STROJŮ
Diplomová práce
Studijní program: N2301 – Strojní inženýrství
Studijní obor: 2302T010 – Konstrukce strojů a zařízení Autor práce: Bc. Jakub Krasnický
Vedoucí práce: Ing. Jan Valtera, Ph.D.
Diploma thesis
Study programme: N2301 – Mechanical Engineering
Study branch: 2302T010 – Machines and Equipment Systems
Author: Bc. Jakub Krasnický
Supervisor: Ing. Jan Valtera, Ph.D.
ZADANI DIPTOMOVE
, ,PRACE
(PROJEKTU, UMĚLECKÉHO lÍt.,A, UMĚLECKÉHo VÝKONU)
Jméno a pŤíjmení: Bc. Karel Maly osobní číslo: 51.3000545
Studijní program: N2301 Strojní inženyrství Studijní obor: Konstrukce strojti a zaÍízeni
Název tématu: Tvarovací a fixační ristrojí pro vfrobu filtračního polotovaru Zadávající katedra: Katedra textilních a jednoričelovfch strojri
Z á s a d y p r o v y p r a c o v á n Í : 1. Provedte rešerši principu vyroby .r, současnosti vyráběnych filtr .
2. Navrhněte varianty uspoŤádání funkčního modelu zaÍizení určeného pro vyrobu fixovanych skladri filtračních vložek s oddělenou funkcí tvorby rylování a fixačního ristrojí.
3. Navrhněte a konstrukčně zpracujte vybranou variantu koncepce funkčního modelu.
4. Navrhněte rozmístění jednotlivych ovládacích prvkri.
5. Zpracujte vykresovou dokumentaci.
Seznam odborné literatury:
[1] PEŠÍK, Lubomír. Části strojti: stručn pŤehled. Díl 2 / vvd. 2. Liberec:
Technická univerzita, 2005. ISBN 80-7083.608-3.
[2] BoHÁČpx, F. a kol: Části a mechanismy stroj III. PŤevody. Brno: Vysoké učení technické, 1.982.
[3] JUIIŠ, K., BREPTA, R.: Mechanika I. díl. Statika a kinematika. Technicky pr vodce 65. SNTL Praha 1986.
[4] BRÁT, V., ROSENBERG, J., JÁČ, V., Kinematika. SNTI/ALFA Praha L987.
[5] ĎAĎo, Stanislav, KREIDL, Marcel: Senzoty a měŤicí obvody. Monografie
Čvur. Praha: Čvut skriptum, 1-996. ISBN 80.01..01.500.9.
Vedoucí diplomové práce:
Konzultant diplomové práce:
Datum zadání diplomové práce:
Termín odevzdání diplomové práce:
doc. Ing. Martin Bílek' Ph.D.
Katedra textilních a jednoírčelov1fch stroj Ing. Jaroslav Kopal, CSc.
Katedra textilních a jednoričelov;Ích strojri
2. (tnora 2OL5 2. rinora 2016
:lk-.-:-
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 diplomové práce pro vnitřní potřebu TUL.
Užiji-li diplomovou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tom- to případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.
Diplomovou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím mé diplomové práce a konzultantem.
Současně čestně prohlašuji, že tištěná verze práce se shoduje s elek- tronickou verzí, vloženou do IS STAG.
Datum:
Podpis:
výrobu fixovaných skladů filtračních vložek s oddělenou funkcí tvorby rylování a fixačního ústrojí.
V této práci jsou uvedeny způsoby výroby a jejich principy v současnosti vyráběných filtrů.
Dále následuje navržení řešení nového způsobu výroby filtračních polotovarů a konstrukční zpracování vybrané varianty koncepce funkčního modelu s uspořádáním jednotlivých ovládacích prvků vzhledem k použitému materiálu.
Klíčová slova:
Filtrační vložka, složenec, meltblown, nanovlákna, tvorba skladů, rylování, fixace, tavná lepidla
Annotation:
This thesis work deals with designing arrangement options of equipment intended for the manufacture of fixed pleats filter cartridges with separate functions making folds and a fixation device.
In this paper are introduced methods and their principles currently produced filters.
In the following part of this thesis is a design of a new solution for a new methods of filter media and processing the selected design variants concept of functional model with the arrangement individual control features in consideration of the used material.
Keywords:
Filter cartridge, pleat, hotmelt, meltblown, nanofibers, pleats, folds, fixation, hot
Poděkování:
Své poděkování bych chtěl touto cestou vyjádřit vedoucímu diplomové práce doc. Ing. Martinu Bílkovi, Ph.D, Ing. Jaroslav Kopalovi, CSc. za jejich čas, cenné rady a informace, které mi po celou dobu této diplomové práce poskytovali.
Dále bych chtěl poděkovat katedře textilních a jednoúčelových strojů a jejímu kolektivu za poskytnuté podmínky a rady potřebné pro zpracování diplomové práce.
Obsah
1 Úvod ...10
2 Teoretická část ...11
2.1 Obecný přehled ... 11
2.2 Rozdělení filtrů a jejich využití ... 12
2.2.1 Rozdělení podle konstrukce ...15
2.3 Filtrační materiály ... 18
2.3.1 Specifikace použitého vzduchového filtračního materiálu ...21
2.3.2 Výsledný produkt – filtrační složenec...23
2.4 Současný stav stroje ... 24
2.5 Rešerše problematiky zabývající se tvorbou ryl, skladů a fixace filtračních materiálů ... 26
Způsob výroby filtračního materiálu – patent DE 102011116947 ...26
Samonosné skládání filtračního média – patent US2011138760 ...27
Způsob a zařízení pro výrobu filtrů – patent US 4798575 ...28
Způsob výroby skládaného filtračního materiálu – patent US 5389175 ...29
Způsob výroby trvalých skladů a stroj skládacích nožů s odtahovým zařízením – patent US 7510518 30 Zařízení pro skládání filtračního materiálu – patent US 6290635 ...30
Plisovací stroj určený pro výrobu filtrů – patent US4201119 ...31
Způsob a zařízení pro výrobu filtračního materiálu – patent US6364978 ...33
Plisovací stroj na výrobu filtrů – patent US3077148 ...33
Způsob výroby samonosného skládaného filtru – patent US2003089090 ...34
Způsob výroby formy filtru výfukových plynů – patent US2002162310 ...35
Způsob výroby skládaného filtru – patent EP1952873 ...36
Zařízení pro skládání filtračního média a způsob výroby složeného klikatého filtračního prvku – patent DE102010011785 ...36
3 Praktická část ...38
3.1 Koncepce konstrukčního uspořádání stroje ... 38
3.1.1 Stručný popis jednotlivých fází plisovací výrobní linky ...39
3.2 Varianty principů funkčního modelu ... 42
3.2.1 Diskontinuální tvorba skladů ...42
3.2.2 Kontinuální tvorba skladů ...43
3.3 Vyhodnocení variant ... 45
4.2 Konstrukční zpracování funkčního modelu stroje ... 48
4.3 Popis hlavních uzlů stroje konstrukčního uspořádání ... 49
4.3.1 Zařízení pro tvorbu skladů ...50
4.2.2 Pomocné odtahové zařízení ...52
4.2.3 Navržení pružiny ...53
Konstrukční sestavení soustavy pružin ... 54
Analýza pružiny ... 54
4.2.4 Konstrukce rylovacích válců ...55
4.2.5 Fixační zařízení ...56
5 Závěr ...59
Seznam použité literatury...60
Seznam obrázků a tabulek ...61
1 Úvod
Předmětem této diplomové práce jsou stroje na výrobu skládaného filtračního materiálu, který je aplikován do filtračních zařízení řady odvětví s individuálním využitím. V různých odvětví průmyslu, zdravotnictví, domácnosti a dalších na filtraci vzduchu, vody, oleje apod. V tomto konkrétním případě práce se jedná o stroj, který je navržen pro tvorbu skladů filtračního materiálu z netkané textilie složené ze 4 vrstev na filtraci vzduchu zabraňující proniknutí znečištěného vzduchu, virů a bakterií a také stroj, který ve své kategorii s ohledem na požití daného filtračního materiálu, není v současné době na trhu. Materiál disponuje vlastnostmi, které nejsou zcela tak příznivé na výrobu skladů tohoto média, neboť má menší plošné hmotnosti a z toho vyplývá, že materiál je velice pružný a nedrží ideálně svůj tvar. Tento předpoklad vyžaduje složitější konstrukční návrhy a úpravy. Výsledný produkt, čili filtrační vložky jsou aplikovány do dýchacích masek, polomasek či respirátorů.
Diplomová práce spočívá v uspořádání funkčního modelu zařízení určeného pro výrobu fixovaných skladů filtračních vložek s oddělenou funkcí tvorby rylování a fixačního ústrojí a taktéž spočívá v navržení zařízení pro vyhotovení polotovaru pro filtrační zařízení. Cílem práce je zredukovat dobu tvorby jednoho skladu na co nejkratší čas, aby bylo docíleno největší výtěžnosti a tím došlo k zefektivnění výroby po ekonomické stránce.
Součástí diplomové práce je rešerše principu výroby v současnosti vyráběných filtrů z patentů předních výrobců, ze které byly čerpány informace konkrétních principů funkcí strojů a jednotlivých operací. Na základě studie této rešerše bylo vyhotoveno navržení výsledného možného řešení pro tvorbu finálního výrobku, neboli složence a nakonec toto řešení bylo zpracováno, které je konkrétně přizpůsobeno pro výše uvedený materiál, jehož vlastnosti jsou níže podrobně popsány.
2 Teoretická část
V této části jsou uvedeny informace obsahující nezbytné poznatky k navržení několika vhodných variant a posléze nejvhodnějšího konstrukčního řešení a informace, které byly brány v potaz, jsou neodmyslitelnou součástí pro níže uvedenou část – praktickou aneb konstrukční část.
2.1 Obecný přehled
Filtrace je proces oddělování rozptýlených částic z disperzního prostředí pomocí porézního média, kde v našem případě vlákenného útvaru. Disperzní prostředí může být plynné (vzduch), nebo kapalné (voda, olej, palivo…). Částice mohou být pevné, nebo kapalné (aerosol). [2]
Obecně můžeme rozdělit aplikace vzdušné filtrace na tyto oblasti: průmyslová výroba, ochrana životního prostředí a ochrana života a zdraví lidí. V průmyslové oblasti je filtrace vzduchu zaměřena především na tvorbu čistých prostor pro některé technologie a procesy (například výroba elektroniky). [1]
Stále roste význam ochrany životního prostředí a tím i nutnost stále účinnějšího odstranění zplodin produkovaných lidskou činností, zejména průmyslem a dopravou.
Potřeba nových druhů filtrů je daná růstem těchto aktivit, vývojem technologií, ale také potřebou lepší filtrace u technologií stávajících. Důkazem jsou celosvětové snahy o zavedení a zpřísňování emisních limitů obecně. [1]
Důležitý je vývoj v oblasti medicíny a hygieny, kde jako příklad lze uvést potřebu čistých prostor v nemocnicích, chemických a biologických laboratořích při vývoji, tvorbě i aplikaci různých léčebných preparátů. Dalším příkladem je nutnost ochrany lidstva proti nebezpečným chemikáliím, radioaktivním látkám, bakteriím, virům a alergenům, ať jsou vzniklé přirozenou cestou, nehodou, nebo použity jako biologická zbraň. V důsledku stále se zvyšujícího počtu lidí s různými alergickými reakcemi je třeba stále kvalitněji filtrovat vzduch v obytných místnostech a uvnitř automobilů. [1]
Základní představu procesu filtrace a pojmů, jež se jí týkají, ukazuje obrázek 1.
Obrázek 1 - Princip procesu filtrace [1]
2.2 Rozdělení filtrů a jejich využití
Filtry jsou využívány v řadě odvětví průmyslu, zdravotnictví, administrativních budovách, pracovištích, domácností a dalších na filtraci vzduchu, vody, oleje apod.
Práce se ale zabývá vzduchovou filtrací a obecně můžeme rozdělit aplikace vzdušné filtrace na tyto oblasti: průmyslová výroba, ochrana životního prostředí a ochrana života a zdraví lidí. [1]
V průmyslové oblasti je filtrace vzduchu zaměřena především na tvorbu čistých prostor pro některé technologie a procesy (například výroba elektroniky). [1]
Stále roste význam ochrany životního prostředí a tím i nutnost stále účinnějšího odstranění zplodin produkovaných lidskou činností, zejména průmyslem a dopravou.
Potřeba nových druhů filtrů je daná růstem těchto aktivit, vývojem technologií, ale také potřebou lepší filtrace u technologií stávajících. Důkazem jsou celosvětové snahy o zavedení a zpřísňování emisních limitů obecně. Důležitý je vývoj v oblasti medicíny a hygieny, kde jako příklad lze uvést potřebu čistých prostor v nemocnicích, chemických a biologických laboratořích při vývoji, tvorbě i aplikaci různých léčebných preparátů.
Dalším příkladem je nutnost ochrany lidstva proti nebezpečným chemikáliím, radioaktivním látkám, bakteriím, virům a alergenům, ať jsou vzniklé přirozenou cestou,
s různými alergickými reakcemi je třeba stále kvalitněji filtrovat vzduch v obytných místnostech a uvnitř automobilů. [1] Filtraci dělíme do dvou skupin.
1. Kapalinová filtrace – čištění pitné vody, čištění odpadních vod, automobilové filtry (olejové filtry, filtry pohonných hmot)
2. Vzduchová (plynná) filtrace – respirátory, systémy ventilace vzduchu (klimatizace), filtry do vysavačů, automobilové filtry (kabinové, motorové, výfukové filtry)
Povrchová (plošná)
Hloubková
Povrchová (plošná) filtrace - částice se zachycují na povrchu filtru, kde vytvářejí vrstvu zvanou filtrační koláč. Podle velikosti částic dále dělí na
o Koláčová filtrace, také nazývaná jako makro filtrace – filtrované částice větší než přibližně 1μm, často viditelné pouhým okem.
o Mikro filtrace – přibližně od 0,1μm do 1μm (pigmenty, bakterie, azbest).
Hnací silou tohoto procesu je rozdíl tlaku.
o Ultra filtrace – přibližně od 3 nm do 0,1 μm
o Nano filtrace - rozmezí molekulárních hmotností filtrované látky přibližně od 200 g/mol do 15.000 g/mol odpovídá přibližně velikosti částic od 1 nm do 10 nm
o Reverzní osmóza - molekulární hmotnost je menší jak 200 g/mol
Mechanismus plošné filtrace je jednoduchý. Filtrem je mechanicky zachycena každá částice větší, než prostor mezi vlákny. Efektivita záchytu je tudíž jednoznačně dána distribucí velikostí pórů textilie. Částice jsou zachytávány na povrchu filtru a vytvářejí tzv. filtrační koláč (důležité zejména pro čistitelné filtry). Schematický pohled na plošnou filtraci je zobrazen na obrázku 2. [1]
Obrázek 2 - Schéma plošné filtrace. Vlákna filtru jsou vyjádřena jako válce orientované kolmo ke směru toku filtrované disperze. [2]
Při znalosti velikosti zachytávaných částic lze odhadnout, které částice budou zachyceny se 100 %-ní účinností. Problém je způsob, jak definovat velikost póru a fakt, že při filtraci se velikost póru mění. Typické filtrační materiály, kde se uplatňuje sítový jev:
o Spunbond
o Tkanina, kde velikost póru lze nastavovat dostavou, případně zátěrem o Vpichovaná textilie opatřená zátěrem, natavená, nebo lisovaná za tepla o Jiný typ netkané textilie lisované za tepla
Hloubková filtrace - částice procházejí porézním prostředím filtru a zachycují se v něm (pískové filtry v čističkách odpadních vod). Tloušťka filtru bývá mnohem větší než v povrchové filtraci.
Hloubkovou filtraci charakterizuje skutečnost, že velikost zachytávaných částic je řádově menší, než velikost prostorů mezi vlákny (póry). Částice jsou zachyceny na povrchu vlákna pomocí mezipovrchových sil mezi vláknem a částicí. Schematický pohled na hloubkovou filtraci je na obrázku 3.
Obrázek 3 - Schéma hloubkové filtrace. Vlákna filtru jsou vyjádřena jako válce orientované kolmo ke směru toku filtrované disperze. [2]
Mechanismy filtrace jsou realizovány přímým zachycením, setrvačným usazením, difuzním nebo elektrostatický zachycením. Hlavní používané materiály jsou:
o Meltblown
o Vpichované textilie o Spunlace
2.2.1 Rozdělení podle konstrukce
Jedná se o využití podle výsledného tvaru filtru. Známe tyto konstrukce filtrů:
a) Ploché filtry
Jedná se o nejjednodušší typ filtru z hlediska požadavků na konstrukci filtru a jeho instalaci. Mohou být opatřeny zpevňující mřížkou. Princip a ukázka je na obrázku 4. Z hlediska mechanismu filtrace můžeme plochý filtr dělit na hloubkový a povrchový.
Tloušťka je obvykle do 40 mm, ostatní rozměry libovolné. Typickými představiteli jsou hrubé filtry, předfiltry, vysavačové filtry apod.
Obrázek 4 - Schéma a ukázka plochých filtrů
Podle technologie a typu filtrace se dělí na:
1. Tenké určené pro povrchovou filtraci. Technologie výroby: tkaniny, pleteniny, spunbond, spunbond-meltblown (SM).
2. Objemné určené pro hloubkovou filtraci. Technologie výroby: Termicky nebo chemicky pojené objemné netkané textilie, vpichované textilie, objemný meltblown.
b) Skládané filtry
Jedná se o filtr plochý poskládaný do tvaru harmoniky, jak ukazuje obrázek 5. Jeho rozměry jsou obdobné, jako u plochého filtru. Výhodou skládaného filtru je
několikanásobné zvýšení filtrační plochy a z toho plynoucí vliv na tlakový spád, efektivitu a životnost filtru. Příklad jejich použití: vysoce účinné filtry a HEPA filtry.
Obrázek 5 - Schéma a ukázka skládaných filtrů
c) Kapsové filtry
Jedná se o filtry ploché skládané tak, že jejich tloušťka je zhruba odpovídající ostatním rozměrům. Výhodou je použití materiálů, ze kterých nelze vytvořit skládané filtry, nevýhodou velké rozměry. Příkladem aplikace je filtr do klimatizační jednotky. [2]
Na obrázku 6 je zobrazen princip kapsového filtru a jeho ukázka.
Výhodou je možnost zpracovat jakýkoliv textilní materiál a nemusí být tuhý oproti skládaným filtrům. Nevýhodou jsou rozměry a cena, neboť z filtračního materiálu se nejprve šijí kapsy, které jsou následně ručně vkládány do rámů. Maximalizace filtrační plochy lze docílit kombinací kapsového a skládaného filtru a využívají se jako kabinové filtry.
d) Patronové filtry
Patronové, neboli svíčkové filtry tvoří vlákenný filtr plochý, nebo skládaný obtočený kolem perforované dutinky (viz obrázek 7). Může být konstruován jako jednorázový i jako čistitelný zpětným protlakem. Lze jej získat i křížovým návinem přástu. Výhodou je velká filtrační plocha při malých rozměrech filtru a samotěsnící schopnost filtrační vrstvy, využívá se především v průmyslu a to pro suchou i mokrou filtraci.
Obrázek 7 - Schéma a ukázka patronového filtru [3]
e) Hadicové filtry
Fungují na podobném principu jako patronové, ale jejich délka může být i několik metrů. Téměř vždy jsou čištěny zpětným protlakem, umístěny vedle sebe ve větším počtu a slouží k filtraci většího množství zachytávaných částic. Schéma ukazuje obrázek 8, částice uvolněné při zpětném protlaku padají do prostoru pod filtry a jsou vysypávány.
Obrázek 8 - Schéma a ukázka hadicového filtru
2.3 Filtrační materiály
Na výrobu vzduchových filtrů se využívá celá řada speciálních filtračních médií ze syntetických, přírodních i skelných vláken pro předfiltraci i hlavní filtraci ve vzduchotechnických a klimatizačních zařízení.
a) Polyuretan
Médium je vysoce odolné proti vlhkosti a je plně regenerovatelné. Struktura filtračního média PPI (měkká pěnová hmota) je odolná proti namáhání, umožňuje mimořádně vysoké náběhové rychlosti při nízkých tlakových ztrátách. Třída filtrace dle EN 779:2012 je G1. Média PPI jsou retikulované PU pěny na polyesterové bázi. Síťová struktura je plně otevřená a neobsahuje žádné uzavřené buňky. Toho se dosahuje při tepelném retikulačním procesu (síťování, mřížkování, praskání, zvrásnění), při kterém se všechny buněčné membrány, které zůstaly po vypěnění, rozbijí a splynou s buněčnými žebry.
Použití: Nasazují se jako předfiltr nebo 1. stupeň filtrace do klimatizačních a větracích jednotek.
b) Přírodní latexové vlákno
Filtrační médium z přírodních latexových vláken pro filtraci hrubých prachových částic. Třída filtrace dle EN 779:2012 je G3.
Použití: Používá se především v potravinářství a lékařství.
c) Syntetické vlákno
Filtrační média se skládají z neuspořádaně poskládaných netkaných zkroucených syntetických vláken rozdílné tloušťky, která jsou zpevněna umělým pojivem (nebo termicky) do pevného a stabilního filtračního rouna. Materiály mají díky progresivní konstrukci vláken extrémně nízké tlakové ztráty a vysokou hromaditelnost prachu.
Materiály jsou nehořlavé, samozhášivé a hygienicky nezávadné.
Použití: Nasazují se jako předfiltr nebo 1. stupeň filtrace do klimatizačních a větracích jednotek a jako stropní filtry v lakovacích kabinách a stříkacích boxech. Používají se na filtraci hrubých prachových částic. Výrazné uplatnění nacházejí také jako předfiltry v lékařství, telekomunikacích a elektrotechnickém průmyslu.
d) Skelné vlákno
Filtrační média ze skelných vláken se používají jako předfiltry v klimatizačních a větracích jednotkách. Jako další stupeň filtrace se zpravidla nasazují kapsové filtry. Tyto filtrační média se skládají z elastických, kroucených, neuspořádaně poskládaných skelných vláken, která jsou v místě styku fixována speciálním plastem. Se snižující se tloušťkou vlákna se filtrační médium směrem ke straně čistého vzduchu zhušťuje a zjemňuje. Tím je dosaženo vysokého stupně odloučení a velké hromaditelnosti prachu.
Použití: Média se používají jako předfiltry v klimatizačních a větracích jednotkách, především pro záchyt hrubých prachových částic v průmyslu, skladovacích a výrobních halách. Využití mají především pro záchyt hrubých prachových částic v průmyslu, skladovacích a výrobních halách, telekomunikačních ústřednách a společenských prostorách.
e) Recyklovaný papír
Ochranný filtr pro záchyt kapek barvy při stříkání. Venturiho efekt v kombinaci se změnami směru vzduchu, v němž jsou obsaženy částečky barev umožňující efektivní a vysoce účinnou ochranu. Všechny typy jsou sestaveny ze dvou skládaných kartonů.
Otvory v přední stěně jsou umístěny asymetricky oproti otvorům ve stěně zadní. Při průchodu vzduchu filtrem dochází ke změně jeho proudění ve všech třech osách. V zadní stěně tvořené hlubšími záhyby tvaru V vznikají kapsy, ve kterých se zachycují oddělené kapalné částice.
Použití: Jsou nasazovány samostatně nebo jako předfiltr u vícestupňových filtračních systémů na odtazích v lakovnách. Působením setrvačné síly zachytávají papírové filtry velmi efektivně aerosolový mrak, který vzniká při stříkání všech typů kapalných barev a laků, pojiv, lepidel, epoxidových pryskyřic, rozpouštědel, asfaltu, gelů, dehtu, teflonu, polyuretanu, vinylu, olejů, tuků, glazury, atd. Všeobecně je možné filtry použít všude tam, kde je potřeba oddělit z proudící mlhoviny tekuté částice. Papírové filtry lze použít samostatně, nebo jako předfiltr u vícestupňových filtračních systémů.
f) Další typy filtračních materiálů
Mezi další technologie a filtrační materiály řadíme materiály uvedené v tabulce 6., které jsou vhodnou kombinací s nanovlákny.
Tabulka 1 - Parametry používaných materiálů
1 rozfukování taveniny horkých vzduchem s nastavením pro tvorbu velmi jemných vláken o průměru 0,5 – 2 µm
Typ textilie Plošná hmotnost Průměry vláken Tloušťka vrstvy Meltblown 1 15 – 100 g/m2 1,01 – 2,5 µm 0,21 – 1,5 mm
Elektrizovaný
meltblown 35 – 80 g/m2 1,01 – 2,5 µm 0,2 – 2 mm
Vpichovaná vrstva 100 – 400 g/m2 11 – 30 µm 2,1 – 3,5 mm Skleněná
mikrovlákna 65 – 200 g/m2 1,01 – 3,5 µm 0,41 – 1 mm Objemné textilie 100 – 200 g/m2 20 – 30 µm 10,5 – 15 mm
2.3.1 Specifikace použitého vzduchového filtračního materiálu
Jde o materiál, který doposud nebyl na trhu výroby filtračních zařízení a jedná se o revoluční způsob, jak docílit téměř maximální účinnosti zachycení bakterií a virů, všechno ale má své úskalí a vlastnosti tohoto materiálu nejsou zcela tak příznivé na výrobu skladů tohoto média, neboť disponuje vlastnostmi menší plošné hmotnosti. Z toho vyplývá, že materiál je velice pružný a nedrží tak svůj tvar. Při tvorbě skladů se musí brát v potaz, že materiál je velice živý a nedrží svůj tvar. Používaný materiál je vyráběný firmou Nanologix. Tato firma se zabývá zpracováním polymerních materiálů zejména ve více komponentních, ale i jedno komponentních aplikacích realizovaných pomocí technologie vstřikování termoplastických a elastomerních materiálů. Výrobní proces, kterým firma disponuje, rovněž zahrnuje technologii skládání filtračních materiálů na bázi mikro skleněných, celulozových či nanovláken na bázi polypropylenu nanesených na nejrůznějších nosičích a obsahujících rozličné druhy inkoroporovaných částic.
Samozřejmostí jsou montážní linky sestávající z plně automatické či poloautomatické montáže vyráběných dílů do sestav a podsestav, kterými jsou nejčastěji prostředky osobní ochrany nejen civilního obyvatelstva. Technologický proces obvykle využívá více komponentních vstřikovacích strojů včetně strojů ke zpracování tekutých silikonů (LSR), robotizovaných pracovišť určených k nanášení lepidel a tmelů či jednoúčelových montážních strojů. [4]
Materiál nese název ANTIVIRUS SMNF57 a skládá ze 4 vrstev:
S ložení textilie AntiVirus SMNF 57 - čtyřvrstvý laminát (SB/MB/NV/SB)
AntiMicrobe - bariéra proti průniku mikroorganismů
o Vnější vrstva: PP spunbond/meltblown 37 g/m2 (SB/MB)
o Vnitřní vrstva: submikronová vlákna polymeru PVDF (polyvinyliden fluorid) (NV)
o Vnější vrstva: PP spunbond 20 g/m2 (SB)
Obrázek 9 - Sruktura čtyřvrstvého laminátu SB/MB /NV/SB [4]
Tabulka 2 - Fyzikální vlastnosti použitého filtračního materiálu [4]
Materiál AntiVirus SMNF 57 byl testován s uvedenými výsledky v Nelson Laboratories a výsledky jsou k dispozici.
Obrázek 10 - Mikroskopický pohled na bakterie a viry zachycené filtračním materiálem AntiVirus SMNF 57 [4]
Zvolený materiál je použit na základě studie. Studie ukázala, že vzhledem k malým vzdálenostem mezi vlákny, které se brzo ucpávají zachycenými částicemi, nelze počítat s velkou životností nanovlákenných filtrů. Proto musíme předpokládat použití předfiltrů před nanovlákny, respektive využití nanovláken jako tenké vrstvy kombinované s jiným materiálem a zlepšující jeho vlastnosti. Vhodným materiálem pro kombinaci s nanovlákny je například vrstva meltblown, nebo vrstva naplavovaných skleněných mikrovláken. [4]
2.3.2 Výsledný produkt – filtrační složenec
Výsledný polotovar znázorněný na obrázku 11 je nazýván válcovým filtračním složencem neboli respirátorovým filtrem, který je posléze vkládán do dýchacích masek.
Respirátor (viz obrázek 12) lze definovat jako zařízení kryjící ústní, případně lícní část obličeje a chránící dýchací orgány proti částicím rozptýleným ve vzduchu [EN 143, 2000] a dýchací maska je respirátor kryjící ústa i nos a obsahující kontejner, do kterého lze vložit vysoce účinný filtr.[2] Uvedený filtrační materiál je poskládán do složence a zalit adhezním materiálem do oboustranných plastových manžet. Manžety jsou tvořeny spodní fixovanou stranou a po usazení filtračního složence je přiklopená druhá část plastové manžety.
Obrázek 12 - Ukázka dýchací masky
Výrobek má vnitřní průměr 40mm, vnější průměr 60mm a šířku 30mm. Pásek s vyhotovenými sklady má 13cm a počet skladů s roztečí 4mm je 33. Respektive 32skladů a posledním 33skladem je slepení nebo přesněji secvaknutí obou konců pásku. Rozměry
Obrázek 11 - Výsledný produkt - filtrační složenec
složence jsou vyobrazeny na obrázku 13. Na základě těchto rozměrů je potřeba přihlížet a přizpůsobit konstrukci stroje na tvorbu ryl a skladů.
Obrázek 13 – Skica výsledného produktu – složence
2.4 Současný stav stroje
Dosavadní stroj je vytvořen na principu tvorby skladů, v čem spočívá i tvorba ryl, a zároveň fixace složených překladů.
Konstrukční uspořádání současného stavu stroje je na obrázku 14 a popis detailu stroje je zohledněn na obrázku 15. Stroj je uzpůsoben na šíři filtračního pásku finálního rozměru, tedy 30mm a tvorba skladů je realizována pomocí pneumaticky horizontálně řízených planžet (5), které jsou opatřeny vyhřívacím systémem pro účinnou tvorbu ryl. Ve spodní části filtračního pásku (1) je současně vedena bikomponentní nit (4) zajištující okamžitou fixaci skladu při jeho tvorbě. Podstatou fixace skladu je přitavení bikomponentní nitě na filtrační
fixační nitě a filtrační materiál. Odtahové zařízení filtračního pásku nebo přesněji podávací válce jsou aktivovány prostřednictvím horního snímače polohy pásku a deaktivován spodním snímačem polohy.
Obrázek 15 - Detail současného stavu stroje: 1 – kotouč návinu pásku filtračního materiálu, 2 – odtahové zařízení (podávací válce), 3 – snímače polohy pásku, 4 – bikomponentní nitě, 5 – pneumaticky řízené planžety, 6 – odtahové zařízení.
Doba, za kterou je současný stroj schopen vytvořit jeden sklad, je 5sekund a cílem nového řešení je snížit čas, za který bude stroj schopen vytvořit jeden sklad filtračního materiálu a zvýšit tím efektivitu výroby a celkovou výtěžnost produktu.
Systém odtahového zařízení (viz obrázek 16) je realizován pomocí pneumatických pohonů, kde horní čelisti zajištují zachycení složence a následný odtah svislým pohybem směrem dolů. Tyto horní čelisti jsou součástí pístu pneumotoru, který je připevněn k pohonu s ozubeným řemenem konající vertikálně přímočarý pohyb. Po určité vzdálenosti odtažení jsou horní čelisti pneumotoru odsunuty a současně jsou vytaženy spodní čelisti po dobu vrácení horních čelistí do počáteční horní polohy.
Obrázek 16 - Systém odtahového zařízení
2.5 Rešerše problematiky zabývající se tvorbou ryl, skladů a fixace filtračních materiálů
Rešerše je zpracována z patentů předních výrobců, které se zabývají výrobou filtrů, filtračních zařízení, filtračních vložek a dalších zařízení zabývající se filtrací či skládanými materiály. Podrobnější informace a popis patentů jsou uvedeny v příloze 2.
Způsob výroby filtračního materiálu – patent DE 102011116947
Vynález přihlášený celosvětově rozšířenou společností Hydac se týká způsobu výroby vrstveného filtračního materiálu, zejména pro hydraulické systémy, v němž alespoň jeden z jedné vrstvy filtračního média filtrační vložky, je opatřen po sobě následujícími záhyby. Přeložení je realizováno pomocí nožů, které se navzájem pohybují směrem k sobě a jsou v záběru za vzniku příslušného skládacího média na filtrační vložky.
Na základě tohoto stavu techniky vynález poskytuje způsob zajišťující jednoduchou a efektivní výrobu filtračních materiálů, které mají lepší stabilizaci geometrie záhybu, a tím zajišťuje vysokou stabilitu.
Obrázek 17 znázorňuje proces tvorby skladů na filtrační vložce (1) pomocí nožového plisovacího stroje s protilehlými pohyblivými plisovacími noži (3). Filtrační vložka se skládá z jednotlivých vrstev filtračního média, které jsou znázorněny plnou, čárkovanou a čerchovanou čarou. V opačném pohybu skládacího nože tvoří působením na filtrační vložky základ záhybu (5) s protilehlým hřbetem záhybu (7), zatímco filtrační vložka se pohybuje ve směru šipky (9) a směrem pohybu.
Mezi sonotrodou (11) a kovadlinou (13), kde na filtrační vložce mezi základem záhybu a hřbetem záhybu efektivně proniká ultrazvuková energie, tvoří svarový spoj (15)
Obrázek 17 - Schéma obvyklého postupu při skládání vložky plisováním nožem [6]
značně vyztužená. Tím, že bylo dosaženo stabilizace plisovací geometrie, filtrační materiál je odolný vůči toku v průběhu filtrace provozních zatížení.
Dutý válec (17), znázorněn na obrázku 18, je vně a v jeho interiéru (19) obklopen nosnými trubkami. Při provádění způsobu podle vynálezu mohou být sonotrody (11) načasovány, kde by každá skládací (svařovací) operace proběhla tak, aby veškeré po sobě jdoucí sklady filtrační vložky (1) mezi základem záhybu (5) a hřbetem záhybu (7) byly svařeny. Také může být svařovací operace vynechána vhodným taktováním v požadovaných záhybech. Zejména sonotrody (11) a příslušná kovadlina (13) jsou ve tvaru pásku, takže svarové spoje (15) mohou být vytvořeny po celé délce L nebo z velké části. [5]
Samonosné skládání filtračního média – patent US2011138760
Předložený vynález vytvořený společností 3M je filtr, který je tvořen kontinuální délkou filtračního média. Filtrační médium má množství záhybů definovaných
Obrázek 18 - Perspektivní pohled na provedení filtračního materiálu vyrobeného způsobem podle vynálezu, který je vytvořen do dutého válce pro filtrační prvek [5]
Obrázek 19 - Schematické znázornění systému pro předtvarování podle tohoto vynálezu [6]
množstvím ohybových linií, z nichž každá ohybová linie tvoří průběžné opačně nakloněné strany povrchu. Množství ohybových linií obsahuje jednu množinu skladových hran a druhé množství skladových žlabů. Adhezní pramen (32) je zásobován na čelní straně filtračního média v nesouvislém styku s tímto filtračním médiem. Adhezní pramen (32) spojuje filtrační médium u záhybu špiček a spojuje filtrační médium v horní části povrchu stěny.
Filtračního médium (12) se posouvá přes vytvářeč záhybů (18), který v jednom provedení je rotačně-drážkovací vytvářeč záhybů (rylovací zařízení). V dalším provedení je filtrační médium rylováno v pravidelně rozmístěných intervalech s konvenčním rylovacím zařízením nebo například laserovou řezačkou. Narylovaný filtrační materiál pokračuje k podávacím válcům (20). V jednom provedení jsou k dispozici ohřívače (22) na bázi infrazáření pro vyztužení záhybů (24). Ve znázorněném provedení na obrázku 19 sklady (24) mohou volně viset předtím, než pokročí k zařízení pro tvorbu skladů s danou roztečí (26). V jiném provedení sklady (24) jsou zachovány v zásobníku nebo žlabu předtím, než pokročí k zařízení pro tvorbu skladů s danou roztečí (26). [6]
Způsob a zařízení pro výrobu filtrů – patent US 4798575
Na obrázku 20 je zobrazen způsob a zařízení pro výrobu filtrů patentován společností Flodins Filter, ve kterém filtrační materiál kontinuálního délky (5) je složen do formy složence (39). Záhyby jsou připojeny na jeho koncích podél bočních okrajů filtračního materiálu a jsou uzavřeny proti sobě tak, že tvoří dráhu vedení filtrovaného média, které se dostává do prostorů mezi záhyby na jedné straně filtračního materiálu, skrze materiál a ven do prostorů mezi záhyby na druhé straně filtračního materiálu.
Během procesu připevnění konců záhybů k sobě navzájem jsou záhyby drženy odděleně od sebe na předem stanovenou vzdálenost mezi jejich vnějšími založenými kraji pomocí zařízení (18) opatřeného množstvím hřebenů (20), které procházejí uvnitř záhybů a drží je tímto způsobem na výše uvedené předem stanovené vzdálenosti od sebe. [7]
Obrázek 20 - Schéma vynálezu [7]
Způsob výroby skládaného filtračního materiálu – patent US 5389175
Uvedený patent je podaný společností Mann & Hummel. Jedná se o způsob a zařízení pro výrobu skládaného filtru z nekonečného pásu filtračního materiálu (1).
Rylovací válce (10) kladou na pásu filtračního materiálu potřebné záhyby. Tkaný filtrační materiál (1) je pak předán s roztečí záhybů do ozubených hřebenů (2), které následně posouvají naskládaný filtrační materiál do rotačního zařízení (3) stanovující patřičnou rozteč. Filtrační pás materiálu podáván dál pomocí předávacího zařízení (12) je potom oddělen na řezačce (5) na kousky vhodných pro další zpracování. [8]
Obrázek 21 - Boční pohled provedení tohoto vynálezu [8]
Způsob výroby trvalých skladů a stroj skládacích nožů s odtahovým zařízením – patent US 7510518
Vynález vydaný společností Karl Rabofsky, který je popsán a zobrazen na obrázku 22, se týká způsobu výroby trvalých přehybů filtračního materiálu (4) a stroje se skládacími noži (1) pro výrobu stálých záhybů. Skládací stroj má alespoň dva skládací nože (2, 3), které konají rotační (R) a translační pohyb (T) vytvářející sklady procházejícího filtračního materiálu (4) a nože, které jsou umístěny jeden proti druhému
vzhledem k filtračnímu materiálu. Skládací kanál (14), který se pohybuje konstantní hnací silou, zasahuje ke skládacím nožům (2, 3) ve skládacím směru (F). Aby se snížily náklady spojené s přestavením stroje se skládacími noži (1) na jiný filtrační materiál, který má být skládaný, kde na konci materiálu, je k dispozici přenosové zařízení (7). Zařízení, které ve vyhazovacím režimu, na které je připojený doraz (24) s nastavitelnou výškou (H), vystupuje do projekční oblasti stálých skladů (26) ve skládacím kanálu (14) a ve skládacím směru (F). [9]
Zařízení pro skládání filtračního materiálu – patent US 6290635
Obrázek 23 znázorňuje zařízení a způsob pro výrobu „cik-cak“ skládaného filtračního elementu z filtračního materiálu (18) odvíjeného z návinu (19), který je dodáván přes podávacího ústrojí na lisovací jednotku (10). Pro definování přesně
Obrázek 22 - Boční pohled vynálezu se skládacími noži [9]
a lisovacím zařízením (23, 24). Lisovací jednotka je vybavena aktivním ultrazvukem a tím je zlepšena operace lisování. Tyto lisovací jednotky jsou přesně na určených místech
tak, aby poté záhyb mohl být vytvořen v oblasti (25). Aby bylo možné definovat mezery záhybů, jsou k dispozici dvě šroubovice (26 a 27), kterými prochází filtrační materiál.
Tyto šroubovice mají klesající stoupání tak, aby vzdálenost mezi záhyby byly zmenšovány ve směru šipky (28). Na pravém konci šneků je pás přenášen na dva dopravní pásy (29 a 30). Tyto dopravní pásy nesou pás filtračního materiálu k dalšímu zpracování.
[10]
Plisovací stroj určený pro výrobu filtrů – patent US4201119
Konkrétní stroj pro vytváření skladů filtračních materiálů byl vyvinut společností MSA Safety. Jedná se o konvenční plisovací stroj na výrobu filtrů, který má bočně pohyblivé nahrnovací planžety a vertikálně pohyblivou vysunovací planžety k sobě rovnoběžné a obvykle umístěny bočně nad stolem. S vertikálně pohyblivým jističem panelu mezi planžetami, jsou obvykle umístěny pod deskou stolu.
Vynález, který je znázorněn na obrázku 24, spočívá ve vysunutí spodních hran nahrnovacích planžet (4, 5) a vysunovacích planžet (3) s větším počtem podélně rozmístěných drážek (18 a 19) pro příjem vzhůru procházejících paralelně oddělených pásků (17) nad filtrační pás (16), rozkládající se podél stolu (1) pod těmito oběma planžetami (18, 19) a rovněž při poskytování horní hrany z vysunovací planžety (3) podélně rozmístěných drážek (13) pro příjem dolů směřujících paralelně oddělených pásků (15) pod filtrační pás (16), pokud je jistící planžeta (3) zdvižena, přičemž záhyby
Obrázek 23 - Schéma plisovacího zařízení filtračního materiálu [10]
filtračního pásu jsou odděleny oddělovacími pásky naskládaných mezi nimi. [11]
Metoda plisování – patent US2004162203 Na obrázku 25 je znázorněné schéma způsobu plisování, které má na svědomí společnost zabývající se filtračními prvky a zařízení, společnost Pall Corporation. Tento způsob zahrnuje filtrační materiál, kterým disponuje a na podpěrném povrchu a vytváří záhyby stlačením, resp. nahrnutím části filtračního materiálu mezi prvním a druhým plisovacím povrchem, kde alespoň jeden z povrchů plisování je zakřivená plocha nebo vybíhá v ostrém úhlu s ohledem na podpěrný povrch. Ve spodní části podpěrné desky umístěná lišta je vysunována pomocná lišta pro nadzvednutí skládaného
Obrázek 24 - Jednotlivé kroky tvorby skladů [11]
filtračního materiálu před jeho složením do konečného tvaru skladu. [12]
Způsob a zařízení pro výrobu filtračního materiálu – patent US6364978 Obrázek 26 ukazuje schéma způsobu a zařízení na výrobu skládaného filtračního materiálu se záhyby stanovených v těsné blízkosti. Tento způsob a zařízení je patentováno společností Moldex-Metric. Jedná se o termoplastický filtrační materiál zahřívaný po dobu vytváření záhybů, které se akumulují uvnitř chladící dráhy tak, že záhyby jsou stlačeny k sobě a zpevněny ochlazením s ohledem na jejich tvar. [13]
Plisovací stroj na výrobu filtrů – patent US3077148
Mechanismus navržený společností General Motors umožňuje vysokou rychlost výroby filtračních vložek. Obsahuje
automatický oddělovací mechanismus a je spojen s vytvrzovací pecí tak, že sled operací se provádí s minimálními nároky na čas a prostor.
Přístroj používá zubové skládací hlavy (viz obrázek 27) umístěné proti sobě, které skládají filtrační pás v kalibrovaných intervalech, aby se vytvořil skládaný produkt. Ozubená
kola udržují konstantní podávání kvůli Obrázek 27 - Zvětšený pohled na skládací hlavy plisovacího Obrázek 26 - Schéma zařízení na výrobu skládaného filtračního materiálu [13]
přilnavosti k filtračnímu pásu a zároveň poskytuje neozubenou boční stěnu pro upnutí pásu. [14]
Způsob výroby samonosného skládaného filtru – patent US2003089090 Tento vynález, uveden na obrázku 28, je zaměřen na způsob výroby samonosného skládaného filtru s posílenou strukturou, která odolává deformaci záhybů, a to zejména plně automatizovaným způsobem výroby skládaných filtrů na filtraci vzduchu. Tento způsob provedení zahrnuje tvorbu podélných záhybů ve filtračním médiu podél předního a zadního čela. Záhyby obsahují množinu složených hrotů šikmých bočních ploch obecně kolmo ke směru plisování. Alespoň jeden rovinný výztužný pás orientovány ve směru plisování je vázán k záhybu hrotů na čelní straně a alespoň jeden výztužný prvek je umístěn podél zadní strany filtračního média.
Obrázek 28 - Schématické znázornění provedení způsobu podle tohoto vynálezu [15]
Výztužný člen může být výztužný pás orientovaný ve směru plisování a vázán na zadní straně filtračního média před fází tvarování záhybů nebo rovinný výztužný pás může být případně vázán na složené sklady. Alternativně výztužné kolmo orientované pásky mohou být vázány ke směru plisování na zadní straně filtračního média před fází vytváření záhybů. V jiném provedení, výztužný člen je aplikován na zadní straně filtračního média poté, co byly vytvořeny záhyby. Výztužný prvek je umístěn podél
Způsob výroby formy filtru výfukových plynů – patent US2002162310
Nevytvrzená forma (10) k následnému zpracování výfukových plynů je filtr obsahující první a druhou vrstvu (12 a 14) z regenerovatelného filtračního materiálu, přičemž druhá vrstva filtračního materiálu je skládaná a s první vrstvou tvoří množinu axiálně průtočných kanálů (32, 80, 81), které mají boční tvary příčného řezu se dvěma sousedními úhly (34 a 36, 56 a 58). Každý úhel je větší než 45 ° a menší než 75 °, které mají stěnové segmenty (18 a 20, 68 a 70) o tloušťce menší než 0,8 mm, poréznost větší než 80% a výška prodloužení (b) mezi složenými hroty je menší než 10 mm. K dispozici jsou tvářecí zařízení (83, 84). [16]
Obrázek 29 - Schématické znázornění způsobu výroby filtrační vložky [16]
Způsob výroby skládaného filtru – patent EP1952873 Patent tohoto způsobu je podaný
společností Mann & Hummel, který zahrnuje zpevnění prostřednictvím skládací šablony, který má ohybové linie na filtračním pásu (2), který je vytvořen z filtračního materiálu.
Záhyby (3) jsou ohnuty skrze skládací šablony a část linií ohybu jsou měkčeny a tvoří spojovací vrstvu. Linie ohybu jsou vytvořeny svařováním filtračního materiálu, stejně jako měkčená spojovací tenká vrstva, pomocí infračerveného svařování nebo externího zdroje tepla. Filtrační pás je uveden do přehnutého tvaru a hrany skladů (5, 6) se
záhyby představují linie ohybu, ve kterých je spojovací povlak vytvořen svařováním. [17]
Zařízení pro skládání filtračního média a způsob výroby složeného klikatého filtračního prvku – patent DE102010011785
V tomto patentu podaného též společností Mann & Hummel, je popsáno zařízení (10) a způsob výroby klikatě skládaného filtračního prvku (13), zejména ze tkaného filtračního média (12) – viz obrázek 31.
Tkanina jako filtrační médium (12) je přiváděna prostřednictvím podávacích zařízení (18, 22) přes ultrazvukové razící jednotky (24). Razidlo, které je zásobené ohybovými liniemi, vytváří trvalé ryly do tohoto listového filtračního média (12).
Následně filtrační médium (12) podél ohybových linií je překlopeno do skládacího zařízení (42). Vrstvy (14, 16) z vícevrstvého filtračního média (12) v průběhu ražení jsou přivařeny podél ohybových linií. [18]
Obrázek 30 - Schématické znázornění zařízení pro tvorbu skladů a výsledný produkt ve hvězdicovém tvaru [17]
Obrázek 31 - Schéma zařízení podle vynálezu klikatě skládaného třívrstvého filtračního materiálu [18]
3 Praktická část
Na základě vyhotovení výše uvedené rešerše získané z patentů předních výrobců filtrů a filtračních zařízení byla vyhotovena řada možných variant, které by mohly být použity do výsledného sestavení stroje. Stroj s kontinuálním řešením rylování, tvorby skladů a následné fixace.
Práce spočívá v navržení zařízení pro vyhotovení polotovaru pro filtrační zařízení a uspořádání funkčního modelu zařízení určeného pro výrobu fixovaných skladů filtračních vložek s oddělenou funkcí tvorby rylování a fixačního ústrojí. Cílem práce je zkrátit dobu tvorby jednoho skladu na co nejmenší čas, aby bylo docílené největší výtěžnosti a tím došlo k zefektivnění výroby po ekonomické stránce.
3.1 Koncepce konstrukčního uspořádání stroje
Uspořádání stroje závisí na ekonomičnosti výroby a efektivní využitelnosti všech modulů stroje. Na základě těchto aspektů se může uspořádání dělit dle těchto oblastí:
1. Dle způsobu výroby skládaných filtračních polotovarů a) Kontinuální výroba
b) Diskontinuální výroba 2. Dle procesů výroby
a) Kompletní výroba
b) Rozdělení procesu rylování a skládání
Pro názornost na obrázku 32 je k dispozici blokové schéma jednotlivých operací a zařízení, potřebných k výrobě složeného filtračního polotovaru neboli složence, znázorňující výrobní linku.
Obrázek 32 - Blokové schéma kompletního sestavení stroje
3.1.1 Stručný popis jednotlivých fází plisovací výrobní linky
Pro přehled a pochopení jednotlivých fází potřebné k realizaci tvorby filtračního polotovaru jsou v této kapitole stručně popsány výše uvedené operace.
1) Návin
V tomto konkrétním případě návin je plošně navinutý materiál na cívce (viz obrázek 33), která je volně uložena s dostatečnou vůlí na hřídeli. V jiném případě je pevně uložena na rotační hřídeli. Tohoto způsobu je využíváno zejména u návinů velkých rozměrů a hmotností. Návin slouží pro snadné odvíjení a následnou dodávku materiálu.
Obrázek 33 - Ukázka jednoho z možných návinů
2) Podávací zařízení
Ve své podstatě se jedná o odtahové válce (obrázek 34), které odvíjejí filtrační médium z návinu a podávají materiál k dalšímu zpracování. Pro realizaci podávání materiálu jsou válce opatřeny výstupky nebo speciálním protiskluzovým materiálem, jako je například silikon, pryž a řada dalších materiálů. Odtah může být realizován zvětšením úhlu opásání, tedy zvětšení stykové plochy. Válce jsou k sobě dostatečně stlačeny pro zvýšení tření mezi válci a procházejícím materiálem.
Obrázek 34 - Ukázka odtahových válců s přítlakem
3) Rylování
Rylování je proces vytváření ohybové linie obecně do papírového či filtračního materiálu, která je způsobena za působení tlaku, popřípadě za působení kombinace tlaku a tepla prostřednictvím rylovacích hrotů. Hroty vytváří rýhy za účelem jednoduššího ohybu, jakosti ohybu v místě vytvoření ryly a zlepšení přesnosti, aniž by došlo k destrukci materiálu. Na obrázku 35 je ukázka principu rylování.
Obrázek 35 - Schéma rylovacích válců
4) Tvorba skladů
Záhyby na horní straně a záhyby na spodní straně materiálu jsou nedílnou součástí pro tvorbu složence. Překládáním narylovaného materiálu jedné strany zespod a druhé strany materiálu shora dochází k vytvoření tzv. harmoniky (viz obrázek 36). Sklady jsou
rešerši a ukázka některých principů skládání jsou uvedeny v níže popsané kapitole možných variant.
5) Fixace
Fáze fixace je realizována pro vytvoření kompaktnosti filtračního polotovaru a pro zamezení proti rozpadnutí předem narylovaného a následně naskládaného materiálu.
Spojení mohou být provedena celou řadou způsobů a různými druhy adhezních materiálů.
Jedny ze způsobů fixace filtračního složence jsou pro názornost zobrazeny na obrázku 36.
Obrázek 36 - Ukázka fixace naskládaného materiálu
6) Řezání
Proces řezání je provozováno u varianty zejména kontinuální výroby filtračního polotovaru pro rozdělení kontinuální délky materiálu na požadovaný rozměr, ze které se následně vytváří filtrační vložky.
Řezání přesně definovaných rozměrů může být taktéž řešeno více způsoby.
Způsoby řezání jsou uzpůsobeny na základě vlastností materiálu, přesněji plošné hmotnosti řezaného materiálu.
3.2 Varianty principů funkčního modelu
Zpracování variant uspořádání funkčního modelu závisí na vyhodnocení principiálních způsobů tvorby trvalých skladů, na základě něhož jsou zpracovány níže uvedené varianty. Varianty rozdělujeme na způsob výroby nepřetržité a kontinuální výroby trvalých skladů filtračních vložek s oddělenou s oddělenou funkcí tvorby rylování a fixačního ústrojí. Některé principy byly konstrukčně zpracovány.
3.2.1 Diskontinuální tvorba skladů
Varianta zajíždějících planžet
Uvedená varianta na obrázku 37 pracuje na principu postupného zajíždění planžet obstaraných pružnými jednotkami. Tato varianta spočívá v zapadnutí planžet postupně od středu z obou stran do korýtka. Mezi planžetami, nebo také nazývanými šavlemi, je přiváděn plát filtračního materiálů nařezaný na určitou délku a po působení určitého času těchto šavlí v drážce se tento cyklus opakuje. Na obrázku 37 je stručné schéma této varianty.
Obrázek 37 - Schématické znázornění diskontinuálního způsobu tvorby skladů
3.2.2 Kontinuální tvorba skladů
Varianta s pružinami
Tato varianta řešení byla navržena ze znalosti výše uvedeného patentu č.
US2011138760, ze kterého byla použita šroubovice pro tvorbu skladů přesně definované rozteče. Rozteč je dána výrobou pružiny, přesněji navinutím pružiny na požadovaný rozměr výsledného produktu. Tato šroubovice má nekonstantní stoupání pro postupný návin. Přibližně v polovině spodní pružiny své délky dochází k fixaci adhezním materiálem a za dobu odtahování filtračního materiálu dojde k zatuhnutí adhezního materiálu. Tyto pružiny jsou do se sebe zasunuty v poloze k sobě pootočených a tím nedochází ke kolizi těchto dvou pružin a teoreticky by docházelo odtahu materiálu a jeho složení na přesně definované rozteče skladů.
V ose rotace řemenice a též v ose rotace šneka je u umístěn pant pro snadné navedení počátečních skladů, u kterých je problematické počáteční uchycení materiálu přižinami.
Obrázek 38 - Tvorba skladů a jejich fixace pomocí pružin s nekonstantním stoupáním
Obrázek 39 - Detail varianty s pružinami
Výhody tohoto řešení spočívají v tom, že cyklus produkce filtračních vložek je kontinuální a tím dochází k zefektivnění výroby. Filtrační materiál je desetinásobně širší a po vytvoření zafixovaného naskládaného materiálu dochází k jeho nařezání prostřednictvím laserů nebo jiných řezných nástrojů.
Varianta se šroubovicemi
Varianta s tvorbou skladů pomocí lamel pásového dopravníku
Obrázek 41 - Tvorba skladů pomocí lamel pásového dopravníku
Tato varianta se liší od varianty s pružinami pouze tím, že je vybavena dopravníkovým pásem, ve kterém jsou příčně připevněny lamely a prostřednictvím zajíždění lamel do sebe dochází k vytvářením skladů. Dále nadchází taktéž pružiny, které slouží k vymezení přesné rozteče při fázi fixace.
3.3 Vyhodnocení variant
Pakliže bychom chtěli zachovat kontinuální výrobu s využitím materiálu AntiVirus SMNF 57, je potřeba zajistit hrnutí materiálu nebo jeho odskočení. To je řešeno pomocnými přesně obepínajícími vodícími plechy ze všech čtyř stran a zároveň postupně posouvající se čelistí (viz. Obrázek 41), která má za úkol zamezit rozpadnutí skladů narylovaného materiálu. Dalším faktorem je fixace naskládaného materiálu v přesně dané rozteči skladů a v požadovaném místě, které zaručí úplné zatuhnutí adhezivní složky. Pro přesně definovanou rozteč jsou výhodné pružiny, o kterých se píše v kapitole č. 4.2.3.
4 Navržení funkčního modelu
Na základě zpracování a vyhodnocení všech předložených variant a též patentové rešerše způsobů výroby filtračních zařízení a materiálů předních výrobců byla navržena optimální a rovněž nejpřínosnější varianta funkčního modelu. Uvedené schéma na obrázku 44 znázorňuje koncepční uspořádání ovládacích prvků a jednotlivých fází stroje pro tvorbu filtračního polotovaru s oddělnou funkcí tvorby rylování a fixačního ústrojí. Následně byla tato varianta konstrukčně zpracována.
Obrázek 42 - Schéma výsledné koncepce uspořádání stroje
4.1 Popis výsledného koncepčního uspořádání stroje
Navržení spočívá v uspořádání a požití všech potřebných komponentů a funkčních zařízení ke zhotovení funkčního modelu pro výrobu filtračního složence od počáteční fáze návinu. Připravený návin filtrační materiálu je umístěn na začátku funkčního modelu stroje, ze kterého je zajištěna dodávka materiálu k následnému zpracování. Odtah filtračního materiálu je realizován prostřednictvím podávacích válců (3) přes distanční tyče (2), které vymezují přesnou dráhu materiálu do potřebné výšky. Odtahové, respektive podávací válce jsou opatřeny na jejich funkčním povrchu speciálním povlakem s vysokým součinitelem tření, který zaručuje plynulý odtah bez poškození daného filtračního materiálu.
Další fází konstrukčního uspořádání modelu stroje jsou vodící trubky (4), které mají podobnou funkci jako předešlé distanční tyče s tím rozdílem, že vymezují prostor vedeného materiál mezi snímači polohy (5) pro zajištění zpomalení dodávky materiálu k další fázi funkčního modelu a tou je proces rylování. Ke zpomalení dodávky filtračního materiálu musí docházet proto, že není zaručená přesná synchronizace mezi pohony podávacích a rylovacích válců vzhledem k možným nežádoucím jevům, jako je například prokluz materiálu mezi podávacími válci a tím dochází k pnutí materiálu a v horším případě k přetržení. Vzhledem k tomuto možnému vzniku nežádoucím jevům,
materiálu pomocí řídicího systému a jsou vstupním signálem do řídící jednotky ovládací pohony podávacích válců. Pakliže materiál přesáhne horní hranici definovanou polohou snímače, pohony jsou aktivovány a odtahové válce podávají materiál do té doby, než překročí spodní hranici snímačů. V daný okamžik pohon podávacích válců je zastaven a opět čeká na signál.
Rylování je realizováno pomocí rylovacích válců otáčející se proti sobě, a tím dochází k odtahování již už narylovaného materiálu k dalšímu procesu výroby filtračního polotovaru. Jedná se o proces tvorby skladů, ale před tímto procesem je opět umístěna dvojice snímačů (6) a vodící trubky (4) se stejnou funkcí, jako v předchozí fázi. V tomto případě jsou snímače použity ještě z důvodu napnutí materiálu před tvorbou skladů a nedocházelo tím k hromadění materiálu před skládacími planžetami. Docházelo by tím k nerovnoměrným nebo i znehodnoceným skladům. Napínání je způsobeno vlastní tíhou materiálu ve stanoveným průvěsu.
Fáze skládání (8) je navrženo pomocí dvojic proti sobě vzhůru ležícím pneumotorů, které konají dva základní pohyby. Translační pohyb po vertikální ose nahoru a dolu se zdvihem definovaným výškou skladu a rotační kývavý pohyb, který je realizován dvoupolohovým pneumotorem. Funkce a pohyby těchto motorů jsou podrobněji popsány v jedné z níže uvedených kapitol konstrukčního zpracování funkčního modelu stroje.
Nezbytné pro tvorbu skladů tímto způsobem je opěrné zařízení, které je znázorněné na obrázku 42 pod číslem (9). Toto zařízení koná posuvný horizontální pohyb a odsouvá se rychlostí, která odpovídá rychlosti vytvoření jednoho skladu. Odtahové zařízení, které je podporou skladů, je odtahováno pomocí elektrického pohonu soustavy tří řemenic na konec dráhy lineární vedení, které končí na úrovni konce pružin. Podpěrné zařízení (9) je součástí celého bloku, které obsahuje fixační tavné hlavice (11) pro zpevnění složence a toto podpěrné odsouvající se zařízení slouží pouze pro navedení skladů na distanční pružiny (10). Pružiny jsou uloženy na rotujících hřídelích a slouží k přesně definovaným roztečím skladů před zahájením fáze fixace.
Celý blok, který v sobě nese fixační a podpěrné zařízení, je pevně připojen k pneumatickému tlačnému pohonu s elektromagnetickým pístem. Cyklus tohoto celého bloku se opakuje vždy, když dochází k výměně návinu a musí dojít k opětovnému založení skladů a jejich navedení na pružiny.
4.2 Konstrukční zpracování funkčního modelu stroje
Podrobnější zpracování a popis funkcí jednotlivých operátorů se nachází v této kapitole a souvisejících podkapitolách s konkrétními detaily hlavních problematických uzlů, které jsou svázány s vlastnostmi použitého materiálu v důsledku jeho nepříznivého chování. Jelikož materiál má malou plošnou hustotu, konstrukce je vzhledem k tomuto faktu přizpůsobena.
Na obrázku 43 je znázorněno konstrukční uspořádání funkčního modelu, které je uloženo v přesně navrženém rámu, který je sestaven z hliníkových profilů o rozměrech 40x40mm a je nosnou částí jednotlivých komponentů a zařízení.
Obrázek 43 - Náhled na konstrukční uspořádání funkčního modelu
Obrázek 44 - Návrh funkčního modelu výsledného konstrukčního řešení
Na obrázku 44 je přehledný popis dílčích komponentů a ústrojí konstrukčně zpracovaného funkčního modelu:
1 – Návin filtračního materiálu
2 – Distanční tyče stanovující výšku dodávky materiálu 3 – Odtahové válce
4 – Snímače polohy průvěsu filtračního materiálu 5 – Vymezující trubky zabraňující odskočení materiálu 6 – Rylovací válce
7 – Skládací zařízení
8 – Naváděcí zařízení na pružiny, též podpěra skládaného materiálu 9 – Fixační ústrojí
10 – Podpěrné a zamezující vychýlení skládaného materiálu 11 – Nosný blok naváděcího zařízení a fixačního ústrojí
4.3 Popis hlavních uzlů stroje konstrukčního uspořádání
Pro realizaci tvorby skladů jsou nedílnou součástí jedny z hlavních uzlů funkčního modelu a ty jsou podrobněji popsány.
4.3.1 Zařízení pro tvorbu skladů
Další fází je tvorba skladů. Pro skládání filtračního materiálu se nabízí celá řada variant realizace. Některé varianty byly vybrány a popsány za předpokladu požadovaných rozměrů filtračního složence a tou je výška, hustota skladů, ale hlavně princip skládání vzhledem k vlastnostem materiálu. Filtrační materiál pro daný produkt má menší plošné hmotnosti a z toho důvodu je materiál velice pružný a nedrží ideálně svůj tvar.
Navržené pohonné jednotky
Obrázek 45 - Boční pohled na soustavu skládacího zařízení v základní pozici
Pro realizaci vertikálního pohybu planžet, které vytváří překlady filtračního materiálu, byl navržen pneumotor konající vertikální pohyb délky 10mm. Tento zdvih je dán výškou skladu filtračního materiálu a navržení tohoto motoru bylo provedeno prostřednictvím programu Festo PositioningDrives dodávaného společností Festo.
Jedná se o pneumotory ADNG-20-15-P-A konající přímočarý posuvný pohyb a
