1.Tehnologia prelucrarii pieselor de automobile cu laser

Definitie:Laserul este un sistem în care se produce amplificarea luminii prin stimularea emisiei de

radiaţii electromagnetice pe baza inversiei de populaţie.Tehnologia laser are aplicabilitate în mai toate domeniile de activitate. În această scurtă

prezentare, sunt descrise aplicaţiile laserilor în domeniul prelucrării materialelor. Aceasta este o alternativă la prelucrările mecanice prin aşchiere, mai ales atunci când este necesară realizarea unor piese de o fineţe deosebită.

Maşinile de prelucrat cu laser sunt comandate de calculator şi pot prelucra imagini şi modele 3D realizate cu oricare dintre programele CAD cunoscute. În plus, sistemul software al maşinii are încorporat un modul propriu de proiectare şi de prelucrare a celor mai complexe imagini.

Maşinile de prelucrat cu laser sunt realizate într-o gamă largă de tipodimensiuni, de la maşina de prelucrat cu laser de birou (OYSTER), până la maşini care pot prelucra piese cu mase de sute de kilograme, chiar mai mari (SHARK, ORCA). (figura 1)

(fig.1).Operaţiile de prelucrare cu laser se pot aplica oricărui material: oţeluri, inclusiv oţeluri

călite, aluminiu, mase plastice, materiale ceramice, diamant, marmură, granit, lemn, sticlă, textile, hârtie, materiale organice etc. Precizia de prelucrare depinde de configuraţia

2

echipamentului laser, dar se pot obţine detalii care pot fi vizibile doar la microscop. Pentru a avea o idee asupra rezoluţiei de prelucrare, materialul prelucrat se evaporă pe straturi (layere) care pot avea grosimi de 0,1µm, până la sutimi de milimetru. În continuare prezentăm o scurtă trecere în revistă a principalelor posibilităţi de prelucrare cu laser.

1.1 Mecanismul producerii laserului:

Pentru a prezenta efectul laser se porneste de la legea lui Beer, care arată că, dacă într-un mediu oarecare, de lungime L, se trimite o radiaţie de intensitate iniţială Io, intensitatea la iesire va fi dată de expresia:

I = Io e Kλ L

unde Kλ – coeficientul de absorbţie al mediului.

Atunci când Kλ are valori pozitive rezultă o amplificare a radiaţiei la trecerea prin mediu. Laserul este cel care valorifică această posibilitate.

Radiaţia, cu lungimea de undă λ, ia nastere ca urmare a unei tranziţii între două nivele energetice E1 si E2 (E2 > E1). Valoarea coeficientului de absorbţie depinde de numărul de electroni care se află, in medie, pe aceste nivele (asa numitele „populaţii” n1 si n2 ale nivelelor E1

si E2), de densitatea de radiaţie ρ ( λ ) [J/m3], de timpul de viaţă τ1 al nivelului E1, de lungimea de unde λ si de ponderile nivelelor g1 si g2.

Absorbţia poate fi aproximată prin relaţia:

Kλ = C1 ρ ( λ ) (n2-n1) – C2

În ultima relaţie, primul termen apreciază absorbţia (n1>n2) sau lumina stimulată (n2>n1), iar al doilea ţine seama de emisia spontană (el nu poate fi decât negativ).

Pentru a se realiza condiţia Kλ>0, trebuie ca primul termen din relaţie să fie pozitiv si mai mare ca al doilea. Acesta se obţine crescând densitatea câmpului de radiaţie în care are loc emisia laser.

Satisfacerea acestor condiţii este dificilă. Aceasta deoarece, în condiţii normale de temperatură, pentru o diferenţă de energie ce corespunde tranziţiilor optice, n2 reprezintă 10-4 din n1. Pentru a se înregistra o inversie de populaţie (n2>n1) este necesar ca in mediul respectiv să se pompeze energie. În acest fel primul termen, care estimează emisia stimulată, devine preponderent.Majorarea densităţii de radiaţie este rezultatul emiterii într-o cavitate rezonantă.

3

(fig.2) Sechema unui laserSchematic, un laser se compune dintr-un mediu activ, închis între două oglinzi paralele,

în care se pompează energie pentru realizarea inversiei de populaţie fig.2.Coeficientul de reflexie (R) al oglinzilor paralele este definit prin:

R = Ir / Io < 1, unde:I0 – radiaţia incidentă; Ir – radiaţia reflectată.

Transmisia prin oglinzi este :T = 1 – R – A,unde:R – reflectivitatea; A – absorbţia oglinzii.

Ameliorarea performanţelor oglinzilor se obţine prin aplicarea pe suprafeţele reflectoare a unor depuneri dielectrice, în locul celor metalice, care au absorbţie mult mai mică (A ≈ 0).

Dacă din vecinătatea oglinzii O1 porneste o rază cu intensitatea I0 care ajunse în dreptul oglinzii O2 cu intensitatea I(L) = I0 · e Kλ · L, atunci în mediu este reflectată de oglinda O2, o radiaţie cu intensitatea IR, iar complementara I(1-R) va fi „radiaţia laser” care părăseste mediul. Pentru simplificare, s-a constatat ca ambele oglinzi au acelasi coeficient de reflexie si absorbţie nula (A = 0).

Dispozitivul se afla în pragul emisiei laser dacă, pe parcursul L, câstigul în intensitate este cel puţin egal cu radiaţia care părăseste mediul trecând prin oglindă. Sistemul încetează în a mai emite radiaţie laser atunci când pierderea prin transmisie depăseste amplificarea. Deci, emisia are loc atunci când:

I – Io > I (1 – R)Din relaţiile rezultă:

Kλ L > 1 – R

Pentru majoritatea tranziţiilor laser, Kλ L < < 1 si deci e Kλ L ≈ 1 + Kλ L. Sunt însă cazuri în care Kλ L poate ajunge supraunitar, când laserul funcţionează chiar cu R ≈ 0 (fără oglinzi). Regimul este cunoscut sub denumirea de superradianţă. Laserul cu azot sau linie infrarosie 3.39μm a laserului He – Ne sunt exemple de linii superradiante.

Neglijând emisia spontană rezultă:

4

Relaţia arată că efectul laser nu poate apare decât dacă inversia de populaţie depăseste o anumită valoare de prag (n2–n1)prag. Pragul poate fi coborât lungind mediul activ, mărind reflexia oglinzii sau majorând densitatea radiaţiei.

Mediile laser sunt gazoase (bioxid de carbon, azot si heliu) sau solide (solid amorf sau cristalin în care sunt disipaţi ioni de neodium).

Introducerea energiei iniţiale în mediu (energia de „pompaj”) se face prin descărcări în gaze, inducţia magnetica la laserii gazosi si prin iradiere optică la cei solizi. Pompajul optic se realizează asezând într-o cavitate reflectoare, de tip eliptic, un flash. În cele două focare sunt dispuse paralel flash-ului si bara laser. Cavitatea reflectoare are rolul de a concentra lumina flash-ului pe bara laser. Pentru mediile active lichide, inversarea de populaţie se obţine în urma unor reacţii chimice de disociaţie si pompaj chimic.

Radiaţiile laser se caracterizează prin proprietăţile sale specifice: coerenţa, direcţionalitate, monocromaticitate, distribuţie temporală, intensitate, strălucire, si polarizare.

Pentru prelucrările termice, proprietăţile care interesează sunt puterea si energia.Laserii cu funcţionare continuă au puteri de la 10-3...10 12 KW, iar cei pulsanţi au energii

cuprinse intre 1 si 100 J.De cele mai multe ori, fasciculul laser este focalizat cu ajutorul unui sistem de lentile si oglinzi, obţinându-se densităţi uzuale de putere de 104

... 10 10 W/cm2 si de energie de 102...108 J/cm2.

1.2 Instalaţii laser folosite la prelucrări termiceGeneratoarele laser utilizate la prelucrări tehnologice (tratamente termice, sudură,

găurire, tăiere) realizează puteri specifice ridicate, au sisteme optice de dirijare si concentrarea radiaţiilor pe suprafeţele pieselor de prelucrat si folosesc medii active sub formă solidă saugazoasă.

*Generatoare cu mediu activ solid:

Mediile active pot fi excitate pentru obţinerea unui fascicul laser cu eficienţa ridicată sunt rubinul, sticla dopată cu ioni de neodim si YAO (Y1 A13 I12) dopat cu ioni de neodim.

Dintre laserii cu mediu activ solid, cel mai utilizat este cel cu sticlă dopată cu neodim. Aceasta furnizează energii mari pe puls (1...100 J) la temperatura mediului ambiant.Un astfel de laser este construit dintr-o bară de material dopat cu neodim de formă cilindrică (diametru de 5...15mm si lungimea de 30...1200 mm). Capetele barei sunt prelucrate optic si acoperite cu straturi reflectante pentru a realiza cavitatea rezonantă . Paralel cu mediul activ se află o sursă (lampă cu descărcare în vapori de metal, lampă cu filament, dioda semiconductoare, sistem solar de pompare) care realizează pompajul optic al sediului activ ( puterea sursei 1...15000W ).

Alimentarea lămpilor de pompaj se face la surse electrice speciale, în care sunt incluse condensatoare (130...800 μF) si impedanţe (7...111μH) capabile de a înmagazina si restitui

5

energia (700...2230J) în corelaţie cu o anumită durată (100μs...1ms) si tensiuni de descărcare (2430...3280V).

O parte din energia radiată de sursa de pompaj este absorbită de mediul activ care determină apariţia unei inversii de populaţie. Pentru ca radiaţia emisă de flash să lumineze cât mai eficient mediul activ, întreg ansamblul este montat intr-un reflector cilindric cu secţiune eliptica (cavitate de pompaj).

Corpul cavităţii de pompaj se execută din aluminiu, cupru sau oţel inoxidabil. Pereţii interiori se execută cu un înalt grad de reflectivitate prin lustruire si depunere în vid de straturi de aluminiu, argint, aur.

Temperatura mediului activ trebuie sa fie cât mai scăzută pentru ca laserul să funcţioneze la o frecvenţă rezonabilă. Pentru aceasta se folosesc instalaţii speciale de răcire care după fiecare puls laser preiau energia calorică pe care lampa o emite odată cu energia de pompaj.

Randamentul scăzut la transformarea energiei electrice în cea luminoasă (35...40%), utilizarea incompletă a energiei absorbite de bastonul laser (6...14%) si pierderile din cavitatea de pompaj (30...70%) sunt elemente ce determină eficienţa scăzută a laserilor cu mediu active solid (0.1...5%).

Caracteristicile fasciculelor laser depind si de elementele optice care formează cavitatea de rezonanţă (oglinzi, prisme). Rezonatorul poate fi cu oglinzi plan-paralele, cu oglinzi cu raza mare de curbură, confocal, sferic, cu oglinzi cu raze diferite de curbură, convex-concav sau semiconfocal.

Laserele cu mediu activ solid (sticla, Nd si YAG) pot realiza în regim pulsat relaxat un tren de impulsuri cu durata totală de 0,1...1ms si energia de 0,1...20 J ( puterea de impuls 1...50KW ), în regim pulsat declansat un singur impuls cu durata de 10...50 ns si energia de 0,01...0,2J (putere de impuls 1...20KW),€ iar în regim continuu pot emite fascicul cu puterea de 1...100W.

Instalaţiile de prelucrare cu laser pot fi prevăzute cu comandă numerică a deplasării (cu motoare pas cu pas) piesei de prelucrat, precum si cu alte echipamente, cum sunt cele de realizare a unei atmosfere controlate în incinta de lucru si de urmărire cu monitor TV a zonei de acţiune a fasciculului.

Principalele tipuri de prelucrări ce se pot executa cu aceste lasere sunt: găurirea de mare fineţe, pe adâncimi de 3...4mm, sudura prin puncte (adâncimea de pătrundere 0,3mm),tăierea materialelor metalice cu grosimi de 0,5...10mm, tratamentele termice ale pieselor metalice de mari dimensiuni.

Fig.3 Schema de principiu a unei instalaţii deprelucrare cu laser: 1-Generator laser, 2-Sisteme demodulare si deviere a fasciculului, 3-Sisteme de focalizare a radiaţiilor, 4-Piesa de prelucrat, 5-Sistemde poziţionare a piesei, 6-Echipament de comandănumerică, 7-Dispozitiv de programare a emisiei laser,8-Sistem de comandă si sincronizare a emisiei laser, 9-sursă de alimentare cu energie electrică, 10-SistemTV cu circuit închis, 11-Dispozitiv de control simăsură a fasciculului laser

6

*Generatoare cu mediu activ gazos:

La laserele cu gaz, datorită densităţii scăzute a mediului activ si nivelurilor energetice înguste, inversia de populaţie se obţine prin ciocniri electronice sau transfer rezonant de energie si uneori, prin pompaj optic sau reacţii chimice.

Prelucrarea metalelor se poate face cu trei tipuri de lasere cu gaz, atomice, ionice si moleculare.

Mediul activ al laserului cu gaz ocupă un volum cilindric ( diametrul cilindrului3...30mm) închis la capete de două oglinzi (Fig. 4). Una din oglinzi este parţialtransparentă deoarece prin ea iese fasciculul laser.

Fig. 4 Schema constructivă a unui laser cu mediu activ gazos. 1-Fascicul laser, 2-fereastră din _aCl, 3-5-Oglinzi, 4-Tub laser, 6-Sistem de alimentare cu amestec gazos (CO2+He+_2), 7-Sistem de evacuare a gazului folosit, 8-Dispozitiv de formare a amestecului gazos, 9-Pompă de vid, 10-Sursă de alimentare cu energie electrică

Amestecul gazos (gazele se pot afla într-un raport (1 vol. CO2, 1 vol. N2, 8 vol. He), care formează mediu activ, este realizat de gazele aflate în butelii. Presiunea amestecului (2...2,6KPa) este ajustată cu ajutorul unei pompe de vid. În cilindru are loc o descărcare luminiscentă, între anod si catod, care va fi sursa laser. Rolul descărcării în gaz este acela de a excita nivelul inferior. Celelalte gaze ajută la realizarea inversiei si eventual la răcirea aestecului sau la micsorarea impedanţei electrice. Curentul descărcării electrice ajunge la 10..100mA, ceea ce determină dezvoltarea unei mari cantităţi de căldura. De aceea, este necesar ca aceste lasere să funcţioneze într-o incintă răcită cu apă.

Laserele cu mediu activ gazos pot fi cu bioxid de carbon, heliu, neon, CO2+N2+He si argon ionizat. Ele pot atinge randamente de 10 – 35%.

7

1.3 Prelucrări tehnologice cu laser a pieselor autovehiculelor

Tehnologiile de prelucrare cu laser oferă soluţii avantajoase la execuţia pieselor de precizie ridicată, cu rezistenţe mecanice superioare, în condiţiile diminuării timpului de lucru, eliminării deformaţiilor si tensiunilor termice care ar putea apare în urma uzinării. Ele asigurărealizarea reperelor cu configuraţie complexă, în spaţii care nu necesită atmosfere controlate (se pot fabrica si piese aflate în incinte transparente), pe instalaţii automatizate sau robotizate comandate de computere.

Laserele de mare putere si-au găsit largi aplicaţii in domeniile tratamentelor termice, alierilor de suprafaţă, sudurii, debitării si găuririi.

1.3.1 Tratamente termice

Pentru ameliorarea caracteristicilor mecanice ale pieselor metalice prin modificareaconstituenţilor metalografici structurali trebuie ca materialul să fie adus în stare desuprasaturare. Aceasta se realizează încălzind metalul, cu ajutorul fasciculului laser, până laanumite temperaturi, după care acesta se răceste rapid pentru a se împiedica apariţiafenomenului de difuzie.

Temperatura suprafeţei piesei si adâncimea de pătrundere pot fi variate prin reflectareaputerii fasciculului si vitezei de baleiere. Puterea radiaţiilor nu trebuie să depăsească anumitevalori critice (la oţel 180KW/cm2 pentru o durată a impulsului de 100ns) pentru a nu seproduce în material transformări de fază.

Tratamentul termic cu laser se poate executa prin deplasarea piesei, ce urmează a ficălită, prin câmpul de radiaţie laser, focalizat la diametre ale spotului de 1...4mm. Rezultăastfel benzi călite cu o lăţime egală cu diametrul spotului

Realizarea de suprafeţe călite cu dimensiuni mai mari este posibilă prin suprapunereaparţială a benzilor sau prin oscilarea fasciculului laser intr-un plan perpendicular pe direcţiade deplasarea a piesei (Fig. 3.4).

Spotul laser, cu diametrul de 5mm, este deviat de oglinda mobilă pe lentilasemisferica. Diametrul spotului poate fi redus până la 0,8mm cu ajutorul lentilei. Oglindamobilă se roteste cu turaţia de 2000rot/min. Piesa este fixată pe masa mobilă, care se poatedeplasa după direcţiile X si Y cu viteza de 0,2...3cm/s.

Transformările produse de fasciculul laser în material au un caracter neomogen,datorită maximului de energie în centrul fasciculului. Ca urmare, duritatea în centru estefoarte mare (800μHV la OTC 45), iar spre margini ea se micsorează (350μHV).

Evoluţia durităţii în adâncime respectă aceeasi lege (Fig. 3.5).Influenţa determină asupra tratamentului termic o putere a adiaţiilor si durata de

acţiune a fasciculului laser (Fig. 3.6).

Un alt parametru de care depinde duritatea stratului tratat este mărimea defocalizăriifasciculului laser (Fig. 3.7).

Pentru realizarea unor tratamente termice de calitate este necesară corelarea densităţii

8

De putere cu diametrul spotului si durata impulsului (Fig. 3.8)

9

Fig. 3.4Schema de principiu a instalaţiei de tratament termic cu laser. 1-Camă, 2-Radiometru laser, 3-Oglindă mobilă, 4-Oglindă, 5-Oglindă divizoare, 6-Lentilă, 7-Fascicul laser, 8-Piesă, 9-Masa mobilă

10

Fig. 3.5 Variaţia microdurităţii într-o bandă de OLC 45: 1-Bandă călită la o singură trecere, 2- Bandă călită la două treceri prin suprapunere totală (puterea sursei400W; lăţimea benzii 2,5 mm; viteza de deplasare a piesei1,5cm/s)

11

Fig. 3.6 Variaţia durităţii în funcţiede densitatea de putere si de durataimpulsului.

1-σi= 6,5

12

Fig. 3.7 Influența mărimii defocalizării asupra duritățiistratului superficial

13

Fig. 3.8 Variaţia densităţii optime de putere în funcţie de durata impulsului pentru călirea oţelurilor cu un conţinut de carbon sub 0,4% (1. Diametrul petei fasciculului pe piesa 0,2 mm. 2. df=0,4mm. 3. df=1mm)

Folosirea laserelor cu mediu activ gazos (CO2+N2+He) care emit in regim continuu,cu puteri ale radiaţilor de 140...400W si cu viteze ale pieselor în faţa fasciculului de5...25mm/s, asigură încălzirea uniformă a unor suprafeţe cu geometrie complexă si obţinereade constituenţi structurali ce conduc la cresteri semnificative ale durităţii.

Valorile optime ale parametrilor regimului de lucru (puterea radiaţilor, viteza dedeplasare a piesei), pentru lasere cu emisie continuă, în funcţie de adâncimea de penetrarese pot determina cu ajutorul unor nomograme (Fig 3.9).

14

puterea radia

Fig. 3.9 Variația adâncimii penetrării în funcțiede viteza de deplasare si de puterea radiației

Prin acest procedeu au putut fi călite, în timp de 25s, roţi dinţate din oţel 34 MoCrNi15, cu diametrul de divizare de 150mm, grosimea de100 mm si înălţimea dinţilor de20mm. Puterea sursei laser a fost de 650 W.

Durificarea prin călire cu fascicul laser a oglinzii cămăsilor de cilindri de către MAN cuinstalaţii de mare putere în condiţiile încălzirii riguros controlate, eliminării agentului derăcire si obţinerii structurii martensitice până la o adâncime de 1,5mm în zonele intenssolicitate termic, eroziv si coroziv, a permis diminuarea uzurii cu 70–75% faţă de ceaînregistrată. În aceleasi condiţii, la cămăsile pe care s-au aplicat tratamente termiceconvenţionale sau nitrurări, aplicarea acestui procedeu a fost determinată de faptul că reduceafrecările din sistemul tribologic „oglinda cilindrului – lubrifianţi - segmenţi” doar că

15

perfecţionarea sistemelor de ungere este limitata. Prin durificarea suprafeţelor de contact sereduc si se uniformizează uzurile pe circumferinţa segmenţilor si oglinda cilindrilor si seasigură un control mai riguros al consumului de ulei.

Durificarea oglinzii cilindrului se poate mări prin cresterea procentului de elemente dealiere. Dar limita superioară a durităţii ce trebuie să rezulte după turnare nu poate depăsi240...250UHB, deoarece prelucrarea mecanică devine dificilă.

De aceea, pentru cresterea durităţii stratului superficial se pot aplica acoperirigalvanice cu Cr sau Ni sau se pot face nitrurări pe adâncimi de 0,1...0,3 mm si tratamentetermice cu laser.

Cercetările experimentale au arătat că rezistenţa la uzură este mult mai bună lacămăsile durificate cu fascicul laser faţă de cele nitrurate adâncimi de 0,1...0,3mm sitratamente termice cu lase

Cercetările experimentale au arătat că rezistenţa la uzură este mult mai bună lacămăsile durificate cu fascicul laser faţă de cele nitrurate. Aceasta deoarece straturile nitruratesunt foarte dure dar prea subţiri, astfel încât ele se uzează rapid în zona punctului mortsuperior.

Dacă segmenţii de compresie se durifică cu fascicul laser, atunci uzura acestora sereduce cu 30–60% faţă de cei prelucraţi cu tehnologii convenţionale.

Cu acest procedeu, GM tratează termic, pe anumite linii de fabricaţii elemente aletransmisiei si direcţiei, precum si cămăsile de cilindrii din fontă pentru motoarele MAC.

Durificarea cu laser se aplică cu succes si la călirea superficială a fusurilor arborilorcotiţi si arborilor cu came, elementelor aparaturii de injecţie, etc.

16

1.3. Producatori de laser:

TRUMPF:Lasersystems acţionează ca distribuitor în  Europa Centrală şi de Est, precum şi ca centru de mentenanţă al  laserelor industriale TRUMPF. Numele  mărcii TRUMPF înseamnă design industrial robust, fiabilitate, siguranţă în producție, unde aceste lasere sunt utilizate şi cel mai înalt nivel de service din întreaga lume. 

Produse laser de la TRUMPF:

17

18

1.4. Aplicatii specifice pentru automobile:

Sudarea cu laser este o metodă specifică de sudare care se realizează prin asamblarea

nedemontabilă a două materiale, prin topirea marginilor, cu ajutorul energiei optice. Energia

necesară topirii este obținută prin concentrarea cu ajutorul unor lentile optice a fascicolului laser

la suprafața de separație a celor două materiale de sudat.

Sudarea cu laser poate fi urmată de un tratament termic de detensionare datorat acțiunii

unui alt fascicul laser, la care energia luminoasă este dispersată pe toată suprafața cordonului de

sudură obținut în urma trecerii fascicolului de sudare.

Astfel prin acțiune succesivă se va obține o îmbinare cu caracteristici mecanice

superioare metodei clasice de sudare.

Sudurile cu laser, fiind mici, se răcesc foarte repede. Dacă timpul e scurt (mai puţin de 5 milisecunde) sudurile realizate din otel inoxidabil se pot crapa din cauza răcirii bruste.  Răcirea rapidă a sudurilor cu laser are totusi, beneficii importante: multe metale au proprietăţi mecanice mai bune atunci când acestea sunt rapid solidificate, iar zonele afectate de caldura sunt mici şi denaturarea este minimă.

Fig.5 Roboti industriali de sudura cu laser

19

Taierea cu laser: Tăierea cu laser a materialelor metalice necesită intensităţi alefascicolului laser, mai mari de 10 6 W/cm, care se realizează prin focalizarea razei laser cu ajutorul unor sisteme de oglinzi şi de lentile.

Procesul de îndepărtare termică a materialului, care se manifestă înadâncimea materialului, produce o tăiere în material atunci când se aplică o mişcare de avans.

Fig 6: Transmisia fascicului laser la debitat

Fig 7: Procedeu de taiere cu laser

20

2. Tehnologia prelucrarii pieselor de automobile cu fascicul de electroni

Un loc tot mai important în cadrul prelucrărilor prin tehnologii neconvenţionale a început să-l ocupe prelucrarea cu fascicul de electroni (Electron Beam Machining – EBM), datorită în special, performanţelor obţinute în cadrul proceselor precum: prelucrări în zone preselectate de pe piesa fără ca aceasta să sufere deformări din cauză că transferul de energie se face local şi nu în toată masa metalului; prelucrarea oricărui fel de metal cât de dur ar fi acesta; prelucrarea în vid protejează zonele topite de a se oxida: prelucrările sunt rezistente, precise, fine şi nu totdeauna necesită operaţii de execuţie ulterioare. Prima instalaţie industrială utilizată la sudarea cu flux de electroni, a fost realizată în anul 1957 în Franţa. La ora actuală, firme din Franţa (ALCATEL, şi SCIAKY), SUA (Temescal), URSS (cu tipurile U86, A306), Germania (Steigerwald, Leybold – Heraeus) etc. Produc pe scară largă instalaţii industriale de tăiere, găurire, sudare, topire etc, existând în momentul de faţă, pe plan mondial, peste 6000 de instalaţii de flux de electroni sau ioni. La noi în ţară, primele instalaţii de prelucrare cu fascicul de electroni au fost realizate la IFE Bucureşti în colaborare cu ISIM Timişoara, destinate în special sudării diferitelor materiale. Ca urmare a caracteristicilor superioare de utilizare şi dezvoltării în ultimii ani, fasciculul de electroni stă, în prezent, la baza realizării unui mare număr de prelucrări precum: sudarea (care constituie principala aplicaţie de prelucrare cu FE), găurirea (microgăurirea), litografia (scrierea directă, marcarea, litografia optică), topirea (metalelor refractare, elaborarea metalelor şi aliajelor de puritate înaltă), depunerea de straturi subţiri, doparea, tratamente termice (durificarea, alierea, înnobilarea prin retopire) etc.

2.1 Mecanismul generarii fasciculului de electroni.

Prelucrarea cu fascicul de electroni face parte din categoria procedeelor de prelucrare termice. Sursa termică o constituie un fascicul de electroni concentrat, având o viteză, şi ca urmare, o energie cinetică mare care bombardează componentele de prelucrat. La impactul fasciculului de electroni cu componentele de prelucrat, energia acestuia se transformă în căldură şi are loc o încălzire locală, rapidă a materialului prin conducţie (fig. 2.1.1 a,b). Odată cu creşterea puterii specifice a fasciculului profilul zonei se modifică (fig. 2.1.1c), la puteri specifice până la valori de 106 W/cm2, sub acţiunea vaporilor produşi se formează un tub capilar, înconjurat de un înveliş subţire de material topit (fig. 2.1.1d). La puteri specifice de 108 W/cm2, se produce eliminarea explozivă a învelişului topit şi o străpungere a materialului pe întreaga grosime a sa (fig. 2.1.1e).

Cele mai multe procese se desfăşoară în vid, deoarece atmosfera ar provoaca o frânare şi dispersie a fasciculului.

21

Procedeul de prelucrare cu fascicul de electroni are şi neajunsuri. Unul dintre acestea este generarea radiaţiei X în timpul prelucrării, motiv pentru care se iau măsuri speciale de protecţie.

Fig. 2.1.1 – Fazele de încălzire ale materialului a – încălzirea locală; b – încălzirea cu topirea materialului; c,d – modificarea profilului zonei topite; e – eliminarea explozivă a topirii.

Prelucrarea cu fascicul de electroni se bazează pe transformarea energiei cinetice, de mare densitate, a unui fascicul de electroni puternic acceleraţi într-un tun electronic (Fig.2.1.2), în energia termică, la impactul cu suprafaţa piesei. În zona de lucru se produceîncălzirea, topirea sau vaporizarea materialului.

Electronii sunt emisi de un filament de wolfram, tantal sau toriu, încălzit până la incandescenţă într-o incintă vidată (10-4…10 -5Pa) prin trecerea unui curent de mare intensitate. Ei sunt puternic acceleraţi între anod si catod (vmax = 150m/s), după ce au fost focalizaţi electrostatic cu un câmp electric. La iesirea prin orificiul anodului fasciculul suferă fenomenul de împrăstiere. El este din nou concentrat (diametrul fasciculului poate ajunge la 10…30 μm) de câmpul magnetic al bobinei de condensare. Distanţa punctului de focalizare sepoate regla prin modificarea curentului care străbate bobina de deflexie.

Prin polarizarea negativă a bobinei Wehnelt se poate regla intensitatea fasciculului. Dacă tensiunea de polarizare este suficient de ridicată intensitatea devine nulă. Această proprietate este valorificată la accelerarea fasciculului.

Bobinele de deflexie (patru la fiecare nivel), plasate echidistant, permit modularea fasciculului liniar sau circular.

În afara de aceasta, tunurile electronice posedă echipamente pentru controlul parametrilor fasciculului (centrarea, forma, poziţia).

Dispozitivele speciale pot realiza fascicule electronice cu secţiuni programate (ex. un dreptunghi cu raport lăţime/lungime variabil). Astfel de secţiuni, cu densitate de energie uniformă (105…106 W/cm2), se obţin prin copierea optoelectronică a unor fante de configuraţie precisă.

La prelucrări tehnice, imaginea petei fasciculului pe suprafaţa de prelucrat este de formă circulară (diametrul de 10μm), cu o distribuţie normală a densităţii energiei (106…109W/cm2).

Filamentul de wolfram se află într-o incintă vidată nu numai pentru a evita amorsajulîntre electrozi dar si pentru a elimina devierea si frânarea electronilor de atomi de gaz.

22

Bazele fizice ale prelucrării Prelucrarea cu fascicul de electroni se bazează pe transformarea energiei cinetice, de

mare densitate, a unui fascicul de electroni puternic acceleraţi într-un tun electronic (Fig. 12.3), în energia termică, la impactul cu suprafaţa piesei. În zona de lucru se produce încălzirea, topirea sau vaporizarea materialului.

Electronii sunt emişi de un filament de wolfram, tantal sau toriu, încălzit până la incandescenţă într-o incintă vidată (10-4…10-5Pa) prin trecerea unui curent de mare intensitate. Ei sunt puternic acceleraţi între anod şi catod (vmax = 150m/s), după ce au fost focalizaţi electrostatic cu un câmp electric. La ieşirea prin orificiul anodului fasciculul suferă fenomenul de împrăştiere. El este din nou concentrat (diametrul fasciculului poate ajunge la 10…30 µm) de câmpul magnetic al bobinei de condensare. Distanţa punctului de focalizare se poate regla prin modificarea curentului care străbate bobina de deflexie.

Prin polarizarea negativă a bobinei Wehnelt se poate regla intensitatea fasciculului. Dacă tensiunea de polarizare este suficient de ridicată intensitatea devine nulă. Această proprietate este valorificată la accelerarea fasciculului.

Bobinele de deflexie (patru la fiecare nivel), plasate echidistant, permit modularea fasciculului liniar sau circular.

Fig. 2.1.1 Elementele componente ale tunului electronic: 1-catod; 2-electrod de comandă; 3-anod; 4-sistem de devieredublă pentru centrarea fasciculului; 5-sistem stigmatic decorecţie; 6-fanta 1 de formare a fasciculului; 7-bobina 1 decondensare; 8-sistem de deviere pentru formarea secţiuniitransversale a fasciculului; 9-bobina 2 de condensare; 10-sistem de deviere ca barieră de fascicul; 11-fanta 2 deformare a fasciculului; 12-sistem de deviere pentrumăsurarea intensităţii fasciculului (bobina Wehnelt); 13-sistem stigmatic; 14-bobină de miscare; 15-fanta; 16-sistemstigmatic; 17-sistem de deviere; 18-bobină obiectiv defocalizare fină; 20-piesa; A-orificiul (pata) generatorului defascicul; B-secţiune transversală a fasciculului, formatăparţial; C-prima imagine a petei; D-secţiunea transversală afasciculului (prima imagine a fantei de formare afasciculului); E-a doua imagine a petei; F-imaginea fantei deformare a fasciculului; G-a treia imagine a petei; Hsecţiunea

transversală a fasciculului pe suprafaţa piesei

23

În afara de aceasta, tunurile electronice posedă echipamente pentru controlul parametrilor fasciculului (centrarea, forma, poziţia)

Dispozitivele speciale pot realiza fascicule electronice cu secţiuni programate (ex. un dreptunghi cu raport lăţime/lungime variabil). Astfel de secţiuni, cu densitate de energie uniformă (105…106 W/cm2), se obţin prin copierea optoelectronică a unor fante de configuraţie precisă.

La prelucrări tehnice, imaginea petei fasciculului pe suprafaţa de prelucrat este de formă circulară (diametrul de 10µm), cu o distribuţie normală a densităţii energiei (106…109W/cm2).

Filamentul de wolfram se află într-o incintă vidată nu numai pentru a evita amorsajul între electrozi dar şi pentru a elimina devierea şi frânarea electronilor de atomi de gaz

La ciocnirea cu suprafaţa piesei, energia cinetică a electronilor (Ec) este transformată în căldură (W):

unde: m - masa electronului; v - viteza electronilor; n - numărul de electroni emişi; Ua - tensiunea de accelerare; e - sarcina electrică a unui electron; I - intensitatea curentului

Adâncimea până la care electronii pătrund în materialul de prelucrat se poate calcula cu relaţia:

în care : ρ – densitatea materialului [kg/dm3]Instalaţiile de prelucrare cu fascicul de electroni (Fig. 12.4) sunt de complexitate ridicată.

Ele sunt echipate, în afara tunului electronic, cu sisteme de reglare şi comandă a fasciculului de electroni şi a suportului pe care se aşează piesa de prelucrat, precum şi cu un echipament de vidare

Din cauza fenomenelor care apar la impactul fasciculului de electroni cu suprafaţa piesei de prelucrat, numai 60…95% din energia acestuia se transformă în căldură, restul distribuindu-se sub formă de lumină, raze Röentgen, atomi, ioni, electroni retrodifuzaţi, electroni secundari şi vapori metalici.

În funcţie de densitatea de putere (q) realizată, fasciculul de electroni este folosit la următoarele operaţii de prelucrare:

Parametrii reglabili de lucru ai intensităţilor sunt: tensiunea de accelerare a electronilor (15…150KV), durata impulsurilor (5µs…50ms), frecvenţa de repetare a impulsurilor (50…10.000Hz), puterea fasciculului (100W…4KW)

24

Fig. 2.1.2 Instalaţie de prelucrare cufascicul de electroni1:1-camera de ioni2-catod filiform; 3-catod masiv; 4-electrod de focalizare; 5-anod;6-sistem auxiliar de centrare afasciculului; 7-fereastră de obturare; 8-sertar transversal; 9-sistem degnetic de deviere afasciculului; 10-lentilă magnetică;11-rezistenţă de curgere; 12-racord pompa vid; 13-rezistenţă de curgere;14-lentilă magnetică; 15-racord pompa vid;16-izolator; 17-racord de cabluri

Sudarea cu fascicul de electroniPenetrarea electronilor din fascicul în materialul pieselor ce trebuie îmbinate este infimă.

Unirea prin sudură a metalelor se explică prin aceea că încălzirea este foarte puternică (6000 K) în punctul de impact al fasciculului cu piesa. Ca urmare a încălzirii violente se produce nu numai fuziunea unei mici cantităţi de metal dar şi vaporizarea unei părţi din acesta. Vaporii sub presiune îndepărtează metalul lichid la periferia zonei topite formând un fund de crater care bombardat fiind de electroni se topeşte la rândul lui. Procesul continuă până la traversarea completă a piesei din metal dacă puterea sursei este suficient de mare.

Metalul lichid aderă prin capilaritate şi este menţinut în orificiul creat datorită presiunii gazelor care se degajă. Fuziunea este întreţinută de electronii care ricoşează către extremitatea canalului.

Dacă piesa şi fasciculul suferă o deplasare relativă, atunci acesta încălzeşte puternic faţa cilindrului lichid. Sub acţiunea vaporilor metalul lichid este aruncat înapoi formând o suprafaţă solidă care topeşte la rândul ei, chiar dacă cele două valuri de metal lichid sunt deplasate în spatele fasciculului şi se solidifică. În felul acesta se realizează o sudură îngustă pe toata înălţimea piesei.

Atunci când fasciculul este aplicat în planul de joncţiune a doua piese, care trebuiesc unite, se obţine prin fuziune un canal de metal topit pe toată grosimea. După răcire rezultă un cordon de sudură a cărui dimensiune este comparabilă cu fanta dintre piese.

25

Una din trăsăturile dominante ale sudurii cu fascicul de electroni este determinată de căldura care se dezvoltă în planul joncţiunii. La alte procedee de sudură prin fuziune sursa de căldură este plasată în apropierea pieselor de sudat, iar energia termică este transferată în zona de îmbinare prin conductibilitate. La sudura cu fascicul de electroni, conductibilitatea termică a pieselor ce trebuiesc asamblate este un factor secundar, deoarece, datorită energiei specifice a fasciculului, viteza de sudură este superioară celei de transmitere a căldurii. În plus, la grosimi egale ale pieselor de îmbinat, volumul de material este mai redus la sudura cu fascicul de electroni şi, prin urmare, şi consumul energetic este mai mic.

Din punct de vedere teoretic, cele mai bune suduri se obţin cu un fascicul foarte fin de electroni acceleraţi puternic şi focalizaţi pe o suprafaţă redusă.

În realitate, datorită acţiunii unor factori, ca geometria pieselor şi precizia maşinilor şi utilajelor, diametrul secţiunii transversale a fasciculului trebuie sa fie mai mare.

Îmbinarea cu fascicul de electroni asigură o sudură profundă, îngustă şi cu secţiune constantă, fără defecte fizice (golfuri, sufluri, porozităţi) şi canal lateral, precum şi o încălzire redusă şi o deformare minimă a pieselor.

Datorită aportului de energie în planul de îmbinare sudurile de mare penetraţie rezultă dintr-o singură trecere.

Zona de influenţă termică redusă şi încălzirea rapidă pot provoca şocuri termice şi contracţii cu gradient foarte ridicat.

În urma cercetării mecanismului uzurii a reieşit că densitatea de energie a fasciculului trebuie să aibă o distribuţie normală şi nu una omogenă.

Dacă se doreşte ca procedeul să fie rentabil este necesar ca suprafeţele care trebuie îmbinate să fie rectificate (toleranţele pieselor ± 50µm).

Sudura cu fascicul de electroni, datorită densităţii mari de energie, focalizării precise şi penetrării puternice asigură îmbinarea unor materiale cu temperaturi de topire foarte înalte sau mult diferite. Se pot suda, fără material de adaos, piese cu grosimea de 0,05…300 mm, cu viteze de 15…20 m/min.

Exemple de aplicare a sudurii cu fascicul de electroniPerformanţele superioare ale sudurii cu fascicul de electroni au impus acest procedeu la

asamblarea roţilor dinţate de pe arborii secundari şi a arborilor intermediari din cutiile de viteze (Fig. 12.5 a, b)

Asamblarea prin sudură cu fascicul de electroni a pinioanelor şi arborilor din transmisie determină îmbunătăţirea performanţelor şi reducerea preţului de cost, deoarece prelucrarea danturii este mai uşoară, gabaritul roţilor dinţate se micşorează, greutatea devine mai mică, productivitatea creşte prin automatizarea prelucrării, se descompune un reper complex în elemente mai simple şi se pot folosi materiale care să corespundă solicitărilor diverse.

Deformările maxime ale pieselor din cutiile de viteze sudate cu fascicul de electroni (puterea sursei 2KW, viteza de sudare 2,5m/min), măsurate după două direcţii perpendiculare, mai mici de 0,05…0,08mm.

Tot prin această tehnică, se pot asambla, din mai multe elemente, arborii rotoarelor turbosuflantelor (Fig. 12.6).

O alta grupă de piese, la care se poate aplica procedeul, este cea a pistoanelor care au prevăzute în partea superioară a capului canale toroidale pentru circulaţia uleiului de răcire.

Soluţia convenţională de execuţie a acestor canale constă în introducerea unui torr de fier turnat în cochilă şi dizolvarea ulterioară a acestuia cu acid. Datorită duratei mari a operaţiei de dizolvare a fierului apar golfuri în camera inelară.

26

Realizarea pistonului din două elemente (Fig. 12.5 c) facilitează prelucrarea, iar asamblarea lor prin sudura cu fascicul de electroni îmbunătăţeşte calitatea produsului. Materialul de bază pentru piston poate fi un aliaj de aluminiu (AT Si 12 CuMgNi).

Pentru a se evita apariţia defectelor, se recomandă ca sudura să se realizeze în două treceri, cu următorii parametrii de lucru: Ua = 50KV; I = 110…300mA; viteza de sudare 1,0…3,5m/min.

Fig. 12.5 Repere din construcţia autovehiculului asamblate prin sudura cu fascicul de electroni: a-arbore intermediar; b-roată dinţată de pe arborele secundar; c-piston

Atunci când motoarele trebuie să lucreze în medii cu temperaturi ridicate o atenţie deosebită trebuie acordată garniturii de chiulasă. Îmbunătăţirea legăturii dintre chiulasă şi blocul motor se obţine prin sudarea acestora cu fascicul de electroni. În acest caz chiulasa este turnată în vid din oţel cu crom şi molibden

Fig. 12.6. Rotorul turbosuflantei

27

Din realizările recente în domeniul prelucrării cu fascicul de electroni fac parte: - comanda prin ordinator a proceselor de sudare şi tratament termic; - echiparea tunului electronic cu un sistem de control al descărcării, eliminându-se astfel eventualele întreruperi în transportul energiei;- realizarea de noi aliaje pentru catozi (durata de viaţă a crescut 10…50 ori faţa de cea a materialelor tradiţionale).

Automatizarea şi înalta performanţă a sudurii cu fascicul de electroni fac din acest procedeu o tehnică de vârf pentru producţia de masă. Fasciculul de electroni este deja capabil să identifice automat piese cu forme complexe prin repararea unor puncte caracteristice, de a transmite informaţia computerului, care apelând la un program adecvat va comanda asamblarea piesei în condiţii optime.

Alte aplicaţii ale fasciculului de electroniFasciculul de electroni se poate folosi, cu rezultate deosebite, la operaţii de perforare.

Găurirea se execută prin vaporizare superficială sau prin vaporizarea şi topirea materialului (Fig. 12.7).

Găurile cu diametrul de 0,01…2mm se pot practica în materiale cu grosimea de 1…10mm în monopuls şi de 10…20mm în regim multipuls.

Cu ajutorul fasciculului de electroni se pot aplica materiale dure pe suprafeţele unor piese, în vederea măririi rezistenţei la uzură sau eroziune. De asemenea, se pot realiza tratamente termice, aluminizarea unor suprafeţe (reflectoarele farurilor), alierea superficială prin difuziune, etc.

Domeniul de aplicabilitate al procedeului este limitat de posibilităţile instalaţiilor specializate.

Fig. 12.7. Succesiunea fazelor şi modul deîndepărtare a materialului la găurireacu fasciculul de electroni

28

2.2 Aplicatii tehnice pentru automobile.

Aplicaţiile durificării superficiale DFE sunt: în domeniul electrotehnic şi de mecanică fină: roţi dinţate, roţi de clichet, durificate numai pe dantură, came, durificate numai pe contur pe o lăţime de max. 3mm; în domeniul aparaturii de comutaţie: zăvor, piese înglobate în răşină, durificate numai pe zona de contact, închizătoare, pârghii în contact, opritoare, etc; în domeniul SDV-uri: gura de tăiere de la matriţele de decupat, coloane de ghidare, poansoane, cuţite de strung, burghie, freze etc; în domeniul automobilelor, tacheţi, inele canelate, roţi dinţate, fig.2.2.1., durificate numai în zona intens solicitată la uzură; în domeniul maşinilor agricole: cuţite de tăiere, fig.2.2.2, durificate numai în zona de tăiere.

Fig.2.2.1 Tacheţi şi inel durificate numai în zonele intens solicitate

Fig. 2.2.2 Cuţite de la maşinile agricole durificate numai în zona de tăiere. unde: 1- corpul cuţitului netratat; 2- zona durificată.

Aplicaţii ale durificării prin aliere, DAFE, sunt: piese din materiale necălibile care pe o anumită zonă sunt solicitate la uzură, care trebuie să aibă o duritate mare, aceste piese sunt în

29

special: contactele electrice, pârghiile de la întreruptoarele ultrarapide de curent continuu tip IUCC (ICPE).

Aplicaţii ale durificării prin retopire DRFE sunt: piesele la care se cere să reziste la solicitări variabile şi să aibă rezistenţă mare la oboseală precum: rotoarele motoarelor electrice, rotoarele turbinelor, rotoarele morilor, a maşinilor agricole şi toate axele care se rotesc în lagăre şi pe care sunt montate organe de maşini care le solicită axial.

2.3 Producatori de generatoare de fasciculi de electroni:

La ora actuală, firme din Franţa (ALCATEL, şi SCIAKY), SUA (Temescal), URSS (cu tipurile U86, A306), Germania (Steigerwald, Leybold – Heraeus) etc. Produc pe scară largă instalaţii industriale de tăiere, găurire, sudare, topire etc, existând în momentul de faţă, pe plan mondial, peste 6000 de instalaţii de flux de electroni sau ioni.

La noi în ţară, primele instalaţii de prelucrare cu fascicul de electroni au fost realizate la IFE Bucureşti în colaborare cu ISIM Timişoara, destinate în special sudării diferitelor materiale.

3. Tehnologii de formare a pieselor auto din materiale compozite

Materiale composite. Materialele compozite se definesc ca fiind sisteme de corpuri solide,

deformabile, obţinute prin combinaţii la scară macroscopică ale mai multor materiale.

Materialele compozite au fost folosite cu mult înainte de a fi fost definite (piatra, lemnul, iar mai târziu, dar cu peste o sută de ani în urmă, betonul).

Au trecut aproape 60 de ani de când materialele plastice armate cu fibre de sticlă au fost utilizate pentru prima oară datorită calităţilor lor deosebite în comparaţie cu ale materialelor clasice.

Performanţele tot mai înalte cerute structurilor de rezistenţă în general, dar mai ales celor destinate aeronauticii şi aplicaţiilor militare, impun acestora condiţii foarte severe în timpul funcţionării.

În general, prioritare sunt considerentele aerodinamice de optimizare funcţională a profilelor structurilor aeronautice şi satisfacerea condiţiilor restrictive

30

legate de: rezistenţe mecanice deosebite într-un interval larg de valori ale temperaturii ambientale, vibraţii, rezistenţă la oboseală, rigiditate, greutate minimă şi fiabilitate maximă.

Ca urmare, apar tot mai frecvent situaţii în care materialele tradiţionale nu pot satisface în totalitate multitudinea restricţiilor menţionate iar cum configuraţia geometrică a structurilor este în general impusă, singura pârghie unde se poate acţiona, rămâne cea a utilizării de materiale noi, cu calităţi deosebite.

Pentru o structură mecanică cu configuraţie geometrică şi condiţii de lucru cunoscute, este necesar să se proiecteze şi să se realizeze materialul adecvat din care aceasta să fie confecţionată.

Au apărut astfel materialele compozite, care sunt o nouă clasă de materiale ce prezintă o mare importanţă tehnologică şi ale căror aplicaţii cunosc în prezent o dezvoltare intensă în mai multe domenii .

Materialele compozite fac parte din categoria „noilor materiale” şi sunt create special pentru a răspunde unor exigenţe deosebite în ceea ce priveşte:

rezistenţa mecanică şi rigiditatea; rezistenţa la coroziune; rezistenţa la acţiunea agenţilor chimici; greutatea scăzută; stabilitatea dimensională; rezistenţa la solicitări variabile, la şoc şi la uzură; proprietăţile izolatoare şi estetica.

Principalul avantaj al acestor materiale este raportul ridicat între rezistenţa şi greutatea lor volumică. Familia termorigidelor este alcătuită, în proporţie de 99% din materiale compozite.

Clasificarea materiale composite: -materiale compozite armate cu fibre (fibroase) - fibre lungi plasate într-un

aranjament prestabilit sau fibre scurte plasate aleatoriu; -materiale compozite hibride, alcătuite din mai multe fibre; -materiale compozite stratificate, realizate din mai multe straturi, lipite între ele; -materiale compozite armate cu particule.

3.1. Materiale compozite fibroase

31

Aceste materiale sunt obţinute din fibre de diverse forme şi dimensiuni înglobate într-o matrice, fiind utilizate într-o largă varietate :

a) fibre naturale (iută şi sisal), utilizate cu ani în urmă şi înlocuite în prezent cu fibre sintetice;

b) fibre sintetice organice termoplastice (polipropilenă, nylon, poliester) şi termorigide (aramide) având densitate şi rigiditate scăzute, dar rezistenţă ridicată;

c) fibre sintetice anorganice (sticlă, bor, carbon etc.), fibrele de sticlă fiind cele mai utilizate datorită preţului scăzut.

Fibrele sunt în general mult mai rezistente la întindere decât acelaşi material aflat în formă masivă, datorită structurii interne a fibrei cât şi datorită purităţii materialului ei. Spre exemplu, sticla, care în forma sa obişnuită nu rezistă decât la tensiuni de ordinul a câtorva zeci de MPa, sub formă de fibre rezistă la tensiuni de ordinul a 104 MPa. Uneori, în locul fibrelor lungi, sunt utilizate fibre scurte "whiskers", în care raportul lungime/diametru este relativ mic, fibrele fiind fără defecte şi deci foarte rezistente la întindere.

Curba caracteristică la solicitarea de întindere pentru aceste fibre este liniară, excepţie făcând poliesterul. Această dependenţă între tensiuni şi deformaţii nu va mai exista în cazul unui material compozit armat cu astfel de fibre, datorită răspunsului neliniar al materialului din care este alcătuită matricea.

Matricea reprezintă al doilea element de bază al materialelor compozite. Aceasta uneşte fibrele într-un corp continuu, include fibrele, le protejează, transferă tensiunea, redistribuie eforturile când unele fibre se rup. Matricea are în general densitate mai mică şi rezistenţă mult mai mică decât fibrele.

Matricele pot fi organice, metalice şi ceramice.Matricele organice au densităţi şi rezistenţe relativ scăzute iar relaţia dintre

tensiuni şi deformaţii este neliniară. Sunt cele mai utilizate matrice, întrucât au avantajul că pot fi fabricate mai uşor şi pot încorpora un număr mai mare de fibre decât cele metalice sau ceramice.

3.2. Materiale compozite stratificate

Materialele compozite stratificate (laminate) sunt constituite din straturi din cel puţin două materiale lipite împreună printr-un adeziv.

Din această categorie fac parte : Materialele stratificate, obţinute din materiale care pot fi saturate cu diverse

substanţe plastice şi apoi tratate în mod corespunzător.

32

Materialele compozite fibroase şi stratificate, cunoscute şi sub denumirea de materiale compozite stratificate şi armate cu fibre (stratificate), realizate dintr-o succesiune de straturi (lamine) suprapuse astfel încât fibrele unui strat să fie paralele şi fiecare strat să fie orientat în mod corespunzător, pentru a obţine o cât mai bună rezistenţă şi rigiditate.

Bimetalele, obţinute din două metale diferite, cu coeficienţi de dilatare termică semnificativ diferiţi. La schimbarea temperaturii bimetalul se deformează şi poate fi folosit ca mijloc de măsurare a temperaturii.

Metalele de protecţie, rezultate în urma acoperirii unui metal cu un alt metal, obţinându-se astfel un material compozit cu anumite proprietăţi îmbunătăţite faţă de materialul de bază.

Sticla laminată (securitul), material compozit care se obţine prin lipirea unui strat de polivinil între două straturi de sticlă.

3.3. Materiale compozite armate cu particule

Această categorie de materiale compozite constă din înglobarea într-o matrice a unuia sau mai multor materiale.

Particulele şi matricea pot fi metalice sau nemetalice în următoarele variante : Particule nemetalice în matrice nemetalică.

Un exemplu din această categorie de materiale îl constituie cel rezultat din particule de nisip şi rocă într-un amestec de ciment şi apă, care reacţionează chimic şi se întăreşte.Alt exemplu îl constituie şi particulele de mică sau de sticlă, înglobate într-o matrice de material plastic.

Particule metalice în matrice nemetalică.Un astfel de material compozit îl reprezintă carburantul pentru rachete, alcătuit din pudră de aluminiu şi anumiţi oxizi încorporaţi într-o legătură organică flexibilă (poliuretan sau cauciuc polisulfid).

Particule metalice în matrice metalică.În această categorie putem include materialul compozit rezultat din înglobarea unor particule de plumb într-o matrice realizată dintr-un aliaj de cupru sau oţel.

33

Pentru realizarea unor materiale ductile şi rezistente la temperaturi ridicate se recomandă armarea unei matrice metalice cu particule de tungsten, crom sau molibden.

Particule nemetalice în matrice metalică.Particulele nemetalice (particule ceramice) înglobate într-o matrice metalică dau naştere unui material compozit numit cermet.

Atunci când în matrice se introduc particule de oxizi se obţin cermeţi pe bază de oxizi, ce au rezistenţă mare la uzură şi temperaturi înalte.În urma înglobării în matrice metalice a unor particule de carburi de tungstem, crom sau titan se obţin cermeţi pe bază de carburi. Când matricea este din cobalt se obţine un material caracterizat printr-o duritate ridicată şi prin rezistenţă mare la uzură şi coroziune.

1.) Principii de formarePrelucrarea materialelor termorigide armate se poate face la presiuni joase

(0,1…0,4 MPa), medii (0,4…3,4 MPa), înalte (6,0…7,0 MPa), sau cu vid, prin contact, pulverizare, înfăşurare, injecţie, turnare şi centrifugare.

a.) Infasurare: Metoda constă în rularea, în spirală, a materialului de armare ,

impregnat cu o soluţie de compus macromolecular, pe o formă şi reticularea polimerului prin încălzire (420…425 K), cu aer cald sau radiaţii infraroşii Pe matriţa de formare, înainte de aplicarea primului strat de polimer, se depune un agent de demulare.

Pentru obţinerea unor suprafeţe exterioare lucioase, pe acestea se pulverizează lac poliesteric cu întărire rapidă. Această metodă de formare este caracteristică rezervoarelor cilindrice de mare capacitate, conductelor din poliesteri, compuşi epoxidici sau fenolici armaţi, precum şi arborilor cardanici din materiale compozite.

b.) Vacumare: Aceasta presupune următoarele faze distincte:

pregătirea matriţei şi a materialelor necesare; formarea (stratificarea) compozitului pe o matriţă deschisă; aşezarea în sac - se acoperă piesa cu o membrană flexibilă şi se

efectuează operaţia de etanşare a formei. În acest procedeu prin crearea vidului sub membrana elastică se elimină

aerul înglobat în materialul de formare şi se realizează compactarea piesei sub acţiunea presiunii atmosferice. Întărirea: se realizează la rece sau la cald printr-un tratament termic într-un cuptor sau autoclavă. Presiunea necesară pentru ca stratificatul să îmbrace în mod corespunzător forma şi ca răşina să impregneze materialul de armare este realizată cu ajutorul aerului comprimat (0,4 - 3,4 daN/cm2 ). Membrana elastică are rolul de a transmite presiunea astfel încât

34

Figura 3.1 Formarea sub vid, înainte de vacuumare 1. şi după vacuumare 2.: a. matriţă; b. material compozit armat; c. folie; d. vacuum; e. garnitură de etanşare; f. şurub de strângere

materialul să ia forma matriţei şi de a facilita eliminarea aerului înglobat în material. Procedeul necesită în schimb un echipament costisitor.

Numărul mare de aplicaţii al materialelor compozite a crescut rapid penetrând piaţa, diversificându-se pe diverse domenii de activitate. Din acest punct de vedere, alegerea procesului de fabricaţie depinde de o serie de factori: tipul matricei şi al fibrelor, temperatura de tratare şi formare a matricei, costul procesului de fabricaţie etc.

Procesul de fabricaţie a materialelor compozite se rezumă la: amplasarea fibrelor pe direcţia sau orientarea cerută, impregnarea fibrelor cu răşină, îndepărtarea excesului de răşină şi aer, solidificarea polimerului, scoaterea compozitului din matriţă, tăierea produsului obţinut la dimensiunile cerute. La obţinerea materialelor compozite se cunosc o serie de procedee de fabricaţie: procedeul de formare manuală prin contact, formare prin pulverizare, formare la presiune joasă sau înaltă, formare prin turnare, formare prin presare la cald, formare prin pultrudere, formare prin laminare continuă, procedeul de formare prin centrifugare etc.

Formarea sub vid este similară metodei de formare manuală, numai că această metodă mai utilizează în plus o folie subţire de celofan sau de acetat de polivinil care se dispune deasupra suprafeţei elementului compozit. Folia se prinde cu ajutorul unui dispozitiv de strângere, prevăzut cu garnitură de etanşare. Intre folie si matriţă, se realizează operaţiunea de vidare, astfel eliminându-se aerul dintre matriţă şi amestecul compozit, precum şi excesul de răşina epoxidică sau poliesterică.

In figura 3.1, este reprezentată metoda de formare sub vid cu matriţă deschisă.

Avantajele acestei metode sunt legate de posibilitate folosirii fibrelor lungi, iar suprafaţa creată prin procedeul de formare sub vid este perfect plană şi nu conţine goluri de aer.

35

Figura 3.2 Consolidarea unei grinzi din beton folosind sistemul de injecţie prin vacuumare. a. răşină polimerică; b. direcţia de înaintare a răşinii; c. transportul răşinii; d. grinda din beton armat; e. fibrele de armare; f. sacul de vacuumare; g. vacuum şi curgerea răşinii; h. vacuum; i. răşina recuperată după impregnare

INJECTAREA SUB VACUUM

Impregnarea prin vacuumare a fibrelor este comparabilă cu metoda de formare prin preimpregnare şi este folosită la consolidarea elementelor din beton. Grinda de beton este în prealabil pregătită (suprafaţa curăţată prin sablare sau jet de nisip). Se curăţă bine suprafaţa grinzii după care se aplică un strat de grund. Dispunerea fibrelor sau ţesăturii din fibre se face în raport cu direcţia de solicitare indicaţiilor din proiect. Este important ca răşină să fie fluidă şi să impregneze toate fibrele. Un sac pentru delimitarea incintei de lucru este aşezat deasupra fibrelor astfel încât acesta să acopere zona de aplicare, după care se realizează operaţiunea de vacuumare, fig. 3.2. Sacul de vacuumare este prevăzut cu două orificii, unul prin care se injectează răşina, celălat prin care se aplică vacuumarea.

Metoda prezintă avantaje şi dezavantaje: se îmbunătăţeşte calitatea execuţiei consolidării cu produsul compozit rezultat, se elimină posibilitatea de a intra. în contact cu răşina, durată scurtă de execuţie a lucrării, dar în cazul unor suprafeţe mari şi rugoase este necesar un important efort investitional in echipamente.

a.) impregnareAceasta este cea mai veche metodă de punere în formă a compozitelor.

Permite prelucrarea în general a compuşilor epoxidici şi poliesterici, folosind ca

materiale de armare maturile şi ţesăturile de fibre de sticlă. Procedeul de formare (figura 1) constă în aplicarea pe o formă (matriţă) concavă sau convexă a unui material de armare decupat la dimensiunile necesare, apoi impregnarea manuală cu răşină lichidă adiţionată în prealabil cu catalizator şi accelerator de întărire.

Aerul inclus în material este îndepărtat prin trecerea unei role canelate care în plus face ca răşina să pătrundă printre ochirile materialului de armare şi să asigure o bună omogenitate a compozitului.

36

Ca avantaje ale acestui procedeu pot fi amintite următoarele: simplitatea operaţiilor pretinde mână de lucru mai puţin calificată şi un minim de scule; dispozitivele utilizate sunt din materiale ieftine; se pot realiza piese de mari dimensiuni. Prezintă însă şi dezavantaje: manoperă relativ mare ca volum şi viteză de lucru mică; calitatea produsului depinde aproape integral de pregătirea şi conştinciozitatea lucrătorului; produsele obţinute comportă o singură suprafaţă netedă, aceea aflată în contact cu matriţa, apar variaţii nedorite ale grosimii şi proprietăţilor produselor, apariţia unor defecte ascunse (incluziuni de aer) imprevizibile şi imposibil de controlat.

Procedeul formării manuale este lent şi se pretează în cea mai mare măsură la obţinerea pieselor de dimensiuni mari, în serii mici sau prototipuri, pentru executarea matriţelor, şi în general când investiţiile mari nu sunt justificate.

Se realizează în mod curent, în serii restrânse, caroseriile automobilelor de competiţie, ale caravanelor, autobuzelor, camioanelor, rezervoare şi carcase de maşini.

37

4. Tehnologii de montaj si asamblare deservite de roboti industriali si manipulatoare

Roboţii industriali şi-au găsit locul într-o gamă largă de procese tehnologice, în care înlocuiesc operatorul uman în executarea unor operaţii auxiliare sau de bază.

4.1. Roboţi şi Automatizare

Automatizarea este strâns legată de robotică. În acest context există trei nivele de automatizare:

1.Automatizare cu funcţionalitate constantă

Dacă se doreşte o producţie în serie mare, este mai economic să se cumpere echipament de producţie optimizat, chiar dacă preţul de achiziţie este mare. Prin obţinerea unei productivităţi mari preţul de achiziţie se justifică şi preţul unitar pe produs va fi mai mic decât folosind alte echipamente. Pot apărea probleme datorită timpului mare de concepţie a unor astfel de echipamente optimizate, datorită lipsei flexibilităţii în cazul unor nevoi de modificare a produsului şi datorită imposibilităţii de utilizare a echipamentului dacă se renunţă la fabricarea produsului.

2. Automatizare programabilă

Dacă se doreşte fabricarea mai multor produse diferite în serie mai mică, atunci este nevoie de un echipamant care se poate adapta uşor la noile cerinţe de producţie. După modificarea automatizării se pot realiza mai multe produse de acelaşi fel, costurile de modificare fiind justificate şi acoperite de numărul relativ mare de produse fabricate.

3. Automatizare flexibilă

De mai bine de 20 de ani proiectanţii echipamentelor de producţie se gândesc la sisteme de fabricaţie în care realizarea unui singur produs să se

38

facă cu acelaşi preţ de fabricaţie cu acela al unei serii mari de producţie. Mecanismul constă într-un număr de celule de fabricaţie de aplicabilitate universală care sunt conectate prin sisteme de transport şi stocare. Un controller de fabricaţie central coordonează transportul pieselor la celulele de fabricaţie şi de asemenea transferă către roboţi toate programele necesare de fabricaţie. Un astfel de sistem poate fabrica un număr foarte mic sau foarte mare de acelaşi tip de produs la un cost identic per produs.

Baza producţiei viitorului constă în realizarea de sisteme şi echipamente flexibile. Roboţii inteligenţi vor constitui o componentă principală a sistemelor de producţie flexibile. Aceştia vor putea fi utilizaţi atât pentru producţie cât şi pentru transport. Vor trebui să îşi planifice şi să îşi supravegheze acţiunile, să interacţioneze la stimuli din mediul ambiant şi să poată comunica eficient cu alte maşini. Aceste funcţii necesită utilizarea tehnologiilor de senzorică şi de comunicaţie în reţea.

4.2. Utilizarea Roboţilor

Dacă se doreşte utilizarea roboţilor în aplicaţii industriale, atunci trebuie ţinut seama de anumite considerente din alt punct de vedere decât al robotizării în sine. Forte importante sunt dispozitivele periferice, cum ar fi senzorii şi sistemele de transport. Comunicaţia în reţea devine din ce în ce mai importantă, pentru a se putea integra roboţii în sistemele de producţie.

Arii de aplicabilitate

Aplicaţiile actuale ale roboţilor sunt foarte variate. Pentru anumite aplicaţii există roboţi speciali, pentru altele există roboţi cu o cinematică (structură mecanică) standard. Oricum, fiecare gen de aplicaţie are propriile necesităţi, de aceea nu s-a putut concepe şi construi, încă, un “robot universal”.

Ariile de aplicabilitate ale roboţilor se determină pe baza unor analize de fezabilitate şi de condiţiile economice specifice pieţei. De aceea uneori nu este posibilă utilizarea roboţilor în orice domeniu. Dar aria de aplicabilitate a roboţilor creşte pe măsură ce capabilităţile controller-elor şi a tehnologiei senzorilor se îmbunătăţeşte. De asemenea, tehnicile inteligente de programare pot conduce la aplicaţii noi (ca exemplu: generarea automată a traiectoriilor pe care trebuie să le parcurgă robotul pe baza unor desene CAD). În ultimi ani, domeniile principale de aplicabilitate ale roboţilor nu s-au schimbat. A crescut în schimb numărul de aplicaţii din fiecare domeniu.

39

Principalele domenii de utilizare a roboţilor sunt:- interconexiuni (asamblări nedemontabile: sudare, lipire, cositorire);- transport;- procesarea suprafeţelor;- debitare (tăiere);- tehnici de producţie: asamblare, poziţionări componente electronice,

măsurări.

Se prezintă mai jos căteva detalii despre aceste aplicaţii.

Interconexiuni (asamblări nedemontabile între diferite tipuri de materiale)

Pentru roboţi, tehnologia asamblărilor nedemontabile prin sudură şi lipire reprezintă un domeniu cu grad mare de automatizare. Robotul preia muncile monotone şi periculoase, ca de exemplu: sudarea cu arc şi sudarea în puncte. În aplicaţiile de lipire şi cositorire există emisii de gaze toxice ce pot afecta sănătatea angajaţilor.

Asamblarea nedemontabilă a materialelor necesită o precizie bună şi o calitate ridicată. Dacă un robot execută suduri, lipiri şi cositoriri, procesul poate deveni mai rapid şi mai precis.

Sudarea în puncte

Sudarea în puncte este una din principalele aplicaţii ale roboţilor. În industria automobilelor, dificila muncă de sudare a caroseriilor a fost preluată de roboţi. Utilizarea roboţilor este mult mai economică.

Pentru sudarea în puncte este nevoie de forţe mari de apăsare, astfel încât piesele metalice să formeze o zonă de contact. După realizarea contactului, un transformator generează curent de amperaj mare ce va trece prin zona de contact între piesele metalice. Curentul mare va produce topirea metalului în zona de contact astfel realizându-se sudarea. In timpul sudării, dispozitivul mecanic de presare păstreză piesele lipite până ce, la punctul de sudură, curentul este oprit şi temperatura scade sub o anumită valoare.

40

Pentru sudarea în puncte se pot folosi şi maşini speciale dar utilizarea roboţilor este mai flexibilă, cu timp de pregătire mult mai redus în cazul în care este necesară schimbarea producţiei (a modelului de caroserie). În industria automobilelor se folosesc în special roboţi cu 6 grade de libertate. Mişcarea este uzual limitată la poziţionare (PTP) între diverse puncte din spaţiul său de lucru. Între două puncte de sudură pot exista şi alte puncte de poziţionare intermediară, pentru evitarea unor coliziuni. Pentru caroseria unui automobil sunt necesare, în medie, 3000 de puncte de sudură.

Fig. 4.1 Exemplu de roboţi ce realizează sudare în puncte a unei caroseri de automobil.

Sudarea cu arc electric

Sudarea cu arc este de asemenea un domeniu al utilizării roboţilor. Această tehnologie presupune mişcarea robotului pe o anumită traiectorie cu viteză controlată, asemănător cu cea de la maşini

CNC. Pachete de programe software permit analiza unor proiecte CAD şi generarea de programe pentru roboţi astfel încât acesta să poată urmări traiectorii foarte complexe. Senzori tactili, optici şi electrici sunt folosiţi pentru urmărirea formei sudurii. Roboţi echipaţi cu senzori pot corecta deviaţii ale poziţiei pieselor sau ale grosimii materialului. Senzorii folosiţi trebuie să reziste la condiţiile dure dintr-un atelier de sudură: fum, scântei, variaţii de temperatură,

O altă cerinţă în sudarea cu arc este alimentarea continuă cu material de electrod, cu gaz inert şi cu lichid de răcire.

Sudarea cu arc nu necesită neapărat o viteză constantă dar necesită o mişcare exactă a electrodului. Pentru optimizarea mişcărilor este uzuală o proiectare inteligentă a dispozitivelor de alimentare cu piese. Robotul de sudare cu arc trebuie să reziste la condiţiile dificile de lucru.

Lipire

În prezent există multe aplicaţii în care dozarea şi aplicarea cleiurilor de lipire pe diverse suprafeţe se face cu ajutorul roboţilor. Particularităţile roboţilor folosiţi pentru lipire sunt asemănătoare cu ale celor utilizaţi în sudarea cu arc, adică

41

mişcare continuă pe o traiectorie precisă. La aceşti roboţi, dozarea lichidului de lipire este sincronizată cu viteza de deplasare a diuzei deasupra materialului. Astfel, la schimbări bruşte de direcţie în care viteza scade, se limitează şi debitul de soluţie aplicată. În aplicaţiile de lipire se pot atinge viteze mai mari de deplasare decât în aplicaţiile de sudare cu arc electric.

Cositorire

Cositorirea componentelor electronice pe plăci imprimate este o aplicaţie de succes a roboţilor. Tehnologia implică cositorirea componentelor de acelaşi tip în celule de lucru diferite sau ca acelaşi robot care va schimba aparatul de cositorit (care poate fi de diferite mărimi) după aplicarea mai multor piese de acelaşi tip.

În afară de cositorire, pentru lipirea componentelor electronice se folosesc şi alte tehnologii: lipire cu topire prin inducţie, prin lumină în infroroşu sau cu laser.

Fig.4.1.2 Aplicaţie de cositorire cu robot.

4.3. Transport

Diverse procese tehnologice sunt realizate la mai multe posturi de lucru. Apare necesitatea de transport al unei piese dintr-un loc în altul. Un robot poate realiza astfel de aplicaţii, mai ales acolo unde munca este prea obositoare sau prea monotonă pentru un operator uman. Există trei tipuri de aplicaţii de transport:

Mânuirea unor piese; Paletizare; Alimentarea cu piese a unor maşini-unelte.

Mânuirea unor piese

42

În producţia de masă roboţii asigură fluxul tehnologic pentru staţii şi maşini de prelucrare cu timp de ciclu mic. Datorită varietăţii mari de tipuri şi dimensiuni de roboţi, aceştia sunt preferaţi unor dispozitive mecanice rigide.

Roboţii se folosesc pentru mânuirea unor piese grele, voluminoase sau care au temperatiră mare (în industria metalurgică).

Un alt exemplu de mânuire piese este sortarea. În acest tip de aplicaţie robotul va aranja piese după anumite criterii pentru asamblare ulterioară sau pentru alimentarea mai multor standuri de lucru.

Fig.4.2.1 Mânuirea unor obiecte voluminoase (cutii).

Paletizare

Paletizarea este un proces tehnologic obişnuit la începutul şi la sfârşitul unei staţii de procesare sau ale unei linii de producţie. Obiectele sunt aşezate pe paleţi pentru un transport mai uşor. La începutul unei linii de producţie robotul preia obiectele de pe paleţi şi le aşază în primul post de lucru. La sfârsiţul liniei de producţie robotul preia obiectele de pe linie şi le aşază pe paleţi, de obicei unul lângă altul şi pe diferite nivele.

Roboţii utilizaţi pentru paletizare trebuie să aibă spaţiul de lucru mare şi viteză de mişcare mare. Trebuie să cunoască poziţia în care a fost aşezat paletul, dimensiunile şi modul de aşezare pe palet a obiectelor. Funcţie de mărimea obiectelor, robotul va folosi dispozitive de apucare (gripper-e) speciale.

43

Fig.4.2.2 Examplu de aplicaţie de paletizare cu robot.

Alimentarea cu piese a unor maşini- unelte

Datorită costului mare al maşinilor unelte cu comenzi numerice, acestea trebuie să lucreze cât mai mult şi cât mai rapid pentru a se limita timpul de recuperare a investiţiei. Utilizarea roboţilor pentru alimentarea cu piese a acestor maşini-unelte este justificată deoarece roboţii pot executa mişcări mai rapide şi mai precise decât un operator uman. Pentru că şi un robot este destul de scump, se foloseşte deseori în scopul alimentării cu piese a mai multor maşini-unele. La alimentarea cu piese se folosesc gripper-e duble. Astfel, în aceeaşi mişcare către maşină se ridică piesa prelucrată şi printr-o simplă rotaţie, se lasă noua piesă brută.

Robotul se sincronizează cu maşinile-unelte prin intrări/ieşiri digitale sau prin comunicaţie în reţea.

Fig.4.2.3 Aplicaţie cu robot ce alimentează cu piese o maşină-unelată (strung).

Procesarea suprafeţelor

Domeniul procesării suprafeţelor este destul de dur în ceea ce priveşte condiţiile de lucru şi sănătatea operatorilor umani. La locul de muncă pot exista vapori de

44

solvenţi chimici, praf, resturi de polizare, scântei, zgomot intens etc. În aceste cazuri automatizarea este impusă de condiţiile grele de muncă. De obicei, aceste zone sunt izolate de restul spaţiului de producţie prin cabine sau paravane.

Aplicaţii uzuale ale roboţilor în domeniul procesării suprafeţelor:

vopsire; polizare şi şlefuire; debavurare.

Vopsire

Roboţii de vopsire sunt frecvent utilizaţi în aplicaţiile industriale. Cel mai bun exemplu este cel de vopsire a caroseriilor de automobile, care este deja un standard. Mai mulţi roboţi cooperează la acelaşi stand de lucru pentru vopsirea unei caroserii.

Particulele atomizate de vopsea care ies din pistolul de lipit sunt electrizate. Astfel ele aderă mai bine la suprafaţa metalului, pierderile de vopsea fiind sub 5%. Pentru o vopsire de calitate, distanţa dintre pistolul de vopsit şi suprafaţa metalului trebuie să rămână constantă. De asemenea, viteza de mişcare trebuie să fie constantă.

Multe firme încă mai folosesc proceduri de tip teach-in pentru a memora poziţiile de mişcare ale robotului. Utilizează un model al robotului şi o caroserie etalon pentru a învăţa manual ce traiectorii trebuie să urmărească robotul.

Piesele pot fi plasate pe o bandă rulantă. În aceste cazuri, traiectoriile mişcărilor robotului trebuie să ţină seama de viteza de mişcare a benzii rulante.Roboţii sunt protejaţi împotriva pătrunderii în articulaţii a vaporilor solvenţi şi a picăturilor de vopsea.

45

Fig.4.2.4 Aplicaţie de vopsiere a unei caroseri de automobil cu roboţi.

Polizare şi şlefuire

În aplicaţiile de polizare, robotul trebuie să mânuiască o piesă pe care să o preseze cu forţă controlată asupra unei benzi sau a unui disc de polizare. Mobilitatea braţului robotului permite polizarea piesei sub diferite unghiuri, atat static cât şi din mişcare. Senzori speciali trebuie sa măsoare forţa de apăsare şi să detecteze poziţia uneltei (discul polizorului) în cazul în care aceasta se uzează.

Debavurare

În metalurgie, după operaţia de turnare în forme, suprafeţele pieselor sunt acoperite de bavuri. Acestea trebuie îndepărtate cu ajutorul unor discuri de tăiere sau a unor polizoare.

Polizoarele se pot monta pe robot cu ajutorul unor flanşe de metal şi cauciuc. Elasticitatea cauciucului preia şocul transmis în braţul robotului de forma neregulată a bavurilor şi permite mici deviaţii de la traseul exact (programat) al sculei robotului.

Tehnici de producţie

Asamblarea unui produs din diverse părţi componente este o operaţie care necesită precizie şi o programare exactă a ordinii mişcărilor. Pentru a utiliza roboţi în acest tip de activitate, este foarte importantă detectarea cu ajutorul senzorilor a orientărilor şi poziţiilor diverselor subansamble sau piese.

În timpul asamblării, robotul trebuie să asigure o vibraţie pentru îmbinarea componentelor. De asemenea, trebuie să controleze forţele de apăsare pentru a nu

46

produce avarii. Unelte speciale sunt folosite cu diverse scopuri: înşurubare, găurire etc. Deabia ultimele generaţii de roboţi au putut fi folosiţi eficient în procesele de asamblare. De aceea, această arie de aplicabilitate a roboţilor este una din cele mai dinamice, acum şi în viitorul apropiat.

Asamblarea de componente mecanice

Asamblarea este tehnologia de montare a mai multor piese sau module pentru obţinerea unui singur produs. Pentru obţinerea unui proces economic de asamblare există câteva condiţii ce trebuie îndeplinite:

Părţile componente trebuie proiectate din start pentru a uşura procesul de asamblare – (de ex. autocentrare);

Piesele trebuie să alimenteze standul de asamblare în timp util şi cu o anumită orientare în spaţiu;

Procesul de asamblare trebuie să fie menţinut cât se poate de simplu şi trebuie adaptat la spaţiul de lucru al robotului.

Roboţii de tip SCARA execută aproximativ 80% din totalul operaţiilor de asamblare cu robot. Sunt folosiţi cu succes şi roboţii tip portal. Funcţii de asamblare mai complexe se pot realiza cu roboţii articulaţi, cu 5 sau 6 grade de libertate. Dacă procesul de asamblare nu se poate automatiza complet, atunci se folosesc şi posturi de asamblare manuală, deservite de operatori umani.

Fig.4.2.5 Aplicaţie de asamblare a unei foarfeci cu robot.

Poziţionări de componente electronice

În producţia de circuite electronice imprimate, maşinile de inserţie plasează diferite componente electronice în locuri precise, pe placa imprimată. Nu toate componentele electronice pot fi mânuite cu maşinile de inserţie. Roboţi echipaţi cu

47

gripper-e speciale sunt utilizaţi pentru montarea şi lipirea pe placa electronică imprimată a acestor componente mari sau dificil de montat cu maşini de inserţie.

Măsurare

Măsurarea aleatoare, dintr-un lot de piese este o metodă utilizată frecvent pentru controlul calităţii produselor. Există aplicaţii în care roboţii preiau de pe banda de producţie, la intervale de timp regulate sau aleatoare, piese pe care le măsoară în vederea verificări calităţii.

Fig.4.2.6 Aplicaţie măsurare cu robot industrial..

4.4. Dispozitive adiţionale pentru roboţi

La fel ca un om, un robot are nevoie de diverse scule, instrumente şi dispozitive de măsură, pentru a putea îndeplini într-un timp dat o muncă de calitate. De aceea un robot are în spaţiul lui de lucru mai multe dispozitive adiţionale care îl ajută să îndeplinească funcţii specifice. Cele mai uzuale dintre aceste dispozitive se enumeră mai jos:

senzori;

staţii de poziţionare a pieselor;

dispozitive de prindere ;

48

magazii de piese ;

sisteme de schimbare a sculelor ;

sisteme de transport;

axe de mişcare adiţionale;

maşini-unelte;

depozite cu stocur.i

Staţii de poziţionare a pieselor

Sunt utilizate pentru fixarea într-o anumită poziţie a pieselor sau a unor module care transportă piese. Din această poziţie piesele sunt prelucrate de o maşină sau de către robot. Fixarea piesei are legătură cu sistemul de coordonate al robotului şi deci cu programul de mişcare al acestuia.

Deseori fixarea pieselor se realizează prin acţionări pneumatice ce preiau piese de pe o bandă rulantă si le aşează într-un dispozitiv de fixare cu ghidaje mecanice.

Dispozitive de prindere

Dispozitivele de prindere sunt utilizate pentru fixarea şi strângerea piesei în vederea executării unei operaţii tehnologice asupra acesteia. Prin fixarea şi stângerea piesei se asigură o poziţie şi o orientare exacte ale acesteia.

Dispozitivele de prindere sunt mecanice şi la acţionarea lor în mod frecvent se foloseşte energie electrică, pneumatică sau de vacuum.

Sisteme de schimbare a sculelor

În producţia industrială de masă, un robot poate realiza timp îndelungat o singură operaţie precisă pentru foarte multe piese identice. În acest scop robotul este dotat cu un gripper sau o sculă, specializate pentru operaţia tehnologică.

Dacă robotul este prevăzut să opereze cu mai multe tipuri de piese de diferite forme, atunci el va trebui să folosească mai multe tipuri de gripper-e sau scule.

Nu există încă un gripper universal sau o sculă universală pentru întreaga gamă de activităţi realizate de roboţi. De aceea gripper-ul sau unealta trebuiesc proiectate special pentru manevrarea sau prelucrarea optimă a piesei de interes. Uneori roboţii trebuie să schimbe scula şi pentru acest lucru se folosesc dispozitive speciale de tip magazie de scule, la care robotul are acces în spaţiul său de lucru.

49

În acest scop, braţul robotului are din proiectare un dispozitiv de prindere necesar pentru fixarea sculelor.

Sisteme de transport

Într-o fabrică automatizată, fluxul de materiale trebuie să fie foarte bine gândit şi optimizat. Există numeroase variante de asigurare în flux continuu a producţiei cu materie primă, piese brute, scule, consumabile etc. Următoarele sisteme de transport sunt dintre cele mai folosite:

benzi transportoare (pentru piese mici);

cărucioare de transport (pentru piese mari);

vehicole cu ghidare autonomă (pentru distanţe mari) (AGV – Autonomously guided vehicles);

mese rotative indexabile.

Deşi sistemele de transport par să fie separate de producţie, componentele acestui sistem pot servi şi la alte scopuri. De exemplu, AGV-urile pot fi utilizate ca masă de lucru la un post de prelucrare sau la mai multe posturi, astfel, piesa putând să nu părăsească platforma vehicolului pe durata întregului proces de fabricaţie. Aceeaşi idee se poate aplica şi pentru benzi transportoare sau pentru mese rotative de indexare.

Axe de mişcare adiţionale

Axele de mişcare adiţionale sunt folosite pentru a mări spaţiul de lucru al robotului. De obicei aceste axe sunt liniare. Mărirea gradelor de libertate ale robotului poate permite utilizarea unui singur robot pentru mai multe posturi de lucru şi deci utilizarea mai eficientă a capacităţilor de producţie.

50

Fig. 4.3.1 Robot cu axă de mişcare adiţională.

Maşini-unelte

În fabrici automatizate se folosesc maşini-unelte cu comenzi numerice. Acestea nu au nevoie de operator decât pentru alimentare cu piese şi supraveghere. O aplicaţie răspândită a roboţilor este de a alimenta cu piese maşini-unelte cu comenzi numerice. În acest fel procesul de producţie devine complet automatizat, un operator uman putând supraveghea mai multe maşini CNC.

Depozite cu stocuri

O producţie economică şi fără salturi depinde de o alimentare continuă a facilităţilor de producţie cu materie primă şi materiale. Materiile prime sunt păstrate în depozite mari, de tip rafturi aşezate pe verticală, şi sunt automatizate. Controlul unor asemenea depozite se face cu ajutorul calculatorului, în care se menţine actualizată şi o bază de date cu informaţii despre stocuri.

Pentru decuplarea unităţilor de producţie care au timpi de ciclu diferiţi şi pentru evitarea opririi producţiei în cazul unor defecte locale, se utilizează mici stocuri de materiale în diferite părţi ale zonei de producţie. Aceste mici stocuri deservesc alimentarea cu piese pentru: celule de fabricaţie, roboţi sau maşini CNC. Sistemul de transport poate fi de asemenea utilizat pentru crearea de astfel de mici stocuri.

Produsele finite sunt depozitate în aceeaşi magazie automatizată până la încărcarea pentru livrare. Materiile prime şi produsele finite din depozit sunt valori ale companiei, creşterea stocurilor însemnând investiţii de bani lichizi şi deci creşterea cheltuielilor de producţie.

51

Tendinţele moderne de fabricaţie sunt în favoarea micşorării stocurilor pentru a micşora astfel costul de producţie. Materiile prime şi produsele finite sunt livrate în acord cu principiul just in time. Acest tip de organizare are dezavantajul că producţia fabricii se poate opri în totalitate dacă un furnizor de materiale sau un transportator pentru produsele finite întâmpină probleme interne şi nu îşi pot respecta anumite contracte.

Fig.4.3.2 Depozit automatizat de materii prime şi produse finite.

52

4.5 Tehnologii de montaj si asamblare deservite

de roboti industriali

Robotul este întruparea noţiunii de “automatizare şi control”, este un produs mecatronic. Termenul de "robot" a fost utilizat în 1917 pentru prima oară într-o nuvelă a scriitorului ceh Karel Capek. Cuvântul "robota" este cuvânt slav şi înseamnă muncă manuală dificilă sau grea.

Roboţii adevăraţi, aşa cum îi cunoaştem astăzi, au apărut în 1954, când un inginer american, Joseph Engelberger, a depus la oficiul de invenţii un patent numit "programmed article transport".

La fel ca termenul "automatizare", termenul de "robot" este utilizat cu mai multe înţelesuri, în diferite contexte. Câteva definiţii sunt date mai jos :

Roboţii sunt dispozitive de mişcare cu mai multe axe, aplicabile universal. Mişcările şi traiectoriile mişcării sunt liber programabile şi, dacă este necesar, sunt ghidate de senzori. Roboţii utilizează mâini mecanice, unelte sau alte dispozitive (numite în general end-effectors) pentru a executa manipulări mecanice sau alte funcţii de producţie.

În Germania este necesar ca un robot să aibe mai mult de 3 axe, dar acesastă definiţie nu este acceptată unanim, în întraga lume. Multe alte ţări între care Japonia şi Statele Unite, utilizează alte definiţii pentru roboţi. De aceea este dificil efectuarea unui studiu comparativ a unor statistici de genul "număr de roboţi la o mie de locuitori". În Japonia, de exemplu, un manipulator cu două axe comandat manual este considerat robot.

În domeniul roboticii, cei mai interesanţi roboţi sunt numiţi "roboţi inteligenţi". Ei ar trebui să fie capabili să manipuleze obiecte în lumea reală şi să reacţioneze la evenimente externe. În plus, ei trebuie să fie flexibili, de exemplu să-şi modifice comportamentul. Forma şi mărimea robotului nu are importanţă în stabilirea faptului dacă este sau nu inteligent. Cel mai important criteriu este multitudinea de senzori folosiţi de robot.

53

Caracteristici

Principalele caracteristici ale robotilor industriali se pot grupa în mai multe categorii:

Geometrie

Spaţiu de lucru ; Configuraţia articulaţiilor ; Numărul de grade de libertate .

Încărcătură

Capacitatea de încărcare/ Încărcarea nominală - greutatea uneltei + greutatea piesei manipulate;- Robotul poate mişca acestă încărcătură fără restricţii de viteză şi acceleraţie (conform cu datele limită date de producător);

Încărcarea utilă = Încărcarea nominală – Greutatea uneltei.

Cinematica

Viteza şi acceleraţia; Viteza pe traiectorie;

- Viteza uneltei într-o mişcare liniară ( viteza TCP – Tool Center Point); Timpul de mişcare.

Precizia

Repetabilitate; Precizia de poziţionare .

Controller

Hardware; Software ; Interfaţă ; Programare .

54

Clasificarea Roboţilor

Maşinile şi uneltele sunt clasificate după funcţiile pe care le îndeplinesc. Dacă îndeplinesc mai multe funcţii, atunci se grupează după o funcţie principală. Datorită uriaşei varietăţi de funcţii ale roboţilor, aceştia se pot clasifica în diverse grupe de funcţii principale. Astfel, roboţii de sudură şi de vopsire pot aparţine grupelor de maşini de sudură, respectiv maşini de vopsit. Roboţii normali (care lucrează cu mâini mecanice) aparţin dispozitivelor de manipulare.

Statistici privind repartiţia Roboţilor în lume şi pe sectoare industriale

Mai multe organizaţii naţionale şi internaţionale adună şi analizează la intervale constante de timp diverse date despre utilizarea roboţilor în lume. La sfârşitul anului 1997, în lume erau instalaţi aproximativ 711.500 de roboţi. Dintre aceştia 58 % în Japonia, 10,8 % în SUA, 9,4 % în Germania şi 11,4 % în restul Europei. Numărul de roboţi instalaţi anual este în creştere, dar mulţi roboţi nu sunt instalaţi în puncte de lucru noi ci sunt destinaţi înlocuirii unor roboţi existenţi.

 Tabel 1 Număr de roboţi instalaţiRoboţi instalaţi anual Roboţi existenţi la sfârşitul anului

Prognoza Creştere Prognoză CreştereŢară / Regiune 1997 2001 în % 1997 2001 în %Japonia 42,700 61,400 44 413,000 433,400 5SUA 12,500 16,900 35 77,100 114,800 49Germania 9,000 12,000 33 66,800 95,700 43Italia 3,700 4,700 27 28,400 39,100 38Franţa 1,700 2,400 41 15,600 19,000 22Anglia 1,800 1,900 6 10,000 14,200 42

Sumă 71,400 99,300 39 610,900 716,200 17Europa de Vest 3,800 5,600 47 27,200 40,900 50Asia 7,000 9,300 33 41,100 69,200 68Alte ţări 2,700 5,600 107 32,300 46,800 45

Sumă totală 84,900 119,800 41 711,500 873,100 23 

Diagrama numărului de roboţi utilizaţi la 10.000 de angajaţi este un indicator important pentru determinarea nivelului de automatizare dintr-o ţară sau dintr-un domeniu economic al unei ţări. În figura se prezintă această diagramă pentru principalele ţări industrializate.

55

Fig.4.4.1 Diagrama numărului de roboţi la 10.000 de angajaţi. 

Pentru Germania, marea majoritate a celor 66.800 de roboţi existenţi în 1997 se utilizau în domeniile: sudură în puncte sau cu arc, asamblare, manipulare piese, tratare suprafeţe, paletizare şi debavurare. În figura 4.4.2 sunt vizualizate mai detaliat domeniile şi numărul de roboţi din industria Germaniei. Dezvolatarea tehnologică a aplicaţiilor de asamblare s-a datorat utilizării senzorilor optici şi tactili. Roboţii pot utiliza aceşti senzori pentru a se adapta la noile condiţii ale mediului înconjurător.

56

Fig.4.4.2 Domenii şi număr de roboţi în industria Germaniei, în anul 1997

Utilizarea Roboţilor

Dacă se doreşte utilizarea roboţilor în aplicaţii industriale, atunci trebuie ţinut seama de anumite considerente din alt punct de vedere decât al robotizării în sine. Forte importante sunt dispozitivele periferice, cum ar fi senzorii şi sistemele de transport. Comunicaţia în reţea devine din ce în ce mai importantă, pentru a se putea integra roboţii în sistemele de producţie.

Arii de aplicabilitate

Aplicaţiile actuale ale roboţilor sunt foarte variate. Pentru anumite aplicaţii există roboţi speciali, pentru altele există roboţi cu o cinematică (structură mecanică) standard. Oricum, fiecare gen de aplicaţie are propriile necesităţi, de aceea nu s-a putut concepe şi construi, încă, un “robot universal”.

Ariile de aplicabilitate ale roboţilor se determină pe baza unor analize de fezabilitate şi de condiţiile economice specifice pieţei. De aceea uneori nu este posibilă utilizarea roboţilor în orice domeniu. Dar aria de aplicabilitate a roboţilor creşte pe măsură ce capabilităţile controller-elor şi a tehnologiei senzorilor se îmbunătăţeşte. De asemenea, tehnicile inteligente de programare pot conduce la

57

aplicaţii noi (ca exemplu: generarea automată a traiectoriilor pe care trebuie să le parcurgă robotul pe baza unor desene CAD). În ultimi ani, domeniile principale de aplicabilitate ale roboţilor nu s-au schimbat. A crescut în schimb numărul de aplicaţii din fiecare domeniu.

Principalele domenii de utilizare a roboţilor sunt:- interconexiuni (asamblări nedemontabile: sudare, lipire, cositorire);- transport;- procesarea suprafeţelor;- debitare (tăiere);- tehnici de producţie: asamblare, poziţionări componente electronice,

măsurări.

Se prezintă mai jos căteva detalii despre aceste aplicaţii.

58

CUPRINS1.Tehnologia prelucrarii pieselor de automobile cu laser...........................................................2

1.1 Mecanismul producerii laserului:......................................................................................3

1.2 Tipul laserului:...................................................................................................................5

1.3. Producatori de laser:.........................................................................................................8

1.4. Aplicatii specifice pentru automobile.............................................................................11

2. Tehnologia prelucrarii pieselor de automobile cu fascicul de electroni.............................13

2.1 Mecanismul generarii fasciculului de electroni...............................................................13

2.2 Aplicatii tehnice pentru automobile.................................................................................16

2.3 Producatori de generatoare de fasciculi de electroni:......................................................18

3. Tehnologii de formare a pieselor auto din materiale compozite.......................................19

3.1. Materiale compozite fibroase.........................................................................................20

3.2. Materiale compozite stratificate.....................................................................................21

3.3. Materiale compozite armate cu particule........................................................................22

4. Tehnologii de montaj si asamblare deservite de roboti industriali si manipulatoare............27

4.1. Roboţi şi Automatizare...................................................................................................27

4.2. Utilizarea Roboţilor........................................................................................................28

4.3. Transport........................................................................................................................31

4.4. Dispozitive adiţionale pentru roboţi...............................................................................37

4.5 Tehnologii de montaj si asamblare deservite...................................................................42

de roboti industriali................................................................................................................42

59