Ventil 2 / 2018 • Letnik 24 Izvleček: Postopek (hitre) izdelave tridimenzionalnih objektov na osnovi dodajalnih slojevitih tehnologij je vse bolj uveljavljen način, kako iz virtualnega preiti v realno. Aditivne oz. dodajalne slojevite tehnologije s pridom izkoriščamo tudi v podjetju Poclain Hydraulics (tako za potrebe vizualne komunikacije s kupci kakor tudi za vrednotenje funkcionalnosti prototipa). Pri tem ne gre le za precejšnjo pohitritev proizvodnega procesa (in s tem tudi skrajšanje časa lansiranja izdelka na tržišče), ampak se bistveno skrajša tudi razvojni cikel izdelka. Slednje gre predvsem na račun uporabe naprednih numeričnih optimizacijskih orodij, ki gredo z roko v roki s prej omenjeno tehnologijo hitre izdelave. Prispevek prikazuje primere uporabe dodajalne slojevite tehnologije v podjetju Poclain Hydraulics. Na primeru večfunkcijskega ohišja hidravličnega ventila sta bolj podrobno prikazana potek topološke optimi- zacije omenjenega ohišja in prihranek materiala glede na začetno obliko. Dodajalne slojevite tehnologije omogočajo izjemno široko paleto možnosti uporabe. Izbira ustrezne teh- nologije je odvisna predvsem od kupčevih zahtev in želja po končnem izdelku. Z ozirom na dosedanji razvoj dodajalnih tehnologij pa gre tej panogi upravičeno pripisati trend enega izmed najhitreje rastočih trgov današnjega časa. Ključne besede: slojevite tehnologije, 3D-tisk, topološka optimizacija, simulacije 130 1 Uvod Aditivne oz. dodajalne slojevite tehnologije zadnje desetletje beležijo izjemno rast (in posledično tudi popularnost). Po nekaterih virih ([1], [2]) bo do leta 2020 tržišče aditivnih tehnologij preseglo vrednost 12 milijard dolarjev. Brez dvoma gre torej za izjemen potencial omenjene tehnologije, ki jo s pridom izko- riščamo tudi v podjetju Poclain Hydraulics. Ne le, da gre za precejšnjo pohitritev proizvodnega procesa (in s tem tudi skrajšanje časa lansiranja na tržišče), tudi razvojni cikel izdelka se lahko bistveno skrajša. Slednje gre predvsem na račun uporabe naprednih numeričnih optimizacijskih orodij. Organizacija ASTM (standard ASTM F2792-10) loči 7 kategorij aditivne proizvodnje [3], od katerih v podjetju Poclain Hydraulics uporabljamo tehnolo- gijo ekstrudiranja materiala (FDM), tehnologijo ka- pljičnega nanašanja (PolyJet) ter tehnologijo spaja- nja praškastega materiala (SLS in DMLS). Uporaba tehnologije aditivne proizvodnje (ime- novane tudi 3D-tisk) v podjetju sledi logičnemu razvoju te tehnologije. Pričetek se nanaša na tisk objektov iz termoplastov oz. t. i. plastike; ta tehno- logija se še danes uporablja za potrebe prototipov, katerih namen je vizualna predstavitev izdelka kup- cu (slika 1, slika 2, slika 3). uporaba dodajalnih slojevitih tehnoloGij – hidravlični ventili Anže Čelik 3D-TISK – HIDRAVLIKA Mag. Anže Čelik, univ. dipl. inž., Poclain Hydrau- lics, d. o. o., Žiri Slika 1 : Zavorna stopalka s podnožjem (tehnologija FDM, okvirne dimenzije zavornega mehanizma: 238 x 282 x 206 mm) Ventil 2 / 2018 • Letnik 24 Termoplasti imajo tudi tehnično vrednost, saj je mogoče izdelke (tj. ventile), narejene po tehnologiji aditivne proizvodnje, v fazi razvoja uporabiti tudi za vrednotenje osnovnih karakteristik. Slika 4 pri- kazuje karakteristični test potnega ventila nove ge- neracije, s čimer so bile vrednotene tlačne izgube pri določenem položaju bata. Ugotovljeno je bilo, da je prototip, narejen po tehnologiji ekstrudiranja materiala (FDM), popolnoma reprezentativen gle- de osnovnih karakteristik. Maksimalni tlak, dosežen med preizkusom, pa je znašal nekaj manj kot 120 barov (kar je več kot dovolj za izvedbo osnovne ka- rakterizacije ventila). 2 Uporaba aditivne tehnologije Uporaba aditivnih tehnologij zahteva celovito spre- membo materialne poti izdelka – od samega sno- vanja oz. razvoja izdelka do njegove izdelave, pa tudi logistike surovin. Le na ta način je mogoče v polnosti izkoristiti vse prednosti, ki jih nudi omenje- na tehnologija. Posledično lahko znatno skrajšamo tako razvojni kot tudi proizvodni cikel. Nekateri iz- med številnih razlogov temu v prid so:  uporaba naprednih optimizacijskih orodij, ki op- timizirajo potrebno količino materiala na izdel- ku  manjša masa izdelka ob enaki/izboljšani togosti,  opustitev izdelave detajlnih delavniških risb,  opustitev izdelave livarskih orodij,  hitra proizvodnja/dobava (pol)izdelka in  minimizacija naknadne strojne obdelave (če je ta sploh potrebna). Velja pa omeniti tudi nekatere (trenutne) pomanj- kljivosti dodajalnih tehnologij, med katerimi (pri uporabi kovinskega praškastega materiala) izsto- pajo predvsem: 131 3D-TISK – HIDRAVLIKA Slika 2 : Ohišja ventilov (tehnologija: levo SLS, desno DMLS, okvirne dimenzije ohišja ventila: 114 x 110 x 50 mm) Slika 3 : Sestav ventila (tehnologija ohišja: FDM, okvir- ne dimenzije ohišja ventila: 45 x 78 x 49 mm) Slika 4 : Praktični preizkus karakteristik prototipa (teh- nologija FDM) Slika 5 : Primer prikaza začasnih podpornih struktur (oranžno področje) Ventil 2 / 2018 • Letnik 24132  naknadno ročno odstranjevanje začasnih pod- pornih struktur (v določenih primerih teh pod- por sploh ni možno odstraniti, slika 5),  trdota spojenega materiala (naknadna strojna obdelava s konvencionalnimi orodji je mogoča le pri nekaterih materialih) in  cena (stroja/surovine/storitve). Na tem mestu moramo omeniti, da je mogoče s pravilno optimizacijo geometrije izdelka znatno vplivati na količino začasnih podpornih struktur, tehnologija tiska in tudi materialov pa skokovito napredujeta. Posledično bodo številne (današnje) omejitve odpravljene ali pa vsaj minimizirane. Uporaba aditivne proizvodnje na izdelku se odraža že v fazi razvoja oz. koncipiranja izdelka. Konstruk- terju so ob uporabi omenjene tehnologije odprte številne nove možnosti oblikovanja izdelka, ki jih sicer (tj. s konvencionalnimi proizvodnimi postop- ki) ni mogoče uporabiti. Močno podporo pri kon- struiranju izdelka nudijo numerična simulacijska orodja, od katerih izstopajo predvsem napredna orodja za optimizacijo geometrije (neparametrične in parametrične optimizacije). V podjetju Poclain Hydraulics uporabljamo orodje za topološko (tj. ne- parametrično) optimizacijo, katerega razvoj je plod slovenskega znanja (podjetje CAESS, d. o. o. in nji- hov produkt ProTOp [7])! 2.1 Optimizacija topologije izdelka Optimizacija topologije v prvi fazi zajema definici- jo domene (tj. uporabnega volumna), znotraj kate- re lahko matematični algoritem iterativno optimi- zira materialno funkcijo (npr. gostoto materiala oz. elastični modul) tako, da minimizira ali maksimira ciljno funkcijo in zadosti predpisanim omejitvam. Ciljna funkcija je npr. deformacijska energija, la- stna frekvenca idr. Minimum deformacijske ener- gije posledično pomeni maksimalno togost (avto- matična posledica pa so minimalne in enakomerno porazdeljene napetosti) ob predpisanih pogojih in ob upoštevanju predpisanega ciljnega volumna. Optimizaciji so lahko dodane tudi tehnološke zah- teve glede litja (npr. smer odpiranja, livarski koti Slika 7 : Prikaz ohišja ventila pred topološko optimizacijo in po njej 3D-TISK – HIDRAVLIKA Slika 6 : Topološko optimiziran model ohišja ventila Ventil 2 / 2018 • Letnik 24 133 …), simetrijski pogoji, pogoji debeline stene, pogoji cikličnosti idr. Rezultat topološke optimizacije je izdelek, ki ima pri danih pogojih maksimalno togost ali maksimal- no prvo lastno frekvenco. Optimizirane (tj. rezane) površine pa so območja brez koncentracij napeto- sti. Tako dobljeni neparametrični model je nadalje mogoče uporabiti:  kot osnovo za izdelavo parametričnega modela,  neposredno kot objekt za 3D-tisk. Če se digitalno optimiziran izdelek neposredno iz- dela po postopku dodajalnih tehnologij, je kvaliteta (rezanih) površin bistvenega pomena. Slednje pravi- loma pomeni, da mora biti numerični model zgrajen iz velikega števila končnih elementov (slika 6) in da je potrebno naknadno izvesti fino glajenje površin. Zaradi edinstvenih zmožnosti programa ProTOp glajenje površin in delo na več milijonov (ali celo več deset milijonov) končnih elementov potekata v realnem času in brez večjih težav tudi na običajni delovni postaji. Slika 6 prikazuje situacijo pred gla- jenjem površin, uporabljenih pa je več kot 13 milijo- nov končnih elementov. Slika 7 prikazuje model ohišja ventila pred izvede- no topološko optimizacijo in po njej (prikazani so različni pogledi na model). Prihranek na masi v da- nem primeru znaša približno 30 %. Kar pa je še bolj pomembno poudariti, je dejstvo, da optimizirane površine ne vsebujejo koncentracij napetosti (ki bi sicer lahko bile prisotne pri ročnem optimiziranju topologije). Prihranek na masi z vidika celotnega sestava v da- nem primeru znaša približno 15 %. Situacijo prika- zuje slika 8. Prihranek na masi pa se posledično odraža tudi pri nižjem ogljičnem odtisu končnega uporabnika (npr. na delovnem stroju). Slika 8 : Prikaz sestava pred topološko optimizacijo in po njej 3D-TISK – HIDRAVLIKA Slika 9 : Prikaz faze aditivne proizvodnje (okvirne di- menzije ventila: 143 x 124 x 55 mm) Ventil 2 / 2018 • Letnik 24 2.2 Aditivna proizvodnja Kot je bilo že omenjeno, se topološko optimiziran izdelek lahko neposredno uporabi za 3D-tisk ali pa se uporabi kot osnova za izdelavo parametričnega modela. V obeh primerih pa se objekt tik pred sa- mim tiskom razdeli (razreže) na tanke sloje, in sicer v za to namensko izdelanih programskih orodjih (angl. slicer). Izdelava objekta poteka sloj po sloju z dodajanjem materiala (od tu ime dodajalne sloje- vite tehnologije). Sloji pa so medsebojno spojeni na atomskem (SLM), molekulskem (DMLS, SLS) ali pa na makro nivoju (FDM). Slika 9 prikazuje postopek aditivne proizvodnje enega izmed izdelkov podjetja Poclain Hydraulics. Ta postopek je v celotnem procesu izdelave konč- nega izdelka eden od ključnih. Izdelano ohišje je plod uspešnega sodelovanja s strokovnjaki iz pod- jetja MARSI iz Brežic [8]. Kot je bilo že omenjeno, je ena izmed manj zaže- lenih lastnosti uporabe aditivne tehnologije pred- vsem trdota spojenega kovinskega materiala. Ob- delava s konvencionalnimi rezilnimi orodji (ki so sicer namenjena obdelavi običajnih, tj. nizko trdno- stnih konstrukcijskih materialov) namreč zahte- va daljše čase, večjo obrabo in posledično krajšo življenjsko dobo rezil. Omenjeno situacijo bi lahko delno odpravili z uporabo namenskih rezil za viso- ko trdnostne materiale ter z optimizacijo procesnih parametrov na CNC-strojih. Slika 10 prikazuje fazo strojne obdelave ohišja, narejenega po postopku dodajalnih tehnologij (DMLS). Pri uporabljenem materialu (martenzitno jeklo) je opaziti precejšnje kopičenje odrezkov na rezilnem orodju med postopki vrtanja. Neželena lastnost odrezkov pa je tudi njihovo »lepljenje« na rezilno orodje (slika 11), kar podaljšuje proces strojne obdelave. Ne glede na zgoraj omenjene »slabosti« pa se z uporabo aditivnih tehnologij lahko bistveno skrajša čas lansiranja produkta na tržišče. Slika 12 prikazuje primerjavo med tremi različnimi pristopi h konstru- 134 3D-TISK – HIDRAVLIKA Slika 10 : Prikaz faze strojne obdelave tiskanega kovin- skega ohišja Slika 11 : Lepljenje odrezkov na rezilno orodje Slika 12 : Prednost uporabe aditivne proizvodnje Ventil 2 / 2018 • Letnik 24 iranju izdelka. Prvotni »analogni« pristop preko ite- rativnih zank običajno traja več let. Z digitalizacijo v fazi razvoja se čas dobave izdelka na tržišče lahko bistveno skrajša. Z digitalizacijo celotnega proce- sa (razvoj, proizvodnja) pa se ta čas lahko dodatno skrajša na vsega nekaj tednov/mesecev. 3 Sklep Smo v (digitalni) dobi, ko se nove oblike in metode razvoja, izdelave in logistike izdelka spreminjajo tako rekoč z danes na jutri. Na vidiku je industrija 5.0, pri kateri bosta človek in pametni sistemi ter naprave bolj z roko v roki (kar je naslednji korak glede na industrijo 4.0, kjer je pametna tehnolo- gija postavljena v ospredje proizvodnje [6]). Eno izmed glavnih gonil razvoja vseh novodobnih in- dustrijskih revolucij pa je predvsem potreba konč- nih uporabnikov oz. potrošnikov po (personalni) individualizaciji izdelkov. Glede na današnje trende razvoja aditivnih tehno- logij (tj. procesov izdelave in materialov) gre vse- kakor pričakovati, da se bo ta še dodatno poeno- stavila, pohitrila in pocenila ter posledično globalno razširila tako na področje industrijskih kot tudi za- sebnih oz. »gospodinjskih« aplikacij (takšen primer razvoja/razširitve tehnologije je dobro poznan na področju 3D-tiska termoplastov). Kljub vsem oblikam tehnoloških izboljšav pa bo člo- vek še vedno igral prvenstveno vlogo – zlasti pri razvoju »digitalne inteligence« kot tudi pri soupra- vljanju digitalno podprtih sistemov. Literatura [1] https://www.slideshare.net/Funk98/additi- ve-manufacturing-3d-printing-55145067; na- zadnje obiskano 9. 3. 2018. [2] https://www.statista.com/statistics/284863/ additive-manufacturing-projected-global- -market-size/; nazadnje obiskano 9. 3. 2018. [3] https://www.additivemanufacturing.media/ cdn/cms/7_families_print_version.pdf; naza- dnje obiskano 12. 3. 2018. [4] https://www.ntf.uni-lj.si/igt/wp-content/ uploads/sites/8/2017/10/3D-Tisk-Dodajal- ne-tehnologije.pdf; nazadnje obiskano 12. 3. 2018. [5] https://www.addit ively.com/en/learn- -about/3d-printing-technologies; nazadnje obiskano 12. 3. 2018. [6] https://tovarna.finance.si/8864877; nazadnje obiskano 15. 3. 2018. [7] http://www.caess.eu; nazadnje obiskano 29. 3. 2018. [8] http://www.marsi.at/3d-tiskanje-kovin; naza- dnje obiskano 29. 3. 2018. 135 3D-TISK – HIDRAVLIKA The usage of additive layered technologies – hydraulic valves Abstract: The rapid manufacturing process (of three-dimensional objects) that is based on additive layered techno- logies, becomes more and more established way of transforming digital models to end products. Additive layered technologies are more and more used in Poclain Hydraulics (for visualization purposes on custo- mer side as well as for evaluation of prototype functionality). The main advantages using such technolo- gies are not only to speed up manufacturing process (and consequently also time to market) but also to speed up development cycle. The latter is mainly due to the usage of advanced numerical optimization tools that go hand in hand with previously mentioned technology. The paper presents examples of using additive manufacturing process within the Poclain Hydraulics. A topology optimization of multifunction valve housing as well as corresponding weight saving on the bulk material with respect to the initial shape are presented more in details. Additive layered technologies enable extremely wide range of applications. Choosing the right technolo- gy depends primarily on customer’s requirements and his wishes regarding final product. Based on the recent development of additive technologies, this industry could be attributed to be one of the fastest growing market today. Keywords: additive manufacturing, 3D print, topology optimization, simulations