Publikacije Laboratorije za Rapid Prototyping i Reverse Engineering

Doktorske disertacije

 
  Podaci o doktorskoj disertaciji:
 
Kandidat: Mr. sc. Adis Fajić, Tema: "Optimizacija proizvodnog lanca direktne izrade alata primjenom sistema za trodimenzionalno printanje", Mentor: Dr. sc. Džemo Tufekčić, red.prof., odbranjena: u fazi izrade
  Opis doktorske disertacije
 
Osnovni razlozi istraživanja

Mogućnosti brze proizvodnje alata (kalupa) uz niske troškove postale su tema mnogih istraživanja i projekata, a razvoj postupaka brze izrade dao je djelomičan odgovor savremenim tržišnim zahtjevima.

Na tržištu RT opreme i materijala sve firme s tog područja trajno se nastoje približiti zahtjevima unaprijeđenja brzine opreme, tačnosti i preciznost izmjera i oblika te u broju materijala koje je moguće preraditi RT postupcima. Također se trajno usavršavaju svojstva upotrebljivih materijala, što pridonosi poboljšanim svojstvima gotovih proizvoda. Na taj se način u budućnosti očekuje smanjenje razlika u kvaliteti kalupa načinjenih klasičnim postupcima i alternativnim RT postupcima.

Pretpostavka je da se optimiranjem najvažnijih karakteristika odabranih postupaka brze izrade oni mogu prilagoditi rastućim zahtjevima savremene proizvodnje. S tim u vezi istraživanja u ovoj disertaciji će biti usredotočena na proučavanje mogućnosti implementacije procesa trodimenzionalnog printanja upotrebljivih livačkih alata (kalupa) u pojedinačnoj i probnoj proizvodnji odlivaka sa naglaskom na vrstu materijala, iskorištenje materijala, brzinu postupka, troškove izrade, tačnost i preciznost postupka, te jednostavnost upotrebe.

Predmet i cilj istraživanja

Cilj istraživanja koji će kandidat sprovesti u radu će se uobličiti kroz dva segmenta. Prvi segment obuhvata izradu određenog broja unaprijed projektovanih i optimiziranih kalupa za lijevanje aluminiskih proizvoda sa gradivnim materijalom baziranom na keramici kako bi se utvrdile mogućnosti i ograničenja primjene procesa trodimenzionalnog printanja u području brze-direktne izrade upotrebljivih alata (RT), te izvršila optimizacija utroška materijala (gradivni, učvršćivač) za proizvodnju funkcionalnog 3DP kalupa. Ovim bi se također, za prethodno optimiran kalup, izvršila i komparativna analiza primjene kalupa proizvedenih konvencionalnim putem i kalupa proizvedenih primjenom direktne proizvodnje gotovih alata metodom procesa trodimenzionalnog printanja, sa aspekta tolerancija, kvaliteta obrade i cijene koštanja.

Na osnovu istraživanja uoobličenih kroz prvi segment, u drugom segmentu bi se pristupilo analizi funkcionalnih zavisnosti proizvedenih alata i dobivenih odlivaka spram dimenzione tačnosti i veličine produkcije, kao i kvalitativnih katrakteristika (završna obrada, dimenziona tačnost, poroznost proizvedenog dijala, mehaničke osobine) 3DP kalupa u funkciji parametara procesuiranja i postprocesuiranja (debljine gradivnog sloja i termičke obrade proizvedenog 3DP dijela), u skladu sa odgovarajućim normama i propisima za materijale koji će se koristiti u eksperimentalnim istraživanjima. Proces modeliranja i optimizacije će se izvršiti primjenom višekriterijalne metode optimizacije sa definiranim planom eksperimenta za razmatrani problem istraživanja.

Poligon istraživanja

Kandidat je predvidio da se potrebna istraživanja vrše u postojećoj RP laboratoriji na Mašinskom fakultetu u Tuzli. Predviđena istraživanja su usmjerena na 3D printane kalupe.

Za proizvodnju svih dijelova koji će se koristiti za potrebe eksperimentalnih istraživanja poslužiti će mašina Z 310 Plus, a kao gradivni materijali koristit će se ZCast501 prašak keramičko-gipsne osnove i njemu pripadajuća vezivna komponenta zb 58, proizvođača Z Corporation Burlington, USA.

Za mjerenja kvalitativnih karakteristika proizvedenih dijelova koristiti će se sljedeća mjerna i laboratorijska oprema: kidalica Zwick 30kN, uređaj za mjerenja hrapavosti Mytutoyo, optički mikroskop sa kamerom Olimpus, trodimenzionalni takrilni skener MX System.

Proizvodnja aluminijskih odlivaka će se vršiti u dostupnim proizvodnim pogonima u Bosni i Hercegovini, u nekim od kompanija (ELIR-Nikola Tesla d.d Tuzla, Livnica DELTA d.o.o Kakanj, Metalac d.o.o Odžak, Zinkteknik Bosnia d.o.o. Mostar) koje sa bave proizvodnjom odlivaka od obojenih metala.
 

Sažetak

U ovom radu istraživan je razvoj optimiziranog procesnog lanca  za direktnu izradu alata za procese livenja primjenom 3DP sistema. Optimizacija je  provedena sa  aspekta definiranja optimalnih parametara predprocesuiranja, procesuiranja i postprocesuiranja  na unaprijeđenje kalupnih svojstava, kao i izvođenje solucija brzog livenja sa minimiziranjem utroška kalupnog materijala (ostvarivanje livenja u ZCast kalupima  i ZCast kalupima sa reduciranom debljinom stjenki - školjkasti liv). Cilj je bio dobiti funkcionalan ZCast odlivak u što kraćem vremenu i nižim troškovima.
U uvodu rada obrazložena je motivacija za istraživački rad te je dat krataki pregled dosadašnjih istraživanja opravdanosti primjene, odnosno aplikativnosti 3DP postupka u području direktne izrada alata. U ovom dijelu rada su definirane i hipoteze rada te je određena metodologija eksperimentalnog dijela rada.
U nastavku rada je dat kratak pregled osnova RP sistema, gdje je definirano da tehnologije brze izrade prototipova unutar brojnih aplikacija, predstavljaju značajan iskorak, jer skraćuju vrijeme i troškove izrade, odnosno eliminišu skupe faze koje su do sada bile prisutne u fazama oblikovanja novih proizvoda. Ipak, identificirana su i znatna ograničenja, viđena prvenstveno u broju dostupnih RP materijala i njihovih svojstava, te potrebi za naknadnim postprocesuiranjem proizvedenih RP dijelova.
U četvrtom dijelu rada, opisane su specifičnosti brze izrade alata, odnosno prikazana je višekriterijalna podjela RT postupaka, sa prikazom osnovnih karakteristika definiranih RT postupaka. Također, dat je prikaz aplikativnosti 3DP procesa u području livenja u sklopu indirektnih i direktnih RT procesa.
U petom, eksperimentalnom dijelu rada, istraživan je utjecaj pravca gradnje, kao i  parametara toplotnog tretiranja ZCast materijala na čvrstoću na istezanje, savijanje i pritisak, kao i na kvalitet površine odnosno dimenzionalnu tačnost ZCast dijelova. Opisana je provedba eksperimenta u RP i RE laboratoriji Mašinskog fakulteta u Tuzli. Eksperimenti su provedeni prema široko utvrđenom opsegu varijacije parametara tretiranja, a u svrhu definiranja matematskih modela ovisnosti ispitivanih veličina o parametrima tretiranja definiran je i rotatabilni centralno kompozitni plan eksperimenta. Provedena je statistička obrada rezultata mjerenja za CCD tačke i definirani matematski modeli ovisnosti. Također je dat grafički prikaz rezultata mjerenja ispitivanih veličina za sve definirane ekperimentalne tačke, čime je osigurana komparativna analiza funkcionalnih ovisnosti zasnovanih na stvarnim i  modelski izračunatim vrijednostima.
Nakon evaluacije ZCast501 kalupnog materijala u prethodnom poglavlju, u šestom esperimentalnom dijelu rada istraživana je prikladnost ZCast kalupa za livenje lakih metala poput aluminija. Definiran je eksperimentalni plan, odabran eksperimentalni uzorak,  i opisani eksperimentalni koraci i metodologija istraživanja ZCast livenja. S ciljem istraživanja optimizacije utroška ZCast501 kalupnog materijala  za proizvodnju funkcionalnog kalupa, istraživana je mogućnost ostvarivanja gravitacionog livenja u  ZCast kalupu i ZCast školjkama. Kalupi su izrađeni kao dvodjelni što je zahtjev koji je uslovljen postavljenim hipotezama i ciljem istraživanja, odnosno izvršena je komparativna analiza kvalitativnih i kvantitativnih karakteristika odlivaka proizvedenih na osnovu  pristupa zasnovanog na konvencionalnom pješčanom livenju i primjenom pristupa zasnovanog na ZCast livenju.
Na kraju rada rada su izvedena zaključna razmatranja, identificirani nedostaci sopstevnih istraživanja i  na temelju stečenih saznanja predloženi pravci budućih istraživanja.

Ključne riječi: trodimenzionalno printanje, direktna brza izrada alata, toplotni tretman, ZCast livenje, optimizacija

<< NAZAD