Obrázek 39 - Detail varianty s pružinami
Výhody tohoto řešení spočívají v tom, že cyklus produkce filtračních vložek je kontinuální a tím dochází k zefektivnění výroby. Filtrační materiál je desetinásobně širší a po vytvoření zafixovaného naskládaného materiálu dochází k jeho nařezání prostřednictvím laserů nebo jiných řezných nástrojů.
Varianta se šroubovicemi
Varianta s tvorbou skladů pomocí lamel pásového dopravníku
Obrázek 41 - Tvorba skladů pomocí lamel pásového dopravníku
Tato varianta se liší od varianty s pružinami pouze tím, že je vybavena dopravníkovým pásem, ve kterém jsou příčně připevněny lamely a prostřednictvím zajíždění lamel do sebe dochází k vytvářením skladů. Dále nadchází taktéž pružiny, které slouží k vymezení přesné rozteče při fázi fixace.
3.3 Vyhodnocení variant
Pakliže bychom chtěli zachovat kontinuální výrobu s využitím materiálu AntiVirus SMNF 57, je potřeba zajistit hrnutí materiálu nebo jeho odskočení. To je řešeno pomocnými přesně obepínajícími vodícími plechy ze všech čtyř stran a zároveň postupně posouvající se čelistí (viz. Obrázek 41), která má za úkol zamezit rozpadnutí skladů narylovaného materiálu. Dalším faktorem je fixace naskládaného materiálu v přesně dané rozteči skladů a v požadovaném místě, které zaručí úplné zatuhnutí adhezivní složky. Pro přesně definovanou rozteč jsou výhodné pružiny, o kterých se píše v kapitole č. 4.2.3.
4 Navržení funkčního modelu
Na základě zpracování a vyhodnocení všech předložených variant a též patentové rešerše způsobů výroby filtračních zařízení a materiálů předních výrobců byla navržena optimální a rovněž nejpřínosnější varianta funkčního modelu. Uvedené schéma na obrázku 44 znázorňuje koncepční uspořádání ovládacích prvků a jednotlivých fází stroje pro tvorbu filtračního polotovaru s oddělnou funkcí tvorby rylování a fixačního ústrojí. Následně byla tato varianta konstrukčně zpracována.
Obrázek 42 - Schéma výsledné koncepce uspořádání stroje
4.1 Popis výsledného koncepčního uspořádání stroje
Navržení spočívá v uspořádání a požití všech potřebných komponentů a funkčních zařízení ke zhotovení funkčního modelu pro výrobu filtračního složence od počáteční fáze návinu. Připravený návin filtrační materiálu je umístěn na začátku funkčního modelu stroje, ze kterého je zajištěna dodávka materiálu k následnému zpracování. Odtah filtračního materiálu je realizován prostřednictvím podávacích válců (3) přes distanční tyče (2), které vymezují přesnou dráhu materiálu do potřebné výšky. Odtahové, respektive podávací válce jsou opatřeny na jejich funkčním povrchu speciálním povlakem s vysokým součinitelem tření, který zaručuje plynulý odtah bez poškození daného filtračního materiálu.
Další fází konstrukčního uspořádání modelu stroje jsou vodící trubky (4), které mají podobnou funkci jako předešlé distanční tyče s tím rozdílem, že vymezují prostor vedeného materiál mezi snímači polohy (5) pro zajištění zpomalení dodávky materiálu k další fázi funkčního modelu a tou je proces rylování. Ke zpomalení dodávky filtračního materiálu musí docházet proto, že není zaručená přesná synchronizace mezi pohony podávacích a rylovacích válců vzhledem k možným nežádoucím jevům, jako je například prokluz materiálu mezi podávacími válci a tím dochází k pnutí materiálu a v horším případě k přetržení. Vzhledem k tomuto možnému vzniku nežádoucím jevům,
materiálu pomocí řídicího systému a jsou vstupním signálem do řídící jednotky ovládací pohony podávacích válců. Pakliže materiál přesáhne horní hranici definovanou polohou snímače, pohony jsou aktivovány a odtahové válce podávají materiál do té doby, než překročí spodní hranici snímačů. V daný okamžik pohon podávacích válců je zastaven a opět čeká na signál.
Rylování je realizováno pomocí rylovacích válců otáčející se proti sobě, a tím dochází k odtahování již už narylovaného materiálu k dalšímu procesu výroby filtračního polotovaru. Jedná se o proces tvorby skladů, ale před tímto procesem je opět umístěna dvojice snímačů (6) a vodící trubky (4) se stejnou funkcí, jako v předchozí fázi. V tomto případě jsou snímače použity ještě z důvodu napnutí materiálu před tvorbou skladů a nedocházelo tím k hromadění materiálu před skládacími planžetami. Docházelo by tím k nerovnoměrným nebo i znehodnoceným skladům. Napínání je způsobeno vlastní tíhou materiálu ve stanoveným průvěsu.
Fáze skládání (8) je navrženo pomocí dvojic proti sobě vzhůru ležícím pneumotorů, které konají dva základní pohyby. Translační pohyb po vertikální ose nahoru a dolu se zdvihem definovaným výškou skladu a rotační kývavý pohyb, který je realizován dvoupolohovým pneumotorem. Funkce a pohyby těchto motorů jsou podrobněji popsány v jedné z níže uvedených kapitol konstrukčního zpracování funkčního modelu stroje.
Nezbytné pro tvorbu skladů tímto způsobem je opěrné zařízení, které je znázorněné na obrázku 42 pod číslem (9). Toto zařízení koná posuvný horizontální pohyb a odsouvá se rychlostí, která odpovídá rychlosti vytvoření jednoho skladu. Odtahové zařízení, které je podporou skladů, je odtahováno pomocí elektrického pohonu soustavy tří řemenic na konec dráhy lineární vedení, které končí na úrovni konce pružin. Podpěrné zařízení (9) je součástí celého bloku, které obsahuje fixační tavné hlavice (11) pro zpevnění složence a toto podpěrné odsouvající se zařízení slouží pouze pro navedení skladů na distanční pružiny (10). Pružiny jsou uloženy na rotujících hřídelích a slouží k přesně definovaným roztečím skladů před zahájením fáze fixace.
Celý blok, který v sobě nese fixační a podpěrné zařízení, je pevně připojen k pneumatickému tlačnému pohonu s elektromagnetickým pístem. Cyklus tohoto celého bloku se opakuje vždy, když dochází k výměně návinu a musí dojít k opětovnému založení skladů a jejich navedení na pružiny.
4.2 Konstrukční zpracování funkčního modelu stroje
Podrobnější zpracování a popis funkcí jednotlivých operátorů se nachází v této kapitole a souvisejících podkapitolách s konkrétními detaily hlavních problematických uzlů, které jsou svázány s vlastnostmi použitého materiálu v důsledku jeho nepříznivého chování. Jelikož materiál má malou plošnou hustotu, konstrukce je vzhledem k tomuto faktu přizpůsobena.
Na obrázku 43 je znázorněno konstrukční uspořádání funkčního modelu, které je uloženo v přesně navrženém rámu, který je sestaven z hliníkových profilů o rozměrech 40x40mm a je nosnou částí jednotlivých komponentů a zařízení.
Obrázek 43 - Náhled na konstrukční uspořádání funkčního modelu
Obrázek 44 - Návrh funkčního modelu výsledného konstrukčního řešení
Na obrázku 44 je přehledný popis dílčích komponentů a ústrojí konstrukčně zpracovaného funkčního modelu:
1 – Návin filtračního materiálu
2 – Distanční tyče stanovující výšku dodávky materiálu 3 – Odtahové válce
4 – Snímače polohy průvěsu filtračního materiálu 5 – Vymezující trubky zabraňující odskočení materiálu 6 – Rylovací válce
7 – Skládací zařízení
8 – Naváděcí zařízení na pružiny, též podpěra skládaného materiálu 9 – Fixační ústrojí
10 – Podpěrné a zamezující vychýlení skládaného materiálu 11 – Nosný blok naváděcího zařízení a fixačního ústrojí
4.3 Popis hlavních uzlů stroje konstrukčního uspořádání
Pro realizaci tvorby skladů jsou nedílnou součástí jedny z hlavních uzlů funkčního modelu a ty jsou podrobněji popsány.
4.3.1 Zařízení pro tvorbu skladů
Další fází je tvorba skladů. Pro skládání filtračního materiálu se nabízí celá řada variant realizace. Některé varianty byly vybrány a popsány za předpokladu požadovaných rozměrů filtračního složence a tou je výška, hustota skladů, ale hlavně princip skládání vzhledem k vlastnostem materiálu. Filtrační materiál pro daný produkt má menší plošné hmotnosti a z toho důvodu je materiál velice pružný a nedrží ideálně svůj tvar.
Navržené pohonné jednotky
Obrázek 45 - Boční pohled na soustavu skládacího zařízení v základní pozici
Pro realizaci vertikálního pohybu planžet, které vytváří překlady filtračního materiálu, byl navržen pneumotor konající vertikální pohyb délky 10mm. Tento zdvih je dán výškou skladu filtračního materiálu a navržení tohoto motoru bylo provedeno prostřednictvím programu Festo PositioningDrives dodávaného společností Festo.
Jedná se o pneumotory ADNG-20-15-P-A konající přímočarý posuvný pohyb a
materiálu docházelo ke kolizi rotujících hrabiček připevněných na hřídeli kyvného pneumotoru. Jedná se o pohon DRRD-16-180-FH-PA-PS1. Oba tyto motory a jejich specifikace je více popsána v příloze 3.
Obrázek 46 - Skládací zařízení plisovacího stroje ve vysunutém stavu
Na obrázku 46 je patrný konající pohyb obou těchto pohonných jednotek.
Vychýlení o 3° slouží k vyhnutí se proti zajíždějící hřídele, která je opatřena skládací lištou.
Časy u pohonu ADNG-20-15-P-A činí 0,03s za 10mm dráhy zdvihu a pootočení pneumotoru DRRD-16-180-FH-PA-PS1 o 90° je 0,2s. Jedná se o maximální rychlosti těchto motorů a doba, za kterou je vytvořen jeden sklad je necelých 0,5s. Tato hodnota je znázorněna v tabulce 3 a lze z ní vyčíst, že jeden sklad je vyhotoven po 8mi pracovních cyklech motorů.
Podrobný popis tvorby jednoho skladu
Na základě optimalizace časů jednotlivých pneumatických pohonů a jejich pohybů vytvářející sklad a vzájemnou synchronizací všech čtyř pneumotorů vzhledem k maximálním rychlostem, byla vyhotovena tabulka hodnot, které mohou posloužit pro programátora řídicího systému motorů.
Tabulka 3 - Tabulka jednotlivých kroků řízených pneumotorů a jejich časy
4.2.2 Pomocné odtahové zařízení
Pomocné odtahové zařízení slouží k založení počátečních skladů a hřeben, který je uzpůsoben tak, aby mohl odjíždět přes pružiny, slouží k opření těchto prvotních skladů.
Obrázek 47 – Blok s posouvajícími čelisti s úkolem podpěrou skladů a fixační tavné hlavice
Tento hřeben je odsunut až nakonec konstrukce, která je svařena z jäckleů
spodní části této svařené konstrukce a pohyb je realizován pomocí soustavy tří řemenic a řemene, které přenáší pohyb od krokového motoru umístěného v horní části této konstrukce. Po dosažení koncové polohy hřebene je celá konstrukce zdvižena o 15mm prostřednictvím tlačného elektromagnetického pístu.
Hřeben je v první fázi přitisknut na okraj přivedeného filtračního materiálu a po realizaci prvního skladu je hřeben uveden do pohybu.
4.2.3 Navržení pružiny
Navržení pružiny (viz obrázek 48) je problematické, neboť vzhledem k jejím potřebným rozměrům nedocílíme velké tuhosti a tím by mohlo při skládání filtračního materiálu na přesně definovanou rozteč docházet ke kroucení pružiny. Tím by docházelo k nežádoucímu efektu při posouvání naskládaného filtračního média. Jednou z možností by mohla být volba jiného průřezu pružiny, například čtvercového. Pružina má minimální průměr 44mm vzhledem ke konstrukčnímu uspořádání ložiskových domků a šnekových kol, aby nezasahovaly do odváděcí plochy filtračního složence. Do vymezené odváděcí plochy tvořené nastavitelnými vymezovacími plechy. Průměr navinutého drátu je 1mm a pružina má na jednom ze svých konců zužující se tvar ze 44mm na průměr hřídele 5mm pro její uchycení. Zužující tvar neslouží pouze k uchycení pružiny ke hřídeli, ale také k minimalizaci deformace pružiny, protože u strany s náhonem vznikají největší deformace. Stoupání (rozteč) pružiny pro přesně určenou rozteč skladů je 4mm. Pružina je navinuta na předem připravené tzv. kopyto vytvarované s požadovanými rozměry a stoupání drážek. Následně po navinutí je drát na kopytu vytvrzen a zakalen. Druhý konec pružiny je beze změny vnějšího průměru a otevřený pro snadné vytažení, kde naposledy volný konec je zatočen na průměr 5mm pro uchycení na konec poháněné hřídele.
Obrázek 48 - Navržení pružiny pro přesnou rozteč skladů
Konstrukční sestavení soustavy pružin
Obrázek 49 - Konstrukční sestavení soustavy pružin
Na obrázku 49 je konstrukční sestavení soustavy šesti pružin, které jsou pevně spojeny s hřídelí, která je na obou stranách uložená v ložiskových domcích. Pohyb pružin je realizován prostřednictvím šnekového soukolí.
Prohýbání pružin je zajištěno prostřednictvím podpěrného plechu a podél pružiny po 60° je umístěna struna, která je propojena mezi vymezovacími díly. Struny a plechová podpěra je nedílnou součástí k zamezení průhybu pružin a tím i bezproblémového chodu.
Struny a podpěrný plech je použit z toho důvodu, aby docházelo k co nejmenšímu tření a svými rozměry a tvarem nevznikne téměř žádná styková plocha.
Analýza pružiny
Deformační analýza pružiny byla vyhotovena pomocí nadstavby Mechanism programu Creo Parametric 2.0. Jedná se o průhyb ocelové pružiny, který činí 3mm při zatížení vlastní vahou. Průhyb je naznačen v příloze 4 s několikanásobným zvětšením průhybu pro názornost. Okrajovými podmínkami jsou vlastnosti materiálu a pevné uchycení na obou koncích pružiny.
Na základě vytvořené analýzy byl navržen podpěrný díl, nazýván korýtko,
4.2.4 Konstrukce rylovacích válců
Tvorba ryl je realizována prostřednictvím vyhřívaných válců (viz obrázek 50, 51), které mají po celém svém obvodu a celé své délce tzv. žlaby a rylovací hroty nebo také nazývaný jako rylovací reliéf. Tyto válce jsou proti sobě natočeny tak, aby žlab a reliéf protějších válců byly umístěny přesně v ose proti sobě.
Obrázek 50 - Konstrukční návrh rylovacích válců
Obrázek 51 - Detail rylovacích válců
Takto proti sobě natočené válce poháněny proti sobě mají za následek to, že vytvoří rylu z jedné strany a posléze rylu z druhé strany na procházejícím filtračním materiálu mezi nimi. Po vytvoření ryly do materiálu, za působení válců minimálně 0,5s, je materiál odtahován k další části stroje a to ke tvorbě skladů.
Průměr válce je dán velikostí rozteče ryl na filtračním materiálu. Nevýhodou je, pokud bychom chtěli změnit výšku skladů, museli bychom válce zaměnit za jiné, neboť použití těchto válců neumožňuje možnost změny velikosti rozteče.
Válce jsou duté a jsou uvnitř vybaveny topným systémem a ty vzápětí zality šamotem. Topný systém obsahuje kolektory napájené na 24V a navinutou topnou spirálu z odporového drátu. Válce jsou vyrobené z mosazi a na jejich povrch je nanesena teflonová vrstva, která odolává teplotám okolo 400°C a ta by měla snížit tepelné ztráty.
Tloušťka pláště válce je 8mm široká a teplota válců by se měla pohybovat okolo 100 – 120°C. Nedílnou součástí pro hlídání a regulaci teploty povrchu válců jsou teplotní senzory (bimetalové pásky). Vyzývá se otázka tepelné bilance, konkrétně jaké množství energie bude spotřebováno pro ohřev válců. K vyhřívání válců je potřeba znát energetickou bilanci a prostup tepla pláštěm, aby bylo správně navrženo vytápění vzhledem k projevujícím se tepelným ztrátám. Problémem je, kolik tepla se vyzáří do okolí a o kolik více bude nutno vytápět válce, abychom eliminovali tepelné ztráty.
4.2.5 Fixační zařízení
Po vytvoření skladů a jejich navedení na pružiny nastává fáze fixace. Fixaci je realizována pro spojení poskládaného filtračního média do kompaktního celku, aby bylo zamezeno rozpadnutí složence. Také fixace musí být provedena přesně nad pružinami, neboť pružiny stanovují přesně danou rozteč.
Výběr vhodného systému lepení, materiálu a aplikátoru
Nejvhodnějším systémem pro fixaci skladů je systém lepení Hot Melt. Hot Melt jsou termoplastická tavná lepidla na bázi syntetických polymerů neobsahující plniva.
Lepidla tohoto systému jsou nazývána Jet-melt. 3M tavné lepicí systémy Jet-melt byly vyvinuty jako účinná a pohodlná metoda spojování různých druhů materiálů používaných ve výrobě. Tavná lepidla Jet-melt obsahují termoplastické pryskyřice bez rozpouštědel a účinkem tepla tají. Aplikují se v kapalném stavu a okamžitě po vychladnutí tvoří velmi silný spoj na většině typů povrchů.
Tradiční tavná lepidla jsou aplikována při teplotách kolem 210 °C, což může
tavných lepidel Jet-melt se sníženou teplotou tavení. Provozní teplota 130 °C minimalizuje výše uvedené nevýhody, přičemž zajišťuje podobný výkon jako standardní verze tavných lepidel. Další předností je omezení nepříjemného zápachu a škodlivých výparů.
Na základě tabulky fyzikálních vlastností a tabulky přehledu použití výrobků Jet-melt (viz. Příloha 1) bylo zvoleno nejvhodnější tavné lepidlo 3792LM, neboť při teplotě tavení má vysokou viskozitu 10500c. Zvolené Low Melt tavné lepidlo s rychlým vytvrzením umožňuje lepení široké řady materiálů při aplikaci se sníženou teplotou tavení. Může spojovat dřevo, poštovní balíky, vystavované výrobky, vlnitou lepenku, polyolefiny a další lehké materiály.
Na trhu se vyskytuje celá řada výrobců, kteří se zabývají výrobou tavných lepidel a adhezivních systémů a aplikátorů. Jedny
z nich jsou společnosti 3M a Nordson, kteří nabízí největší škálu těchto materiálů a zařízení. Nanášecí hlavy a ostatní zařízení jsou obvykle kompatibilní s ostatními výrobci, jako jsou například tyto uvedené společnosti, ale také Meltex, Robatech,
Dynatech, Acumeter, Meler, UES, Ditberner, HHS, Bühnen, Gluetec a další.
Pro snadnou aplikaci tavného lepidla byla použita dávkovací pistole MiniBlue vyráběná společností Nordson Corporation. Jedná se kompaktní tavnou hlavici, která umožňuje složení více modulů vedle sebe, vyžaduje minimální prostor pro montáž a servis ve stísněných prostorech a vytváří samočistící akci. Spojení vícemodulových os 16 mm rozšiřuje flexibilitu ve stísněných prostorech. Při použití jednoho modulu MiniBlue hlavice nabízí 18 mm širokého potrubí. Dvě pružinové těsnění prodlužuje modul životnosti a snižují selhání sekce se vzduchem. Touto
Obrázek 52 - Kompatibilita a spolupráce předních výrobců tavných lepidel a aplikačních zařízení
Obrázek 53 - Tavná automatická nanášecí hlava MiniBlue
dlouhou životností hydraulických těsnění se zlepšuje trvanlivost a minimalizuje se údržbu a prostoje.
Firma dodává celou škálu dávkovacích rozmanitých dýh a nástavců pro různé druhy aplikací. Pro automatickou nanášecí hlavu MiniBlue jsou k dispozici trysky o průměru 0.20, 0.30, 0.41, 0.51 mm. Podrobnější informace jsou uvedeny v příloze č. 2.
Specifikace automatické nanášecí hlavy MiniBlue:
Operační teplota 230º C maximum
Operační tlak vzduchu 3,4 až 5,5 bar
Pracovní hydraulický tlak 103 bar maximum
Elektrický servis 240 VAC, 50/60 Hz
Ventily solenoidů Nordson 24 VDC vysokoteplotní solenoidy
5 Závěr
V první části předložené práce byl popsán obecný přehled teorie filtrace, její využití v různých oblastech a následně podle využití byly tyto filtry rozděleny do daných kategorií. Rozdělení filtrů dle jejich využití a také podle konstrukce.
V další části práce byly popsány jednotlivé druhy používaných filtračních materiálů. Podrobněji byl popsán použitý filtrační materiál a také z něho vyráběný výsledný polotovar.
Tato práce obsahuje stručný popis stávajícího stroje a na základě jeho parametrů a produktivity byla řešena tato úloha. Úloha spočívá v navržení efektivnějšího funkčního modelu pro výrobu skládaného filtračního materiálu s oddělenou funkcí tvorby rylování a fixačního ústrojí, neboť stávající stroj koná tyto obě operace v jednom pracovním cyklu.
Dále byla zpracována rešerše principu výroby v současnosti vyráběných filtrů předních výrobců, na základě její studie a překladu byly navrženy různé způsoby výroby těchto filtračních polotovarů. Nedílnou součástí této úlohy je navržení a konstrukční zpracování jednotlivých modulů funkčního modelu do finální podoby.
Seznam použité literatury
[1] HRŮZA, J.: Zlepšování filtračních vlastností vlákenných materiálů [disertační práce]. Liberec: TU, 2006. s. 80.
[2] HRŮZA, J.: Textilie pro průmyslové aplikace [přednáška]. Liberec: TUL. 2008-03-10
[3] HRŮZA, J.: Textilie pro automobilový průmysl [přednáška]. Liberec: TUL. 2009-04-28
[4] http://nanologix.eu/
[5] http://www.google.com/patents/DE102011116947A1?cl=de&hl=cs [6] www.google.com/patents/US20110138760
[5] http://www.google.com/patents/DE102011116947A1?cl=de&hl=cs [6] www.google.com/patents/US20110138760