Obrábění uhlíkových
kompozitních materiálů s
polymerními matricemi
Autor bakalářské práce: Zbyněk Svoboda
Vedoucí bakalářské práce: doc. Ing. Soňa Rusnáková, Ph.D.
Oponent bakalářské práce: doc. Ing. Ján Kmec, CSc.
České Budějovice, červen 2016
Vysoká škola technická a ekonomická
v Českých Budějovicích
Ústav technicko-technologický
Obsah prezentace
 Motivace a důvod k řešení problému
 Cíl práce
 Výzkumný problém
 Metodika
 Aplikační část
 Čas pro výrobu
 Cenová kalkulace
 Shrnutí
Motivace a důvod k řešení problému
 Možnost využití v mnoha odvětvích
 Progresivní rozvoj kompozitů
 Vlastnosti kompozitního materiálu
 Atraktivní téma
 Futuristické téma
Zdroj: http://www.compositesworld.com/articles/automotive-cfrp-repair-or-replace [online]
Zdroj: http://www.carbonfiber.gr.jp/english/field/craft.html [online]
Zdroj: https://rayeski.files.wordpress.com/2013/03/rayeskiarm-concept-sketches-3.jpg
[online]
Cíl práce
 Cílem bakalářské práce je optimalizace procesu obrábění
polymerních kompozitních materiálů, vhodná geometrie nástroje,
řezné podmínky a také vliv objemového podílu vláken na kvalitu
obrobených ploch. Výstupem experimentální části bakalářské
práce budou doporučené podmínky obrábění pro polymerní
laminární kompozitní materiály, zejména s uhlíkovou výztuží a s
nejčastěji používanými typy matric.
Výzkumný problém
 Navrhnutí náhrady za původní součást
 Výkres součásti
 Technologický postup
 Navrhnutí podmínek obrábění
 Výběr strojů a nástrojů pro obrábění
 Geometrie nástrojů
 Cenová kalkulace
 Porovnání původní součástí s kompozitní náhradou
Metodika
 Aplikování nabytých zkušeností z teoretické části práce
 Vytvoření návrhu součásti z kompozitního materiálu
 Stanovení technologického postupu
 Teoretické vložení součásti do výroby a její obrobení
 Porovnání originální součásti s novým návrhem
Nahrazení originální součásti
 Součást: svislý nosník podkolení protézy
 Původní materiál: Hliník nebo jeho slitiny
 Nový materiál: Uhlíkový kompozitní materiál s polymerní matricí
 Výhody kompozitu: Pevnost, Hmotnost
 Nevýhody kompozitu: Křehkost, Cena
Zdroj: http://mojeproteza.cz/wp-content/uploads/2016/01/dvs-012.jpg [online]
Spojovací
adaptér
Rozdíly v obrábění
 Rozdílné třísky
 Třepení a delaminace vrstev
 Škodlivý a abrazivní prach z kompozitu
 Elektricky vodivý prach
 Nasákavá vlákna
Zdroj: http://www.mmspektrum.com/multimedia/image/36/3608.jpg [online]
Vytvoření modelu
 Autodesk Inventor 2015
 Individuálně vymodelovaná součást
 Materiál CFRP
 Vytvoření výkresu
Zdroj: Vlastní zpracování
Technologický postup
 Tvůrčí a kreativní činnost
 Ujasnění následností operací
 Minimalizování komplikací
 Optimalizace výroby
 Volba materiálů a rozměru polotovaru
 Stanovení strojů a nástrojů
Charakteristika součásti
 Uhlíkový kompozitní materiál s polymerní matricí
 Spojení s dalšími hlinkovými součástmi
 Usazení do čtvercové drážky
 Uchycení přesnými šrouby průměru 5mm
 Válcová část součásti povrchově upravena lakem
Zdroj: Vlastní zpracování
Zvolení rozměru polotovaru
 Maximální rozměry součásti
 Průměr: 35mm
 Délka: 350mm
 Polotovar z hlediska minimalizace odpadu
 Průměr: minimálně 35mm
 Délka: 400mm
Zdroj: http://www.litomysky.cz/mat/IMM/DSC16355.JPG [online]
Výrobní postup součásti
Zdroj: Vlastní zpracování
Tolerance
Kóta Tolerance
1 4xR1 ±0,1
2a 25,0 - 0,1
2b 25,0 - 0,1
3 Ø12 ±0,3
4 Ø35 - 0,3
5 25,0 ±0,1
6 Ø5 5h7
7 350,0 ±0,3
8 300,0 ±0,3
9 Ø30 ±0,3
10 25,0 ±0,1
11 Ø5 5h7
12a 21,2 - 0,1
12b 21,2 - 0,1
13 Ø12 ±0,3
14 4xR1 ±0,1
Zdroj: Vlastní zpracování Zdroj: Vlastní zpracování
Výběr strojů
Pásová pila SH 330BR
Frézka FSS 400 V/2
Vrtačka sloupová VS 32
Soustruh hrotový SV 18 RA/1000
Zdroj: Vlastní zpracování Zdroj: Vlastní zpracování
Výběr nástrojů
 Pilový pás
 Rozměr: 27 x 0,9 x 4150 mm
 Počet zubů na palec: 8/12
 Materiál: HSS-M 42
 Fréza
 Fréza válcová čelní
 Průměr: 25 mm
 Počet zubů 5
 Materiál: HSSCo8
 Vhodnější special. fréza od Sandvik Coromant:
 CoroMill Plura S215…
 Průměr: 16 mm
 Počet zubů: 4
 Materiál: Nástrojová ocel 52 HRC
 Vrták
 Průměr: 5 mm
 Materiál: HSS
 Vhodnější specializovaný vrták od Sandvik
Coromant z řady CoroDrill 856, snižující riziko
delaminace, například:
 Vrták pro CFRP CoroDrill 856: N20C
 Průměr: 5 mm
 Materiál: HSS s diamantovým povlakem
 Nože
 Zapichovací lichoběžníkový nůž Radeco
POLDI – HSS
 Rozměry: 1,6 x 6 x 100 mm
 Materiál: HSS
 Uběrací nůž s SK VBD
 Držák SCMT 09T3
 Rozměr: 14 x 16 mm
 Destičky: SCMT 09
 Destička VBD SCMT 09T308 SM IC9150
 Rádius: 0,8 mm
 Materiál: HSS s diamantovým povlakem
Geometrie nástrojů
 Frézování obdobná geometrie s nástroji pro obrábění kovových materiálů
 rádius řezné hrany a řezné špičky by měl dosahovat co nejnižších hodnot
 Soustružení - pozitivní geometrie řezného břitu
 úhel hřbetu se volí v rozmezí 10° - 12°, úhel čela 18° - 20°
 Vrtání - běžná geometrie
 nejmenší délku příčného ostří
 Sandvik Coromant – specializované nástroje
 Fréza - CoroMill Plura S215…
 Vrták - CoroDrill 856: N20C
Zdroj: Katalog nástrojů Sandvik Coromant C-2940-155-CZE
Čas pro výrobu prototypu
Řezání
Frézování
Vrtání
Soustružení
Kontrola a
protokolování
Lakování
Transport a
skladování Operace Potřebný čas
Řezání 10 minut
Frézování 40 minut
Vrtání 20 minut
Soustružení 10 minut
Kontrola a protokolování 30 minut
Lakování 210 minut
Transport a skladování 40 minut
Celkem 360 minut
Zdroj: Vlastní zpracování Zdroj: Vlastní zpracování
Cenová kalkulace
 Cena polotovaru na trhu: 1700 Kč
 Strojní hodinová sazba: 180 Kč/hodinu
 Litr barvy s tužidlem: 750 Kč
Položka Čas (h)/Množství (ks nebo l) Cena
Řezání 0,167 30,06
Frézování 0,667 120,06
Vrtání 0,333 59,94
Soustružení 0,167 30,06
Transportní zařízení 0,667 120,06
Lakování 3,500 630,00
Lak 0,250 187,50
Polotovar 1,000 1700,00
Celkem 2877,68
Zdroj: Vlastní zpracování
Porovnání
2165,18
2442,68
2877,68
CENA V KČ
Cena
Hliník s barvou
Hliník s metalickou barvou
Uhlíkový kompozit s polymerní matricí a lakem
0,636
0,337
HMOTNOST V KG
Hmotnost
Hliník CFRP
180 70 180 70
2000
200
1400
140
PEVNOST V
OHYBU (MPA)
OHYBOVÝ
MODUL (GPA)
PEVNOST V
TAHU (MPA)
MODUL
PRUŽNOSTI V
TAHU (GPA)
Vlastnosti materiálů
Hliník CFRP
Zdroj: Vlastní zpracování Zdroj: Vlastní zpracováníZdroj: http://www.5m.cz/cz/kompozitni-profily/ [online]
Shrnutí
 Ve prospěch hliníku: Cena, lehčí obrobitelnost
 Hliník až 10x levnější
 Ve finálním výsledku rozdíl 435,00-712,50 Kč
 Ve prospěch kompozitu: Hmotnost, pevnost
 Uhlíkový kompozit o 0,299kg lehčí
 V praxi možno vyrábět z obou materiálů - inovace
 Možnost výběru pro zákazníka
 Vylepšení – vyvrtat větší otvory a osadit vložkami
Děkuji za pozornost