filtračního materiálu před jeho složením do konečného tvaru skladu. [12]
Způsob a zařízení pro výrobu filtračního materiálu – patent US6364978 Obrázek 26 ukazuje schéma způsobu a zařízení na výrobu skládaného filtračního materiálu se záhyby stanovených v těsné blízkosti. Tento způsob a zařízení je patentováno společností Moldex-Metric. Jedná se o termoplastický filtrační materiál zahřívaný po dobu vytváření záhybů, které se akumulují uvnitř chladící dráhy tak, že záhyby jsou stlačeny k sobě a zpevněny ochlazením s ohledem na jejich tvar. [13]
Plisovací stroj na výrobu filtrů – patent US3077148
Mechanismus navržený společností General Motors umožňuje vysokou rychlost výroby filtračních vložek. Obsahuje
automatický oddělovací mechanismus a je spojen s vytvrzovací pecí tak, že sled operací se provádí s minimálními nároky na čas a prostor.
Přístroj používá zubové skládací hlavy (viz obrázek 27) umístěné proti sobě, které skládají filtrační pás v kalibrovaných intervalech, aby se vytvořil skládaný produkt. Ozubená
kola udržují konstantní podávání kvůli Obrázek 27 - Zvětšený pohled na skládací hlavy plisovacího Obrázek 26 - Schéma zařízení na výrobu skládaného filtračního materiálu [13]
přilnavosti k filtračnímu pásu a zároveň poskytuje neozubenou boční stěnu pro upnutí pásu. [14]
Způsob výroby samonosného skládaného filtru – patent US2003089090 Tento vynález, uveden na obrázku 28, je zaměřen na způsob výroby samonosného skládaného filtru s posílenou strukturou, která odolává deformaci záhybů, a to zejména plně automatizovaným způsobem výroby skládaných filtrů na filtraci vzduchu. Tento způsob provedení zahrnuje tvorbu podélných záhybů ve filtračním médiu podél předního a zadního čela. Záhyby obsahují množinu složených hrotů šikmých bočních ploch obecně kolmo ke směru plisování. Alespoň jeden rovinný výztužný pás orientovány ve směru plisování je vázán k záhybu hrotů na čelní straně a alespoň jeden výztužný prvek je umístěn podél zadní strany filtračního média.
Obrázek 28 - Schématické znázornění provedení způsobu podle tohoto vynálezu [15]
Výztužný člen může být výztužný pás orientovaný ve směru plisování a vázán na zadní straně filtračního média před fází tvarování záhybů nebo rovinný výztužný pás může být případně vázán na složené sklady. Alternativně výztužné kolmo orientované pásky mohou být vázány ke směru plisování na zadní straně filtračního média před fází vytváření záhybů. V jiném provedení, výztužný člen je aplikován na zadní straně filtračního média poté, co byly vytvořeny záhyby. Výztužný prvek je umístěn podél
Způsob výroby formy filtru výfukových plynů – patent US2002162310
Nevytvrzená forma (10) k následnému zpracování výfukových plynů je filtr obsahující první a druhou vrstvu (12 a 14) z regenerovatelného filtračního materiálu, přičemž druhá vrstva filtračního materiálu je skládaná a s první vrstvou tvoří množinu axiálně průtočných kanálů (32, 80, 81), které mají boční tvary příčného řezu se dvěma sousedními úhly (34 a 36, 56 a 58). Každý úhel je větší než 45 ° a menší než 75 °, které mají stěnové segmenty (18 a 20, 68 a 70) o tloušťce menší než 0,8 mm, poréznost větší než 80% a výška prodloužení (b) mezi složenými hroty je menší než 10 mm. K dispozici jsou tvářecí zařízení (83, 84). [16]
Obrázek 29 - Schématické znázornění způsobu výroby filtrační vložky [16]
Způsob výroby skládaného filtru – patent EP1952873 Patent tohoto způsobu je podaný
společností Mann & Hummel, který zahrnuje zpevnění prostřednictvím skládací šablony, který má ohybové linie na filtračním pásu (2), který je vytvořen z filtračního materiálu.
Záhyby (3) jsou ohnuty skrze skládací šablony a část linií ohybu jsou měkčeny a tvoří spojovací vrstvu. Linie ohybu jsou vytvořeny svařováním filtračního materiálu, stejně jako měkčená spojovací tenká vrstva, pomocí infračerveného svařování nebo externího zdroje tepla. Filtrační pás je uveden do přehnutého tvaru a hrany skladů (5, 6) se
záhyby představují linie ohybu, ve kterých je spojovací povlak vytvořen svařováním. [17]
Zařízení pro skládání filtračního média a způsob výroby složeného klikatého filtračního prvku – patent DE102010011785
V tomto patentu podaného též společností Mann & Hummel, je popsáno zařízení (10) a způsob výroby klikatě skládaného filtračního prvku (13), zejména ze tkaného filtračního média (12) – viz obrázek 31.
Tkanina jako filtrační médium (12) je přiváděna prostřednictvím podávacích zařízení (18, 22) přes ultrazvukové razící jednotky (24). Razidlo, které je zásobené ohybovými liniemi, vytváří trvalé ryly do tohoto listového filtračního média (12).
Následně filtrační médium (12) podél ohybových linií je překlopeno do skládacího zařízení (42). Vrstvy (14, 16) z vícevrstvého filtračního média (12) v průběhu ražení jsou přivařeny podél ohybových linií. [18]
Obrázek 30 - Schématické znázornění zařízení pro tvorbu skladů a výsledný produkt ve hvězdicovém tvaru [17]
Obrázek 31 - Schéma zařízení podle vynálezu klikatě skládaného třívrstvého filtračního materiálu [18]
3 Praktická část
Na základě vyhotovení výše uvedené rešerše získané z patentů předních výrobců filtrů a filtračních zařízení byla vyhotovena řada možných variant, které by mohly být použity do výsledného sestavení stroje. Stroj s kontinuálním řešením rylování, tvorby skladů a následné fixace.
Práce spočívá v navržení zařízení pro vyhotovení polotovaru pro filtrační zařízení a uspořádání funkčního modelu zařízení určeného pro výrobu fixovaných skladů filtračních vložek s oddělenou funkcí tvorby rylování a fixačního ústrojí. Cílem práce je zkrátit dobu tvorby jednoho skladu na co nejmenší čas, aby bylo docílené největší výtěžnosti a tím došlo k zefektivnění výroby po ekonomické stránce.
3.1 Koncepce konstrukčního uspořádání stroje
Uspořádání stroje závisí na ekonomičnosti výroby a efektivní využitelnosti všech modulů stroje. Na základě těchto aspektů se může uspořádání dělit dle těchto oblastí:
1. Dle způsobu výroby skládaných filtračních polotovarů a) Kontinuální výroba
b) Diskontinuální výroba 2. Dle procesů výroby
a) Kompletní výroba
b) Rozdělení procesu rylování a skládání
Pro názornost na obrázku 32 je k dispozici blokové schéma jednotlivých operací a zařízení, potřebných k výrobě složeného filtračního polotovaru neboli složence, znázorňující výrobní linku.
Obrázek 32 - Blokové schéma kompletního sestavení stroje
3.1.1 Stručný popis jednotlivých fází plisovací výrobní linky
Pro přehled a pochopení jednotlivých fází potřebné k realizaci tvorby filtračního polotovaru jsou v této kapitole stručně popsány výše uvedené operace.
1) Návin
V tomto konkrétním případě návin je plošně navinutý materiál na cívce (viz obrázek 33), která je volně uložena s dostatečnou vůlí na hřídeli. V jiném případě je pevně uložena na rotační hřídeli. Tohoto způsobu je využíváno zejména u návinů velkých rozměrů a hmotností. Návin slouží pro snadné odvíjení a následnou dodávku materiálu.
Obrázek 33 - Ukázka jednoho z možných návinů
2) Podávací zařízení
Ve své podstatě se jedná o odtahové válce (obrázek 34), které odvíjejí filtrační médium z návinu a podávají materiál k dalšímu zpracování. Pro realizaci podávání materiálu jsou válce opatřeny výstupky nebo speciálním protiskluzovým materiálem, jako je například silikon, pryž a řada dalších materiálů. Odtah může být realizován zvětšením úhlu opásání, tedy zvětšení stykové plochy. Válce jsou k sobě dostatečně stlačeny pro zvýšení tření mezi válci a procházejícím materiálem.
Obrázek 34 - Ukázka odtahových válců s přítlakem
3) Rylování
Rylování je proces vytváření ohybové linie obecně do papírového či filtračního materiálu, která je způsobena za působení tlaku, popřípadě za působení kombinace tlaku a tepla prostřednictvím rylovacích hrotů. Hroty vytváří rýhy za účelem jednoduššího ohybu, jakosti ohybu v místě vytvoření ryly a zlepšení přesnosti, aniž by došlo k destrukci materiálu. Na obrázku 35 je ukázka principu rylování.
Obrázek 35 - Schéma rylovacích válců
4) Tvorba skladů
Záhyby na horní straně a záhyby na spodní straně materiálu jsou nedílnou součástí pro tvorbu složence. Překládáním narylovaného materiálu jedné strany zespod a druhé strany materiálu shora dochází k vytvoření tzv. harmoniky (viz obrázek 36). Sklady jsou
rešerši a ukázka některých principů skládání jsou uvedeny v níže popsané kapitole možných variant.
5) Fixace
Fáze fixace je realizována pro vytvoření kompaktnosti filtračního polotovaru a pro zamezení proti rozpadnutí předem narylovaného a následně naskládaného materiálu.
Spojení mohou být provedena celou řadou způsobů a různými druhy adhezních materiálů.
Jedny ze způsobů fixace filtračního složence jsou pro názornost zobrazeny na obrázku 36.
Obrázek 36 - Ukázka fixace naskládaného materiálu
6) Řezání
Proces řezání je provozováno u varianty zejména kontinuální výroby filtračního polotovaru pro rozdělení kontinuální délky materiálu na požadovaný rozměr, ze které se následně vytváří filtrační vložky.
Řezání přesně definovaných rozměrů může být taktéž řešeno více způsoby.
Způsoby řezání jsou uzpůsobeny na základě vlastností materiálu, přesněji plošné hmotnosti řezaného materiálu.
3.2 Varianty principů funkčního modelu
Zpracování variant uspořádání funkčního modelu závisí na vyhodnocení principiálních způsobů tvorby trvalých skladů, na základě něhož jsou zpracovány níže uvedené varianty. Varianty rozdělujeme na způsob výroby nepřetržité a kontinuální výroby trvalých skladů filtračních vložek s oddělenou s oddělenou funkcí tvorby rylování a fixačního ústrojí. Některé principy byly konstrukčně zpracovány.
3.2.1 Diskontinuální tvorba skladů
Varianta zajíždějících planžet
Uvedená varianta na obrázku 37 pracuje na principu postupného zajíždění planžet obstaraných pružnými jednotkami. Tato varianta spočívá v zapadnutí planžet postupně od středu z obou stran do korýtka. Mezi planžetami, nebo také nazývanými šavlemi, je přiváděn plát filtračního materiálů nařezaný na určitou délku a po působení určitého času těchto šavlí v drážce se tento cyklus opakuje. Na obrázku 37 je stručné schéma této varianty.
Obrázek 37 - Schématické znázornění diskontinuálního způsobu tvorby skladů
3.2.2 Kontinuální tvorba skladů
Varianta s pružinami
Tato varianta řešení byla navržena ze znalosti výše uvedeného patentu č.
US2011138760, ze kterého byla použita šroubovice pro tvorbu skladů přesně definované rozteče. Rozteč je dána výrobou pružiny, přesněji navinutím pružiny na požadovaný rozměr výsledného produktu. Tato šroubovice má nekonstantní stoupání pro postupný návin. Přibližně v polovině spodní pružiny své délky dochází k fixaci adhezním materiálem a za dobu odtahování filtračního materiálu dojde k zatuhnutí adhezního materiálu. Tyto pružiny jsou do se sebe zasunuty v poloze k sobě pootočených a tím nedochází ke kolizi těchto dvou pružin a teoreticky by docházelo odtahu materiálu a jeho složení na přesně definované rozteče skladů.
V ose rotace řemenice a též v ose rotace šneka je u umístěn pant pro snadné navedení počátečních skladů, u kterých je problematické počáteční uchycení materiálu přižinami.
Obrázek 38 - Tvorba skladů a jejich fixace pomocí pružin s nekonstantním stoupáním
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.
Na obrázku 46 je patrný konající pohyb obou těchto pohonných jednotek.