TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta Strojní

(1)

Fakulta Strojní

Studijní program: N2301 – Strojní inţenýrství Studijní obor: 3909T010 – Inovační inţenýrství

Zaměření: Inovace výrobků

Katedra částí a mechanismů strojů

Inovace systému nanášení taveniny polymeru při výrobě nanovláken elektrostatickým zvlákňováním

Innovation system spreading molten polymer at production nanofiber electrostatic spinning

KST -

Bc. Tomáš Pulda

Vedoucí diplomové práce: prof. Ing. Ladislav Ševčík, CSc.

Konzultant diplomové práce: Ing. Jan Čmelík, Elmarco s.r.o.

Rozsah práce a příloh:

Počet stran: ………..65 Počet tabulek: ………9 Počet obrázků: ……….36 Počet diagramů: ……….- Počet příloh: ………..3

V Liberci 15 .5.2011

(2)

Prohlášení

Byl jsem seznámen s tím, ţe na mou diplomovou práci se plně vztahuje zákon č.121/200 Sb., o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.

Beru na vědomí, ţe Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv uţitím mé diplomové práce pro vnitřní potřebu TUL.

Uţiji-li diplomovou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu vyuţití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tomto případě má TUL právo ode mne poţadovat úhradu nákladů, které vynaloţila na vytvoření díla, aţ do jejich skutečné výše.

Diplomovou práci jsem vypracoval samostatně s pouţitím uvedené

literatury a na základě konzultací s vedoucím diplomové práce a konzultantem.

Datum: 15. 5. 2011

Podpis:

……….

(3)

Poděkování:

Touto cestou bych chtěl především poděkovat vedoucímu své diplomové práce panu prof. Ing. Ladislavu Ševčíkovi, CSc. z katedry částí a mechanismů strojů TU Liberec, za cenné informace, rady, ochotu a čas, který mi věnoval při psaní této práce. Dále bych chtěl poděkovat doc. Ing. Pavlu Rydlovi, Phd. z fakulty mechatroniky a informatiky za pomoc při řešení specifických problémů elektroinstalace a za podněty poskytnuté během vypracovávání zvoleného tématu.

V neposlední řadě bych chtěl poděkovat pracovníkům firmy Elmarco s.r.o., pod jejíţ hlavičkou mohla být diplomová práce vypracována.

Tato diplomová práce byla vypracována za podpory studentské grantové soutěţe.

(4)

ANOTACE:

Tato diplomová práce je zaměřena na problematiku inovace systému nanášení roztaveného polymeru. Při výrobě nanovláken v zařízení Nanospider™, vyráběného ve firmě Elmarco s. r. o.. S pouţitím moderních metod inovace v této práci bylo navrţeno několik vlastních principů a variant systému nanášení polymeru na elektrodu. Z těchto navrţených variant byla nakonec vybrána jedna, která byla dále podrobněji navrţena a zkonstruována.

ANNOTATION:

This diploma work is bent on problems innovation system spreading molten polymer. At production nanofibre in arrangement Nanospider™, producing in firm Elmarco s. r. o.. according to modern methods innovation in those work to have been designed several new tenet and variants system spreading polymer. Of these designed variants was in the end chosen one, which was further in more detail designed and engineered.

Klíčová slova:

diplomová práce, systém nanášení polymeru, Nanospider™, elektrostatické zvlákňování, inovační inţenýrství, elektroda

(5)

Seznam použitých zkratek:

KST - katedra částí a mechanizmů strojů TUL - Technická univerzita v Liberci DFX - Design For X

FMEA - Failure Mode and Effect Analysis D-FMEA - analýza moţných vad a jejich následků MKP - metoda konečných prvků

α [W/m .K] - součinitel přestupu tepla G [W/K] - tepelná vodivost

t [s] - čas T [°C] - teplota T1 - teplota okolí

T2 - teplota uvnitř zásobníku v rovnováţném stavu T3 - teplota uvnitř zásobníku po dodání energie m [kg] - hmotnost polymeru

c [kJ/kg.K] - měrná tepelná kapacita polymeru λ [W/m.K] - tepelná vodivost materiálu zásobníku d [m] - tloušťka stěny zásobníku

ϱ [kg/m ] - hustota polymeru Q [W] - výkon

S [m ] - obsah V [m ] - objem K - bezpečnost l [m] - délka

I [A] - elektrický proud U [V] - napětí

η - účinnost

p [Pa] - tlak F [N] - síla Ft [N] - třecí síla Fn [N] - normálová síla Fa [N] - axiální síla nm - nanometr mm - milimetr

m - metr

(6)

Zpracovatel: TU v Liberci, KST Dokončeno: 2011

Archivní označ. zprávy:

Počet stran:...65

Počet příloh:...3

Počet obrázků:...36

Počet tabulek:...9 Počet diagramů:...-

(7)

Obsah

Úvod ... 9

Cíl práce ... 10

1 Elmarco s. r. o. ... 11

1.1 Technologie Nanospider^TM ... 11

1.2 Charakteristika nanovláken ... 12

1.3 Konstrukční materiály Nanospider™ ... 13

1.4 Produkt firmy ... 13

2 Plán projektu ... 15

3 Inovační prohlášení ... 16

4 Identifikace zákaznických potřeb ... 17

5 Současný stav řešení: ... 19

5.1 Charakteristika technologie Nanospider™ ... 19

5.2 Současný systém nanášení polymeru ... 20

5.2.1 Současný systém nanášení taveniny polymeru - způsob č. 1: ... 21

5.3 Nevýhody zvlákňování ... 23

6 Generování konceptů systému nanášení polymeru – schéma ... 24

6.1 Návrh nanášecího systému č. 1. ... 25

7 Výběr optimálního návrhu systému nanášení roztaveného polymeru ... 33

7.1 Hrubé třídění konceptu ... 33

7.2 Detailní třídění konceptu ... 34

(8)

8 Zhodnocení návrhů metodami DFX ... 35

8.1 Metoda DFA (Design For Assembly) ... 35

8.1.1 Vyhodnocení náročnosti montáţe návrhu č. 1 ... 37

8.1.2 Vyhodnocení náročnosti montáţe návrhu č. 2 ... 38

8.2 Metoda DFM (Design For Manufactufing) ... 39

8.3 Metoda DFD (Design For Disassembly) ... 39

9 FMEA - Failure Mode and Effect Analysis ... 40

10 Konstrukční řešení optimálnější varianty ... 40

10.1 Výpočty jednotlivých částí konstrukce systému ... 41

10.1.1 Výpočet tlačné pruţiny ... 42

10.1.2 Výpočet převodu ozubeným řemenem... 44

10.1.3 Kontrola hřídele ... 45

10.1.4 Návrh loţisek ... 49

10.1.5 Výpočet pera (hřídel-řemenice) ... 49

10.2 Návrh kluzného vedení zásobníku... 50

10.3 Návrh pohonu systému nanášení ... 52

10.4 Návrh systému tavení polymeru v zásobníku ... 54

11 Výkresová dokumentace ... 62

12 Ekonomické zhodnocení ... 62

Závěr ... 64

Seznam pouţité literatury:... 65

(9)

Úvod

Pouze ty podniky, které jsou schopny v silném konkurenčním prostředí vyrábět co nejefektivněji, mají nárok na úspěch. Hlavním cílem podniků by proto mělo být, co nejlépe uspokojit přání a poţadavky svých zákazníků. Cesta k dlouhodobé konkurenceschopnosti tedy spočívá především v trvalém zlepšování všech parametrů výroby, zejména kvality a produktivity.

V posledních letech se stále více setkáváme s názorem, ţe za úspěchem podniků stojí úspěšná inovace a vývoj výrobku. Zkušenosti ukazují na stále tvrdší konkurenci v oblasti výroby, neboť firmy pouţívají podobnou technologii a prvky organizace práce a procesů vycházející z principů štíhlé výroby. Je proto nutné, zaměřit se na proces předvýroby a vývoje výrobku. Růst významu předvýrobní fáze zejména ovlivňuje zkracování ţivotních cyklů výrobků a zvyšování jejich variability. Výsledkem tak jsou neustálé změny a rostoucí náklady ve výrobních a logistických procesech, které bychom se měli snaţit minimalizovat, ještě předtím, neţ se začne vyrábět. Většina výrobních ztrát má příčinu jiţ v předvýrobních etapách, zejména v chybném návrhu procesu, špatném výběru materiálu nebo výrobního postupu. Velký problém v oblasti inovace je rovněţ nedostatek špičkových konstruktérů, vývojářů a inovačních inţenýrů.

(10)

Cíl práce

Cílem této práce je navrhnout systém nanášení roztaveného polymeru. Při výrobě nanovláken z taveniny elektrostatickým zvlákňováním v zařízení Nanospider™. Tato inovace se provádí z důvodu zvýšení výkonu, stejnoměrnosti, plynulosti, šířky a dynamiky pohybu systému nanášení roztaveného polymeru na elektrodu. Při návrhu je nutné počítat s několika specifickými problémy, které s výrobou nanovláken souvisejí a nelze je zatím ţádným způsobem eliminovat.

Charakteristickým rysem pracovního postupu je, ţe zvlákňovací jednotka stroje pracuje pod vysokým elektrickým napětím. Proto elektronické součásti selhávají, např. integrované obvody, mikroelektronika, a nelze je vyuţít k řízení některých prvků nanášecího systému. Druhým problémem je, ţe polymer tuhne.

Při výrobě polymerních nanovláken z taveniny v elektrostatickém poli je moţné pouţít pro konstrukci nanášecího systému jen omezené mnoţství konstrukčních materiálů, uvedených dále v této práci.

Celá tato práce je řešena jako projekt, který se skládá z určitých fází procesu vývoje nového výrobku. V první části se provede seznámení se stávajícím systémem výroby polymerních nanovláken. V další části budou analyzovány současné metody nanášení polymeru. Následující úsek této práce bude obsahovat postup inovace vlastního systému nanášení polymeru podle metod inovačního inţenýrství. Dále návrh alespoň 5-ti inovovaných variant s následným výběrem té nejvhodnější. Následuje prověření konstrukce z hlediska pevnosti a tuhosti pomocí MKP, konstruování z hlediska DFX a ekonomické zhodnocení. Důleţitou součástí tohoto procesu je časový plán slouţící pro sledování vykonané práce, který se stanoví na začátku projektu. Odvíjí se od data, kdy má být projekt dokončen. V závěru je nutné zhodnotit přínos inovovaného výrobku, to znamená, zda bylo nalezeno řešení a jestli splňuje všechny předem stanovené poţadavky.

V této práci nebude řešeno dávkování granulátu do zásobníků, čištění zásobníků od polymeru, ani převíjení ocelové struny (elektrody) při výrobním procesu zvlákňování.

(11)

1 Elmarco s. r. o.

Elmarco je první firmou na světě, která vyrábí a prodává zařízení na výrobu nanovlákenného materiálu v průmyslovém měřítku. Základem úspěchu firmy je spolupráce s předními světovými univerzitami a průmyslovými společnostmi působícími na globálním trhu. Unikátní technologie Nanospider^TM, vyvinutá společností Elmarco, je navrţena tak, aby splňovala všechny poţadavky na výrobu

vysoce kvalitních nanovláken k všestrannému pouţití.

Logistické a technické know-how i výhodnou polohu sídla firmy vyuţívá Elmarco také k tomu, aby nabídlo špičkové, ale i cenově příznivé, výrobní a outsourcingové sluţby pro dodávky výrobních zařízení a dílčích sestav s důrazem na polovodičový průmysl.

Obr. č. 1: Úvodní obrázek fy Elmarco .

1.1 Technologie Nanospider^TM

Nanospider™ je unikátní patentovaná technologie zvlákňování z volné hladiny taveniny polymeru v silném elektrostatickém poli bez pouţití trysek. Tato technologie se zakládá na zajímavém objevu: je moţné zvlákňovat nejen za pomoci kapiláry z kapky polymeru procházejícího tryskou do elektrického pole, ale z celé tenké vrstvy taveniny polymeru.

(12)

Technologie NANOSPIDER™ umoţňuje:

 Vysokou výrobní kapacitu a rozšiřitelnost

 Vysokou rovnoměrnost průměru vláken a nanesené nanovlákenné vrstvy

 Hospodárný provoz a snadnou údrţbu

 Flexibilitu v pouţívání mnoha různých polymerů a podkladových materiálů

1.2 Charakteristika nanovláken

Nanovlákna jsou speciálně vyráběná vlákna o průměru menším neţ 500 nm (1 nm = 10^-9 m). Můţeme je porovnat s mikrovlákenným MB (meltblown) a SB spunbond), které se pohybují v řádu od 0.9 µm. Vlákno vlny Merino měří 12 - 24 µm a lidský vlas má průměr cca 80 µm, je tedy zhruba 200krát větší neţ průměrné nanovlákno.[11]

Společnost Elmarco je první firmou, která nabízí zařízení k průmyslové výrobě nanovlákenných materiálů ke komerčnímu vyuţití.

Patentovaná technologie Nanospider™ umoţňuje zákazníkům výrobu nanovláken s průměrem 80 nm aţ 500 nm (či více), se standardní odchylkou 30 % a méně. Výsledný průměr vláken se odvíjí od konkrétních zvlákňovacích podmínek a zvoleného materiálu.

Díky své velikosti, která zaručuje jedinečné vlastnosti nanovláken, vykazují nanomateriály skokové vylepšení kvality konečných produktů (například v porovnání s mikromateriály).

(13)

1.3 Konstrukční materiály Nanospider™

Pro řešení konstrukce nanášecího zařízení polymeru v Nanospider™ je nutné pouţít tyto materiály.

PP (polypropylen) – dobrá chemická a mechanická odolnost

PTFE (polytetrafluoretylen) – nehořlavý, chemicky odolný termoplast, nelze ho rozpustit, nízký součinitel tření, dobré kluzné vlastnosti

PVDF (polyvinylidenfluorid) – snadná zpracovatelnost, dobrá chemická odolnost, vhodný pro antikorozní ochranu v chemickém průmyslu, zdravotně nezávadný, lze snadno čistit a dezinfikovat

CPVC (chlorovaný polyvinylchlorid) – konstrukčně tuhý a pevný materiál, dobrá chemická odolnost, snáší tepelné zatíţení, citlivý na UV záření, ekologicky rizikový, lze recyklovat

PEEK (polyetereterketon) – pevný a tuhý termoplast, tepelně zatíţitelný do 250 °C, vysoká chemická odolnost, odolává záření

Oceli: kvůli nízké chemické odolnosti není mnoho odolných materiálů, které by dobře snášely kontakt se zvlákňovaným materiálem, proto se především vyuţívají oceli korozivzdorné třídy 17. [1]

1.4 Produkt firmy

NS Organic Production Lines 1000

Navrhované zařízení by mohlo být realizováno ve výrobní lince NS Production Line 1000, vyvinuté společností Elmarco. Zařízení umoţňuje výrobu nanovlákenného materiálu v poloprůmyslovém měřítku a nabízí řadu vyuţití.

NS Production Line 1000 je navrţena jako samostatná zvlákňovací jednotka a je ideální pro:

 Zavádění nových produktů

 Rozjezd průmyslové výroby

(14)

Toto zařízení pracuje na principu nanášení tenké vrstvy roztaveného polymeru na ocelovou strunu (elektrodu), ze které se elektrostatickým zvlákňováním vytvářejí nanovlákna a zachytávají na podkladovém materiálu.

Tato výrobní linka je výborným doplňkem k laboratornímu zařízení NS Lab, zkonstruovanému pro vývoj a výzkum nanovláken, či k NS Production Lines 1600, které jsou určené pro velkokapacitní průmyslovou výrobu.

Obr. č. 2: NS Organic Production Lines 1000 [1]

(15)

2 Plán projektu

Pro vytvoření plánu tohoto projektu je vyuţito programu Microsoft Office Project, který je v současné době nejrozšířenějším softwarem pro řízení projektů.

Tato aplikace nabízí pomoc v oblastech plánování projektu, sledování plnění plánu projektu, provádění analýz a přeplánování projektu, porovnání dvou verzí projektu, vytvoření fondu zdrojů pro vedení více projektů najednou, vytvoření šablon pro plánování podobných projektů, tisku a prezentace projektového plánu a dalších. Plánování tohoto projektu probíhalo od konce, tedy odvíjelo se od data dokončení projektu. Náhled plánu je zobrazen na obr. č. 3. Detailní plán tohoto projektu je uveden v příloze č. 1. [2]

Obr. č. 3: Náhled plánu projektu

(16)

3 Inovační prohlášení

V tomto kroku musí být inovační návrh přeformulován do tzv. inovačního prohlášení (mise). Jedná se o dokument, který sumarizuje směry, které by měly být sledovány ve fázi vývoje výrobku.

Popis výrobku:

Navrhnout inovované zařízení pro nanášení tenké vrstvy roztaveného polymeru v zařízení pro výrobu nanovláken Nanospider™. Za účelem většího výkonu nanášení, větší rovnoměrnosti nanášení, sníţení rychlosti nanášení a zlepšení dynamických parametrů. Polymer se bude do zvlákňovací hlavy, dále jen zásobník, dávkovat v podobě granulátu, který zde bude následně roztaven pomocí topného systému, kde teplotu polymeru bude sledovat snímač teploty. Četnost doplňování bude záviset na klesající hladině roztaveného polymeru, která bude sledována pomocí snímačů výšky hladiny.

Obchodní cíle:

Vyuţití návrhu inovace v mateřské firmě Elmarco.

Primární cíle:

Mateřská firma, případně ostatní výrobní firmy s

podobným provozem, které si produkt od firmy Elmarco zakoupí.

Účastníci projektu:

Bc. Tomáš Pulda

(17)

4 Identifikace zákaznických potřeb

Identifikace zákaznických poţadavků vychází ze snahy vytvořit kvalitní mnoţství informací mezi zákazníkem na cílovém trhu a pracovníkem podílejícím se na inovaci výrobku. Předpokladem je, ţe členové inovačního týmu, kteří ovlivňují charakteristiky výrobku, musí být v přímém kontaktu se zákazníkem a mít zkušenosti s chováním a pouţíváním výrobku. Bez těchto zkušeností nemohou být technická řešení provedena dobře.

Cílem metod zaměřených na identifikaci zákaznických potřeb je:

 Identifikovat potřeby zákazníka

 Umoţnění vazby mezi potřebou a charakteristikou výrobku

 Zaznamenat informace o zákaznických potřebách

Identifikace zákaznických potřeb se skládá z následujících kroků:

 sběr dat od zákazníků

 interpretace dat (potřeb zákazníka)

 uspořádání potřeb do skupin

 určení relativní významnosti

 kontrola

Pro sběr dat od zákazníků se vyuţívají tyto metody marketingového průzkumu:

 interview

 moderovaná diskuse

 pozorování

 hlasité myšlení (ukázky s průvodcem)

 klinické studie

V této práci jsem zvolil pro zjištění potřeb zákazníka metodu rozhovoru.

Rozhovor byl veden s vedoucím této práce prof. Ševčíkem a pracovníky výzkumu výroby nanovláken p. Filipem Sanetrníkem a Ing. Martinem Komárkem z fakulty textilní, katedry netkaných textilií.

Ze zjištěných předpokladů a poţadavků na provedení vychází několik základních potřeb, které jsou zde následně interpretovány a seřazeny podle různých stupňů významnosti v následujícím afinním diagramu.

(18)

Tabulka č. 1: Potřeby zákazníka

větší výkon na stejné ploše

ţivotnost automatizovaný provoz

bezporuchovost snadná vyrobitelnost odolnost vůči teplotě

funkčnost pomalé tuhnutí nízké výrobní náklady

větší rovnoměrnost nanášení

ţádné odkapávání jednoduchost

minimální údrţba nepřístupnost vzduchu v zásobníku

bezpečnost

energeticky nenáročný provoz

Tabulka č. 2: Afinní diagram

Potřeba 1 Potřeba 2 Potřeba 3 Potřeba 4

energeticky nenáročný

provoz

minimální údrţba větší výkon na stejné ploše

bezpečnost

jednoduchost nízké výrobní náklady

snadná vyrobitelnost odolnost vůči teplotě bezporuchovost automatizovaný

provoz

ţivotnost nepřístupnost

vzduchu v zásobníku

větší rovnoměrnost nanášení

pomalé tuhnutí funkčnost

ţádné odkapávání

Přiřazení významnosti k jednotlivým potřebám dle jejich důleţitosti:

Potřeba 1 → potřeba minimální důleţitosti → významnost 1 Potřeba 2 → potřeba malé důleţitosti → významnost 2 Potřeba 3 → potřeba střední důleţitosti → významnost 3 Potřeba 4 → potřeba velké důleţitosti → významnost 4

(19)

5 Současný stav řešení:

V této kapitole jsou shrnuty současné principy výroby nanovláken z taveniny polymeru.

5.1 Charakteristika technologie Nanospider™

Vysoká produktivita

 Vysoce výkonné zvlákňovací hlavy (ţádné trysky).

 Efektivní pracovní šířka: aţ 1,6 m (64”).

 Vysoká doba provozuschopnosti (> 90%).

Snadná údržba

 Snadné čištění (ţádné trysky = ţádné ucpávání).

 Ergonomický tvar umoţňuje snadný přístup ke všem částem.

Hospodárný provoz

 Vysoký výkon.

 Krátká doba pravidelných servisních odstávek/ dlouhé uţívání.

 Nízké provozní náklady.

 Nízká spotřeba elektrické energie na výrobu.

 Nízká spotřeba surovin.

 Krátkodobá obsluha personálem.

Prvotřídní kvalita nanovláken

 Jedinečná struktura a homogennost vláken.

 Moţná kontrola průměru vláken, středního průměru ±%.

 Řízená výrobní rychlost (čím jemnější vlákna, tím niţší produktivita).

 Přímá kontrola nanovlákenné homogenity.

 Přímé diferenční měření poklesu tlaku.

 Indikace zvlákňovacího procesu (pomocí elektrického proudu).

(20)

Vysoký stupeň bezpečnosti

 V souladu s CE standardy.

 Masivní konstrukce navrţená pro bezpečnou manipulaci s vysokým napětím a výbušnými parami.

 Kontrolovaná atmosféra zajišťující bezpečné nevýbušné prostředí.

 Regulovaná ventilace zvlákňovací komory (automatické zastavení v případě aktivace poplašného zařízení, přívod inertizujících plynů).

 Vícečetná zařízení pro automatické vypnutí v případě nouze.

Flexibilita

 Široké spektrum vyuţitelných materiálů pro zpracování.

 Moţnost vyuţití mnoha různých podkladových materiálů.

 Snadné uzpůsobení parametrů procesu k dosaţené optimální nanovlákenné vrstvy.

Technologie Nanospider^TM je schopna zpracovat velmi široké spektrum polymerů pro výrobu nanovláken.

Elektrostatické zvlákňování polymerních tavenin v elektrostatickém zvlákňovacím poli vytvořeném mezi zvlákňovací elektrodou a sběrnou elektrodou vzniká přivedením vysokého stejnosměrného napětí na jednu z elektrod a vysokého stejnosměrného napětí opačné polarity na druhou elektrodu. [1]

5.2 Současný systém nanášení polymeru

Vyuţívá se vyhřívané strunové zvlákňovací elektrody. U těchto strunových elektrod má aktivní zvlákňovací zóna v průběhu zvlákňování stálou polohu vůči sběrné elektrodě, přičemţ roztavený polymer se na aktivní zvlákňovací zónu dopravuje buď nanášením, nebo pohybem struny ve směru její délky nebo kolmo na směr.

Roztavený polymer, nacházející se na aktivní zóně zvlákňovací elektrody v důsledku silového působení elektrostatického pole, je přetvářen na nanovlákna, která se dále ukládají na vhodný podklad. Kterým můţe být plošný či lineární útvar vytvořený v podstatě z libovolného materiálu s různými elektrickými vlastnostmi.

(21)

Nanovlákna se připravují ze široké škály polymerů, nebo směsi polymerů. A to buď za pouţití rozpouštědel na vodné, nebo nevodné bázi. Do roztoku se mohou dle potřeby přidávat různá nízkomolekulární aditiva, kterými se potom regulují některé důleţité fyzikální vlastnosti zvlákňovaného roztoku. Nebo přináší do výsledného polymeru nové chemické, fyzikální, biologické, nebo jiné vlastnosti.

Nanovlákna lze také připravovat z tavenin polymerů, ale při zpracování roztoku se dosahuje menších průměrů vláken díky niţším viskozitám.

5.2.1 Současný systém nanášení taveniny polymeru - způsob č. 1:

Obr. č. 4: Systém výroby nanovláken – nanášení polymeru na strunu pomocí přejíţdějícího zásobníku

Zásobník s roztaveným polymerem (1) přejíţdí mezi polohami I. a II., nanáší tenkou vrstvu roztaveného polymeru na elektrodu (4), která je současně zvlákňovací elektrodou. Elektrostatické pole se nachází mezi zvlákňovací elektrodou (4) a sběrnou elektrodou (2). Vzniklá nanovlákna se zachytávají na podkladovém materiálu (3). Tento systém nanášení je z hlediska výkonu, rovnoměrnosti, dynamičnosti, plynulosti a stejnoměrnosti ne zcela vyhovující a proto je třeba ho inovovat.

(22)

Obr. č. 5: Systém výroby rotační strunovou zvlákňovací elektrodou 1- rotační zvlákňovací elektroda 6 – nádoba s roztaveným 2 – čelo elektrody polymerem

2 – čelo elektrody 7 – roztavený polymer 4 – hřídel 8 – pohon

5 – tenký drát 9 – převod od pohonu k hřídeli elektrody ozubením

Ozubená kola (4) jsou spřaţena s hnacími ozubenými koly (9), která jsou spřaţena s pohonem (8). Spojení ozubených kol na čepu čela elektrody s hnacími koly slouţí nejenom k pohonu čel stejným směrem a stejnou rychlostí, ale rovněţ k zajištění neměnné vzájemné polohy čel, aby zvlákňovací struny byly rovnoběţně s osou hřídele.

Strunová elektroda ve tvaru válce (1), který se podle své osy otáčí a dolní částí povrchu namáčí do roztaveného polymeru (7). Polymer se strunou vnáší do elektrického pole mezi zvlákňovací a sběrnou elektrodu, kde se vytvářejí nanovlákna, ukládaná na podkladovém materiálu. Tento systém je schopen velmi dobře vyrábět nanovlákna , avšak vrstva nanovláken nanesená na podkladovém materiálu není po celé délce zvlákňovací elektrody rovnoměrná.

Čela jsou tvořena z elektricky nevodivého materiálu a všechny zvlákňovací členy (tenký drát) jsou navzájem elektricky spojeny.

(23)

Obr. č. 6: Systém zvlákňování kapalné matrice strunovým zvlákňovacím členem.

1 – sběrná elektroda 7 – naváděcí kolo 2 – podkladový materiál 8 – navíjecí kolo 3 – odvíjecí zařízení 9 – roztavený polymer 4 – vedení 10 – nanášecí kolo 5 – odvíjecí kolo

6 – struna

Zařízení pro výrobu nanovláken z tavenin polymeru se zvlákňovací elektrodou tvořenou soustavou rovnoběţných drátů uloţených za sebou. Drát se pomalu převíjí mezi dvěma cívkami, mezi kterými je uloţeno nanášecí kolo ponořené částí svého povrchu v roztaveném polymeru a nanášející polymer na strunu.

5.3 Nevýhody zvlákňování

Nevýhodou všech zvlákňovacích elektrod i zařízení pro výrobu nanovláken elektrostatickým zvlákňováním tavenin polymeru, které obsahují zvlákňovací elektrody protáhlého tvaru je zejména velké mnoţství tavenin polymeru v zásobníku, do něhoţ částí svého povrchu zasahují zvlákňovací elektrody.

Zásobníky mají velkou otevřenou hladinu, na níţ dochází k rychlému tuhnutí polymeru. Tavenina rychle houstne a je jí třeba průběţně ohřívat, doplňovat a vyměňovat. To zvyšuje náklady na výrobu nanovláken a zároveň sniţuje kvalitu vyráběných nanovláken.

(24)

Tavenina polymeru se do elektrostatického pole dopravuje povrchem válcové zvlákňovací elektrody poměrně pomalu, takţe na povrchu postupně tuhne. Při dalším namočení příslušného místa povrchu rotační elektrody na něm ulpívá větší mnoţství polymeru, coţ postupně vede k degradaci zvlákňovacího procesu a povrch zvlákňovací elektrody je třeba vyčistit. K čištění zvlákňovací elektrody je třeba přerušit zvlákňovací proces.

Z hlediska zvlákňovacího procesu je výhodné, provádí-li se stírání znehodnocené matrice před nanášením matrice nové, neboť nedochází k mísení zestárlé a čerstvé matrice. Matrici lze nanášet na aktivní zvlákňovací zónu struny v elektrostatickém poli během zvlákňování a to jak na stojící, tak na pohybující strunu. Zvlákňovací elektroda tvořená tenkým drátem je velmi vhodným prostředkem pro elektrostatické zvlákňování tavenin polymeru.

Stálá poloha aktivní zvlákňovací zóny struny vzhledem ke sběrné elektrodě přináší stálost zvlákňovacích podmínek a v důsledku toho zvyšuje kvalitu vyráběných nanovláken, zejména jejich průměrovou stálost. [4]

6 Generování konceptů systému nanášení polymeru – schéma

Koncept, dále jen návrh, je přibliţný popis technologie, tvarů a funkčních principů inovovaného výrobku. Je popisem toho, jak výrobek uspokojí potřeby a poţadavky zákazníka. Zpravidla má formu skici či hrubého 3D modelu včetně stručného slovního popisu a obrázku náhledu

V této části práce jsou znázorněny skici systému nanášení tavenin polymeru na elektrodu, které obsahují všechny poţadavky zákazníka uvedené v kapitole č. 4.

Skici byly vytvořeny v pomocí softwaru AutoCAD® pro navrhování a tvorbu dokumentace.

(25)

6.1 Návrh nanášecího systému č. 1.

Obr. č. 7: Návrh č. 1

1 – zásobník přípevněný na ozubeném řemenu 5 – sběrná elektroda 2 – zvlákňovací elektroda 6 - nanovlákna

3 – cívka se zvlák. elektrodou 7 – klapka s kladkou pro

4 – podkladový materiál zavírání zásobníku 8 – zvlákňovací elektroda

Tento systém obsahuje dva ozubené řemeny, na kterých jsou připevněny zásobníky s roztaveným polymerem. Nanášejí taveninu polymeru na zvlákňovací elektrodu. Elektroda (tenký drát) je navinuta na cívce a pomalou rychlostí se převíjí na protilehlou cívku. Zásobník s roztaveným polymerem je uzavřený a je opatřený zavírací klapkou. Klapka se otevře po najetí na elektrodu pomocí táhla s kladkou (od polohy I. do polohy II. a po přejetí na druhý konec elektrody se zase vrátí do polohy I.). Polymer je doplňován do zásobníku v podobě granulátu a následně roztaven pomocí topného systému. Zásobník je na elektrodu naváděn pomocí naváděcích desek viz detail D.

(26)

Výhody:

 rovnoměrné nanášení polymeru

 polymer je v uzavřené nádobě – menší rychlost tuhnutí roztaveného polymeru

 větší výkon nanášení na stejné ploše díky vetšímu mnoţství nanášecích zásobníků

Nevýhody:

 nutnost dalšího mechanizmu pro nanášení polymeru

 sloţitější konstrukce

 navádění zásobníku na elektrodu

 naráţení kladky na táhlu pro zavírání zásobníku o elektrodu – nanesený polymer se z elektrody sklepe

 vyšší cena nanášecího sytému

(27)

1 – zásobník připevněný na ozubeném řemenu 4 – podkladový materiál 2 – zvlákňovací elektroda 5 – sběrná elektroda 3 – cívka s elektrodou 6 - nanovlákna

Zásobník s roztaveným polymerem je připevněný ke dvěma ozubeným řemenům, který rovnoměrně nanáší roztavený polymer na zvlákňovací elektrodu.

V tomto návrhu je odkapávání polymeru ze zásobníku po najetí na elektrodu řešeno planţetou. Ta je umístěna v otěruvzdorné vloţce zásobníku s taveninou polymeru. Polymer se začne nanášet po najetí zásobníku do svislé polohy. Pro otevírání zásobníku jiţ není třeba dalšího mechanizmu a zabrání se naráţení kladky na táhlo, jak je tomu v návrhu č. 1. Polymer je doplňován do zásobníku v podobě granulátu a následně roztaven pomocí topného systému. Zásobník je na elektrodu naváděn pomocí naváděcích desek viz detail C.

Výhody:

 rovnoměrnost nanášení polymeru

 výhodnější řešení konstrukce zásobníku s polymerem – odpadá nutnost pouţití klapky

 větší výkon nanášení na stejné ploše elektrody díky většímu mnoţství nanášecích zásobníků

Nevýhody:

 vyšší cena zařízení

 navádění zásobníku na elektrodu

 sloţitější konstrukce nanášecího systému

(28)

1 – zásobník s polymerem 5 – podkladový materiál 2 – válečkové vedení 6 – sběrná elektroda 3 – zvlákňovací elektroda 7 – válečkové vedení 4 – cívka s elektrodou 8 – nanovlákna

V tomto systému se zásobník pohybuje od polohy I. k poloze II.. V úvratích jsou umístěny snímače polohy, na které zásobník najede a změní opačný směr pohybu. Zásobník je veden válečkovým vedením, které zajistí přesné vedení vůči zvlákňovací elektrodě. Zásobník je zcela uzavřený. Polymer je doplňován do zásobníku v podobě granulátu a následně roztaven pomocí topného systému.

Výhody:

 jednodušší mechanizmus systému nanášení

 niţší pořizovací cena oproti variantě č. 1 a 2

 jednodušší konstrukce

(29)

Nevýhody:

 menší rovnoměrnost nanášení polymeru

 menší výkon nanášení polymeru na elektrodu 6.4 Návrh nanášecího systému č. 4.

1 – zvlákňovací elektroda 5 – cívka s elektrodou 2 – zásobník s roztaveným polymerem 6 – podkladový mateiál 3 – rám 7 – sběrná elektroda 4 – vodící kolo elektrody 8 – stěrka přebytečného polymeru

U tohoto systému nanášení se zásobník s polymerem nepohybuje, jelikoţ je připevněn k rámu. Pohybuje se pouze zvlákňovací elektroda ve směru šipky na obrázku. Tento systém navyţaduje k nanášená ţádný další mechanizmus. Oproti variantě č. 3 je nanášení více rovnoměrné. Zvlákňovací elektroda je přesně vedena vodícími koly. Polymer je doplňován do zásobníku v podobě granulátu a následně roztaven pomocí topného systému.

(30)

Výhody:

 jednodušší konstrukce zařízení

 niţší pořizovací cena

 rovnoměrnější nanášení Nevýhody:

 převíjení elektrody – je nutná velká délka elektrody

 menší výkon nanášení polymeru na elektrodu

1 – sběrná elektroda 6 – snímač polohy 2 – podkladový materiál 7 – spojka drátu

3 – zásobník 8 – otěruvzdorná vloţka 4 – rám 9 – zvlákňovací elektroda 5 – vodící kolo elektrody 10 – nanovlákna

U tohoto systému je zásobník s polymerem stabilní, jelikoţ je připevněn k rámu. V tomto systému se nacházejí dva zásobníky umístěné v okrajových polohách. Zvlákňovací elektroda je ve spodní části spojena spojkou, jelikoţ jí nelze svařit. Zároveň slouţí jako element snímače polohy.

(31)

Po najetí na snímač se přepne smysl otáčení vodících kol na opačný. Snímače jsou na obrázku vyznačeny čísly I a II. Otvor, kterým prochází v zásobníku zvlákňovací elektroda je na jedné straně opatřen otěruvzdornou vloţkou, aby bylo zajištěno nanášení taveniny polymeru jen v jednom směru viz detail D ve schématu nanášecího systému. Polymer je doplňován do zásobníku v podobě granulátu a následně roztaven pomocí topného systému.

Výhody:

 malá délka zvlákňovací elektrody

 přesné vedení zvl. elektrody Nevýhody:

 opotřebení stykových ploch (zásobník-struna, viz detail D)

 menší rovnoměrnost nanášení

 menší ţivotnost zvl. elektrody (větší četnost výměny)

 menší výkon nanášení polymeru

(32)

1 – zásobník s roztaveným polymerem 7 – válečkové vedení 2 – válečkové vedení 8 - nanovlákna

3 – zvlákňovací elektroda 9 – zvlákňovací elektroda 4 – cívka s elektrodou 10 – mazací kolo

5 – podkladový materiál 11 – roztavený polymer 6 – sběrná elektroda 12 – zvlákňovací elektroda

Zásobník s polymerem přejíţdí mezi polohou I a II. V uzavřeném zásobníku je mazací kolo, které je z části svého povrchu ponořeno do polymeru. Odvalováním kolečka o elektrodu se nanáší na elektrodu tenká vrstva roztaveného polymeru.

Jelikoţ se elektroda po mazacím kolečku odvaluje, nedochází ke tření a elektroda se neopotřebovává jako u varianty č. 5. V zásobníku je jen malé mnoţství polymeru. Zásobník je celý uzavřený. Nanášecí zásobník je upevněn na konzole, která je uloţena ve válečkovém vedení. Polymer je doplňován do zásobníku v podobě granulátu a následně roztaven pomocí topného systému.

Výhody:

 niţší pořizovací cena

 malé tření (zvlákňovací elektroda-mazací kolečko)

 přesné vedení zásobníku Nevýhody:

 menší rovnoměrnost nanášení polymeru

 menší výkon nanášení polymeru

 větší četnost doplňování granulátu polymeru do zásobníku

(33)

7 Výběr optimálnějšího návrhu systému nanášení taveniny polymeru

Výběr konečného konceptu inovovaného výrobku je iterativní proces, při kterém se zhodnotí a porovnají jednotlivé dílčí koncepty a následně se vybere ten optimálnější pro další vývoj, zlepšení a testování.

Pro výběr vhodnějšího návrhu se vyuţívá rozhodovací tabulky. Rozhodovací tabulka je většinou tvořena týmem, který oceňuje kaţdý návrh na základě předem stanovených kritérií, které mohou mít různé váhy. V tomto případně jsou nejvýše ohodnocená kritéria: rovnoměrnost nanášení taveniny polymeru a větším výkonem na stejné ploše. K těmto kritériím jsou automaticky přiřazeny největší váhy, které budou nejvíce rozhodovat o nejlepším návrhu. Současně se oboduje kaţdý návrh určitou hodnotou, která odpovídá danému kritériu a po vynásobení a následném sečtení dostaneme celkovou sumu jednoho návrhu.

7.1 Hrubé třídění konceptu

Tabulka č. 3: Rozhodovací tabulka pro hrubé třídění konceptu

Kritérium Návrh

1 2 3 4 5 6

bezpečnost + + + 0 0 +

odolnost vůči teplotám + + + + + +

ţivotnost 0 0 0 0 0 0

rovnoměrnost nanášení + + - + 0 -

funkčnost 0 + + 0 0 0

minimální odkapávání + + + + + +

větší výkon na stejné ploše + + - + 0 -

snadná vyrobitelnost - + + 0 - -

automatizovaný provoz + + + + + +

nepřístupnost vzduchu v zásobníku + + + + + +

minimální tuhnutí 0 0 0 0 0 0

údrţba 0 + 0 - - 0

nízké výrobní náklady 0 0 0 0 0 0

bezporuchovost 0 + 0 - 0 0

energeticky nenáročný provoz + + + + 0 0

jednoduchost provedení 0 0 0 0 - 0

součet (+) 7 12 8 7 4 5

součet (o) 8 4 6 7 9 8

součet (-) 1 0 2 2 3 3

Skóre 14 16 12 12 10 10

Pořadí 2 1 4 3 6 5

Další postup ano ano ne ne ne ne

(34)

Z rozhodovací tabulky pro hrubé třídění je zřejmé, ţe největšího počtu bodů dosáhl návrh č. 2.

7.2 Detailní třídění konceptu

Na základě ocenění jednotlivých konceptů řešitelem této práce a dotázaných členů, kteří shromaţďovali potřeby inovovaného systému nanášení, viz. uvedeny výše, byly ke kaţdému kritériu přiřazena váhy.

Tabulka č. 4: Rozhodovací tabulka pro detailní třídění konceptu

návrh

č.1 návrh

č.2 návrh

č.3

návrh č. 4

návrh č. 5

návrh č. 6 Kritérium Váha

(%) Váha hodnota váţená hm. hodnota

váţená hm. hodnota

váţená hm.

bezpečnost 0.06 6 4 0.24 4 0.24 3 0.18 4 0.24 3 0.18 4 0.24

odolnost vůči

teplotám 0.08 8 5 0.40 5 0.40 5 0.40 5 0.40 5 0.40 5 0.40

ţivotnost 0.03 3 4 0.12 4 0.12 4 0.12 3 0.09 3 0.09 3 0.09

rovnoměrnost

nanášení 0.12 12 5 0.60 5 0.60 2 0.24 5 0.60 2 0.24 2 0.24

funkčnost 0.05 5 5 0.25 5 0.25 5 0.25 4 0.20 2 0.10 3 0.15

minimální

odkapávání 0.09 9 4 0.36 4 0.36 4 0.36 4 0.36 4 0.36 4 0.36

větší výkon na

stejné ploše 0.12 12 5 0.60 5 0.60 2 0.24 5 0.60 3 0.36 2 0.24

snadná

vyrobitelnost 0.02 2 3 0.06 4 0.08 4 0.08 3 0.06 1 0.02 3 0.06

automatizovaný

provoz 0.04 4 4 0.16 4 0.16 4 0.16 4 0.16 4 0.16 4 0.16

nepřístupnost vzduchu v

zásobníku 0.09 9 4 0.36 4 0.36 4 0.36 4 0.36 4 0.36 4 0.36

minimální

tuhnutí 0.08 8 3 0.24 3 0.24 3 0.24 3 0.24 3 0.24 3 0.24

údrţba 0.04 4 3 0.12 4 0.16 3 0.12 2 0.08 2 0.08 3 0.12

nízké výrobní

náklady 0.04 4 2 0.08 3 0.12 4 0.16 3 0.12 3 0.12 4 0.16

bezporucho -

vost 0.06 6 3 0.18 3 0.18 3 0.18 2 0.12 2 0.12 4 0.24

energeticky nenáročný

provoz 0.05 5 4 0.20 5 0.25 5 0.25 4 0.20 2 0.10 4 0.20

jednoduchost

provedení 0.03 3 2 0.06 3 0.09 4 0.12 3 0.09 3 0.09 4 0.12

100 4.02 4.21 3.46 3.92 3.14 3.38

Další postup ano ano ne ne ne ne

Při detailním třídění dosáhl nejvyššího počtu bobů návrh č. 2. V obou variantách třídění se nejlépe umístil stejný návrh nanášení taveniny polymeru tj.

návrh č. 2.

(35)

8 Zhodnocení návrhů metodami DFX

Součástí inovačního procesu jsou i metody pro detailní konstruování, jejichţ rozhodující část tvoří metody typu DFX (Design For X), kde X označuje oblast působení metod. Cílem DFX metod je vytvoření co moţná nejefektivnějšího modelu popisujícího reálný produkční proces. Metody DFX jsou vyuţívány zejména tvůrčími pracovníky z oblasti návrhu a jeho výroby.

Metody DFX řeší vztah navrhovaných výrobků s ohledem na jednoduchost, snadnost a rychlost výroby, montáţe, demontáţe a údrţby.

Obecně platí, ţe čím niţší náklady, tím větší reálná šance v konkurenčním boji.

Aby bylo dosaţeno tohoto cíle, musí konstrukce výrobku a jednotlivé díly splňovat například tyto poţadavky: snadná vyrobitelnost, díly levně nakoupit, maximální počet standardizovaných dílů, minimum spojů, díly asymetrické, snadná demontovatelnou dílů atd.

Metody DFX budou provedeny na návrhu č. 1 a 2, které se v rozhodovací tabulce pro hrubé a detailní třídění, viz předchozí kapitola, umístily na nejvyšších místech.

8.1 Metoda DFA (Design For Assembly) - návrh s ohledem na montáţ výrobku

Montáţ výrobku je nákladný proces a k jeho zvládnutí je výhodné vyuţít metodiku DFA pro navrhování součástí s ohledem na jejich montáţ.

Pro posouzení návrhů se pouţije metoda LUCAS. Podle této metody se nejdříve provede klasifikace dílů sestavy. Díly se rozdělí do dvou základních kategorií:

 kategorie ,,A“ podstatné díly v sestavě z hlediska funkce výrobku

 kategorie ,,B“ díly nepodstatné, ale nezbytně nutné ke kompletaci současného návrhu výrobku, většinou oddělená upevnění

Výsledkem této metody je zjištění efektivnosti vzniku sestavy, náročnosti montáţe a sloţitost přípravy dílu k montáţi.

Pro toto vyhodnocení byly zvoleny koeficienty pro pomocné montáţní operace, které jsou uvedeny v tabulce č. 5, bodové ohodnocení spojovacích montáţních operací je uvedeno v tabulce č. 6.

(36)

Tabulka č. 5: Hodnoty pro pomocné montáţní operace 1.0 vloţení dílu bez orientace či deformace

1.1 orientace v jedné ose

1.2 orientace v jedné ose s rozlišením čela 1.3 orientace matice

1.4 orientace těsnících prvků 1.5 orientace šroubu

1.6 orientace v jedné ose a jedné rovině 1.7 orientace ve dvou rovinách a určení polohy 1.8 stlačení pruţiny

Tabulka č. 6: Hodnoty pro spojovací montáţní operace 1.0 vloţení

1.5 vloţení s umístěním

1.7 vloţení s přesným umístěním 2.0 nasazení

2.2 umístění většího dílu

2.5 nasazení nebo vloţení s přidrţením

2.7 nasazení nebo vloţení s přidrţením v méně přístupném místě 3.0 nasazení nebo vloţení s přidrţením s pouţitím nářadí

4.0 utahování šroubu nebo matice

Metoda DFA je provedena u dvou návrhů, které se obsadily na nejvyšších místech v rozhodovací tabulce tj. u návrhu č. 1 a č. 2., jak uţ je zmíněno v úvodu této kapitoly.

(37)

8.1.1 Vyhodnocení náročnosti montáže návrhu č. 1

Tabulka č. 7: Vyhodnocení náročnosti montáţe – návrh č. 1

analýza spojovací

operace název dílu funkční montáţní

rám 2xA 2x1.2 2x2.2

domeček loţ. 4xB 4x1.2 4x1.5

loţisko 4xB 4x1.5 4x2.0

hřídel 2xA 2x1.6 2x2.2

řemenice 4xA 4x1.6 4x2.0

řemen 2xA 2x1.2 2x2.0

vedení 2xB 2x1.2 2x2.5

zásobník 8xA 8x1.6 8x2.5

drţák zásob. 8xB 8x1.6 8x3.0

kopírovací lišta 2xA 2x1.5 2x2.5

drţák kopír. liš. 4xB 4x1.6 4x2.5

kladka 8xB 8x1.1 8x1.5

šroub M8 26xB 26x1.5 26x4.0

matice M8 24xB 24x1.5 24x4.0

šroub M5 24xB 24x1.5 24x4.0

matice M5 24xB 24x1.5 24x4.0

hadička 8xB 8x1.4 8x1.7

záchytná nádobka 8xA 8x1.6 8x2.0

klapka zásobníku 8xB 8x1.6 8x2.5

=164 M=255.6 S=436.4

efektivnost návrhu A/počet dílů 63%

poměr pomocných operací M/ A 2.4

poměr spojovacích operací S/ A 4.2

(38)

8.1.2 Vyhodnocení náročnosti montáže návrhu č. 2

Tabulka č. 8: Vyhodnocení náročnosti montáţe – návrh č. 2

analýza spojovací

operace název dílu funkční montáţní

rám 2xA 2x1.2 2x2.2

domeček loţ. 4xB 4x1.2 4x1.5

loţisko 4xB 4x1.5 4x2.0

hřídel 2xA 2x1.6 2x2.2

řemenice 4xA 4x1.6 4x2.0

řemen 2xA 2x1.2 2x2.0

vedení 2xB 2x1.2 2x2.5

zásobník 8xA 8x1.6 8x2.5

drţák zásob. 8xB 8x1.6 8x3.0

kopírovací lišta 2xA 2x1.5 2x2.5

drţák kopír. liš. 4xB 4x1.6 4x2.5

pruţina 8xA 8x1.4 8x1.5

kladka 8xB 8x1.4 8x1.7

šroub M8 26xB 26x1.5 26x4.0

matice M8 24xB 24x1.5 24x4.0

šroub M5 24xB 24x1.5 24x4.0

matice M5 24xB 24x1.5 24x4.0

hadička 8xB 8x1.4 8x1.7

záchytná nádobka 8xA 8x1.6 8x2.0

klapka zásobníku 8xB 8x1.6 8x2.5

=180 M=278 S=462

efektivnost návrhu A/počet dílů 67%

poměr pomocných operací M/ A 2.5

poměr spojovacích operací S/ A 4.1

Doporučená efektivnost návrhu sestavy je 60 %. Z tohoto pohledu se ukazuje, ţe je výhodné vyrábět tvarově sloţité díly s integrovanými spojovacími prvky. Po vyhodnocení tabulky č. 7, pro návrh systému nanášení taveniny polymeru č. 1, a tabulky č. 8, pro návrh systému nanášení taveniny polymeru č. 2, je vidět, ţe vyšší efektivnosti dosáhl návrh č. 2.

(39)

8.2 Metoda DFM (Design For Manufactufing)

Dodrţováním principů metody DFM lze dosáhnout nízkých výrobních nákladů.

Zásady metody DFM:

 Jednoduchost – Výrobek s malým počtem jednoduchých dílů s krátkou výrobní sekvencí bude cenově výhodný. Takovýto výrobek má snadný servis. Nepouţívat komplikované, nepřehledné a nejasné tvary.

 Standardní materiály a komponenty – Z hlediska výroby je výhodné pouţívat materiály a komponenty se širokým uplatněním, na které je příslušný výrobní potenciál. Je dobré pouţívat standardní polotovary snadno objednatelné, s krátkými časovými termíny dodání.

 Standardizovaný návrh konstrukce výrobku – V případě, ţe se vyrábí několik typů výrobků, je vhodné v návrhu těchto výrobků pouţít pro různé typové řady výrobků stejné komponenty, čímţ se ušetří na nákladech testování dílů ve výrobě.

 Volné tolerování – Volné tolerování je název pro netolerované rozměry. I netolerované rozměry se musí vyrábět v dané toleranci příslušné normy.

Čím vyšší přesnost rozměrů bude předepsaná na výkrese, tím vyšší bude cena výroby. Poţadované rozměry přesnosti musí odpovídat i jakosti povrchu a hodnoty geometrických tolerancí.

8.3 Metoda DFD (Design For Disassembly)

Metoda DFD je zaměřená na to, aby se na konci ţivotního cyklu mohly díly snadno demontovat separovat a dále recyklovat.

Požadavky metody DFD:

 Zajistit snadné oddělení dílů bez jejich zničení (lze je repasovat. Opravit a dále pouţít).

 Zajistit snadné vyčištění bez negativního vlivu činidla na ţivotní prostředí.

 Zajistit snadnou repasi doplněním opotřebeného materiálu.

 Zajistit snadné testování repasovaných dílů.

 Zajistit snadnou zpětnou montáţ repasovaných dílů do sestavy.

 Pouţít v konstrukci díly, které lze snadno recyklovat.

 Konstruovat tak, aby bylo moţné třídění kovů do skupin zvyšující cenu odpadu.

 Zajistit snadné oddělení dílů z nebezpečných materiálů.

(40)

Principy metody DFD:

 Pouţít rozebíratelných, oddělitelných, snadno repasovatelných, nebo recyklovatelných materiálů.

 Konstruovat výrobky s rozebíratelnými spoji a konektory.

 Zavádění lomových bodů pro snadnější montáţ.

Z hlediska metody DFD jsou nevýhodné svařované, nýtované, lepené, lisované a pájené spoje. [3]

9 FMEA - Failure Mode and Effect Analysis

Metoda FMEA je jednou z metod tzv. ,,Design Review“, které posuzují výrobek z hlediska funkce a spolehlivosti jiţ ve fázi návrhu, tedy v době, kdy odhalení chyb a jejich oprava stojí mnohem méně finančních prostředků neţ v dalších fázích ţivotního cyklu výrobku. D-FMEA je analýza moţných vad a jejich následků a provádí se s cílem identifikovat moţné poruchy výrobku a určit opatření omezující pravděpodobnost výskytu poruchy. Samozřejmostí je celý proces analýzy dokumentovat. K tomu se pouţívají různé FMEA formuláře. Tato metoda je celá zpracována v příloze č. 2.

10 Konstrukční řešení optimálnější varianty

Kapitola č. 10 obsahuje detailní konstruování optimálnějšího návrhu systému nanášení taveniny polymeru tj. návrhu č. 2, který v rozhodovacích tabulkách pro hrubé i detailní třídění dosáhl nejvyššího počtu bodů. Po provedení metod DFX u návrhů č. 1 i 2 také návrh č. 2 dosáhl vyšší efektivnosti montáţe.

3D model celého systému nanášení taveniny polymeru je vytvořen v programu Pro/ENGINEER v4. Pro/ENGINEER je základní konstrukční řešení systému Product Development System od společnosti PTC. Dokáţe navrhnout formu, vlastnosti a funkce výrobků. Tvůrčí týmy mají díky dokonalému webovému propojení přístup ke zdrojům, informacím a funkcím, které potřebují – od koncepčního návrhu přes detailní konstrukci výrobku a vývoj výrobních nástrojů aţ po výrobu.

(41)

V systému Pro/ENGINEER mají vysoce kvalitní modely plnou asociativitu, takţe změny provedené v kterékoliv fázi vývoje se automaticky promítají do všech výskytů výrobku. To vše je třeba k dosaţení přesného digitálního výrobku, který potřebujeme před provedením značné investice do získání zdrojů, výrobních kapacit a zahájení výroby.

Obr. č. 13: 3D Model systému nanášení taveniny polymeru

10.1 Výpočty jednotlivých částí konstrukce systému

Výpočty byly provedeny pomocí programu Mechsoft. Jedná se o výpočtový program slouţící k návrhu komponent převodu, pevnostní kontrole navrţeného převodu a výpočtu silových poměrů. Tento program umoţňuje jednoduše vytvářet a navrhovat normalizované díly jako např. šroubová spojení, kolíky, pera, pojistné krouţky, těsnění, loţiska apod. a následně je vkládat jako jednu skupinu do CAD systému.

(42)

Obr. č. 14: Náhled programu Mechsoft 10.1.1 Výpočet tlačné pružiny

Tlačná pruţina je šroubovitá válcová pruţina se stálou vůlí mezi činnými závity způsobilá přijímat vnější síly působící v její ose proti sobě.

Obr. č. 15: Veličiny tlačné pruţiny