Návrh zkušebního zařízení pro automatické galvanické tamponování

(1)

Filip Urbanec

Návrh zkušebního zařízení pro automatické galvanické tamponování

Diplomová práce

2011

(2)

Obor: Konstrukce strojů a zařízení Zaměření: Obráběcí a montážní stroje

Návrh zkušebního zařízení pro automatické galvanické tamponování

Design of test equipment for automated electroplating tamponade

KVS – OS – 324

Filip Urbanec

Vedoucí diplomové práce: Prof. Ing. Přemysl Pokorný, Csc.

Konzultant diplomové práce: Ing. Jiří Cerman, Ph.D. TUL, KMT, Liberec

Počet stran: 61 Počet obrázků: 50 Počet tabulek: 16 Počet výkresů: 8 Počet příloh: 1

V Liberci 4. 1. 2011

(3)

(4)

TÉMA: Návrh zkušebního zařízení pro automatické galvanické tamponování

ANOTACE: Diplomová práce pojednává o návrhu zkušebního zařízení pro automatické galvanické tamponování. Předkládá návrh řešení technologického pracoviště a konstrukční řešení upínacího prvku pro anodový držák. Cílem práce je automatizování části procesu nanášení a usnadnění práce obsluhy.

THEME: Design of test equipment for automated electroplating tamponade

ANNOTATION: This thesis discusses the design of test equipment for automatic electroplating tamponade. Submitted proposal for the technological workplace and design of the fixture for the anode holder. Aim is to automate the process of application and ease of operation.

Klíčová slova: Galvanické tampónování, pokovování, robot, CNC stroj

Zpracovatel: TU v Liberci, Fakulta strojní, Katedra výrobních systémů Dokončeno: 2011

Archivní označení zprávy:

(5)

č. 121/2000 o právu autorském, zejména § 60 (školní dílo) a §35 ( o nevýdělečném užití díla k vnitřním potřebám školy).

Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) má právo na uzavření licenční smlouvy o užití mé práce a prohlašuji, že s o u h l a s í m s případným užitím mé práce (prodej, zapůjčení apod.)

Jsem si vědom, že užít své diplomové práce či poskytnout licenci k jinému využití mohu jen se souhlasem TUL, která má právo ode mne požadovat přiměřený příspěvek na úhradu nákladů vynaložených univerzitou na vyhodnocení díla (až do jejich skutečné výše).

V Liberci, dne 4. 1. 2011 ………

Filip Urbanec

(6)

Místopřísežně prohlašuji, že jsem diplomovou práci vypracoval samostatně, s použitím uvedené literatury, pod vedením vedoucího diplomové práce.

V Liberci, dne 4. 1. 2011 ………..

Filip Urbanec

(7)

Ing. Přemyslu Pokornému, Csc. za odborné vedení, obětavou spolupráci a velmi cenné připomínky v průběhu řešení diplomové práce.

Dále bych rád poděkoval panu Ing. Jiřímu Cermanovi, Ph.D. za poskytnutí cenných rad a užitečných informací při vypracování práce.

Na závěr bych rád poděkoval svým rodičům za jejich obětavou podporu v průběhu studia a svým blízkým za jejich trpělivost.

(8)

1. Rozbor a popis současné situace………...………12

1.1 Princip galvanického pokovení………..…..12

1.2 Princip galvanického tamponování………..……..……..13

1.2.1 Parametry vyloučených vrstev………....………….14

1.2.2 Druhy elektrolytů a povlaků………..……..……….15

1.2.3 Anodové držáky………..…….……….16

1.3 Popis současné situace……….………17

1.3.1 Pracovní postup pro ruční tamponování…..…………...………18

1.4 Postup pro automatické tamponování……….…….19

1.41 Pracovní postup pro automatické tamponování….……….19

2. Návrhy alternativních řešení……….………21

2.1 Varianty řešení……….21

2.2 Varianta A………21

2.3 Varianta B………...……….23

2.4 Současný stav zkušebních zařízení………...…………..….24

2.5 Popis zkušebních zařízení………..……...…………..….25

2.5.1 Robotický systém Mitsubishi movemaster model RV – M1……….25

2.5.2 Víceúčelový stavebnicový CNC stroj…………..……...…………..….27

2.6 Zařízení potřebná pro provoz tampónové technologie….…………..….29

2.6.1 Elektrický zdroj...29

2.6.2 Peristatická čerpadla….………...….29

2.6.3 Hadice pro peristatická čerpadla….……….……….….31

(9)

2.6.6 Anodový držák….………..………..….32

2.6.7 Anoda….…………..………....33

2.6.8 Odsávání a filtrace….………...……..….33

2.7 Přítlačný mechanismus anody….………....….34

2.7.1 Určení přítlačné síly….……….…..….35

2.7.2 Návrh přítlačného mechanismu….………...…..….35

2.7.3 Návrh konstrukce mechanismu….………..….39

2.8 Pilotní testy zkušebních zařízení a přítlačného mechanismu………..….42

2.8.1 Průběh testu….……….……..….42

2.8.2 Změna konstrukce vodícího pouzdra….………..….44

2.8.3 Návrh přípravku pro pohyblivé uchycení vodícího pouzdra….…….….45

2.9 Závěrečný test zkušebních zařízení………...….46

2.9.1 Průběh testu….……….…..….46

3. Alternativní návrhy tampónovacího zařízení………..…………51

3.1 Určení velikosti pracovního prostoru……….…………..…51

3.2 Parametry potřebné pro návrh zařízení………....…52

3.3 Specifikace zařízení pro povlakování forem………..…..…52

3.3.1 Robot angulárního typu….………...…..….53

3.3.2 Stavebnicový CNC stroj….………...…..….54

3.4 Seznam přiložené technické dokumentace………..…55

3.5 Cenové zhodnocení………..56

3. Technicko – ekonomické zhodnocení………...58

ZÁVĚR………...60

(10)

Seznam použitých zkratek a symbolů

Označení Jednotky Název veličiny

t µm tloušťka vrstvy

Q_n Ah elektrický náboj

f Ah/cm²*µm faktor lázně

S cm² povlakovaná plocha

a cm délka strany povlakované plochy

b cm délka strany povlakované plochy

U V elektrické napětí

F N přítlačná síla

m kg hmotnost

g m*s^-2 konstanta gravitačního zrychlení

j A/cm² proudová hustota

I A elektrický proud

Sk cm² plocha styku anody a pokovovaného předmětu

F1 N minimální pracovní síla pružiny

F8 N maximální pracovní síla pružiny

L1 mm délka předpružené pružiny

D mm střední průměr pružiny

c N/mm tuhost pružiny

(11)

Úvod

Tampónování je technologický proces, který se nejčastěji používá pro renovace povrchových vrstev u kovových materiálů. Tampónové pokovování se historicky vyvíjelo vedle galvanického pokovování v lázni a technicky bylo zvládnuto již od roku 1938 ve Francii.

Původně se jednalo o čistě lokální opravy jemných vad, později s využitím znalostí z chemie, fyziky a elektrotechniky bylo možné vylučovat kovové povlaky na větších plochách.V dnešní době se jedná o speciální technologii povrchových úprav, kterou se vytvářejí lokální funkční povlaky. [1]

Diplomová práce se zabývá návrhem zkušebního zařízení a technologického pracoviště pro automatické galvanické tampónování.

Práce se skládá z následujících hlavních částí :

- První část je věnována rozboru současného stavu a popisu principu galvanického tampónování

- Druhá část se zabývá návrhem technologického pracoviště pro automatické galvanické tampónování a návrhem příslušného manipulačního zařízení pro tampónování

- Třetí část ukazuje možnosti praktického využití manipulačních zařízení při automatickém tampónování forem na zpracování pěněných polymerů

- Čtvrtá část obsahuje technicko ekonomické zhodnocení vybraných variant

(12)

1 Rozbor a popis současné situace

V první části jsou řešeny platné zásady pro technologii galvanického tampónování a rozbor současného stavu v tomto pořadí:

• obecný princip galvanického pokovení

• obecný princip galvanického tampónování a parametry ovlivňující kvalitu

• popis současné situace a popis pracoviště pro galvanické tampónování

• návrh postupu pro automatické tampónování

1.1 Princip galvanického pokovení

Galvanické pokovení je proces, při kterém dochází pomocí elektrické energie k přenosu kationtů jednoho kovu na povrch kovu druhého (elektrolýza). Proces probíhá elektrochemickou reakcí v kapalném prostředí elektrolytu. Pokovovaný předmět plní funkci katody.

Obr. 1.1 Schéma procesu pokovení [2]

(13)

1.2 Princip galvanického tamponování

Tampónové pokovování je speciální technika galvanického pokovování. Stejně jako u galvanického pokovování je pokovovaný předmět zapojen jako katoda. Anoda je připojena k držáku (viz. obr. 1.4) a je obalena savým materiálem, do kterého sákne elektrolyt. Elektrolyt je nositelem iontů povlakujícího kovu. Při dotyku anody obalené savým materiálem se uzavře elektrický okruh a na povrchu pokovovaného objektu se začne vylučovat kov z elektrolytu nasáklého v obalu anody (tampónu). K dosažení homogenního povlaku je nutné anodou po substrátu rovnoměrně pohybovat. [3]

Popis metody:

Kovová vrstva se vytváří usměrněným pohybem tampónu (2) napuštěným elektrolytem. Při tomto pohybu dochází k elektrochemickému pokovování

prostřednictvím roztoku - elektrolytu (3) na místě styku pracovního nástroje - anody (5) a povrchu pokovované součásti - katody (1). [1]

Obr. 1.2 Schéma technologie tamponování [1]

1) Pokovovaná součást (katoda) 2) Tampón

3) Elektrolyt

4) Přívod elektrolytu do tampónu 5) Pracovní nástroj (anoda)

6) Směr pohybu pracovního nástroje

(14)

Při tampónování je elektrolyt přítomen pouze v tampónu a ne v celém objemu vany. Tím se spotřeba elektrolytu výrazně sníží a také náklady na samotné povlakování a chemickou likvidaci odpadu jsou nižší.

Při tomto způsobu pokovování musí být nastaveny a kontrolovány parametry, které ovlivňují kvalitu a rychlost vylučování povlaku.

Mezi tyto parametry patří: [1]

• vzdálenost anody od katody (tloušťka tampónu)

• rychlost relativního pohybu anody vůči katodě

• proudová hustota

• množství přiváděného elektrolytu do tampónu

• doba pokovování

• složení elektrolytu

Seznam zařízení pro provoz tampónové technologie: [1]

1) Regulovaný zdroj proudu, případně voltmetr a ampérmetr 2) Miska nebo menší vana

3) Čerpadlo 4) Elektrolyt 5) Anodový držák

6) Pracovní nástroj – anoda 7) Pokovovaná součást – katoda 8) Materiál pro vytvoření tampónu 1.2.1 Parametry vyloučených vrstev

Nanášení vrstev probíhá v tloušťkách 10 µm až 100 µm v závislosti na typu elektrolytu a době pokovování. Doba povlakování se řádově pohybuje od 10 minut až po několik hodin.

(15)

Vylučování vrstvy při této metodě je ve srovnání s vanovým povlakování 30 až 60krát rychlejší. Vyloučená vrstva je kvalitnější a velmi dobře se prolíná s podkladovým materiálem.

Pro předběžné určení tloušťky napovlakované vrstvy se používá vzorec 1.

S f t Qⁿ

= × (1)

kde Q_n .….elektrický náboj [Ah]

f …….faktor lázně [Ah/cm²*µm]

S…….povlakovaná plocha [cm²] t……. tloušťka vrstvy [µm]

1.2.2 Druhy elektrolytů a povlaků

Druh použitého elektrolytu závisí na požadovaných vlastnostech vrstvy a typu povlaku. Elektrolyty se dělí na roztoky a gely. Dosažená kvalita povlakované vrstvy je u obou vyloučených povrchů stejná. Při použití elektrolytu ve formě gelu dochází k podstatnému snížení znečištění okolních míst elektrolytem a riziko stečení (často korozně velmi agresivních elektrolytů) mimo pracovní místo. Oproti tomu při použití elektrolytu ve formě roztoku musí být okolí povlakované plochy chráněno, tak aby nedošlo ke kontaktu okolních míst s elektrolytem [1].

Tampónová technologie umožňuje zhotovování povlaků o různých vlastnostech.

Touto technologií lze vylučovat více jak 50 druhů povlaků. [1]

Například:

• antikorozní povlaky (Ni, Cr, Cu, Sn, Ag,….)

• otěruvzdorné povlaky a tvrdé vrstvy (Cr, Co-W, Ni-Co, Ni-W,….)

• vrstvy se speciálními vlastnostmi (Au, Ag, Pt, In, Pd, Rh,….)

(16)

1.2.3 Anodové držáky

Anodové držáky jsou konstrukčně uzpůsobené držáky, které se používají pro upevnění pracovního nástroje (anody) a propojovacího kabelu od elektrického zdroje.

Na konstrukci anodového držáku závisí technika nanášení povrchové vrstvy.

Nanášení povrchové vrstvy se provádí:

1. Přímým přívodem elektrolytů do tampónu (viz. obr. 1.2)

Elektrolyt je dodáván z pracovních nádob za pomoci čerpadla a systému hadiček, napojených na dutý anodový držák (viz. obr. 1.3). Držákem elektrolyt protéká přímo do anody obalené savým tampónem.

2. Ručním namáčením anody s tampónem do elektrolytu

Obal anody je ručně namáčen do nádoby s elektrolytem. V okamžiku, kdy obal anody nemá dostatek elektrolytu, je opětovně namočen do nádržky s elektrolytem a celý proces je opakován dokud není dosaženo požadované tloušťky vrstvy. Držák pro ruční tampónování (viz. obr. 1.4).

Obr. 1.3 Držák bez anody s přímým přívodem elektrolytu

Obr. 1.4 Držák s anodou bez přívodu elektrolytu

(17)

1.3 Popis současné situace

V současné době je vytvořeno neautomatizované technologické pracoviště pro galvanické tamponování, kde nanášení elektrolytu probíhá ručně.

Pracoviště je vybaveno zařízením na odsávání nebezpečných výparů od společnosti NEDERMAN ČR s.r.o.. Toto zařízení se skládá z odsávacího polohovatelného ramene ORIGIN, které umožňuje jednoduchou manipulaci.

Vlastní pracoviště se skládá z pracovního stolu, na kterém je ve speciálním držáku umístěno šest plastových nádob na používané čistící lázně a elektrolyty. Vlastní depozice probíhá v plastových kontejnerech nebo v nerezové vaně, do které odtéká přebytečný elektrolyt. Velikost nádob na přebytečný elektrolyt je dána velikostí povlakovaného předmětu. Pro vlastní galvanické tamponování jsou použity anodové držáky při maximálním průchodu proudu 75 A. Do anodovému držáku jsou pomocí závitu připevněny grafitové anody (viz. obr.1.4). Jako tampón slouží obal z polyesteru.

Použitý elektrický zdroj Seletron SPS – 1560 – AH dodává usměrněný elektrický proud v rozsahu 0 – 24 V a proud v rozsahu 0 – 60 A. [3]

Obr. 1.5 Technologické pracoviště s odsáváním

(18)

1.3.1 Pracovní postup pro ruční tamponování niklem NICKEL (High Speed) CODE SPS 5644 na substrát z hliníku

Krok Operace Materiál Napětí

[V] Polarita Poznámka 1 Jemné obroušení Brusný papír zrnitosti

180 - 320 - - -

2 Oplach Destilovaná voda - - -

3 Elektrolytické odmašťování

Elektrocleaning code

SCM 4100 10 - 20 Přímá Co nejdříve po oplachu

5 Aktivace povrchu Aktivátor code SCM

4300 - - -

7 Předpovlakování

LA-TEC Cyanide- Free Alloy Zincate

Treatment - -

Doba povlakování maximálně 30s

9 Předpovlakování niklem

NICKEL (Acid) code

SPS 5600 8 - 15 Přímá Minimální tloušťka 20 µm

11 Jemné obroušení Brusný papír zrnitosti

180 - 320 - - -

4300 - - -

17 Vlastní povlakování mědí

COPPER (High Speed Acid) code

SPS 5260

8 - 15 Přímá

Doba povlakování dle

požadované tloušťky povlaku

19 Vlastní povlakování niklem

NICKEL (High Speed) code SPS

5644

8 - 15 Přímá

Doba povlakování dle

požadované tloušťky povlaku Tab. 1 Technologický postup ručního povlakování [3]

(19)

1.4 Postup pro automatické tamponování

Před vlastním návrhem technického řešení pro automatické tamponování musí být upraven technologický postup ručního tamponování.

Proces ručního tamponování na velkých plochách je manuálně a časově náročný.

Automatizováním části tohoto procesu se docílí značného zvýšení produktivity práce a snížení časové náročnosti celého procesu. Postup povlakování byl rozdělen do 3. etap.

1. Etapa - Ruční nanášení

2. Etapa - Příprava těsně před automatizovaným nanášením 3. Etapa - Automatizace

1.4.1 Pracovní postup pro automatické povlakování 1. Etapa: ruční nanášení (Tab. 2)

180 - 320 - - -

4300 - - -

7 Předpovlakování Zinkování

Treatment - -

9 Předpovlakování Zinkování

Treatment - -

10 Oplach Destilovaná voda

11 Předpovlakování niklem

NICKEL (Acid) code

SPS 5600 8 - 15 Přímá Minimální tloušťka 20 µm

12 Oplach Destilovaná voda

13 Vlastní povlakování mědí

SPS 5260

8 - 15 Přímá Tloušťka vrstvy cca 10µm

(20)

2. Etapa: příprava těsně před automatizovaným nanášením (Tab. 3)

180 - 320 - - -

4300 - - -

3. Etapa: automatizace (Tab. 4)

[V] Polarita Poznámka 19 Vlastní povlakování

mědí

SPS 5260

21 Vlastní povlakování niklem

NICKEL (High Speed) code SPS

5644

Tab. 2 - 4 Technologický postup pro automatické tampónování

Rozdělení do etap je navrhováno s ohledem na časovou náročnost jednotlivých etap a s tím související nanášenou tloušťkou vrstvy.

V 1.etapě je nanášená vrstva v řádech 10 – 20 µm a doba tampónování se pohybuje do 10 minut, v závislosti na velikosti povlakované plochy. 2.etapa je přípravná, kdy dochází k jemnému broušení, odmaštění a aktivaci povrchu s dobou trvání kolem 2 minut. Ve 3.etapě je nanášena jednotlivá vrstva do tloušťky 100 µm a doba tampónování se pohybuje od desítek minut až po několik hodin, v závislosti na velikosti povlakované plochy.

Z tohoto poznatku vyplývá, že nejvhodnější pro automatizaci jsou operace uvedené ve 3.etapě z důvodu jejich časové a manuální náročnosti.

Popis základních vlastností použitých elektrolytů je uveden v příloze 1.

(21)

2 Návrhy alternativních řešení

Kapitola se zabývá návrhem alternativních řešení vhodného zkušebního zařízení pro automatizaci pracoviště na galvanické tampónování a návrhem konstrukce upínacího prvku pro anodový držák.

2.1 Varianty řešení

Byly navrženy dvě alternativní varianty zkušebního zařízení pro automatizaci pracoviště, na kterém dochází k manipulaci s anodovým držákem (viz. obr. 1.3) a galvanickému tampónování (viz. obr. 1.2). Návrhy byly prováděny na základě prostředků, které jsou k dispozici na katedře výrobních systémů Technické univerzity v Liberci.

Obr. 2.1 Navrhované varianty

2.2 Varianta A

Celý proces manipulace s anodovým držákem bude zajištěn robotickým systémem Mitsubishi Movemaster model RV – M1.

Vlastní tamponování zajišťuje robot Mitsubishi Movemaster RV – M1, na kterém je v úchopné hlavici HM - 01 připevněn dutý anodový držák (viz. obr. 1.3) s anodou, pro přívod elektrolytu a destilované vody.

Použitý elektrolyt odtéká do nerezové vany, kde se zachytává a následně přepadem odtéká do záchytné nádoby.

Varianty automatizace

Varianta A Robotický systém

Mitsubishi Movemaster RV – M1

Varianta B

Víceúčelový stavebnicový CNC stroj

(22)

.

Obr. 2.2 Tampónování robotem Mitsubishi Movemaster RV – M1 Vlastnosti robotického systému:

Výhody:

• výchozí poloha robotu mimo vlastní prostor tampónování

• možnost využití i v malém pracovním prostoru

• flexibilita zařízení Nevýhody:

• vysoká pořizovací cena

• zajištění pracovního prostoru v rozsahu pracovních ramen

• chybějící osa rotace

Nerezová vana

Anodový držák Úchopná hlavice HM - 01

Robot RV – M1

(23)

2.3 Varianta B

Proces manipulace s anodovým držákem bude zajištěn víceúčelovým stavebnicovým CNC strojem sestaveným na katedře výrobních systémů Technické univerzity v Liberci.

Vlastní tampónování je zajištěno stavebnicovým CNC strojem sestaveným z hliníkových profilů. Dutý anodový držák (viz. obr.1.3) s anodou pro přívod elektrolytu a destilované vody je připevněn k ose Z pomocí objímky. Použitý elektrolyt odtéká do nerezové vany, kde je zachytáván a přepadem odtéká do záchytné nádoby.

Obr. 2.3 Princip tampónování stavebnicovým CNC strojem Stavebnicový CNC stroj

Nerezová vana Pouzdro s anodovým držákem

(24)

Vlastnosti stavebnicového CNC stroje:

Výhody:

• variabilita z hlediska vlastní konstrukce

• vymezení bezpečného pracovního prostoru

• cenová dostupnost Nevýhody:

• manipulace a umisťování pokovovaného předmětu do nerezové vany

• chybějící 3 osy rotace

2.4 Současný stav zkušebních zařízení

Obr. 2.4 Zkušební zařízení v laboratořích KVS

Obě zkušební zařízení jsou umístěna v laboratorních prostorách na katedře výrobních systémů. Zařízení jsou v současném stavu nevyhovující pro testování tampónové technologie.

V následujících krocích je nutné řešit nové uspořádání pracovišť a jejich vybavení potřebným zařízením pro provoz tampónové technologie.

Robot RV – M1 Stavebnicový CNC stroj

Odsávání

(25)

2.5 Popis zkušebních zařízení

2.5.1 Robotický systém Mitsubishi Movemaster model RV – M1

Celý systém tvoří robot RV–M1, motoricky ovládaná úchopná hlavice HM – 01, řídící jednotka D/U-M1, učící panel T/B-M1, osobní počítač, kabel napájení motorů MP-M1, kabel pro řízení motoru MS-M1, kabel napájení POW M1 a propojovací kabel mezi osobním počítačem a řídící jednotkou. Propojení celého systému (viz. obr. 2.5).

[4]

Obr. 2.5 Propojení systému Mitsubishi Movemaster RV-M1 [4]

Robot Mitsubishi Movemaster RV-M1

Robot Mitsubishi Movemaster RV-M1 je robot s angulární strukturou polohovacího systému RRR (rotace – rotace – rotace) a orientačním systémem typu RR (rotace – rotace). Celkově disponuje 5-ti stupni volnosti. Vnější vzhled robota s připojenou úchopnou hlavicí HM – 01 (viz. obr. 2.5). [4]

(26)

Pracovní prostor a rozsahy úhlů natočení jednotlivých os z polohy „origin“

Osa natočení Úhel

B < -150°, +150°>

S < -30°, +100°>

E < -110°, 0°>

P < -90°, +90°>

R < -180°, +180°>

Tab. 5 Rozsahy úhlů natočení jednotlivých os [4]

Obr. 2.6 Základní rozměry a pracovní prostor robota RV – M1[4]

(27)

2.5.2 Víceúčelový stavebnicový CNC stroj

Jedná se o tříosý stavebnicový CNC stroj, který je sestaven z hliníkových profilů firmy ITEM. Vedení je kladičkové, dva páry jsou vždy proti sobě a jeden pár kladek je uložen excentricky a umožňuje tak vymezení vůle. [5]

Celý systém tvoří stavebnicový CNC stroj složený z hliníkových profilů firmy ITEM velikost 8, spojovací díly, lineární řemenové pohony pro pohánění všech os a servopohonů YASKAWA pro pohánění jednotlivých os. Spojení motoru a mechanismu je docíleno pomocí spojky s pružným členem. Dalším zařízením potřebným pro provoz CNC stroje jsou servoměniče SGDH 04AE a řídící systém Acramatic 2100.

Obr. 2.7 Systém stavebnicového CNC stroje [5]

Stavebnicový CNC stroj

Servoměniče

Řídící systém Acramatic 2100

(28)

Pracovní prostor a rozsah stavebnicového CNC stroje

Pracovní prostor stavebnicového CNC stroje je omezen velikostí použitých hliníkových profilů. V tomto případě je rozsah pracovního prostoru :

X = 229mm, Y = 234mm, Z = 127mm

Obr. 2.8 Základní rozměry a pracovní prostor CNC stroje

(29)

2.6 Zařízení potřebná pro provoz tampónové technologie

2.6.1 Elektrický zdroj

Elektrický zdroj SELETRON SPS–1560–AH dodává usměrněný elektrický proud v rozsahu 0 – 24V a proud v rozsahu 0 – 60A. Zdroj je vybaven přívodním kabelem (1 ks) a propojovacími kabely (2 ks). Kladný pól je připojován na anodový držák a záporný pól je připojován jako katoda na pokovovaný předmět.

Obr. 2.9 Elektrický zdroj SELETRON SPS – 1560 – AH 2.6.2 Peristatická čerpadla

Jedná se o objemová čerpadla určená pro čerpání kapalin s přesným dávkováním. Výhodou proti ostatním typům čerpadel je styk čerpané látky pouze s trubicí (viz. obr.2.10), volitelná odběrová rychlost a snadné čištění.

Použité typy čerpadel:

1) Heidolph Pumpdrive 5006

Peristatické čerpadlo vhodné pro oplach a přívod destilované vody Parametry čerpadla Heidolph Pumpdrive 5006

Rozsah otáček 50 – 600 ot/min

Přesnost regulace otáček ± 2 %

Průtok 3,6 – 3900 ml/min

Tab. 6 Základní parametry peristatického čerpadla Heidolph Pumpdrive5600 [6]

(30)

Obr. 1.5 Peristatické čerpadlo Heidolph Pumpdrive 5600

2) PER – R 04.01

Peristatické čerpadlo pro přívod elektrolytu

Parametry čerpadla PER – R04.01

Tlak 1 bar

Průtok 4 l/hod

Tab. 7 Základní parametry peristatického čerpadla PER – R04.01 [7]

Obr. 2.10 Peristatické čerpadlo PER – R 04.01 [7]

(31)

2.6.3 Hadice pro peristatická čerpadla

Pro peristatická čerpadla volíme hadičky, které jsou ohebné a zároveň dostatečně chemicky i mechanicky odolné. Při krátkodobém nasazení se používají hadičky silikonové. Pro dlouhodobější nasazení se používají hadičky vyráběné z měkkého PVC s obchodním názvem TYGON.

Pro experiment byly použity silikonové hadičky typ: 2/1 MVQ60 [8] a 4/1 MVQ60 [8]. Jedná se o hadičky s vnitřním průměrem 2 mm a 4 mm, tloušťkou

stěny 1mm, vyrobené z materiálu MVQ60.

Obr. 2.11 Tygonová hadička pro standardní aplikace [6]

2.6.4 Násuvné spojky

Spojky slouží pro rychlé propojení přívodních hadic od peristatyckých čerpadel a anodového držáku. Byl zvolen typ JG 02 06 E [9] kde d1, d2 = 6mm, L1 = 40mm, L2 = 27 mm a L3 = 20mm. Redukce z průměru 6 na 4mm typ: JG 20 06 04 E [9].

Obr. 2.12 Násuvná spojka tvar T

(32)

2.6.5 Nádoba na elektrolyt

Použití nerezové vany zajišťuje bezpečné zachycení elektrolytu a jeho odvod do zachytné nádrže. Nerezová vana je odolná vůči chemickým reakcím, které probíhají při styku elektrolytu s běžnými kovovými materiály.

Návrh rozměrů a tvar nerezové vany byl přizpůsoben rozměrům stavebnicového CNC stroje.

Obr. 2.13 Návrh nerezové vany za pomoci kartónového papíru 2.6.6 Anodový držák

Anodový držák s přívodem elektrolytu je navržen tak, aby byl elektrolyt dodáván přímo do pracovního nástroje „ANODY“. Další výhodou držáku je jeho rozebíratelnost. Toto řešení umožňuje připojení přívodního elektrického kabelu k držáku pomocí koncového oka.

Anodový držák se skládá ze čtyřech částí, vzájemně spojených závitem a dvou částí sloužících jako izolační materiál.

Obr. 2.14 Konstrukce anodového držáku

1 2 3 4 3 5

(33)

1. Propojovací šroubení 1 (pro připojení ANODY) 2. Tělo držáku 1

3. Izolační pouzdro 4. Tělo držáku 2

5. Propojovací šroubení 2 (pro připojení hadiček od čerpadla) 2.6.7 Anoda

Anoda představuje elektrodu, na které probíhá oxidace. Vyrábí se z různých druhů materiálů (např.: grafitová, měděná, nerezová, atd...).

Při použití dutého anodového držáku, pro přímý přívod elektrolytu, musí být anoda vybavena systémem otvorů, pro rovnoměrný rozvod elektrolytu do savého obalu (tampónu).

Anoda je obalena savým materiálem, do kterého nasákne elektrolyt. Ten je nositelem iontů povlakujícího kovu. Při dotyku obalené anody se uzavře elektrický okruh a na povrchu pokovovaného předmětu je vylučován kov z elektrolytu nasáklého v obalu anody. Obal anody nazýváme tampón. [3]

Obr. 2.15 Grafitová anoda s tampónem 2.6.8 Odsávání a filtrace

Při tampónování dochází ke vzniku velkého množství výparů a proto je nezbytné zajištění dostatečného odvětrávání pracoviště.

(34)

Filtrační a odsávací systémy obsahují:

• výkonový ventilátor (s regulací nebo bez regulace otáček)

• soustavu vzduchotechnických potrubí s regulačními prvky

• filtrační jednotku

• odsávací rameno

Pro odsávací zařízení je nutné použít odpovídající druh filtrační jednotky.

Například vhodným filtračním mediem je aktivní uhlí. Aktivní uhlí se vyznačuje absorpční schopností některých chemických látek (např. síranů chloridu, uhlovodíků nebo hydroxidů).

Upravený vzduch je následně odváděn zpět do laboratoře nebo do venkovního prostředí.

Obr. 2.16 Filtrační systém firmy NEDERMAN s.r.o. [10]

2.7 Přítlačný mechanismus anody

V této části se budeme zabývat konstrukčním řešením přítlačného mechanismu anody s tampónem a možnostmi upnutí anodového držáku do zkušebního zařízení.

(35)

2.7.1 Určení přítlačné síly F

Přítlačný mechanismus zajišťuje přítlak anody s tampónem k povlakované ploše odpovídající silou F. Tato síla může být přibližně 3x vyšší než vypočtená přítlačná síla.

Při překročení této hodnoty dochází k nadměrnému opotřebení anody s tampónem.

Velikost síly je definóvána pokusem:

1. Zařízení potřebná k určení síly F

• digitální váha

• anodový držák

• anoda s tampónem 2. Popis pokusu

Krok 1: Uchopení a přiložení anodového držáku na digitální váhu

Krok 2: Přitlačení anodového držáku na váhu stejnou silou jako při mechanickém (ručním) galvanickém tampónování.

Krok 3: Na displeji dynamické váhy se objeví hmotnost jakou působíme anodovým držákem na váhu.

Obr. 2.17 Princip pokusu

Krok 4: Přepočet hmotnosti na přítlačnou sílu F (viz. vzorec 2).

[ ]

N g m

F = ⋅ (2)

(36)

kde F……přítlačná síla [N]

m……hmotnost [kg]

g …….konstanta gravitačního zrychlení [m*s^-2] 3. Výpočet přítlačné síly F

Konstanty a naměřené parametry

m 0,306 kg

g 9,82 m*s^-2

Tab. 8 Parametry pro výpočet přítlačné síly N

g m

F = ⋅ =0,306⋅9,82=3,004

Přítlačná síla byla pokusem určena na zaokrouhlenou hodnotu F = 3 N.

Obr. 2.18 Určení velikosti přítlačné síly 2.7.2 Návrh přítlačného mechanismu

Přítlačný mechanismus zajišťuje konstantní přítlak anody k povlakovanému povrchu. Tento přítlak by neměl být 3x větší než zjištěná přítlačná síla F. Tohoto přítlaku docílíme pomocí tlačné pružiny s předpětím. U pružiny bude nastavena hodnota předpětí o síle F1 = 3N.

(37)

Návrh tlačné pružiny:

Navržené parametry tlačné pružiny

Minimální pracovní síla F1 3 N

Maximální pracovní síla F8 10 N

Délka předpružené pružiny L1 48 mm

Střední průměr D 20 mm

Tab. 9 Parametry volené tlačné pružiny

Návrh pružiny byl proveden v programu Mach Soft, který je součástí systému Pro/ENGINEER wildfire 2.

Obr. 2.19 Výsledky výpočtu v programu MechSoft

Doplňující údaje

Tuhost pružiny c 1,4 N/mm

Kontrola pružiny VYHOVUJE

Tab. 10 Doplňující údaje neuvedené v předchozím obrázku 2.19

(38)

Ze zvolených parametrů program MechSoft navrhl a vypočetl vhodnou tlačnou pružinu. Pomocí vypočtených parametrů vyhledáme v katalogu pružin odpovídající nebo nejblíže podobnou pružinu. Tato pružina bude použita do mechanismu pro zajištění přítlaku anody s tampónem k pokovované součásti.

Volba pružiny:

Obr. 2.20 schéma tlačné pružiny [11]

Katalogové hodnoty zvolené pružiny

Typ DR2560

Dm 20 mm

L0 48 mm

D 1,6 mm

Fn 70,6 N

c 1,27

Tab. 11 Parametry volené tlačné pružiny

Zvolená tlačná pružina DR2560 dle EN 10270:3 je dodávána firmou ALCOMEX spring works s.r.o. [11]

(39)

2.7.3 Návrh konstrukce mechanismu

Mechanismus vodícího pouzdra je navrhován tak, aby v něm mohl anodový držák vykonávat vertikální pohyb, který je regulován tlačnou pružinou.

Výhodou této konstrukce je, že pružina slouží součastně i jako vyrovnávač polohy anody vůči povlakované součásti (např. pokud bude mít pokovovaná součást stoupavý charakter, pružina umožní kopírování povrchu součásti).

Pružina s anodovým držákem je umístěna ve vodícím pouzdře, které umožňuje bezpečné uchycení do zkušebních zařízení.

Obr. 2.21 Anodový držák s vodícím pouzdrem Konstrukce vodícího pouzdra:

Vodící pouzdro je vyrobeno z tenkostěnné trubky, která je na obou stranách zakončena zajišťovacími přírubami.

Příruba číslo 1 je navržena tak, aby se dala v případě potřeby demontovat, příruba číslo 2 je spojena pevně s vodícím pouzdrem. Vnitřní průměr přírub je navržen s vůlí ⁺0,4 mm k průměru anodového držáku. Rozebíratelná příruba (číslo 2) slouží k sestavení a demontáži mechanismu a jako zajišťující prvek pružiny. K zajištění koncové polohy anodového držáku je mezi tělo 1 a tělo 2 (viz. obr. 2.14) vložena podložka. Tato podložka vymezuje koncovou polohu držáku při styku s rozebíratelnou přírubou vodícího pouzdra a současně slouží jako pojistka proti vypadnutí anodového držáku. Podložka je vyrobena z nekovového materiálu, který zajišťuje ochranu před možným vodivým propojením mezi anodovým držákem a pouzdrem upevněným ke zkušebnímu zařízení.

Princip a konstrukce vodícího pouzdra je znázorněn na obr. 2.22.

(40)

Obr. 2.22 Anodový držák s vodícím pouzdrem 1. Anodový držák

2. Příruba číslo 1 (demontovatelná) 3. Zajišťující a vymezující podložka 4. Tenkostěnná trubka

5. Tlačná pružina

6. Příruba číslo 2 (pevně spojená s vodícím pouzdrem)

Uchycení vodícího pouzdra do zkušebních zařízení

Uchycení vodícího pouzdra k robotu Mitsubishi Movemaster je realizováno uchopovacími čelistmi umístěnými v uchopné hlavě HM – 01 (viz. obr. 2.27).

Pro připojení vodícího pouzdra na stavebnicový CNC stroj (viz. obr. 2.24) byl použit držák vyrobený z uzavřeného čtvercového profilu. Profil je upraven pro pevné spojení s vodícím pouzdrem.

Obr. 2.23 Držák pro připojení k hliníkovému profilu

1 2 3 4 5 6

(41)

Kompletní sestava anodového držáku a přítlačného mechanismu

Navržené a vyrobené vodící pouzdro pro anodový držák je upevněno pomocí šroubů s válcovou hlavou s vnitřním šestihranem na osu Z stavebnicového CNC stroje.

Osu Z představuje hliníkový profil s drážkami pro nasunutí matice.

Obr. 2.24 Mechanismus upevněný na hliníkovém profilu

Obr. 2.25 Rozměry anodového držáku a vodícího pouzdra

(42)

2.8 Pilotní testy zkušebních zařízení a přítlačného mechanismu

Při prováděných pilotních testech zkušebních zařízení a přítlačného mechanismu byla zkoušena funkčnost mechanismu a jeho chování při tamponizaci.

Použité zařízení při pilotním testu:

• Robot Mitsubishi Movemaster RV-M1

• Stavebnicový CNC stroj

• Anodový držák s anodou

• Přítlačný mechanismus 2.8.1 Průběh testu

Zkušební zařízení pracovala v průběhu testu bez závad. Obsluhu zajišťovali proškolení zaměstnanci katedry výrobních systémů TUL.

Zařízení byla nastavena tak, aby byl vykonáván lineární pohyb anodového držáku. Anoda umístěná v držáku se pohybovala po hliníkovém plechu, který demonstroval pokovovanou součást. Tuhost pružiny, umístěné uvnitř vodícího pouzdra, zajišťovala požadovanou přítlačnou sílu anody k hliníkovému plechu.

V průběhu testu se projevil konstrukční nedostatek vodícího pouzdra. Při lineárním pohybu držáku docházelo vlivem tření mezi anodou a hliníkovým plechem k rotačnímu pohybu anodového držáku ve vodícím pouzdře a tím i k natáčení anody vzhledem k hliníkovému plechu (viz. obr. 2.26). Tento zjištěný nedostatek byl odstraněn dodatečnou změnou konstrukce vodícího pouzdra (viz. kapitola 2.7.2).

Obr. 2.26 Rotace anodového držáku při lineárním pohybu

(43)

Test na robotu Mitsubishi Movemaster RV-M1 :

Obr. 2.27 Zkouška tampónování bez přívodu elektrolytu

Test stavebnicového CNC stroje:

Obr. 2.28 Zkouška tampónování bez přívodu elektrolytu

(44)

2.8.2 Změna konstrukce vodícího pouzdra

Z důvodu zamezení rotačního pohybu anodového držáku byla provedena konstrukční změna vodícího pouzdra. Vodící pouzdro bylo nově navrženo tak, aby došlo k zamezení rotačního pohybu anodového držáku. Byl změněn tvar vodícího pouzdra a vymezující podložky z kruhového průřezu na průřez čtvercový. Byl upraven i držák pro připevnění vodícího pouzdra k hliníkovému profilu stavebnicového CNC stroje.

1. Anodový držák 2. Pevně spojená příruba

3. Zajišťující a vymezující podložka čtvercového tvaru 4. Uzavřený, čtvercový profil 30 x 30 mm

5. Tlačná pružina 6. Rozebíratelná příruba

Obr. 2.29 Rozměry anodového držáku a upraveného vodícího pouzdra

1 2 3 4 5 6

(45)

2.8.3 Návrh přípravku pro pohyblivé uchycení vodícího pouzdra

Přípravek je navržen tak, aby nahradil alespoň jednu z chybějících os rotace stavebnicového CNC stroje. Výhodou tohoto konstrukčního návrhu je možnost pootočení vodícího pouzdra s anodovým držákem tak, aby bylo možné tampónovat i nakloněnou rovinu pokovovaného předmětu. Rozsah natočení držáku je < - 45° až 45° >

vzhledem ke svislé ose (osa Z) stavebnicového CNC stroje.

Obr. 2.30 Přípravek pro uchycení držáku < - 45° až 45° >

Obr. 2.31 Rozměry přípravku a úhel natočení anodového držáku vůči svislé ose

(46)

2.9 Závěrečný test na zkušebních zařízeních

V závěrečné fázi bylo testováno vlastní povlakování mědí na hliníkovém substrátu za pomoci navržených zkušebních zařízení. Pokus demonstroval použitelnost těchto zkušebních zařízení při automatizaci metody lokálního galvanického tampónování. Celý proces tampónování se skládal ze tří etap (viz. kapitola 1.4)

1. Etapa: Ruční nanášení

2. Etapa: Příprava těsně před automatizovaným nanášením 3. Etapa: Automatizace

2.9.1 Průběh testu

V první části byla provedena příprava hliníkového plechu, na kterém byla pomocí PVC lepící pásky vymezena plocha o velikosti 16 cm x 1,5 cm. Na této ploše bylo provedeno ruční předpovlakování dle pracovního postupu 1. etapy (viz. tab.2).

Obr. 2.32 Předpovlakovaná plocha hliníkového plechu

V druhé části bylo připraveno pracoviště pro automatické tampónování, zajišťované robotem Mitsubishi Movemaster RV – M1 a stavebnicovým CNC strojem.

Dále bylo pracoviště vybaveno zařízením potřebným pro provoz tampónové technologie (viz. kapitola 2.6).

Třetí část je čistě přípravná a byla prováděna těsně před automatizovaným nanášením vrstvy. V této 2.etapě pracovního postupu (viz. tab. 3) byl předpovlakovaný povrch jemně přebroušen, elektrolyticky odmaštěn a aktivován.

(47)

Ve čtvrté části bylo provedeno automatické nanášení vrstvy dle pracovního postupu 3.etapy (viz. tab. 4). Byla nanášena pouze vrstva mědi z elektrolytu COOPER (Hight Speed Acid code SPS 5260) o tloušťce 50 µm. Nanášení musí probíhat co nejrychleji po přípravné části (viz. tab. 3), aby nedošlo k oxidaci vrchní vrstvy mědi na hliníkovém plechu.

Obr. 2.33 Automatizované pracoviště 1 pro galvanické tampónování

Obr. 2.34 Automatizované pracoviště 2 pro galvanické tampónování

(48)

Nanášení bylo zajištěno dutým anodovým držákem (viz. obr. 1.3), ve kterém byla uchycena anoda pro přívod elektrolytu a destilované vody. Anoda s držákem byla uchycena ve zkušebním zařízení pomocí úchopné hlavice HM -01 (obr. 2.35) a pomocí přípravku pro pohyblivé uchycení (obr. 2.35-2.36). Obě zkušební zařízení byla nastavena tak, aby dutý anodový držák s anodou vykonával lineární vratný pohyb po hliníkovém plechu. Anodový držák byl umístěn ve vodícím pouzdře (viz. obr. 2.31), které zajišťuje potřebný přítlak anody k povlakovanému vzorku (hliníkovému plechu) a snadnější uchycení ke zkušebním zařízením.

Přívod destilované vody a elektrolytu z plastových kontejnerů byl zajišťován peristatickými čerpadly Heidolph Pumpdrive 5006 a PER – R04.01. Přívod proudu do anodového držáku byl zajištěn elektrickým zdrojem SELETRON SPS – 1560 – AH, na kterém byla nastavena hodnota napětí přibližně 5V. Na digitálním displeji zdroje byla sledována rostoucí hodnota elektrického náboje Q (Ah), který protéká mezi anodou a

povlakovanou součástí. Při dosažení hodnoty elektrického náboje o velikost cca 1 Ah bylo docíleno tloušťky t napovlakované vrstvy přibližně 50 µm a proces

tamponizace byl ukončen. Proudová hustota j (viz. vzorec 3) nesmí u mědi přesáhnout hodnotu 1 A/cm². Při překročení této hodnoty dochází ke „spálení povlaku“, nadměrnému ohřevu anody a k poškozování tampónu.

Vzorec pro výpočet proudové hustoty:

Sk

j = I (3)

kde j……proudová hustota [A/cm²] I ….. proudu [A]

Sk…..velikost plochy styku anody a pokovovaného předmětu [cm²] Stanovení parametrů:

Stanovení parametrů pro napovlakování vrstvy bylo důležitým krokem celého testu. Některé parametry byly stanoveny (tloušťka vrstvy) a určeny z tabulek (faktor lázně, rychlost povlakování – viz. příloha 1). Ostatní parametry byly dopočítány.

Velikost povlakované plochy byla určen ze vzorce (5) a velikost elektrického náboje potřebného pro napovlakování 50 µm vrstvy mědi COOPER (Hight Speed Acid code

(49)

f S t

Q= ⋅ ⋅ (4) S =a⋅b (5)

kde Q… elektrický náboj [Ah] kde S…. povlakovaná plocha [cm²] f …..faktor lázně [Ah/cm²*µm] a,b…velikost stran [cm]

S…..povlakovaná plocha [cm²] t…. tloušťka vrstvy [µm]

Tab. 12 Určující parametry

Výpočet velikosti elektrického náboje pro napovlakování 50 µm mědi:

Ah 1

Ah 96 , 0 24 0008 , 0 50

≅

=

⋅

=

⋅

= Q

f S t Q

Výpočtem byla určena potřebná velikost elektrického náboje, který musí být přenesen mezi anodou a povlakovaným předmětem tak, aby bylo docíleno vrstvy mědi o tloušťce 50 µm.

Pozn.

Při nastavování parametrů elektrického zdroje nesmí být zapnut reverzní směr průchodu proudu. Při tomto nastavení dochází v průběhu tampónování k anodickému rozpuštění předpovlakované vrstvy.

Závěrečným pokusem byla ověřena funkčnost navrhovaných zařízení při automatickém galvanickém povlakování hliníkového plechu vrstvou mědi. Zkušební zařízení pracovala během testu bez závad. Obsluha zařízení byla zajišťována proškolenými zaměstnanci katedry výrobních systémů TUL.

Určující parametry

Povlakovaná tloušťka t 50 µm

Faktor lázně f 0,0008 Ah cm²*µm

Velikost stran a x b 16 x 1,5 cm

Velikost povlakované plochy S 24 cm²

(50)

Průběh tampónování na zkušebních zařízeních :

Zařízení 1 / robot RV – M1 Zařízení 2 / stavebnicový CNC stroj

Obr. 2.35 Proces tampónování na zkušebních zařízeních 1 a 2

Obr. 2.36 Tampónování na nakloněné rovině stavebnicovým CNC strojem

(51)

3 Alternativní návrhy tampómovacího zařízení

V předchozí kapitole byly popsány návrhy a realizace dvou zkušebních pracovišť, na kterých docházelo k automatickému povlakování zkušebního vzorku za pomocí tampónové technologie. Zařízení demonstrovala uplatnění robotického systému a tříosého stavebnicového stroje při povlakování dělící roviny formy na zpracování pěněných polymerů. U těchto forem dochází vlivem cyklického zavírání a otevírání k opotřebení dělící roviny formy a tím ke ztrátě její těsnosti.

V této kapitole se zabýváme uplatněním zvolených variant a specifikací vhodných zařízení pro povlakování dělící roviny formy.

Při návrhu vhodného zařízení bylo vycházeno z níže uvedených kritérií:

• Velikost pracovního prostoru

• Parametry určující zařízení

• Náklady na realizaci

3.1 Určení velikosti pracovního prostoru

Při určení velikosti pracovního prostoru budeme vycházet ze standardně používaných forem (800 x 900 x 250 mm).

Obr. 3.1 Forma na zpracování pěněných polymerů Dělící rovina

(52)

3.2 Parametry potřebné pro návrh zařízení

Pro návrh vhodného zařízení nebo sestavy musí být definovány základní parametry, dle kterých bude specifikováno odpovídající zařízení.

Tyto parametry byly definovány na základě poznatků z předešlých experimentů a ze znalosti velikosti potřebného pracovního prostoru. Pracovní prostor byl navrhován s dostatečnou rezervou tak, aby nedocházelo v případě využití zařízení ke komplikacím.

Požadované parametry na zařízení

Pracovní zdvih X x Y x Z: 1000 x 1000 x 500 mm

Hmotnost zátěže na koncovém členu do 10 kg

Rychlost pojezdu cca 15 - 25 m/min

Tab. 13 Určující parametry

3.3 Specifikace zařízení pro povlakování forem

Manipulační zařízení , které je navrhováno pro povlakování forem na zpracování pěněných polymerů bude mít přibližně 4x větší pracovní prostor, než u použitých zkušebních zařízení (viz. kapitola 2.5.1 a 2.5.2).

Navrhované parametry manipulačního zařízení byly konzultovány s akreditovanými výrobci a dle jejich návrhů byla vybrána vhodná zařízení.

Obr. 3.2 Navrhované varianty

Varianty zařízení

Varianta A Robot angulárního typu

Varianta B

Víceúčelový stavebnicový CNC stroj

(53)

3.3.1 Robot angulárního typu

Na základě uvedených parametrů (viz. tab. 8) byl zvolen robot angulárního typu IBR 1600-8/1.45 od firmy ABB. Jedná se o univerzální, vysoce výkonný robot, který je předurčen pro flexibilní řešení. Robot umožňuje několik způsobů montáže, dosah 1,45 m se zátěží na koncovém členu 8 kg. Součástí robota je uchopovací člen (chapadlo). Rychlost pohybu (manipulace) je možné nastavit programově.

Obr. 3.3 Rozsah pracovního prostoru robota IBR 1600 8/1,45 [12]

Robot IBR 1600 8/1,45 lze zakoupit od firmy ABB. Servis robota je zajišťován dodavatelskou firmou.

Obr. 3.4 Model angulárního robota IRB 1600 8/1,45 od firmy ABB[12]

(54)

3.3.2 Stavebnicový CNC stroj

Na základě uvedených parametrů (viz. tab. 8) byl zvolen stavebnicový CNC stroj složený z 3D-horizontálního portálu MAXR2-3S42BB-H42BB-C42BB od firmy Pan-electronics s.r.o. [13] a hliníkových profilů, použitých pro ustavení portálu.

Délka pojezdu v jednotlivých osách X x Y x Z: 1000 x 1000 x 500 mm.

Hmotnost zátěže na koncovém členu je 10 kg. Rychlost pojezdu 15 m/min (s rezervou pro zvýšení pojezdové rychlosti).

Pro jednotlivé portálové osy jsou navrhovány profily 60 x 60 mm a kuličková vedení. Pro vertikální osu je navrhován motor s brzdou. Převod mezi jednotlivými osami je zajištěn planetovou převodovkou PLE-60 / 8:1. Navrhnuté servopohony BMH se používají společně s řídícími servojednotkami LXM-32.

Osa X a Y: Portálové jednotky MAXS2BB a MAXH2BB

Servopohon 2x BMH 0702 T06A2A

Osa Z: Portálová jednotka CAS42BB

Servopohon BMH 0702 T06F2A s brzdou

Obr. 3.5 Ilustrační obrázek ustavení stavebnicového CNC stroje

(55)

3.4 Seznam přiložené technické dokumentace

Výkresová dokumentace:

Obr. 3.6 Schéma uspořádání dokumentace

Technická dokumentace:

Příloha 1: Základní vlastnosti použitých elektrolytů Tampónovací mechanismus

Sestavný výkres 3 - KVS - OS -01 - 00 - 00

Vodící pouzdro s držákem Podsestava - svařenec 3 - KVS - OS - 01 - 01 - 00

Držák Výrobní výkres 4 - KVS - OS - 01 - 01 - 01

Rozebíratelná příruba 1 Výrobní výkres 4 - KVS - OS - 01 - 02 - 01

Plech s vodící drážkou Výrobní výkres 3 - KVS - OS - 01 - 00 - 01

Nerezová vana s výpustí Výrobní výkres 3 - KVS - OS -00 - 00 - 01

Polotovar

4 - KVS - OS - 00 - 00 - 02

Vodící pouzdro Podsestava

4 - KVS - OS - 01 - 02 - 00

(56)

3.5 Cenové zhodnocení

Ceny zařízení potřebných pro tamponizaci:

Položka Množství Cena / ks (s DPH)

1 El. zdroj SELETRON SPS – 1560 – AH 1 ks * 80 000 Kč 2 Propojovací kabely k el. zdroji 2 ks 500 Kč **

2 Per. čerpadlo Heidolph Pumpdrive 5006 1 ks * 51 700 Kč

3 Per. čerpadlo PER – R04.01 1 ks * 4 000 Kč

4 Hadička 4/1 MVQ60 4 m 100 Kč **

5 Hadička 2/1 MVQ60 4 m 100 Kč **

6 Násuvná spojka JG 02 06 E 1 ks 120 Kč

7 Redukce JG 20 06 04 E 1ks 80 Kč

8 Anodový držák 1 ks * 3 400 Kč

9 Anody 1 ks * 875 Kč

10 Tampón 1 ks * 325 Kč

Odsávací zařízení od firmy NEDERMAN ČR (viz. obr. 1.5)

11 Rameno odsávací 1 ks 12 000 Kč

12 Filtr s konzolí 1 ks 14 000 Kč

13 Elektroinstalace 2 000 Kč

14 Kazeta aktivního uhlí 1 ks 22 000 Kč

15 Ventilátor 1 ks 12 000 Kč

16 Montáž 17 000 Kč

17 Celková cena zařízení (s DPH) 220 200 Kč

Tab. 14 Ceny zařízení

(57)

Cenové zhodnocení zařízení pro povlakování forem:

Robot angulárního typu

Položka Množství Cena

1 Robot IBR 1600/ 8 kg/ 1,45 m 1 ks

2 Uchopovací člen robota (chapadlo) 1 ks 3 Instalace, zprovoznění a naprogramování robota 1 set

4 Dokumentace 1 set

5 Celková cena za uvedené položky (s DPH) 980 000 Kč Tab. 15 Ceny zařízení

Stavebnicový CNC stroj

Položka Množství Cena / ks

1 Smontovaná mechanická sestava MAXR2-3S42BB-H42BB-C42BB

1 ks * 238 275 Kč

2 Servojednotka Advanced LXM32AD18M2 1 ks * 19 350 Kč 3 Servojednotka Advanced LXM32AU90M2 2 ks * 17 850 Kč 4 Kabel servomotoru s konektorem 10 m * 3 025 Kč **

5 Kabel enkodéru servomotoru s konektory 10 m * 2 475 Kč **

6 Prodlužovací kabely 10 m * 1 300 Kč **

7 Hliníkové profily 60x60 mm pro ustavení 3 m 75 Kč **

8 Řídící systém 1 ks 250 000 Kč

9 Celková cena sestavy (s DPH) 532 350 Kč

Tab. 16 Ceny zařízení

* Cena uvedena v eurech a přepočítana aktuálním kurzem ke dni 24.11.2010 1 EUR = 24,74 Kč

** Cena je závislá na dodávané délce.

(58)

4 Technicko - ekonomické zhodnocení

Navrhovaná řešení umožňují automatizaci části procesu galvanického tampónování.

Dle zadání byly navrženy a realizovány dvě varianty zařízení pro automatické galvanické tampónování za pomoci angulárního robotu a stavebnicového CNC stroje.

Tato automatizovaná pracoviště jsou schopna zajistit část procesu tamponizace a umožňují odstranit některé nedostatky současného stavu, především fyzicky a časově náročnou práci obsluhy při povlakování větších ploch, kdy obsluha ztrácí koncentraci a následkem toho dochází ke zhoršení kvality povlakování. Automatizováním docílíme zvýšení kvality a produktivity práce procesu galvanického tampónování.

Realizování a automatizování pracoviště pro galvanické tampónování je lukrativní investicí, která by měla zaručit zvýšení produktivity celého procesu.

1) Cenové zhodnocení:

Obr. 3.7 Cenové porovnání Zařízení pro provoz tampónové

technologie

Robotický systém Stavebnicový CNC stroj

220 200 Kč

980 000 Kč 550 250 Kč

Celková cena Celková cena

1 200 200 Kč 770 450 Kč

(59)

2) Technické zhodnocení:

Robotický systém

Výhodou robotnického systému je jeho schopnost orientace v prostoru, která je docílena robotem angulárního typu se strukturou polohovacího systému RRR (rotace – rotace – rotace) a orientačním ústrojím s chapadlem typu RRR (rotace – rotace – rotace). Robotický systém této struktury disponuje celkově 6-ti stupni volnosti, což umožňuje tampónování i tvarově složitých součástí. Další výhodou robotnického systému je všestrannost jeho použití.

Nevýhodou je vysoká pořizovací cena a zajištění bezpečného pracovního prostoru v rozsahu pracovních ramen.

Stavebnicový CNC stroj

Výhodou stavebnicového CNC stroje je jeho variabilita z hlediska vlastní konstrukce, která umožňuje provádět různé úpravy při sestavování CNC stroje nebo změnách využití tohoto zařízení při jiných operacích. Jeho konstrukce zajišťuje vymezení bezpečného pracovního prostoru, kdy k manipulaci se zařízením dochází vně konstrukce z hliníkových profilů. Další výhodou je cenová dostupnost celého systému.

Nevýhodou tohoto systému jsou tři chybějící osy rotace, které by zajišťovaly tamponování složitějších tvarů součástí. Doplnění přídavného zařízení by mělo za následek změnu řídícího systému CNC stroje a tím i celkový dopad na konečnou cenu stroje, která by se v závěru vyrovnala robotnickému systému.

Pozn.

Tuto nevýhodu je možné částečně odstranit doplněním alespoň jedné osy rotace, která by zajišťovala plynulý přechod mezi vodorovnou a nakloněnou rovinou. Toho je možné docílit například využitím krokového motoru, připevněného k ose Z stavebnicového stroje a přípravku pro pohyblivé uchycení, který slouží jako vodící a vymezující přípravek pro pouzdro anodového držáku.

Při této realizaci však musí docházet k natáčení pokovovaného předmětu (formy) tak, aby nakloněná rovina byla vždy ve směru rotace anodového držáku.

(60)

Závěr

V diplomové práci byl zpracován návrh zkušebních zařízení pro automatické galvanické tampónování.

Úvod práce byl věnován rozboru a popisu současného stavu procesu galvanického tampónování, který poskytl základní poznatky a požadavky pro vytvoření technologického pracoviště pro automatické galvanické tampónování.

Na základě těchto poznatků byly navrženy dvě zkušební zařízení pro automatickou manipulaci s tampónovacím mechanismem a výběr vhodných zařízení pro realizaci celého pracoviště.

Další etapa práce byla soustředěna na konstrukční návrh vodícího pouzdra pro anodový držák a uchycení tohoto pouzdra ke zkušebním zařízením. Z poznatků zjištěných při pilotním testu zkušebních zařízení, vznikl požadavek na úpravu vodícího pouzdra. Pouzdro bylo konstrukčně upraveno tak, aby jeho vlastnosti odpovídaly požadovaným parametrům při galvanickém tampónování. Dále byl proveden závěrečný test, při kterém se ověřil proces automatického galvanického tampónování zkušebního vzorku za pomoci zkušebních zařízení a navrženého přítlačného mechanismu.

V poslední etapě práce byly navrženy alternativní možnosti uplatnění technologie automatického galvanického tampónování pro povlakování dělící roviny forem na zpracování pěněných polymerů. Byla navržena vhodná zařízení pro tampónování forem tak, aby celé pracoviště mohlo být realizováno. Před vlastní realizací doporučuji návrhy těchto zařízení rozpracovat v dalších pracích.

V závěru byl zhodnocen přínos a využitelnost navrhovaných řešení a byly odhadnuty náklady na realizaci jednotlivých zkušebních pracovišť.

(61)

[1] ŽÁK, Vrastislav; KUDLÁČEK, Jan. Technologie lokálního galvanického pokovováná (tampónováníú. Povrcháři. Březen 2008, 3, s. 2-3. Dostupný také z WWW: <http://www.povrchari.cz/kestazeni/200803_povrchari.pdf>.

[2] Galvanovna omega [online]. 2009 [cit. 2010-09-11]. Galvanické pokovení.

Dostupné z WWW: <http://www.galvanovnaomega.cz/pokov/pokoveni.html>.

[3] Výzkumné zprávy katedry materiálů Technické univerzity v Liberci.

[4] Mitsubishi Electric Company, Tokyo: Industrial Micro-Robot System model RV-M1 – Industrial Manual

[5] ZELENÝ, PH.D., Ing. Petr. Požadavky na prototypové zařízení a výběr systému.

Liberec, 2010. s. Dizertační práce. TUL Liberec.

[6] Heidolph [online]. [cit. 2010-10-02]. Dostupné z WWW: <http://www.heidolph- instruments.com/index.php?id=297&L=1>.

[7] PCSPL : Aqua dosing systems [online]. [cit. 2010-10-02]. Dostupné z WWW:

<http://www.pcspl.com.au/database/Datasheets/Aqua/PER-R.pdf>.

[8] Rubena : Silikonové hadičky [online]. [cit. 2010-10-02]. Dostupné z WWW:

<http://www.rubena.cz/default.asp?CatID=1932>.

[9] HANSA FLEX : Přípojky [online]. [cit. 2010-12-11]. Dostupné z WWW:

<http://cat.hansa-flex.com/cs/cat/942>.

[10] KALENDA, Ing. Libor. Tzbinfo : Zásady použití nízkopodtlakových odsávacích a filtračních systémů [online]. 22.10. 2001 [cit. 2010-12-11]. Dostupné z WWW:

<http://www.tzb-info.cz/705-zasady-uziti-nizkopodtlakovych-odsavacich-a- filtracnich-systemu>.

[11] ALCOMEX spring works s.r.o. : tlačné pružiny [online]. [cit. 2010-12-11].

Dostupné z WWW: <http://www.alcomex.cz/Katalog/drukveren_02-09.pdf>.

[12] ABB : Roboty [online]. [cit. 2010-12-11]. Dostupné z WWW:

<http://www.abb.com/product/us/9AAC100735.aspx>.

[13] Regulační pohony : Paneletronic [online]. [cit. 2010-12-11]. Dostupné z WWW:

<http://www.regulacni-pohony.cz/>.

(62)

Příloha 1:

Popis základních vlastností použitých elektrolytů

Faktor 0,0002 Metric

Rozsah pracovního napětí 3,5 V (malé kontaktní plochy) 3,5 V (velké kontaktní plochy) Optimální anodová rychlost 8 m/min

Materiál vhodný pro tampon polyester

Tab. 1 Základní technická data lázně LA-TEC Cyanide-Free Alloy Zincate Treatment

Rozsah pracovního napětí 6 V (malé kontaktní plochy) 20 V (velké kontaktní plochy) Optimální anodová rychlost 8 m/min

Materiál vhodný pro tampon bavlna

Tab. 2 Základní technická data lázně pro elektrolytické odmašťování SIFCO SELECTRON CODE SCM 4100 ELECTROCLEANING PREPARATORY SOLUTION

Faktor 0,002 Metric

Rozsah pracovního napětí 8 V (malé kontaktní plochy) 20 V (velké kontaktní plochy) Optimální anodová rychlost 8 m/min

Materiál vhodný pro tampon bavlna

Tab. 3 Základní technická data lázně pro aktivaci povrchu SIFCO SELECTRON CODE SCM 4300 ELECTROCLEANING PREPARATORY SOLUTION

Průměrná proudová hustota 1,24 A/cm² Maximální proudová hustota 1,90 A/cm² Rozsah pracovního napětí 6 – 20 V Maximální výtěžnost lázně 56 Ahod/litr Teplota lázně při povlakování 16 – 49 °C Maximální tloušťka jedné vrstvy 500 µm Optimální anodová rychlost 23 m/min

Průměrná tvrdost 170 HV

Materiál vhodný pro tampon bavlna, polyester

Tab. 4 Základní technická data lázně pro povlakování mědí, COPPER (High Speed Acid) CODE SPS 5260 Plating Solution