá g mm Lézer teljesít ménye, W Pásztázási sebesség Bronz-Nikkel 10-150 0,1-0,3 10-200 20-200 Bronz-Vas 30-90 0,1-0,3 150-200 150-200 Alumíniumoxid 20 0,1-0,3 - - Réz-poliamid - 0,1 15 50/0 RapidSteel2.0-0,075 17 1250 Duraform 25-90 0,1 4 1675 9.8 FDM, Huzalfelrakás FDM, Huzalfelrakás Anyag: hevített (200 o C) gyanta, műanyag

9.9 LOM, lemezelt technikák Anyag: papír, polyester film, szövet, kompozit Olcsó Gyors Komplex geometria LOM, lemezelt technikák

9.10 3D nyomtatás, por ragasztása 3D nyomtatás, por ragasztása Anyag: keramikus vagy műanyag por + ragasztó rideg utókezelés mindig gyantával beitatás 22 3D nyomtatás, por ragasztása 3D nyomtatás, por ragasztása Munkatér A munkatér kibontás A gép látképe Kész darabok

3D nyomtatás PolyJet Objet technológia 3D nyomtatás PolyJet Objet technológia Rétegvastagság: 16-30 μm függőlegesen elkészíthető falvastagsága 0,6 mm, Pontosság: ± 0,05 mm. 25 26 9.11 Egyéb technikák vízsugaras vágás felrakó hegesztés fémlemezek összeszerelése stb

gombnyomásra történő gyártás automatizált Előnyök gyors (átfutási idő, változatok) nincs szerszám komplex alkatrész(ek) szerelt alkatrészek (ún. benszülöttek is készíthetők) 9.12 Előnyök és hátrányok Hátrányok pontosság vetemedés zsugorodás porozitás felületminőség mechanikai tulajdonságok lassú 9.13 A gyors prototípus készítés alkalmazási területei Öntőminta; 6,3 Gyors szerszámozás; 13,4 Árajánlatok; 1,4 Javaslatok; 3,6 Ergónómiai; 4,6 A termék funkciója alapján: Szerszámozás (közvetlen); 3,7 Szerelés ellenőrzés; 18,2 Egyéb; 3,8 Funkcionális modell; 22,7 Mérnöki modell; 16,9 Szerszámgyártói modell; 5,4 Szemléltető modell Gyártást támogató modell Funkcionális modell A gyors prototípus készítés alkalmazási területei 9.14 A gyors prototípus készítés térhódítása A világban évente installált RP rendszerek száma Akadémiai szekt. 7% Hadiipar 9% Orvosi szekt. 10% Egyéb 8% Keresk.term. 26% Autóipóip. 23% Repülőgépip. 8% Gépipar 9% RP módszerek alkalmazási területei (2002 Wohlers Associates) A világban évente elkészített RP modellek száma

A gyors prototípus készítés térhódítása A gyors prototípus készítés térhódítása % Piaci részesedések Japán 19% Korea 2% Kína 5% Egyéb 10% USA 42% A világban 1998-ban installált RP rendszerek százalékos megoszlása (Wohlers Associates) Olaszo. 4% UK 4% Svédo. 1% Franciao. 3% Németo. 9% Kanada 1% Kb 7000 rendszer Magyarországon: < 50 db 9.15 Esettanulmányok Mélyhúzandó alkatrész 3D geometriai modellje Gyors prototípus készítés alkalmazása közvetlen szerszámozáshoz Lézer szinterelt bélyeg és matrica, mélyhúzó szerszámhoz Kissorozatgyártásban Vékony alumíniumlemezek húzásához

Mélyhúzó szerszám konstrukciós felépítése 3D testmodellek elkészítése Bélyeg Matrica Kimenet: STL formátumban Szelektív lézer szinterelés A teljes tervezés folyamata Anyag: nikkel-bronzrézfoszfid R m =200 Mpa, 70HB Geometria CAD Alak felismerés Adatbázisra épülő elemkiválasztás CAM Lézer szinterelt bélyeg és matrica Geometriai ellenőrzés Technológia Dat Result a Computer Aided Decision Support Mérés

Alkatrészek mélyhúzása Különböző alkalmazások - 19 alkatrész 30perc alatt - 15 perc várakozás (hűtés) - 10 sorozat legyártása, 190 db - lemezvastagság: 0,7 mm - húzási mélység 16 mm Kopási nyomok a szerszámon nem érzékelhetők Térdprotézis Szivattyúalkatrész Orvosi alkalmazások Művészetek 1. 2. 3. 4.

Kultúrtörténet 9.16 Kitekintés Múmia rekonstruálása roncsolásmentesen A jövőbeni lehetőségek szinte korlátlanok?? új anyagok és új technológiák Kereskedelemben beszerezhető háztartási RP rendszerek??

10. Élettartam növelő megmunkálások (tartósság növelő) Tartósságnövelő megmunkálások célja: Gépek működésekor igénybevétel felületi felületi réteg belső keresztmetszet Felületi mikrogeometria (érdesség) hatással van a: kopásállóságra fáradási tulajdonságokra feszültséggyűjtés kifáradás működési tulajdonságokra A felületi réteg tulajdonságainak megváltoztatása elsősorban képlékeny alakítással Eredményeként megváltoznak a felületi réteg tulajdonságai: Felületminőség érdesség (felületi mikrogeometria) keménység maradó feszültségek szövetszerkezet A megmunkált felületet érő hatás szerint a tartósságnövelő megmunkálások lehetnek: nő a keménység csökken az érdesség nő a hordfelület felületvasalás felülethengerlés ütőtestes szilárdítás 10.1 Külső hengeres felület felületvasalása Csúszási súrlódás közbeni jelenségek játszódnak le a vasaláskor, melynek eredményeként: a felületi érdesség csökken (R a ) keménység nő felületi szilárdság nő A forgácsoló technológiák: pl. köszörülés szuperfiniselés, hónolás tükrösítés a felületi érdességet javítják a felületi réteg szilárdságtani tulajdonságait rontják

Felületvasalás Vasalószerszám hengeres gömbalakú Szerszám: mesterséges vagy természetes gyémánt Gép: egyetemes eszterga célgép 1: feszítő csavar 2: mérőóra (erő) 3: szerszám 4: munkadarab 4 2 1 3 Gyémánt kemény μ kicsi jó hővezető kicsi a hőtágulása nagyon kis érdességűre munkálható Lehet rugalmas szerszámkonstrukció merev szerszámkonstrukció 3 2 1 150 R1,2;3,4 120 150 R3,35 120 a) b) 1: vasaló gyémánt 2: foglaló fém 3: foglalat 2 1 3 Technológiai adatok Felületi érdesség Keménység v: 25-200 m/min f: 0,02-0,2 mm/min F: 100-600 N Felületi érdesség R a m 0.6 0.5 0.4 0.3 HVM,MN/m 2 5200 4600 4000 elméleti maximális érdesség: f 2 /8r tényleges elérhető érdesség: 0,04-0,16 m 0.2 0.1 0 200 400 600 F, N 3400 0 200 400 600 F, N Kemény anyagokhoz is alkalmazható: pl. edzett acélok (golyóscsapágy acél, 63-65 HRc) 0.04 0.08 0.12 f, mm/ford 100 200 300 v, m/min 0.04 100 0.08 0.12 f, mm/ford 200 300 v, m/min