192 Ventil 17 /201 1/ 3 PREDSTAVITEV Katedra za menedžment obdelovalnih tehnologij Katedra za menedžment obdelovalnih tehnologij je bila ustanovljena leta 2000. Razvojnoraziskovalno in peda- goško delo teče neprekinjeno že več kot 30 let v okviru Fakultete za strojništvo Univerze v Ljubljani pod okriljem Laboratorija za odrezavanje in odrezovalne stroje. V raziskovalno skupino Laboratorija za odrezavanje (LABOD) je poleg vodje prof. dr. Janeza Kopača vključenih še 12 raziskovalcev, od tega 5 doktorjev znanosti. Skupino zaokrožuje 6 mladih raziskovalcev, od tega trije iz proizvodnje. LABOD poleg laboratorijske delavnice s stroji in merilno opremo vsebuje še oddelek za vzvratno inženirstvo z opremo za dotično in optično skeniranje objektov. Poslanstvo in področja dela Področja, na katerih pedagoško in razvojnoraziskovalno deluje Kate- dra za menedžment obdelovalnih tehnologij, so: obdelava z velikimi hitrostmi, načrtovanje tehnologij in izdelkov, zagotavljanje kakovosti in menedžment kakovosti, konstruira- nje modulov za odrezovalne stroje, raziskave natančnosti obdelovalnih strojev, uvajanje senzorike za nadzor odrezovalnih procesov (spremljanje in nadzor procesov, raziskave rezal- ne cone, analiza dinamike proce- sov s frekvenčnim analizatorjem), obdelava lesa z odrezavanjem, me- nedžment proizvodnje in operacij (TQM – Total Quality Management), menedžment tehnologij in inovacij, vzvratno inženirstvo (RE – Reverse Engineering) in hitra izdelava proto- tipov (RP – Rapid Prototyping), vse s poudarkom na trajnostnem razvo- ju obdelovalnih postopkov. S temi smernicami sta bili v zadnjih dveh letih razviti dve sodobni hibridni tehnologiji: visokotlačno in kriogeno odrezavanje. Raziskovalna skupina pri svojem delu in raziskavah upošteva smer- nice na področju hitre proizvodnje (RM – Rapid Manufacturing) in me- nedžmenta izdelovalnih tehnologij s stališči trajnostnega razvoja obdelo- valnih postopkov. Te so sposobnost oblikovanja novih izdelkov, prido- bivanje novih idej, inovativnost in kreativnost. Disciplino, ki povezuje tako tehnološko napovedovanje, posredovanje, prenos tehnologij ter analizo sposobnosti sprejemanja inovativnih tehnologij, imenujemo menedžment tehnologij in je temelj- na ideja raziskovalne skupine. Pedagoško delo Predmeti, ki jih vodijo ali pri njih so- delujejo člani katedre oz. laboratori- ja LABOD na dodiplomskem študiju oz. I. stopnji študija strojništva, so Proizvodno inženirstvo, Tehnologija odrezavanja, Obdelovalni stroji, Iz- delovalne tehnologije, Načrtovanje tehnologij in izdelkov, Računalniško integrirana proizvodnja ter Zagota- vljanje kakovosti. Na podiplomskem študiju na II. stopnji člani katedre vodijo naslednje predmete: Odre- zavanje, Odrezovalni stroji in napra- ve, CAM, Optimalna izbira strojev in opreme, Optimiranje izdelovalnih procesov ter Načrtovanje in obvla- Slika 1. Člani Katedre za menedžment obdelovalnih tehnologij 193 Ventil 17 /201 1/ 3 PREDSTAVITEV dovanje kakovosti. Na doktorskem študiju oz. III. stopnji pa vodijo oz. sodelujejo pri naslednjih predmetih: Procesi odrezavanja, Obdelovalni stroji, Optimiranje obdelovalnih teh- nologij, Sočasno inženirstvo ter Inte- ligentni strežni in montažni sistemi. Prof. dr. Janez Kopač in prof. dr. Mirko Soković sta razen pri diplomah tudi mentorja magistrskih in doktorskih del. Raziskovalno delo Za prehod k družbi, ki temelji na trajnostnemu razvoju, se zahteva- ta postavitev in razvoj novih oblik proizvodnje in porabništva. Koncept hitre proizvodnje s stališči trajno- stnega razvoja obdelovalnih po- stopkov je trenutno oblikovan kot ključno raziskovalno področje, saj je od razvoja postopkov RM in njihove praktične uporabe odvisna bodoča konkurenč- na prednost proizvodnih podjetij. To je vsekakor eden od najbolj am- bicioznih pri- stopov za pri- hodnost, ki bo odjemalcem neposredno omogočal, da bodo obliko- vali in kupo- vali komple- ksne izdelke po svoji meri z upoštevanjem evropskih in slovenskih standardov za varovanje zdravja in okolja ter dose- ganja kakovosti. Tako je raziskovalna skupina Kate- dre za menedžment obdelovalnih tehnologij vključena v raziskovalni program Menedžment izdelovalnih tehnologij za trajnostni razvoj. Cilj raziskovalnega programa je v pod- pori raziskav in razvoja dopolnjujo- čih se tehnologij in metodologij za hitro proizvodnjo izdelkov in njiho- vih podpornih storitev. Pri tem so potrebne inovacije na področju že obstoječih procesov hitre proizvo- dnje, materialov, novih procesov, inteligentnih senzorjev za kontrolo procesov, oblikovanja za proizvo- dnjo, logistike in standardizacije pro- cesov za implementacijo v industriji. Raziskovalni program je usmerjen v tehnologije, inženirske metodologi- je, nova orodja, metode in delovno okolje, ki podpira sodelovanje, krea- tivnost ter učinkovito uporabo virov za proizvodnjo izdelkov. Raziskave se nanašajo na dodajanje vrednosti izdelkom od njihovega oblikovanja s poudarkom na izdelavi. Glavne smernice raziskovalnega programa so nadgradnje obstoječih in razvoj novih modernih obdelovalnih proce- sov in tehnologij, njihova industrijska aplikacija ter na podlagi analitičnega in empiričnega prediktivnega mode- liranja izboljšanje: a) vpliva na okolje, b) izrabe energije, c) varnosti osebja, č) zdravja osebja ter zmanjšanje: a) potratnosti in b) proizvodnih stro- škov preko principov trajnostnega razvoja. Raziskave in razvoj na področju in- terakcij stroj-orodje-obdelovanec med obdelovalnimi procesi so pri- peljali do inovacij, ki so močno po- večale tako produktivnost kakor tudi kakovost obdelanih površin obde- lovancev. Trenutni trend visoke pro- duktivnosti in obdelovanja z visokimi hitrostmi neizogibno prinaša priso- tnost visokih temperatur v obdelo- valnih conah, tako v orodju kakor v obdelovancu, in s tem negativno vpliva na mehčanje orodja in posle- dično na njegovo obstojnost. V indu- strijskih aplikacijah se za zmanjšanje ekstremnih toplotnih vplivov široko uporabljajo konvencionalne emul- zije, ki bazirajo na oljnih osnovah. Slika 2. Laboratorij za odrezavanje (LABOD) katedre za menedžment obdelo- valnih tehnologij Slika 3. Princip visokotlačnega struženja (tlaki do 150 MPa) 194 Ventil 17 /201 1/ 3 Vendar pa zavestno širjenje ideje trajnostnega razvoja v obdelovalnih procesih, ki postavlja konvencional- na hladilno-mazalna sredstva na me- sto najbolj netrajnostnih elementov procesa, postavlja v ospredje iskanje novih alternativnih metod hlajenja oz. mazanja. Poleg tega se pojavlja- jo tudi potrebe po povečanju pro- duktivnosti in učinkovitosti obdelav konvencionalnih in modernih težko obdelovalnih materialov (sodobna jekla, titanove in nikljeve zlitine itd.), ki se vse bolj pogosto uporabljajo v medicinski, vesoljski, letalski in av- tomobilski industriji. Vsa ta dejstva vodijo do potreb po raziskovanju alternativnih metod hladilno-mazal- nih mehanizmov, torej trajnostnega razvoja obdelovalnih postopkov. Od- rezavanje z visokotlačnim hlaje- njem na vodni osnovi je hibridni od- rezovalni postopek, ki je v LABOD-u razvit z načeli trajnostnega razvoja obdelovalnih postopkov (slika 3). Visokotlačno odrezavanje (VTO) se uveljavlja kot metoda za bistveno povečanje odvzema materiala in produktivnosti v kovinskopredelo- valni industriji. Hlajenje in mazanje z visokimi tlaki pri operacijah struže- nja je v primerjavi s klasičnim obliva- njem učinko- vita metoda, ki omogoča višjo pro- duktivnost, zmanjševanje temperature v rezalni coni in izboljša- no kontrolo oblikovanja odrezkov pri nekajkrat niž- jem pretoku hladilno-ma- zalne teko- čine (HMT). Poleg tega imajo HMT neposreden vpliv na oko- lje in ekono- miko izdela- ve. Z opusti- tvijo klasične- ga oblivanja in uporabo VTO lahko bi- stveno znižamo stroške izdelave, povezane s po- rabo HMT. Poleg povišanja učinko- vitosti in fleksibil- nosti odrezavanja tako princip VTO prispeva tudi k naravovarstve- nim vidikom. VTO je relativno nov proces, zato je potrebno po- iskati območja obdelovalno- sti (tehnološka okna) za vsa- ko kombinacijo orodje-obdelo- vanec. Proizva- jalci orodij za to tehnologijo ne dajejo priporočil. V LABOD-u se za določanje vpliv- nih procesnih parametrov in njihovo optimi- zacijo uporablja regresijsko mo- deliranje. Pridobljeni empirični mo- deli v obliki enačb in 3D-diagramov kažejo vpliv procesnih parametrov na odziv sistema (rezalne sile, obraba in obstojnost orodja, integriteta ob- delane površine, …), kar je prikazano na sliki 4. Za boljše razumevanje mehanizmov odrezavanja se poleg empiričnega uporablja tudi numerično modeli- ranje. Le-to poteka v sodelovanju z LTDS ENISE iz Francije. V ta namen se uporablja programska oprema Abaqus/Explicit© (v6.6) in numerični model Arbitrary-Lagrangian-Euleri- an. Rezultati so spodbudni (slika 5 in 6) in kažejo skladnost z empiričnimi modeli oz. eksperimenti. Ena od potencialnih alternativ, ki v veliki meri zagotavlja idejo traj- nostnega razvoja, je tudi aplikacija kriogenega odrezavanja. V tem primeru kriogeni medij predstavlja primarno hladilno-mazalno sred- stvo. Kot kriogeni mediji so tretirani fluidi, ki imajo temperaturo vrelišča Slika 4. Empirično modeliranje za primer rezalne sile v odvisno- sti od procesnih parametrov PREDSTAVITEV Slika 5. Numerično modeliranje VTO – robni pogoji Fc = 861 + 535 • Dn - 7.20 • p - 9.92 • Vc + 4300 • fn + 0.101 • p•Vc 1100 1200 1300 1400 1500 Fc [N] 50 70 90 110 130 0.200 0.213 0.225 0.237 0.250 p [M Pa] fn [ mm/ vrt.] 195 Ventil 17 /201 1/ 3 PREDSTAVITEV nižjo od –150 °C. Taki fluidi so na primer: utekočinjeni dušik, helij, vo- dik itd., medtem ko je najpogosteje uporabljen utekočinjeni dušik (LN) zaradi njegove učinkovitosti, iner- tnega obnašanja in razmeroma niz- kih stroškov. Kriogeno odrezavanje predstavlja metodo hlajenja rezalne- ga orodja med odrezovalnim proce- som pri nizkih (kriogenih) tempera- turah. Bolj praktično se ideja nanaša na dovajanje kriogenega hladilnega medija v lokalno območje na rezal- nem orodju, kjer je temperatura med odrezovalnim procesom največja. V LABOD-u je razvit sistem za krioge- no struženje. Za kriogeni medij se uporablja utekočinjeni dušik (LN), ki ima vrelišče pri –196 °C in je varen, negorljiv in inerten. Poleg tega pred- stavlja LN 79-odstotni delež v zraku, ki ga dihamo, in je tako s tega stali- šča neproblematičen. Je brezbarven, brez vonja, brez okusa in “inerten” plin, ki se ob dovodu hitro upari in vrne v atmosfero. Tako ne pušča sle- di na obdelovancu, orodju, odrez- kih, operaterju itd. in predstavlja čist proces brez reciklažnih potreb v na- sprotju s HMT na oljni osnovi. Primer aplikacije LN v LABOD-u je prikazan na sliki 7. Naslednje področje raziskav sta ra- zvoj in izdelava sodobnih medicin- skih implantatov. Področje raziskav je podprto z uporabo naprednih RP in obdelovalnih tehnologij ter so- dobnih biokompatibilnih materia- lov, da se izdelajo implantati po meri pacienta. S tem zagotovimo ustre- zno funkcionalnost izdelka ob hkra- tnem upoštevanju vseh standardov in zahtev, ki veljajo za to področje izdelkov. Na osnovi 3D-rentgenske slike poškodovanega dela telesa se z rekonstrukcijo slike izdela 3D-model, ki je osnova za izdelavo implantata s sodobno tehnologijo praškastega navarjanja (LENS). Tak izdelek se po potrebi še fino obdela s končnimi postopki odrezavanja in namenski implantat je pripravljen za vsaditev (slika 8). Poleg dobrega poznavanja konstrukcijsko-razvojnega procesa je potrebno pri razvoju in izdelavi sodobnih medicinskih implantatov dobro poznati tudi materiale, njiho- ve mehanske, metalurške in obdelo- valne lastnosti. Od marca 2011 je LABOD opremljen z visokohitrostnim obdelovalnim strojem MC 430L, ki združuje line- arne pogone na vseh oseh in visoke vrtljaje glavnega vretena (40.000 vrt/ min). To omogoča visoko dinamično odzivnost stroja (pospeški do 10 m/ s 2 ) in visoko stopnjo preciznosti ob- delave (ponovljivost ±1 µm). Obde- lovalni stroj je namenjen raziskavam na področju mikrofrezanja, kjer se uporabljajo orodja s premerom, manjšim od 1 mm. S tem postopkom se izdelujejo miniaturni izdelki s 3D- -mikrooblikami, ki dosegajo visoko dimenzijsko natančnost in kakovost obdelane površine. Glavna pred- nost teh izdelkov je: manjša poraba materiala, manj porabljene energije za izdelavo in večja funkcionalnost. Glavne omejitve tehnologije pred- stavljajo delovna natančnost obde- lovalnega stroja, toleranca izdelave, napaka krožnega teka mikrofrezal in elastična deformacija mikrofrezal v procesu odrezavanja. Tako so pred- videne raziskave, ki bodo omogo- čale karakterizacijo mikrofrezanja in podrobnejši vpogled in razumevanje mehanizmov odrezavanja na mikro- nivoju. LABOD je s svojim razvojnorazisko- valnim delom in aplikativnimi pro- jekti delno prispeval k temu, da se prej naštete tehnologije v slovenski industriji že obvladujejo. Zaradi moč- nega tehnološkega razvoja v praksi se člani LABOD-a strokovno izobra- žujejo in izpopolnjujejo na področju novih tehnologij in s tem nudijo stal- no raziskovalno podporo podjetjem, ki sama niso sposobna spremljati in osvajati novitet. Vsi ti problemi so iz- zivi za raziskovalno okolje, hkrati pa so osnova za oblikovanje bazičnih raziskav. Katedra za menedžment obdelovalnih tehnologij na ta način sodeluje s številnimi priznanimi slo- venskimi podjetji: EMO – orodjarna, d. o. o., Celje; EMO - TECH, d. o. o., Slika 6. Numerično modeliranje VTO – rezultati simulacije Slika 7. CNC-stružnica, nadgrajena v sistem za kriogeno odrezavanje (levo) in proces kriogenega odrezavanja (desno) 196 Ventil 17 /201 1/ 3 200 µm Celje; Gorenje orodjarna, Velenje; UNIOR Strojna oprema, Zreče; Valji, d. o. o., Štore; CIMOS, d. d., Koper; BTS Company, d. o. o., Ljubljana; RLS, d. o. o., Ljubljana - Dobrunje; ISTRABENZ plini, Koper; Kolektor, d. o. o., Idrija; Hidria Rotomatika, d. o. o, Spodnja Idrija; Hidria AET, d. o. o., Tolmin; Titan, d. d., Kamnik; Krka, d. d ., Novo mesto idr. LABOD sodeluje s slovensko indu- strijo tudi na strokovnem področju. To je delo, povezano z meritvami geometrijske natančnosti in kalibra- cijo obdelovalnih strojev, vzvratnim inženirstvom ter analizo rezalne cone z napravo QSD. Zahteve so- dobne industrije po vse ožjih tole- rancah ter visoki kakovosti izdelkov so pripeljale do točke, ko postajajo karakteristike obdelovalnih stro- jev vse bolj pomembne. Kakovost obdelave na CNC-stroju je močno odvisna od njegove geometrične natančnosti. Identifikacija odstop- kov na CNC-strojih ne izboljšuje le produktivnega časa stroja, temveč je lahko osnova za racionalnejše na- črtovanje proizvodnje, razvrščanje strojev po obdelovalnih sposobno- stih ter navsezadnje osnova za redna ali preventivna vzdrževalna dela na obdelovalnih strojih. Geometrijsko natančnost strojev lahko ugotovi- mo na več načinov. Hitro preverja- nje geometrijske natančnosti strojev poteka z uporabo naprave Ballbar QC10 (Quick Check 10 min – hitri test v 10 min), natančna kalibracija oz. korekcija parametrov v krmilniku pa na podlagi rezultatov natančnih meritev z vrhunsko lasersko napravo ML10Gold. Sodobni inženirski postopki sno- vanja izdelka, podprti s tehnikama CAD (Computer Aided Design) in CAE (Computer Aided Engineering), omogočajo optimiranje koncepta izdelka že pred obdelavo z uporabo Slika 8. Postopek izdelave medicinskega implantata po meri pacienta PREDSTAVITEV Slika 9. Visokohitrostna precizna obdelava: grafitna elektroda za EDM s tankimi rebri (levo) in bakrena pečatna plošča za blisterje 197 Ventil 17 /201 1/ 3 PREDSTAVITEV postopkov CAM (Computer Aided Manufacturing). Tržne zahteve pa narekujejo estetske in ergonomsko oblikovane izdelke, ki so čedalje bolj kompleksni. Tak trend izdelave ne- dvomno zahteva od proizvajalcev visoko stopnjo fleksibilnosti, ki jo je moč doseči z uporabo tehnologi- je vzvratnega inženirstva (Revese Engineering – RE). Proces RE omo- goča pretvorbo fizičnih modelov v računalniške numerične modele za njihovo nadaljnjo uporabo. Novi postopki RM nastajajo veči- noma v močnih, specializiranih tu- jih podjetjih ali kot rezultat široke, povezane mreže raziskovalcev. Del slednje je tudi LABOD, kar je razvi- dno iz številnih povezav, ki so nastale kot posledica evropskih, bilateralnih in ostalih projektov ter sodelav razi- skovalne skupine. Tako raziskovalna skupina sode- luje s številnimi uglednimi uni- verzami s celega sveta: University of Kentucky, ZDA; Purdue University, ZDA; WTZ RWTH Aachen, Nemči- ja; TU Chemnitz, Nemčija; ENISE, Saint-Etienne, Francija; TU Du- naj, Avstrija; ETH Zürich, Švica; Campinas Univer- sity, Brazilija; UPC, Barcelona, Špani- ja; Suleyman De- mirel University, Isparta, Turčija idr. Katedra za mene- džment obdelo- valnih tehnologij se preko med- narodnih projektov v kombinaciji s specifičnim znanjem vključuje v sku- pen razvoj ali testiranje uporabnosti novih tehnologij in poskrbi za čim hitrejši prenos znanja in tehnologij v slovensko proizvodnjo. Dosežke po- sredujejo domačim strokovnjakom iz proizvodnje s strokovno literaturo, na konferencah in predstavitvah po podjetjih. Prispevek se kaže v uve- ljavljanju novih tehnologij, kot sta VHO (visoko hitrostno odrezavanje) in VHB (visoko hitrostno brušenje), v skrajšanju obdelovalnih časov, stro- škov in s tem posledično tudi dvigu konkurenčnosti podjetij. Na podro- čju obdelave zahtevnih sodobnih materialov pa sta svoje mesto našla postopka kriogenega in visokotlač- nega odrezavanja. K razvoju teh idej je pomembno prispevala tudi razi- skovalna skupina Katedre za mene- džment obdelovalnih tehnologij. Doc. dr. Davorin Kramar UL, Fakulteta za strojništvo Slika 10. Preverjanje geometrijske natančnosti in kalibriranje obdelovalnih strojev Slika 11. Vzvratno inženirstvo: brezdotično skeniranje srednjeveškega meča