Technická příprava ohřevu skořepinových forem

Je obecně známou zkušeností, že inovace v technologii výroby nových produktů vyžadují komplexní přístup a účast řady specialistů. Hlavním cílem procesů při vývoji, respektive inovaci předmětné technologie, je zvýšit její efektivitu a snížit cenu výrobku. Touto cestou se vydala společnost Magna Interiors & Exteriors Bohemia spolu se svými subdodavateli expertních služeb (LENAM, s. r. o., a Technická univerzita v Liberci), která ve svých závodech používá tzv. Slush technologie k výrobě umělých kůží. Ty pak slouží k výrobě měkčených interiérových prvků ve vozidlech. Typickým produktem této technologie je např. přístrojová deska, která představuje komplikovaný výrobek z hlediska konstrukce, složitosti designových tvarů, rozměrů a energetické náročnosti na její výrobu. Proces výroby umělé kůže se děje tak, že na líc horké kovové skořepinové formy se nanese v dostečném množství prášek z termoplastického polymeru na bázi PU nebo PVC, který se nataví a slinuje do tenké kompaktní vrstvy. Po ochlazení formy se hotový výrobek sejme. Forma dá umělé kůži příslušný žádoucí tvar a také přesný otisk svého povrchu, kterým bývá současně i jemný reliéfní dezén. Z důvodů výrobní produktivity je přitom žádoucí, aby ohřev i ochlazování formy byly co nejrychlejší. Proces kvalitního slinování materiálu kůže však zároveň vyžaduje dodržení poměrně úzkého intervalu teplot slinování s šířkou přibližně 20 °C. Už při rozhodování o konceptu evidentně nestacionárního ohřevu tenkostěnných skořepivových forem se ukázalo, že technická příprava ohřevu formy a její následná realizace vyžaduje využít virtuálních možností predikce ohřevu. Což je umocněno hlavně tím, že z hlediska efektivnosti byl zvolen radiační ohřev infrazářiči. V současné době se k ohřevu forem používá řádově desítek infrazářičů v závislosti na vnějších rozměrech a tvarové složitosti formy. Zatím nějvětší počet infrazářičů, které byly nasazeny do procesu ohřevu formy, dosáhl počtu necelých dvou stovek. Používají se zářiče několika typů a radiačních výkonů. Z výše uvedeného popisu zvoleného typu ohřevu je zřejmé, že základem technické přípravy technologie ohřevu je rozmístění velkého počtu infrazářičů nad rubovou plochou skořepinové formy. První pokusy rozmístění zářičů metodou ad-hoc do speciálních držáků na konstrukci tzv. ohřívacích zad nepřinesly očekávaný výsledek. Proto pracovníci firmy LENAM vyvinuli metodu rozmístění infrazářičů, která k tomu využívá prostředí softwarových nástrojů CAD (computer aided design) a FEM (finite element method) simulačních systémů ve vhodné kombinaci. Aby bylo využívání uvedené metody pro pracovníky technické přípravy ohřevu uživatelsky snadné a přístupné, posléze se rozhodli metodu pozicování zářičů realizovat v několika krocích s možností optimalizačních smyček. Současně bylo rozhodnuto nahradit původně používaný licencovaný softwarový produkt CAD (ProE) nástrojem zcela novým, přívětivějším pro techniky, který by měl současně více speciálních funkcí potřebných k přípravě a uspokojivé optimalizaci ohřevu forem. Vývoj tohoto nástroje s pracovním názvem IREview je jednou z hlavních aktivit řešeného projektu MPO TIP 2009 s evidenčním číslem FR-TI1/266. Realizovaná studie proveditelnosti pro vývoj softwaru IREview, uskutečněná v prvních fázích řešení uvedeného projektu, nasměrovala řešitele této části projektu k využití open source grafického prostředí Blender. Mimo jiné se ukázalo, že pro předpokládané účely lze z vývojového prostředí Blender využít řadu jeho sofistikovaných grafických možností. FUNKCIONALITY SW NÁSTROJE IREview BLENDER Na základě provedených analýz, získaných teoretických a praktických zkušeností s technologií Slush ve firmě Magna, a kreativních vizí vývojových pracovníků firmy LENAM byl navržen koncept sw nástroje, který již v dnešní době jeho implementace do praxe plní následující funkce: ??Importy objektů a datových struktur do úplné sestavy ohřevu forem (formy, zářiče včetně jejich výkonových charakteristik, související pomocné konstrukce...) ? Ovládání zobrazení, resp. potlačení objektů, definování jejich identifikace ? Manipulace s objekty (posuvy, rotace, transformace, potlačení nebo zobrazení objektů...) ? Kontrola průniků a kolizí mezi objekty ? Získávání geometrických informací o objektech v požadovaných souřadných systémech ? Tvorba a úprava sítě formy pro výpočty ozáření ? Výpočetní algoritmy pro ozáření forem ? Další a ostatní funkce (statistiky, výčetky materiálů, hodnoty ozáření formy, odchylky od kriteriálních hodnot...) ? Export dat pro další sofistikované využití (fyzické rozmístění zářičů a termočlánků prostřednictvím robota, počáteční podmínky pro nestacionární teplotně strukturální simulace FEM...) Je vhodné poznamenat, že uvedené postupy a metody jsou ve spolupráci s kolegy z Technické univerzity v Liberci doplňovány optimalizačními postupy pro pozicování infrazářičů a řídicích termočlánků s využitím vlastních genetických algoritmů. Jako každý softwarový produkt, který má umožnit predikci požadovaného fyzikálního jevu s vyhovující přesností, tak i vyvíjený produkt IREview Blender vyžaduje kvalitní vstupní údaje pro funkce simulující intenzitu radiační expozice předmětného objektu. V tomto případě se jedná o hustotu tepelného toku [kW/m2], angl. Heat Flux, který je excitován daným infrazářičem na příslušnou část povrchu slush-formy, a to v závislosti na jeho vzdálenosti a orientaci od předmětného povrchu formy. Tento požadavek vedl k potřebě realizovat velké množství experimentálních měření hustot tepelných toků používaných infrazářičů i jejich speciálních uspořádání. Proto se přistoupilo ke koncepčnímu návrhu, konstrukci, výrobě, montáži a nakonec ke zprovoznění Měřicího pracoviště IRE. MĚŘICÍ PRACOVIŠTĚ CHARAKTERISTIK INFRAZÁŘIČŮ Základem měřicího pracoviště je nosná rámová konstrukce z hliníkových profilů, tzv. měřicí stůl. Do jeho horní portálové části jsou umísťovány v požadovaných pozicích identifikované infrazářiče nebo jejich skupiny, do spodní části pak pohyblivé komponenty, které nesou speciální naklápěcí hlavu s měřicím čidlem hustoty tepelného toku (angl. heat flux sensor) Hukseflux SBG01-50 [3]. Jednotlivé konstrukční díly pracoviště a realita uspořádání pracoviště jsou na obr. Pohyblivé rámy umožňují realizovat posuvy v podélném i příčném směru, přičemž celková velikost stolu je navržena tak, aby se dosáhlo dostatečného rozsahu s ohledem na požadavek měření minimálně jednoho kvadrantu charakteristiky zářičů. Pro pohyb bylo zvoleno nenáročné uložení pomocí kluzných vedení pro použití v Al profilech MyTec. Z hlediska pohonu je pohyb realizován pomocí malých krokových motorů. Toto řešení nevyžaduje uplatnění převodovek a v rámci vyvinuté sw aplikace pro jejich řízení lze toto řízení realizovat pomocí měřicí ústředny s příkazy pro snímání měřených veličin. Identifikace výkonových charakteristik infrazářičů používaných v procesu výroby umělých kůží představuje změření hustoty tepelného toku dané konfigurace infrazářiče nebo skupiny infrazářičů, jednak v závislosti na jeho vzdálenosti od radiačně exponovaného povrhu formy a jednak na směrových úhlech náklonu normály tohoto povrchu vůči normále infrazářiče. Poznamenejme, že v procesech ohřevů se využívají infrazářiče s přímými trubicovými lampami několika délek, příkonů, s reflektory či bez reflektorů. Měření výkonových charakteristik probíhá principiálně tak, že pod předmětným uspořádáním „rozsvícených“ infrazářičů je definovaně posouváno čidlo hustoty tepelného toku podle předem naprogramovaného schématu. Informace ze senzoru je kontinuálně registrována pomocí měřicí ústředny Dewetron. Ze zaznamenaných průběhů tepelných toků jsou pro jednotlivé měřené trajektorie vyjmuty relevantní úseky, z nichž jsou odečteny diskrétní hodnoty, jež jsou poté uspořádány do vhodného tabulkového formátu. Takto získané diskrétní hodnoty hustot tepelných toků jsou vstupem do zmiňované sofwarové aplikace IREview, která umožňuje simulovat hodnoty hustot tepelných toků na tvarově složitém povrchu slushovací formy a podpořit proces optimálního rozmístění velkého množství infrazářičů. ZÁVĚR Zvolený koncept energeticky efektivního infraohřevu slush forem ve firmě Magna Interiors & Exteriors Bohemia, s. r. o., vyvolal potřebu navrhnout a realizovat nové sofistikované postupy tak, aby pomohly procesu technické přípravy ohřevu forem. Nasazení virtuálních informačních a simulačních technologií se ukázalo jako správné a účinné řešení. Navržená metodika přípravy ohřevu forem v sobě kombinuje několik inovačních přístupů. První je řešen vývojem vlastních nových funkcionalit softwarového nástroje IREview Blender, s jehož pomocí je provedeno prostorové rozmístění infrazářičů nad tvarově složitou a rozměrnou kovovou formou s možností kontrolované vizualizace intenzity ozáření formy, včetně exportu tohoto výsledku do některého prostředí FEM pro následnou simulaci nestacionárního teplotního pole. Po uspokojivé numerické optimalizaci ohřevu formy jsou exportována z prostředí IREview relevantní data, která slouží k řízení robotické ruky při fyzickém pozicování infrazářičů a k nim párovaných termočlánků ve výrobních zařízeních. Vyvinutá virtuální technologie pro optimální rozmístění infrazářičů si vyžádala navrhnout a realizovat experimentální pracoviště, které slouží k měření směrových radiačních výkonových charakteristik používaných infrazářičů a jejich speciálních konstrukčních provedení. Bez těchto reálných fyzikálních měření by nebylo možné s úspěchem využívat uvedené virtuální postupy. Poznamenejme, že po úspěšném otestování postupů na několika prototypových případech produkce umělých kůží jsou od ledna roku 2012 tyto nástroje a postupy implementovány do již běžící sériové výroby. Projektový záměr může čtenář shlédnout na http://www.lenam.cz/?action=projekty