Bakalářská práce
Studijní program: B2301 – Strojní inženýrství Studijní obor: 2301R000 – Strojní inženýrství Autor práce: Petr Jakoubě
Vedoucí práce: Ing. Jozef Kaniok, Ph.D.
Liberec 2017
Koncepční návrh stroje pro finální kompletaci
filtrů pro klimatizační jednotku
Bachelor thesis
Study programme: B2301 – Mechanical Engineering Study branch: 2301R000 – Mechanical Engineering
Author: Petr Jakoubě
Supervisor: Ing. Jozef Kaniok, Ph.D.
Liberec 2017
filters for air - conditioning unit
Conceptual design of machine for final assembly of
Prohlášení
Byl jsem seznámen s tím, že na mou bakalářskou práci se plně vzta- huje zákon č. 121/2000 Sb., o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.
Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé bakalářské práce pro vnitřní potřebu TUL.
Užiji-li bakalářskou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tomto pří- padě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vyna- ložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.
Bakalářskou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím mé bakalářské práce a konzultantem.
Současně čestně prohlašuji, že tištěná verze práce se shoduje s elek- tronickou verzí, vloženou do IS STAG.
Datum:
Podpis:
Abstrakt
Účelem této práce je nalezení vhodné metody výroby nových filtrů, spolu s optimalizací jejich konstrukce, pro klimatizační jednotky řady „Flex-Geko“ z výrobního sortimentu společnosti Denco Happel CZ. Jedná se o jednotky stavebnicové koncepce typu fan coil, určené pro klimatizování prostředí jako jsou kanceláře, vestibuly veřejných budov, hotelů, univerzitní auly apod. Jednotky se vyznačují variabilní délkou dle výkonové verze, nejslabší varianta má délku 450 mm, nejsilnější 1500 mm a ostatní varianty se nacházejí v tomto rozsahu odstupňované po 150 mm. Každé verzi jednotky odpovídá stejně dlouhý filtr, jeho šířka je pro všechny stejná a činí 210 mm. Dále jsou na filtr kladeny dva základní požadavky, a to aby byl skládatelný, což umožní jeho snadné vložení či vyjmutí z jednotky, a aby byl čistitelný, čímž bude zaručena jeho dlouhá životnost.
Na základě těchto požadavků na filtry, jakož i dalších technických a ekonomických aspektů, byla nejprve současně optimalizována již předběžně určená konstrukce filtrů a nalezena nejvhodnější metoda pro jejich produktivní výrobu. V zásadě je podstatou této metody připojení filtračního média k nosné části filtru – obdélníkovým rámečkům.
Původně byla uvažována metoda šití, která se však následně ukázala prakticky neaplikovatelná pro tento případ. Poté se pozornost obrátila na tepelné svařování a svařování ultrazvukem, které bylo nakonec shledáno jako nejvhodnější. Na základě této volby byla vypracována koncepce jednoúčelového stroje pro výrobu filtrů. Posléze byla částečně rozpracována jeho konstrukce, kdy u klíčových uzlů stroje byly posouzeny možné varianty jejich řešení, míra automatizace apod.
Výstupem práce je především 3D model stroje vytvořený v programu Autodesk Inventor, jakož i odpovídající výkresová dokumentace vybraných, důležitých částí stroje.
V návaznosti byly v rámci práce učiněny návrhy na alternativní řešení některých skupin stroje, jakož i na další možná vylepšení konstrukce či řešení případných problémů.
Klíčová slova
Filtr, filtrační médium, rámeček, jednoúčelový stroj, svařování ultrazvukem
Abstract
Purpose of this thesis is finding of apropriate method for production of new filters, together with optimalisation of their design, for range of air-conditioning units „Flex- Geko“ from production of company Denco Happel CZ. Flex-Geko‘s are designed as fan- coil units with modular conception, supposed for air-conditioning of enviroments such as offices, vestibuls of public buildings, hotels, university aula etc. Units are typical by variable lenght according to their power output version, weakest one has lenght of 450 mm, strongest one 1500 mm and other versions are placed between those in 150 mm steps. Each of these variants has own filter with corresponding lenght, wide is same for all filters and reaches 210 mm. Furthermore there are two demands on filters, first is ability to bend, which is going to make it easy to put them in or out of the unit, second is possibility of cleanin them, in order to ensure their long lifetime.
Based on these demands on filters, and also other technical and economical aspects, was first in one event chosen ideal method for their efficient production together with optimalisation of their design for that method. Basicly the core of that method is about joining of filtration substance to supporting structure – rectangular frames. Originaly prefered sewing later showed as practicaly not applicable for that case, so focus turned on joining by heat welding and ultrasonic welding, which was found as best option. Due to that choise, rough conception of single-purpose machine for production of filters was developed. In next step, design of the machine was partially processed, together with evaluation of possible alternative solutions of core machine parts, level of automatisation etc.
Outcome of the thesis is mainly 3D model of the machine developed in software Autodesk Inventor, as well as related drawings of chosen, important parts of the machine. In continuity, proposals for alternative solutions of some parts of the machine were made, together with other possibilities of improving of the machine and solving of problems which could appear.
Keywords
Filter, filtration substance, frame, single-purpose machine, ultrasonic welding
7
Obsah
1 Úvod ... 9
2 Filtry a metody jejich výroby ... 10
2.1 Popis filtrů ... 10
2.2 Parametry vzduchotechnických filtrů ... 10
2.3 Rozdělení filtrů ... 11
2.4 Šití ... 13
2.4.1 Obecný popis ... 13
2.4.2 Charakteristika spoje ... 13
2.5 Svařování ultrazvukem ... 14
2.5.1 Obecný popis ... 14
2.5.2 Princip procesu ... 14
2.5.3 Svařitelnost materiálů ... 15
2.6 Svařování teplým tělesem ... 17
2.6.1 Obecný popis ... 17
2.6.2 Svařitelnost materiálů ... 18
3 Současný a nový filtr ... 19
3.1 Současný filtr ... 19
3.2 Nový filtr ... 20
4 Výběr metody a optimalizace konstrukce filtru ... 22
4.1 Zhodnocení šití ... 22
4.2 Zhodnocení ultrazvuku ... 22
4.3 Zhodnocení tepelného svařování ... 23
4.4 Výběr vhodné metody ... 23
4.5 Upřesnění konstrukce filtru ... 25
5 Jednotlivé kroky výrobního procesu ... 28
5.1 Příprava filtračního média ... 28
5.2 Příprava rámečků ... 28
5.3 Příprava pro svařování ... 28
5.4 Svařování ultrazvukem ... 30
5.5 Dokončení ... 30
8
6 Konstrukce stroje ... 31
6.1 Základní koncepce stroje ... 31
6.1.1 Části stroje ... 31
6.1.2 Uspořádání ... 31
6.1.3 Míra automatizace ... 33
6.2 Rám stroje ... 34
6.2.1 Specifikace ... 34
6.2.2 Základní parametry rámu ... 35
6.2.3 Konstrukční prvky ... 36
6.2.4 Dolní podélník ... 38
6.2.5 Horní podélník... 39
6.3 Upínací stůl ... 40
6.3.1 Základní funkce ... 40
6.3.2 Uspořádání ... 40
6.3.3 Upínací část ... 42
6.3.4 Překládací část ... 44
6.3.5 Vyhazovač ... 46
6.4 Konzoly ultrazvuku ... 48
6.4.1 Základní funkce ... 48
6.4.2 Pevná konzola ... 49
6.4.3 Posuvná konzola ... 50
6.5 Zásobník rámečků ... 52
6.5.1 Požadavky ... 52
6.5.2 Varianty řešení ... 53
6.5.3 Konstrukční provedení ... 53
7 Ekonomické posouzení ... 56
7.1 Pořizovací náklady ... 56
7.2 Produktivita ... 59
Závěr ... 61
Použitá literatura ... 62
Seznam příloh ... 62
9
1 Úvod
Tato práce vznikla na základě požadavku společnosti Denco Happel CZ řešit problematickou situaci týkající se filtrů, které jsou v současnosti vyráběny v této společnosti pro klimatizační jednotky Flex – Geko, které tato firma rovněž vyrábí.
Konstrukce těchto filtrů se vyznačuje určitými nedostatky, a to jak z pohledu koncového zákazníka, tak i problémů spojených s jejich výrobou. Z těchto příčin vyplývá požadavek na zavedení filtrů nové konstrukce a nalezení vhodné metody jejich výroby spolu s návrhem výrobního zařízení. Zároveň je v plánu zvýšení objemu výroby ze současných cca 30000 ks těchto filtrů ročně na cca 60000 ks, tedy dvojnásobné množství.
Jednotky Flex – Geko jsou jednoduché klimatizační jednotky, sloužící k vytápění či chlazení větších místností či prostranství, jako jsou například vestibuly veřejných budov nebo kanceláře. Jednotky existují ve verzi s ochranným opláštěním a poté se umisťují volně do prostranství, nebo ve verzi bez opláštění, pak jsou umisťovány do vyhrazených prostorů. Jednotky jsou vyráběny v osmi variantách, které se od sebe liší především výkonem. Zároveň se tyto varianty liší délkou jednotky, která úměrně narůstá spolu s výkonem.
Na vstupu vzduchu do jednotky je umístěn jednoduchý filtr obdélníkového tvaru, který chrání jednotku před zanášením, resp. poškozením nečistotami rozptýlenými ve vzduchu. Základním rysem současného i nového filtru je třída filtrace G4, tedy jedná se o filtr chránící jednotku před hrubšími nečistotami. Během provozu se filtr zanáší, což se projevuje poklesem výkonu jednotky. Současný filtr nelze vyčistit ani jinak obnovit a při zanešení je nutné jej vyměnit za nový, což představuje dodatečné náklady pro zákazníka.
Z toho vyplývá první významný požadavek na konstrukci nového filtru, která musí umožňovat čištění a tím významné prodloužení životnosti. Dalším problémem současného filtru z pohledu zákazníka je jeho jednodílná konstrukce, která zvláště u delších jednotek (délka filtru odpovídá délce jednotky) ztěžuje jeho vložení nebo vyjmutí z jednotky. Nový filtr proto musí být dělený, resp. skládatelný. Problém ze strany výrobce je ten, že současným výrobním postupem není možné nový filtr vyrobit, navíc je plánováno zvýšení objemu výroby. Z tohoto důvodu je spolu se zavedením nového filtru potřeba nalézt vhodný způsob jeho výroby a navrhnout odpovídající výrobní zařízení.
10
2 Filtry a metody jejich výroby 2.1 Popis filtrů
Filtry jsou jednoduchá zařízení používaná u strojů pracujících s tekutými médii, tedy u hydraulických, pneumatických či vzduchotechnických zařízení. Vyskytují se u zařízení jak s otevřeným, tak i s uzavřeným pracovním okruhem. Slouží pro zachycování nežádoucích částic (nečistot), které jsou rozptýlené v pracovním médiu a které by mohly poškodit zařízení, snížit jeho účinnost apod. Pro zachycování nečistot se využívá následujících metod:
- Uchycení
- Gravitační usazení - Elektrostatické usazení - Difúze
- Setrvačné účinky
2.2 Parametry vzduchotechnických filtrů
Účinnost filtrace – je definována jako schopnost filtru pohlcovat prach, určuje se jako poměr množství prachu zachyceného filtrem k celkovému množství prachu na vstupu do filtru, [%]
S1 = množství prachu na vstupu do filtru [mg/m3] S2 = množství prachu na výstupu z filtru [mg/m3]
Celková účinnost – účinnost zadržení celkové hmoty prachu bez zohlednění rozdělení na frakce
Částečná účinnost (frakční) –účinnost určovaná pro stanovený průměr (nebo rozmezí průměru) částic, [%]
Činitel prostupu – poměr množství prachu na vstupu do filtru k množství na výstupu, [%]
11 Prachový objem filtru - hmotnost prachu zadrženého filtrem vztažená na jednotku povrchu filtru, při které nastane mezní stav filtru (nutnost výměny či vyčištění filtru), [g/m2]
Tlaková ztráta na filtru – statický tlakový spád mezi vstupem a výstupem filtru, [Pa]
Počáteční tlaková ztráta na filtru – stanovuje se pro čistý filtr, [Pa]
Koncová tlaková ztráta na filtru – stanovuje se pro filtr při dosažení mezního stavu, [Pa]
Nominální průtok vzduchu – průtok vzduchu, pro který je filtr výrobcem navržen při nominální hustotě vzduchu 1,2 [g/m3], [m3/s]
Čelní povrch filtru – povrch průřezu filtru včetně rámu, [m2]
Aktivní povrch filtru – povrch průřezu filtru, kterým protéká vzduch, [m2]
Efektivní povrch filtračního materiálu – celková plocha filtračního materiálu, kterou protéká vzduch, [m2]
Vstupní rychlost – objemový proud vzduchu [m3/s] dělený čelním povrchem filtru [m2], [m/s]
Průtoková rychlost – objemový proud vzduchu [m3/s] dělený aktivním povrchem filtru [m2], [m/s]
Filtrační rychlost – objemový proud vzduchu [m3/s] dělený efektivním povrchem filtračního materiálu [m2], [m/s]
2.3 Rozdělení filtrů
Vzduchotechnické filtry rozdělujeme především dle třídy filtrace, kterou určují normy EN 779 (třídy G, M a F) a EN 1822 (třídy E, H a U, resp. EPA, HEPA a ULPA). Dále se filtry dělí dle konstrukčního provedení, použitého filtračního média atd.
12 Filtry třídy G slouží jako ochranné filtry klimatizačních zařízení, případně jako hlavní filtry v nenáročných aplikacích (kanceláře, obchodní centra). Dále se používají pro předfiltraci před filtry vyšších tříd. Filtry třídy M mají podobné využití jako předchozí, dosahují lepších parametrů filtrace. Slouží též jako předfiltry. Filtry třídy F se používají jako konečný filtrační stupeň při náročných požadavcích na kvalitu filtrace (nemocnice, výrobní prostory), případně slouží jako filtrační mezistupeň pro nejvyšší třídy filtrace.
Třídy EPA, HEPA a ULPA jsou určeny pro nejnáročnější aplikace, jako jsou laboratoře, operační sály, čisté prostory v elektrotechnickém a optickém průmyslu atd.
Tabulka 1: Třídy filtrace dle EN 779
Skupina Třída filtrace
Tlaková ztráta
[Pa]
Střední stupeň odlučivosti Am syntetického
prachu [%]
Střední stupeň účinnosti Em u částic 0,4 µm [%]
Minimální účinnost Me u částic 0,4 µm
v elektricky vybitém stavu [%]
Hrubý prach
G1
250
50 ≤ Am < 65
G2 65 ≤ Am < 80
G3 80 ≤ Am < 90
G4 90 ≤ Am
Střední prach
M5 450 40 ≤ Em < 60
M6 60 ≤ Em < 80
Jemný prach
F7
450
80 ≤ Em < 90 35
F8 90 ≤ Em < 95 55
F9 95 ≤ Em 70
13 Tabulka 2: Třídy filtrace dle EN 1822
Skupina
filtrů Třída filtrace
Celková hodnota účinnosti [%]
Celková hodnota průniku [%]
Lokální hodnota účinnosti [%]
Lokální hodnota průniku [%]
Skupina E (EPA)
E10 ≥ 85 ≤ 15
E11 ≥ 95 ≤ 5
E12 ≥ 99,5 ≤ 0,5
Skupina H (HEPA)
H13 ≥ 99,95 ≤ 0,05 ≥ 99,75 ≤ 0,25
H14 ≥ 99,995 ≤ 0,005 ≥ 99,975 ≤ 0,025 Skupina U
(ULPA)
U15 ≥ 99,999 5 ≤ 0,000 5 ≥ 99,997 5 ≤ 0,002 5 U16 ≥ 99,999 95 ≤ 0,000 05 ≥ 99,999 75 ≤ 0,000 25 U17 ≥ 99,999 995 ≤ 0,000 005 ≥ 99,999 9 ≤ 0,000 1
2.4 Šití
2.4.1 Obecný popis
Jde o klasickou technologii spojování především textilií, ale i jiných materiálů. Spoj vzniká pomocí mechanické vazby nití (nebo např. vlascem), která k sobě váže pomocí stehů části látky, obvykle přeložené přes sebe. Rozlišujeme ruční a stojní šití. Strojní šití je dodnes jednou ze základních technologií oděvního a obuvnického průmyslu, ale vyskytuje se i v mnoha jiných odvětvích.
2.4.2 Charakteristika spoje
U ručního šití jsou stehy tvořeny jednou nití, která prochází skrz spojované materiály z jedné strany na druhou a zpět, steh je následně utahován tahem za niť. Takovýto způsob tvory stehu prakticky nelze realizovat strojně. Při strojním šití obvykle steh tvoří dvě nitě, kdy jedna je protažena skrz spojované materiály a následně stejným otvorem zpět, při čemž vytváří na druhé straně očko. Tímto očkem je posléze protažena nit druhá, očko je utaženo díky posuvu materiálů a díky tomu, že obě nitě jsou během procesu napnuty. Takovýto proces šití lze u jednoduchých výrobků plně automatizovat, ale mnoho výrobků (např. oděvy a obuv) je tvarově složitých a proto je nutná lidská obsluha.
14
2.5 Svařování ultrazvukem 2.5.1 Obecný popis
Jedná se o moderní metodu pro vytváření materiálových spojů. V současnosti se běžně využívá pro svařování mnoha druhů plastů, kovů ale i zcela rozdílných materiálů navzájem. Svar je vytvořen působením vysokofrekvenčních kmitů, které díky tření způsobí vznik tepla. S pomocí přítlaku materiálů k sobě vznikne velmi rychle materiálový spoj. Metoda je hojně využívána především tam, kde požadujeme vysokou produktivitu, jako např. při výrobě domácích spotřebičů, elektronických zařízení, automobilů a v textilním průmyslu.
2.5.2 Princip procesu
Metoda využívá pro tvorbu svaru vysokofrekvenční mechanické kmitání, které vzniká v ultrazvukovém měniči (konvertoru). Měnič, resp. jeho vinutí je napájeno proudem s vysokou frekvencí (4 ÷ 100) kHz a k vzniku mechanických kmitů dochází pomocí piezoelektrického principu. K měniči je připojen trychtýřovitý vlnovod (booster), který zesiluje amplitudu kmitání. Po vlnovodu následuje sonotroda, která již přenáší kmitání do jednoho ze spojovaných materiálů. Skrze něj se kmity šíří do místa styku s druhým materiálem, který je pevně upnut. V místě styku se vlivem tření energie kmitání přemění na teplo, které nataví styčné vrstvy materiálů, a přítlak realizovaný sonotrodou způsobí promísení molekul materiálů a tím vznik svarového spoje. Tvar svaru je určen tvarem sonotrody, čas pro vytvoření jednoho svaru se pohybuje v řádech zlomků sekundy až několika sekund. Čas potřebný pro vytvoření svaru klesá s rostoucí amplitudou kmitání, která však nesmí překročit kritickou hodnotu, při které vznikne vlivem velkého natavení materiálů nekvalitní spoj. Běžně se tak pracuje s amplitudou (5 ÷ 50) μm.
15 Obr. 1: Schéma zařízení pro ultrazvukové svařování
Obr. 2: Svářečka TelsonicUltrasonics UPS 3000
2.5.3 Svařitelnost materiálů
Svařování ultrazvukem umožňuje spojovat velké množství materiálů, především kovů, jejich slitin, plastů, keramiky atd. Kromě spojování dvou stejných či blízkých materiálů lze vytvořit i spoj mezi zcela cizorodými materiály, např. keramikou a kovem. Jsme však
16 omezeni vlastní podstatou procesu, aby mohlo dojít k promísení svařovaných materiálů, musí být velikost jejich atomů podobná (rozdíl do 18%). Z kovů je dobře svařitelný hliník, měď a mosaz, nikl, stříbro či zlato, nevhodný je naopak cín, olovo a zinek i slitiny s obsahem těchto kovů. Velmi měkké a velmi tvrdé kovy či slitiny se svařují obtížně.
Svařitelnost plastů je omezena na termoplasty, vhodnost konkrétních materiálů je uvedena v následující tabulce 3:
Tabulka 3: Svařitelnost plastů ultrazvukem
Druh plastu Svařitelnost ultrazvukem
PE - polyethylen omezená
PP - polypropylen omezená
PVC - polyvinylchlorid dobrá
měkčený PVC žádná
PS - polystyren dobrá
Houževnatý PS dobrá
ABS - akrylonitrilbutadienstyren dobrá
SAN - strenakrylonitril dobrá
PMMA - polymethylmethakrylát dobrá
PA - polyamid omezená
POM - polyoxomethylen dobrá
PC - polycarbonát omezená
PBTP - polybutylentereftalát dobrá
17 Svařitelnost cizorodých materiálů závisí na množství faktorů, je nutné ji ověřit pro konkrétní případ. Kromě výše uvedeného závisí svařitelnost na správném návrhu spoje (průřez pouze nezbytně velký), parametrech procesu (přítlačná síla, amplituda kmitů, frekvence kmitů, čas svařování), čistotě spojovaných povrchů (především u plastů) atd.
2.6 Svařování teplým tělesem 2.6.1 Obecný popis
Podstatou metody je vytvoření materiálového spoje natavením styčných ploch spojovaných dílů. K natavení dochází pomocí přivedení tepla z ohřátého tělesa, které je vloženo mezi svařované díly. Poté, co jsou styčné plochy nataveny, je těleso vyjmuto a díly jsou přitlačeny k sobě, čímž vznikne svarový spoj.
Obr. 3: Proces svařování teplým tělesem
Metoda se rozděluje dle mechanismu přenosu tepla mezi tělesem a svařovanými díly a na teplotě:
Kontaktní – horké těleso se přímo dotýká obou svařovaných dílů, přenos tepla se tedy realizuje kondukcí, teplota se pohybuje v rozmezí (180÷270)°C
Vysokoteplotní – v principu stejné jako předchozí, ale s vyšší teplotou do 400 °C
Radiační – nedochází ke kontaktu horkého tělesa a svařovaných dílů, přenos tepla probíhá zářením, teplota tělesa až 600 °C
18 Obr. 4: Zařízení pro svařování horkým tělesem
2.6.2 Svařitelnost materiálů
Základním omezením je možnost svařovat pouze termoplasty, vzhledem k jejich makromolekulární struktuře, umožňující opětovné přechody z pevné do plastické až tekuté fáze. Vzájemně svařovat lze pouze totožné, nebo velmi blízké druhy termoplastů, nejvhodnější jsou materiály s širokým rozsahem oblasti viskózního toku (plasticity) a materiály s pozvolným přechodem do tekutého stavu. Konkrétně se jedná především o PP, PS, PVC a PE. Méně vhodný je PA, který má strmý přechod do tekuté fáze, nevhodný je POM, který má za zvýšené teploty sklon k oxidaci.
19
3 Současný a nový filtr 3.1 Současný filtr
Filtry v současnosti používané v jednotkách Flex – Geko mají jednoduchou, jednodílnou konstrukci, každé délkové verzi jednotky tedy náleží odpovídající filtr. Jako filtrační médium se využívá netkaná textilie v několika třídách hustoty, závisejících na požadované třídě filtrace. Rámeček je tvořen dvěma bočními a dvěma podélnými plastovými profily. Profily mají členitý průřez a jsou vyrobeny z částečně poddajného materiálu. Délka podélných profilů je individuální v závislosti na délkové verzi jednotky Flex – Geko. Do těchto profilů je pomocí jednoduchých přípravků vložena a fixována netkaná textilie. Z pohledu výroby a zákazníka májí však tyto filtry určité nevýhody.
Snaha o minimalizaci tlakové ztráty na filtru ve třídě G4 vede k použití velmi řídké netkané textilie, která postrádá mechanickou pevnost. Navíc se již v materiálu objevují vady, především místa se značným prořídnutím, čímž dochází k porušení parametrů třídy filtrace. Zásadní ekonomickou nevýhodou je nemožnost jakéhokoli čištění filtru, který je tím pádem po zanesení nutné měnit za nový. Dalším problematickým prvkem je jednodílná konstrukce filtru, která komplikuje vyjmutí filtru při umístění jednotky ve stísněných prostorách.
Obr. 5: Současný filtr pro jednotku Flex - Geko
20
3.2 Nový filtr
Konstrukce filtru je určena požadovanými parametry. Je nutné realizovat filtr v celkem 8 délkových variantách (450, 600, 750, 900, 1050, 1200, 1350, 1500 mm) dle jednotky Flex – Geko. V současnosti jsou ve výrobě rovnoměrně zastoupeny jak kratší, tak i delší varianty. Výška všech variant je shodná a činí 210 mm. Filtr musí splňovat třídu filtrace G4 a musí být uzpůsoben pro periodické čištění – mytí. Filtrační médium a rámeček filtru tedy musí být voděodolný, resp. korozivzdorný, rámeček by zároveň měl být mechanicky pevný. Jako vhodné filtrační médium se jeví některá z průmyslových dvoukomponentních „látek“, skládajících se z nosné osnovy, která je pokryta vrstvou plastu. Jedná se o materiál odolný vodě a mechanickému namáhání, trvanlivý, cenově nenáročný a umožňující spojování různými metodami. Rámeček je možné zhotovit ohýbáním z pozinkovaného ocelového drátu, při větším objemu výroby lze uvažovat o plastových rámečcích vyráběných vstřikováním. Filtrační médium bude použito v jedné vrstvě, při použití ocelových rámečků budou okraje přehnuty o 180° okolo rámečku, aby mohl být v místě překrytí proveden spoj. Šířka překrytí bude co nejmenší a bude se řídit technologičností spoje. Při použití plastových rámečků je s výhodou možné spojit filtrační médium s rámečkem přímo, bez přehýbání. Lze předpokládat, že počáteční tlaková ztráta filtru daných parametrů bude nízká. Aby bylo možné vyjmout filtr z jednotky i ve stísněných prostorách, je nutné jej realizovat jako skládací, čehož je možné dosáhnout použitím několika menších rámečků místo jednodílného. K dosažení požadovaných délek filtru postačí použití správného počtu rámečků dvou rozdílných délek, jako vhodné kombinace pro další posouzení se jeví 200/250 mm (přehled uspořádání jednotlivých délek filtru pro tuto kombinaci viz tabulka 4 umístěná níže) a 150/300 mm. V druhém případě by kratší verze rámečku byla použita pouze po jednom kuse pro doplnění u délkových verzí filtru, které nejsou čistými násobky delší verze rámečku. Předpokládá se, že v případě potřeby budou jednotlivé rámečky k sobě vazbeny jednoduchými dílky či profily, které budou udržovat integritu filtru a zároveň umožňovat vzájemné naklápění rámečků, tedy skládání filtru. Nejprve však bude prověřeno provedení filtru bez spojovacích elementů, kdy rámečky budou drženy na svém místě pouze filtračním médiem.
21 Tabulka 4: Přehled uspořádání délkových verzí filtru při použití rámečků délek
200/250 mm
Jmenovitá délka
filtru [mm] Počet krátkých polí
[ks] Počet dlouhých polí [ks]
450 1 1
600 3 0
750 0 3
900 2 2
1050 4 1
1200 1 5
1350 3 3
1500 0 6
Obr. 6: Skládatelnost nového filtru
22
4 Výběr metody a optimalizace konstrukce filtru 4.1 Zhodnocení šití
Mezi výhody této technologie patří nízké pořizovací náklady při aplikaci na jednoduché výrobky, případně pro kusovou výrobu složitějších výrobků. Použití této metody pro automatizovanou sériovou výrobu složitějších dílů je náročnější především z hlediska upínání a manipulace s textilií. Upínací prvky totiž musí spolehlivě držet textilii a při tom nezasahovat do dráhy šicí hlavy a umožňovat pohyb textilie do všech míst budoucího spoje. Tyto komplikace si žádají vývoj složitých jednoúčelových strojů, nebo alternativně realizovat výrobu na standardních šicích strojích s větším podílem ruční práce, což přichází v úvahu pouze v zemích s levnou pracovní silou. Pevnost spojů závisí především na druhu švu a použité niti, je tudíž snadné dosáhnout požadované pevnosti. Sešívání tkaných textilií je obvykle bez komplikací, naopak spojování netkaných textilií či jiných materiálů bývá obtížné a závisí na konkrétním materiálu a dalších aspektech. Pozitivní skutečností jsou zkušenosti s touto metodou, neboť je ve společnosti Denco Happel CZ využívána právě k výrobě rozličných filtrů.
4.2 Zhodnocení ultrazvuku
Kladnou stránkou této technologie je poměrně snadné dosažení vysoké produktivity, neboť čas pro vytvoření jednoho spoje se pohybuje maximálně v řádu několika sekund.
Metoda je poměrně vhodná pro automatizaci a využití ve formě jednoúčelového stroje, neboť jednotlivé prvky ultrazvukové technologie jsou snadno k dostání, nejsou rozměrově náročné a nevyžadují speciální provozní podmínky. Metoda je zároveň energeticky efektivní, neboť pro vytvoření spoje je spotřebováno jen nezbytné množství tepla, které je přivedeno v minimální době pouze do místa spoje, čímž nevznikají zbytečné ztráty. Naopak omezující je použitelnost pouze pro vhodné materiály, nicméně není zapotřebí přídavných spojovacích materiálů či elementů. Pevnost spoje je při použití vhodného materiálu a správném návrhu spoje jakož i ostatních parametrů technologie velmi dobrá, blížící se pevnosti samotného materiálu. Záporem jsou však vyšší pořizovací náklady.
23
4.3 Zhodnocení tepelného svařování
Tato metoda je dobře uplatnitelná především v sériové výrobě při spojování kompaktních a dostatečně tuhých dílů. Podobně jako u svařování ultrazvukem je zde nutno počítat s vyššími pořizovacími náklady, neboť jednoúčelové stroje založené na této metodě jsou poměrně komplikované v závislosti na tvarové složitosti výrobku.
Komplikací při využití této metody jsou bezpečnostní rizika spojená s přítomností horkého tělesa, kdy musí být konstrukcí stroje zabráněno možnému úrazu. Ze své podstaty je tato metoda více energeticky náročná než předchozí. Produktivita metody je ve srovnání s ultrazvukem nižší, neboť pro vytvoření spoje je potřeba provést více úkonů a dosažení potřebné teploty spojovaných dílů trvá déle. Množství materiálů vhodných ke spojování touto metodou je obdobné jako u technologie ultrazvuku.
Omezením je možnost spojovat pouze díly ze shodného materiálu, není však zapotřebí dalších přídavných materiálů. Pevnost spoje je opět nejvíce ovlivněna volbou materiálu a správných parametrů technologie, jakož i správný návrhem spojovaných dílů (resp.
jejich styčných ploch).
4.4 Výběr vhodné metody
Ve společnosti Denco Happel CZ již byla zkušebně provedena výroba nového filtru (s rámečkem z ocelového drátu) metodou šití na běžném šicím stroji. Jako filtrační médium byla použita již zmíněná dvoukomponentní „látka“, jejíž vzorek společnost k tomuto účelu zakoupila. Bylo zjištěno, že zhotovení filtru touto metodou je prakticky nerealizovatelné, neboť s přehnutím filtračního média přes rámeček a následným držením těchto dvou prvků ve správné vzájemné poloze musí obsluze šicího stroje vypomoci další pracovníci. I přes snahu všech zúčastněných byla kvalita výrobku nevalná, navíc časová náročnost tohoto procesu byla neúnosná. Zároveň bylo zjištěno, že použité zoubkové podávání šicího stroje má tendenci poškozovat filtrační médium, což by však mohlo být vyřešeno pomocí podávání rolničkového. Je zřejmé, že při případném návrhu jednoúčelového stroje pro výrobu filtru šitím by bylo též velmi komplikované vyřešit přehnutí a fixaci filtračního média, zvláště přihlédneme-li ke skutečnosti, že filtr se bude skládat z několika polí (při zkušební výrobě vzorku se jednalo pouze o jednodílný filtr). Vzhledem k výše uvedenému se nejeví použití metody šití jako perspektivní.
24 U metody svařování ultrazvukem a tepelného svařování je nejprve nutné ověřit svařitelnost filtračního média těmito metodami. Tato vlastnost byla ověřena na vzorcích výše zmíněné „látky“ provedením pokusných svarů. V případě ultrazvuku byla k pokusu využita jednoduchá ruční pistolová svářečka. Tuto zkoušku umožnila provést ve svých prostorách a na svém zařízení firma Ultratech s r.o., výsledek pokusu byl kladný, svar se podařilo bez problému vytvořit. U metody tepelného svařování byla zkouška zjednodušeně provedena pomocí běžné žehličky. Svařitelnost materiálu se ukázala jako dobrá, pouze se vyskytnul problém s ulpíváním nataveného média na povrchu žehličky, což lze přičíst špatné kvalitě jejího povrchu a tento problém by zřejmě za správných podmínek nenastal. Pomocí obou výše zmíněných metod je tedy možné vytvořit spoj požadovaných vlastností, tedy i v zásadě vyrobit daný filtr. Při použití tepelného svařování by výhodou byla nižší cena zařízení, tedy i pořizovací náklady na stroj, jehož konstrukce by však musela být zřejmě složitější. Další nevýhodou je nižší produktivita této metody, jakož i nemožnost případného přímého spojení média a rámečku (při použití plastových rámečků). Naopak metoda svařování ultrazvukem tuto možnost nabízí, v zásadě je jedinou její nevýhodou vyšší cena, která je ale vyvážena vyšší produktivitou. Z těchto důvodů bude použití ultrazvuku upřednostněno.
Obr 7 a 8: Zkušební svary provedené ultrazvukovou svářečkou a teplem - žehličkou
25
4.5 Upřesnění konstrukce filtru
V první řadě je nutné zvolit jednu z možných kombinací délek rámečků, tedy
200/250 mm nebo 150/300 mm. Určitou výhodou první varianty je malý rozdíl délek obou rámečků, což by mohlo umožnit provádění svarů na obou rámečcích stejnými nástroji, jednalo by se tak o úsporné, ale kompromisní řešení. Dále však má tato varianta několik nevýhod oproti druhé. Různé délky filtru se velmi liší z hlediska poměru počtu delších a kratších rámečků, některé verze se přímo skládají pouze z jednoho druhu rámečků. Tato skutečnost znamená potenciální komplikaci pro návrh stroje, konkrétně především pro uvažovaný automatizovaný zásobník rámečků. Další nevýhodou je potřeba většího množství rámečků oproti kombinaci 150/300 mm u některých délek filtru (přesněji se jedná o jeden rámeček navíc u délek 600, 900, 1200 a 1500 mm). Na základě výše uvedeného bude tedy upřednostněna kombinace 150/300 mm.
Dále je potřeba zvolit provedení rámečků, tedy vybrat mezi rámečky z ohýbaného ocelového drátu a rámečky plastovými, vstřikovanými. Hlavní výhodou plastových rámečků je možnost navařit filtrační médium přímo k nim, bez nutnosti přehnout jej okolo rámečku. Z toho plyne zjednodušení konstrukce stroje, spolu s mírnou úsporou času. Musel by však být nalezen vhodný druh plastu pro zhotovení rámečků, který by umožnil dobré svaření s médiem. Jako problematická se jeví mechanická odolnost takto zhotoveného filtru. Aby byly rámečky odolné, musely by být poměrně masivní, nebo zhotoveny z pružného plastu, je zde však riziko, že po delší době, navíc při umístění v klimatizační jednotce, by materiál poddajnost ztratil. Naopak provedení filtru s ocelovým rámečkem je v tomto směru spolehlivé, navíc filtrační médium přehnuté okolo rámečků může splnit i funkci vazby mezi rámečky, zatímco v případě plastových rámečků by bylo nutné doplnit spojovací elementy. Především s ohledem na odolnost a trvanlivost je zvoleno provedení s rámečky z ocelového drátu.
Nyní již zbývá pouze doladit detaily konstrukce filtru. U rámečků je potřeba zvolit jejich přesnou délku, která bude nižší než jmenovitá (150, resp. 300 mm), aby mezi nimi vznikla přiměřená mezera umožňující snadné skládání. Pro kratší rámeček byla zvolena délka 145 mm a pro delší 290 mm (jedná se o celkové délky, tedy měřené přes rámeček).
U filtračního média je potřeba navrhnout vhodnou úpravu rohů, aby se při přehnutí zabránilo překrytí více než dvou vrstev média, což by představovalo překážku vytvoření
26 svaru. Jako vhodné se ukázalo zkosení rohu pod úhlem 45° s případným přidáním výštipu pro odstranění ostrého rohu vznikajícího po přehnutí média. Tvary jsou zobrazené spolu s vyznačenou polohou rámečku na obrázcích 10, 11 a 12.
Obr. 9: Zvolená konstrukce filtru, filtrační médium je přehnuto přes ocelový rámeček, v místě překrytí budou provedeny svary
Obr. 10: Úprava rohu média bez výštipu
27 Obr. 11: Úprava rohu média s ostrým výštipem
Obr. 12: Úprava rohu média s oblým výštipem
28
5 Jednotlivé kroky výrobního procesu 5.1 Příprava filtračního média
Příprava filtračního média spočívá v jeho nadělení na díly potřebných rozměrů.
V ideálním případě se podaří zajistit dodávky již připravených dílů od dodavatele.
Nebude-li to možné, bude médium zřejmě nakupováno ve svitcích, a to buď již potřebné šíře, nebo v šíři běžně obvyklé. V takovém případě bude nejprve nutné provést podélné dělení materiálu. To lze provést pomocí kotoučových nůžek, laserem či odporovým drátem a získat tak několik svitků finální šíře. Celkově se však jedná o nevýhodnou operaci navíc, při které by navíc zřejmě vznikal odpad (šíře výchozího svitku by nebyla celočíselným násobkem potřebné finální šíře) a proto je žádoucí zajistit alespoň dodávky média již s finální šířkou. Dalším krokem bude příčné dělení média na potřebnou délku spolu s úpravou rohů. Nejsnazším způsobem je ustřižení pomocí jednoduchých pákových nůžek ovládaných manuálně, případně automaticky (pneumaticky).
5.2 Příprava rámečků
Vlastní rámečky budou nakupovány od dodavatele a tím pádem by samy o sobě neměly vyžadovat žádnou další úpravu. V případě, že by bylo shledáno nepostačující mít rámečky spojeny pouze samotným médiem, resp. svary, bylo by nutné použít k tomuto účelu spojovací elementy. Jejich montáž by se prováděla pomocí montážního přípravku manuálně či poloautomaticky. Podobně jako u přípravy filtračního média lze prověřit případnou možnost spojování rámečků přímo u jejich dodavatele, popř. externí firmy, bude-li to z logistického a hlavně ekonomického pohledu výhodnější.
5.3 Příprava pro svařování
Samotný proces zhotovení filtru lze rozdělit do několika po sobě jdoucích kroků. Prvním z nich bude vložení dílu filtračního média na pracovní stůl stroje. Dalším krokem bude vložení rámečků na filtrační médium a jejich fixace ve správné poloze. Bylo by vhodné, aby se zásobník, popř. paleta s připravenými rámečky (nebo sestavami rámečků), nacházela co nejblíže oblasti svařování a byla tak minimalizována práce obsluhy.
V následujícím kroku dojde k zcela či částečně automatickému přehnutí filtračního média o 180° po obvodu filtru směrem dovnitř rámečků, čímž budou připraveny plochy pro následné provedení svarů.
29 Obr 13, 14 a 15: Přehnutí filtračního média pro následné svařování
30
5.4 Svařování ultrazvukem
Pohybem sonotrod směrem do svařovací polohy dojde nejprve k vymezení posledních mezer mezi vrstvami filtračního média, jejich přitlačení k podkladní desce stolu a posléze již samotnému svaření. Jelikož provést všechny svary najednou by vyžadovalo (u delších verzí filtru) neúnosné množství sonotrod, je žádoucí, aby svary byly prováděny postupně menším množstvím sonotrod a to za pomoci jejich přesouvání do potřebných svařovacích poloh (případně se může přesouvat filtr). Vlastní pohyb sonotrod směrem k materiálu proběhne automaticky, přesuvy do postupných svařovacích poloh mohou být manuální či automatické, jejich přesná poloha však musí být v okamžiku svařování zajištěna vhodnou konstrukcí mechanismu či doplněnou aretací.
5.5 Dokončení
Po provedení všech svarů je již filtr hotov, následně se sonotrody vrátí do klidové polohy, upínací prvky se uvolní a filtr může být vyjmut ze stroje. V závislosti na konstrukci upínacích prvků může být stroj vybaven automatickým vyhazovačem, který tento úkon usnadní. Následně již může být filtr uložen do vhodného zásobníku, popř.
balení. Znovu by bylo nejvhodnější umístit tento zásobník co nejblíže ke stroji, resp. jej do stroje integrovat. V této fázi může být provedena kontrola, příp. značení hotových filtrů.
31
6 Konstrukce stroje
6.1 Základní koncepce stroje 6.1.1 Části stroje
Mezi základní prvky stroje bude patřit rám, nesoucí všechny další skupiny a určující jejich rozložení a interakce. Další částí bude pracovní stůl, sloužící pro upínání filtračního média a rámečků, jejich fixaci ve vzájemné poloze a přehnutí filtračního média do místa budoucího svaru. Třetí základní částí bude konzola(y), nesoucí ultrazvukovou hlavu, jejíž pohyb bude určující pro vlastní proces svařování. Dále bude stroj vybaven nezbytnými rozvody, řídícími a regulačními prvky pracovních mechanismů, zřejmě pneumatických a elektrických. Vzhledem k použití těchto samočinných mechanismů bude nutné vybavit stroj adekvátními bezpečnostními prvky, a to jednak ve formě správně navrženého ovládání, tak i případného zakrytování potenciálně nebezpečných pohyblivých částí. Kromě těchto výše zmíněných nezbytných částí stroje, mohou být dále do konstrukce zahrnuty další doplňující skupiny, které přispějí k racionalizaci a zefektivnění výrobního procesu. Nabízí se především možnost zakomponovat do stroje zásobníky jednak vstupních materiálů, tedy rámečků a filtračního média, a naopak hotových filtrů. U filtračního média by i navíc bylo možné provádět příčné dělení na požadované díly. Všechny části stroje musí být spolehlivé a mít nízké nároky na údržbu. V případě potřeby musí být údržba snadno proveditelná a opotřebené díly snadno vyměnitelné. Stroj musí být schopen zaručit požadovanou a konzistentní kvalitu výrobků a být odolný vůči negativním vlivům (nepřesnost vstupních polotovarů, vnější zdroje vibrací či prachu apod.).
6.1.2 Uspořádání
Jak již bylo výše zmíněno, stroj bude rámové konstrukce. Pracovní stůl, na kterém bude prováděna většina manuálních úkonů obsluhy (zakládání polotovarů, vyjímání hotového filtru, příp. další), musí být dobře přístupný a tudíž bude umístěn ve výši cca do jednoho metru nad zemí. Nad ním se bude nacházet konzola(y), nesoucí aktivní prvky zařízení ultrazvuku – sonotrody, vlnovody a měniče. Tak, jak je u strojů využívajících technologie ultrazvuku obvyklé, bude tato část umožňovat pohyb ve svislém směru, pro přesunutí sonotrod do kontaktu s materiálem a realizaci přítlaku během procesu svařování.
32 Umístění generátoru ultrazvuku, případně dalších statických technologických zařízení (např. pneumatických), se předpokládá v prostoru pod pracovním stolem, v zadní části stroje, nebo mimo stroj.
Aby bylo možné provádět svary na delších verzích filtru postupně menším množstvím sonotrod, je potřebné zajistit vzájemné posouvání konzoly ultrazvuku a pracovního stolu v podélné ose filtru. První možností je tedy konzola v pevné poloze a posuvný pracovní stůl. Značnou nevýhodou této varianty je skutečnost, že rozsah pohybu stolu by musel být roven nejméně celé délce filtru, tedy dle nejdelší verze až 1,5 metru. Šířka rámu by pak musela být větší než tři metry, aby takový pohyb umožnila. Takto řešený stroj by byl zřejmě nevýhodný především velkými nároky na prostor a dále by tím bylo ztíženo použití pneumatických či elektromechanických prvků na pracovním stole, a to z hlediska řešení přívodů. Navíc i samotná konstrukce stolu by byla náročnější, neboť by musela zaručovat snadnou pohyblivost, ale zároveň i přesnou polohu v okamžiku svařování. Naopak určitou výhodou tohoto řešení by byla možnost zakládání polotovarů a vyjímání hotového výrobku mimo prostor svařovaní, kde by byl k pracovnímu stolu ideální přístup a mohly by zde být umístěny zásobníky, případně i dělení filtračního média.
Nicméně i přes tyto dílčí výhody se jeví jako vhodnější opačná koncepce, tedy pevný pracovní stůl a pohyblivá konzola svařování (jedná se o konzolu k provádění svarů na delších rámečcích, jelikož kratší rámeček se na filtru vyskytuje maximálně jednou, může být konzola provádějící na něm svary v pevné poloze). Délka stroje v tomto případě výrazně nepřekročí největší délku filtru, tedy 1,5 metru. Konstrukce pracovního stolu bude jednodušší, naopak konzola ultrazvuku bude mít o něco složitější konstrukci, umožňující přesouvání do svařovacích poloh, jelikož však nebude příliš rozměrná, nemělo by to představovat problém. I v tomto případě bude v konstrukci stroje určitý volný prostor, zůstane tedy možnost integrovat do stroje zásobníky. Konstrukce stroje bude navržena tak, aby umožňovala použití většího počtu posuvných konzol. Ty by tak mohly být doplněny v případě, že by byla shledána jako opodstatněná vyšší kapacita výroby.
33 Obr. 16: Uspořádání stroje: 1 – dolní podélník, 2 – horní podélník, 3 – pohyblivá konzola,
4 – pevná konzola
6.1.3 Míra automatizace
Při konstrukci konkrétních aktivních prvků stroje je potřeba rozhodnout, jakým způsobem budou ovládány. Nabízí se v zásadě tři alternativy, prvky manuálně ovládané, prvky samočinné řízené povely obsluhy a prvky plně automatické. Použití těchto prvků bude podřízené zvolenému pracovnímu režimu stroje, který může být čistě závislý na povelech a úkonech obsluhy, nebo naopak může stroj pracovat v zásadě autonomně, kdy by obsluha pouze dohlížela na jeho činnost (popř. navíc vyjímala hotové filtry) a nebo může stroj pracovat v kombinovaném režimu, ve kterém část úkonů bude provedena či řízena obsluhou a část procesu vykoná stroj autonomně. Rozhodnutí, jaký režim zvolit, bude podřízené především požadované kapacitě výroby, neméně významným hlediskem je též finanční a konstrukční náročnost.
V případě, že většina úkonů bude vyžadovat zásah obsluhy, nepůjde zřejmě dosáhnout velké výrobní kapacity, jelikož zhotovení každého filtru vyžaduje poměrně hodně úkonů.
I přes nižší pořizovací náklady ale může být takový stroj poměrně složitý. Naproti tomu největší kapacity by byl schopen dosáhnout plně automatický stroj. I ten by však vyžadoval přítomnost obsluhujícího pracovníka, který by však většinu času nevykonával žádnou činnost, tím pádem by byl značně neefektivní. Kdyby měl stroj pracovat zcela bez
34 zásahů obsluhy, musel by být značně komplexní a konstrukčně propracovaný.
Pořizovací náklady takového stroje by byly vysoké, produktivita by je však mohla vyvážit.
Jako efektivní volba se jeví navrhnout stroj pro kombinovaný režim, kdy automatický bude proces přehnutí filtračního média kolem rámečku a následný proces svařování včetně přesunů konzoly mezi svařovacími polohami, zatímco obsluha se postará o vkládání rámečků a média a také o vyjmutí hotového filtru. Obsluha díky tomu nebude přetížená, během automatické činnosti stroje se bude moci věnovat přípravě materiálu pro další výrobek, nebo zabalení již hotového apod. Konstrukce stroje se tím zjednoduší a bude možné vyhnout se některým technicky komplikovaným detailům, což bude mít i příznivý dopad na pořizovací náklady. Čas stroje i čas pracovníka bude dobře využit, neboť jejich činnost bude z části probíhat zároveň. Navíc lze navrhnout stroj a jeho dílčí uzly tak, aby byly v budoucnu snadno upravitelné na automatickou funkci, nebo případně nahraditelné novou automatickou verzí.
6.2 Rám stroje 6.2.1 Specifikace
Základní požadavky na rám stroje jsou poměrně jednoduché. Rám musí představovat dostatečně tuhou a přesnou kostru pro umístění dalších částí stroje, jelikož ostatní části stroje spolu budou navzájem spolupracovat. Jeho konstrukce má být co nejjednodušší, ale zároveň dostatečně variabilní, aby umožňovala co nejúčelnější přichycení ostatních částí stroje a jejich ustavení do správné vzájemné geometrické polohy. Zároveň by rám měl být odolný vůči vzniku vibrací a tlumit je. Při splnění všech těchto požadavků musí být dále kladen důraz na nízkou hmotnost konstrukce a její snadnou výrobu. Na základě všech výše zmíněných požadavků bude zvolena nejvýhodnější technologie výroby rámu.
V úvahu připadají v zásadě dvě technologie spojování – svařování a šroubování, případně jiné tvarové spoje. Svařování je výhodné především nízkou cenou zhotovení spojů, které se navíc vyznačují velkou pevností. Má však i zásadní nevýhody, konkrétně nízkou přesnost takto zhotovených dílů a dále nemožnost spojovat díly z rozdílných materiálů. Nízká přesnost dílů by si vyžádala jejich komplexní obrábění, což by vedlo ke značnému prodražení výroby a případné následné úpravy by byly komplikované.
35 Vzhledem k těmto vlastnostem se svařování jeví jako vhodné pro výrobu jednodušších a více namáhaných částí rámu.
Vlastnosti šroubových spojů jsou v podstatě opačné oproti spojům svarovým. Mezi jejich nevýhody patří obecně nižší pevnost a zároveň je zhotovení těchto spojů poněkud pracné, jelikož vyžaduje vytvoření velkého množství otvorů s dobrou přesností vzájemné polohy. Z tohoto faktu však plyne i jejich největší výhoda, tedy celková přesnost takto zhotovených konstrukcí, které nevyžadují další obrábění. Další výhodou je možnost spojovat díly z libovolných materiálů a také snadné provádění úprav na konstrukcích, doplňování dalších částí apod.
6.2.2 Základní parametry rámu
Tvar a rozměry rámu se řídí ostatními částmi stroje tak, jak již bylo nastíněno v odstavci věnovanému uspořádání stroje (viz kapitola 6.1.2). Níže uvedené rozměry jsou orientační, jedná se o prvotní předpoklad, který může doznat změn v závislosti na podobě ostatních skupin stroje. Rám je uzavřeného tvaru a spočívá na čtyřech nohách.
Mezi nimi se nacházejí dva podélníky, dolní je umístěn tak, že se jeho horní strana nachází ve výši 800 mm nad zemí, jelikož na ní bude uložen pracovní stůl, ke kterému musí mít obsluha komfortní přístup. Horní je umístěn v horní části stroje tak, aby mezera mezi oběma podélníky byla alespoň 700 mm, čímž vznikne dostatečný prostor pro konzolu ultrazvuku a při tom zůstane nad pracovním stolem volné místo pro práci obsluhy. Oba podélníky tvoří samostatné nosné struktury, nohy rámu budou tedy přenášet pouze svislé síly. Délka obou podélníků je shodně 1900 mm, jelikož délka na nich umístěných zařízení se odvíjí od nejdelší verze filtru (1500 mm) a musí být zachována určitá rezerva pro případné úpravy. Výška podélníků je více než 200 mm, což jim poskytuje dostatečnou tuhost, neboť budou kromě zatížení vahou na nich umístěných komponent muset především absorbovat síly přítlaku během procesu svařování. Šířka dolního podélníku je 600 mm, aby byl vytvořen dostatečný prostor pro umístění všech částí pracovního stolu. Tento rozměr zároveň určuje i šíři rámu stroje.
Šířka horního podélníku je menší, postačuje cca 400 mm, neboť tento bude sloužit pouze jako dráha pro posuvnou konzolu. Celková výška rámu je okolo 1800 mm.
36 Obr. 17: Rám stroje
6.2.3 Konstrukční prvky
Rámy se obecně skládají ze dvou hlavních skupin, tedy nosných profilů a spojovacích prvků. Nejběžnějšími druhy profilů jsou válcované profily, jako jsou úhelníky, U, T a I profily, plné čtvercové či obdélníkové profily, duté profily – jäkly. Materiálem je obvykle ocel či slitiny hliníku. Výhodou těchto profilů je nízká cena, která však odpovídá jejich jednoduššímu tvaru, omezujícímu jejich použití, resp. nižší přesnosti. Druhou skupinou profilů, které se velmi často užívají v konstrukci jednoúčelových strojů, jsou vytlačované profily, nejčastěji ze slitin hliníku. Vyznačují se nepřebernou škálou průřezů, často velmi složitých, které jednak umožňují realizovat rozličné konstrukční detaily a snadno spojovat díly k sobě a rovněž vykazují dobrou tuhost při nízké hmotnosti. Dále je
37 výhodou těchto profilů velká přesnost, naopak jejich největším nedostatkem je vysoká cena. Třetí významnou skupinu tvoří profily lisované. Obvykle jsou zhotoveny z oceli, jejich průřez je otevřený, kromě základního tvaru úhelníku může mít tvar U, C a složitější. Svými vlastnostmi se zhruba nacházejí mezi profily válcovanými a vytlačovanými. Jejich cena je příznivá, tuhost vzhledem k hmotnosti dobrá a přesnost uspokojivá.
V rámci této práce je model konstrukce rámu zhotoven z válcovaných dutých čtvercových a obdélníkových profilů, neboť ty jsou volně dostupné v knihovně programu Autodesk Inventor, ve kterém je model vytvořen. Nicméně předpokládá se, že ve skutečnosti by byla část profilů nahrazena vytlačovanými či ohýbanými profily stejného obrysu, tudíž tato záměna nevyvolá úpravy konstrukce. Při návrhu připojení ostatních částí stroje k rámu je přihlíženo k těmto předpokládaným profilům.
Spojovací prvky existují v mnoha podobách, jednak se jedná o nejběžnější normalizovaný spojovací materiál a poté o více sofistikované spojovací díly, dostupné v mnoha variacích. Běžný spojovací materiál představují především různé druhy šroubů a k nim patřící matice a podložky. Dále můžeme zmínit např. čepy, kolíky, závlačky nebo nýty. Speciální spojovací prvky mají obvykle podobu úhelníků či složitějších tvarových dílů a slouží nejčastěji pro spojování profilů v rozích, obvykle za pomoci šroubů. Slouží tak vlastně k vyztužení konstrukce, neboť provedení spojů pouze pomocí šroubů je leckdy obtížné a navíc neumožňuje dosažení potřebné tuhosti.
Při konstrukci rámu se předpokládá použití všech výše zmíněných prvků, především pak speciálních rohových prvků, úhelníků apod. Konkrétní podoba prvků, jejich tvar a počet by se řídil jednak spojovanými profily (spojovací prvky jsou často navrženy na míru daným profilům) a dále požadavky na tuhost konstrukce. Vzhledem k účelu této práce však model rámu neobsahuje spojovací prvky, neboť samotné profily jsou pouze ilustrativní a není blíže analyzováno namáhání konstrukce. Nicméně uspořádání a rozměry rámu jsou zvoleny tak, aby co nejméně omezovaly použití spojovacích prvků při detailním návrhu rámu.
38
6.2.4 Dolní podélník
Jedná se o nejkomplikovanější součást rámu, jelikož slouží k upevnění pracovního stolu, který se skládá z mnoha částí a vykonává více funkcí. Z těchto důvodů se předpokládá použití vytlačovaných hliníkových profilů spojených šroubovými spoji. Základ podélníku tvoří čtyři dlouhé profily umístěné ve směru podélné osy rámu a tvořící hrany pomyslného kvádru, ve kterém se celá konstrukce podélníku nachází. Tyto profily jsou největší měrou zodpovědné za tuhost podélníku. Na koncích jsou podélné profily spojeny do dvojic čtyřmi příčnými profily, umístěnými horizontálně, které zároveň slouží k připojení podélníku k nohám rámu. Další dva příčné horizontální profily se nacházejí uprostřed délky podélníku. Mezi krajními a prostředními příčnými profily je umístěno osm podélných profilů poloviční délky, uspořádaných opět do horizontálních, resp. vertikálních dvojic. Při pohledu shora tak tyto profily rozdělují šíři podélníku na dvě krajní a jednu prostřední část. Všechny tyto zmíněné profily tak tvoří dvě úrovně, resp. horní a dolní stranu podélníku. Vazba mezi těmito stranami je realizována v rozích pomocí nohou a dále šesti svislými profily. Dva se nacházejí mezi dlouhými podélnými profily uprostřed délky podélníku, ostatní spojují poloviční podélné profily v polovině jejich délky. V tomto místě, ale pouze na spodní straně podélníku, jsou poloviční podélné profily rovněž vázány k sobě v horizontální rovině dvěma krátkými příčnými profily. Pro lepší orientaci poslouží níže umístěný obr. 18.
Obr. 18: Dolní podélník
39
6.2.5 Horní podélník
Jeho konstrukce je oproti dolnímu jednodušší, jelikož slouží pouze jako nosný prvek pojezdové dráhy pro konzoly ultrazvuku a též pro mechanismus ovládající jejich pohyb, resp. aretaci v příslušných svařovacích polohách. Díky tomuto může být podélník zhotoven svařováním. Namáhání během procesu svařování ultrazvukem bude identické jako u dolního podélníku. Nejdůležitějším požadavkem je tedy opět tuhost a poskytnutí pevné geometrické základny pro konzoly ultrazvuku, aby byla zaručena správná funkce stroje. Samotná konstrukce se opět skládá ze čtyř hlavních podélných profilů, dvou horních a dvou dolních, které jsou na svých koncích spojeny příčnými profily do dvojic.
Připojení podélníku k nohám je znovu provedeno přes tyto příčné profily. Dále se již v konstrukci nachází pouze šest svislých profilů, které propojují nad sebou ležící podélné profily. Jsou rovnoměrně rozmístěny po čtvrtinách délky podélníku (nenacházejí se na koncích, zde ke stejnému účelu slouží nohy rámu). Kromě konců se tak v konstrukci podélníku nevyskytují příčně umístěné profily, díky čemuž se uprostřed nachází volný prostor, ve kterém se můžou pohybovat konzoly ultrazvuku spolu s k nim vedoucími přívody. Ilustrační pohled na podélník viz obr. 19 níže.
Obr. 19: Horní podélník
40
6.3 Upínací stůl
6.3.1 Základní funkce
Upínací stůl musí splňovat několik základních funkcí. Tyto funkce jsou definovány především konstrukcí filtru, vlastnostmi použitých materiálů a metodou ultrazvukového svařování, dále pak nároky na obsluhu a ovládání, požadovanou produktivitou a kvalitou, příp. dalšími aspekty procesu. V první řadě je stůl zodpovědný za co nejsnadnější, přesné a spolehlivé upínání polotovarů – filtračního média a rámečků.
Vzhledem k následnému svařování bude nejprve vloženo filtrační médium a na něj posléze rámečky, po jejichž obvodu bude médium přehnuto. Při upnutí musí být díly fixovány ve správné poloze, filtrační médium musí být napnuté.
Další nezbytnou funkcí stolu je následné přehnutí filtračního média po obvodu budoucího filtru směrem dovnitř, čímž vznikne oblast překrytí pro provedení svarů.
Médium musí být přeloženo jak na podélných stranách filtru, tak na jeho bocích.
Překládací mechanismus musí být navržen tak, aby zůstala oblast překrytí volná a byla vyloučena kolize se svařovacími sonotrodami. Při tomto kroku nesmí být narušeno napnutí média a jeho poloha vůči rámečkům, zároveň nesmí dojít k mechanickému poškození média. Není nezbytně nutné, aby v místě překrytí byly na sebe obě vrstvy média plně přitlačeny, o to se může postarat až samotný přísuv sonotrody během svařování.
Poslední funkci stolu představuje vyhazovač, který je určen pro usnadnění vyjmutí hotového filtru. Jedná se tedy o prvek, který již nemá vliv na filtr jako takový a jeho výrobu, slouží však jako nezbytná součást procesu, kdy především ulehčuje práci obsluze a tím i urychluje celý proces. Jeho návrh závisí na způsobu upnutí polotovarů a konstrukci upínacího mechanismu, neboť tou bude dán způsob a obtížnost vyjmutí hotového filtru. Samozřejmostí je vhodná konstrukce vyhazovače vzhledem k zabránění potenciálnímu poškození filtru při vyjímání.
6.3.2 Uspořádání
Pro splnění výše popsaných funkcí jsou navrhnuty vhodné mechanismy, které jsou připevněny na konstrukci dolního podélníku. Mechanismy jsou uspořádány tak, aby se prostor, ve kterém bude následně probíhat celá výroba filtru, nacházel na horní straně
41 podélníku a uprostřed jeho šířky. Bude tak efektivně využit prostor, který je k dispozici a umožněn přístup sonotrod do místa svařování z vrchu. Upínací a překládací mechanismus se bude nacházet na vnějšku po obvodu tohoto pracovního prostoru, zatímco mechanismus vyhazování bude uprostřed. Ovládací prvky mechanismů, jakož i potřebné přívody apod., budou umístěny uvnitř podélníku tak, jak bude třeba.
Obr. 20: Upínací stůl
Obr. 21: Detail upínacího stolu s vloženým filtračním médiem a nakladenými rámečky
42
6.3.3 Upínací část
Základem upínací části jsou lišty s vybráním po stranách orientovaných dovnitř pracovního prostoru, které vytvářejí dvě prohlubně v rozdílných hladinách. Hlavní lišty jsou dlouhé podélné, doplněné krátkými bočními. Prohlubně tedy mají obdélníkový tvar, výše umístěná slouží pro vkládání dílu filtračního média a dolní pro vkládání rámečků.
Rozměry dolní prohlubně tedy odpovídají rozměrům, resp. počtu rámečků (délka prohlubní bude nastavitelná, šířka fixní) a tím pádem i rozměrům hotového filtru. Dále jsou podélné lišty dolní vybaveny tvarovými výstupky pro přesné zapozicování jednotlivých rámečků. Lišty tvořící prostor pro filtrační médium (horní) jsou uloženy posuvně a zároveň slouží pro následné překládání média přes rámečky, spodní lišty tvořící prostor pro rámečky jsou uloženy pevně (boční jsou však přenosné dle délkové verze filtru). Princip upínání polotovarů je následující: jako první obsluha vloží díl filtračního média do vrchní prohlubně (díl zde nebude nijak fixován) a následně na něj bude klást rámečky, které zatlačí do spodní prohlubně. Rámečky zde budou fixovány některým z níže popsaných způsobů, při čemž budou tlačit na filtrační médium a to tím pádem bude též fixováno. Při zatlačení rámečků do spodní prohlubně dojde zároveň k ohnutí přesahujících okrajů filtračního média směrem nahoru, což je výhodný výchozí stav pro krok překládání.
43 Upevnění rámečků ve spodní prohlubni lze provést v zásadě dvěma způsoby, mechanicky či magneticky. Příklady možného řešení upínání na bázi obou principů jsou znázorněny na následujícím obr. 22:
Obr. 22: Způsoby upnutí rámečku (vyznačen čárkovanou čarou), vlevo mechanická upnutí, vpravo nahoře ovládané pneumatickým válcem a vpravo dole upnutí pomocí magnetů,
doplněné o vyhazovač
Výhodou mechanického principu je jeho univerzálnost, tedy že je vhodné pro všechny potenciální druhy materiálů rámečků, zatímco magnetické upínání je použitelné pouze pro magnetické materiály, tedy v zásadě pro ocel. Nevýhodou mechanického principu je naopak konstrukční a výrobní složitost oproti magnetickému, jak je zřejmé z obrázků.
Další výhodou magnetického je možnost použití jak levných permanentích, tak i dražších elektromagnetů, které však umožňují snadné ovládání přichycení a především uvolnění rámečků pro jejich lehké vyjmutí. Především z hlediska nákladů a jednoduchosti se však jako nejvýhodnější ze všech výše uvedených možností jeví řešení konstrukce upínání s využitím permanentních magnetů, umístěných v podélných lištách.
