Návrh výjimečného otvíráku

V roce 2019 dostali účastníci naší tradiční konference ANSYS Users´ Group Meeting neobvyklý dárek – unikátní optimalizovaný otvírák vyrobený pomocí 3D tisku. Co na tomto otvíráku bylo tak jedinečného a jak naši kolegové postupovali během návrhu tohoto výrobku Vám přiblížíme v tomto článku, popřípadě v tomto krátkém videu:

Experimenty

Na samém počátku návrhového procesu bylo nutné provést několik experimentů, aby bylo možné určit silový moment, kterým je otvírák zatěžován během běžného otevírání pivní láhve. Naštěstí se pro tyto experimenty podařilo v řadách našich kolegů najít dostatek dobrovolníků ochotných podílet se na těchto nelehkých experimentech.

Během experimentu byl silový moment působící na otvírák v okamžiku otevření pivní láhve určen na základě silové rovnováhy na improvizovaném pákovém mechanismu. Na jedné straně tohoto mechanismu se nacházel běžný otvírák otevírající pivní láhev, na druhé straně pak bylo postupně přidáváno závaží.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Jelikož obecně není vhodné spoléhat se pouze na jedinou metodu experimentálního měření, bylo nutné experiment opakovat. Tentokrát již byla velikost síly na rameni o známé délce měřena přímo siloměrem. Naštěstí výsledky měření druhou metodou potvrdily výsledky získané metodou první, a tak nebylo nutné pokračovat v dalších experimentálních měřeních. Některé z našich kolegů by jejich manželky stejně potřetí „měřit“ nepustily. Na základě provedených měření tak bylo stanoveno, že k otevření pivní láhve je potřeba momentu 15 – 25 kg.cm.

Topologická optimalizace a validace

Na základě experimentálně určených informací o velikosti a směru zatížení působících na otvírák během otevírání pivní lahve bylo možné přistoupit k topologické optimalizaci samotného otvíráku. Topologická optimalizace provedená v programu ANSYS Mechanical měla za cíl minimalizovat hmotnost otvíráku při současném zachování dostatečné tuhosti i tvarových náležitostí nutných k optimálnímu 3D tisku.

Po provedené topologické optimalizaci byla v Ansys Mechanical napočítána úloha, jejíž cílem bylo ověřit vhodnost nově získaného tvaru. Tato úloha byla velmi komplexní a detailně simulovala okamžik otevření pivní láhve. V úloze bylo zahrnuto předpětí víčka na pivní lahvi, nelineární kontakty, velké deformace, plasticita, stabilita i dynamika.

Pevnostní analýza ukázala, že se navržený otvírák během procesu otevírání chová podobně jako reálné kusy během experimentu. Zbývalo ještě vypočítat, kolik cyklů (otevírání) by měl otvírák bezpečně vydržet. V tomto případě jsme provedli jen numerickou analýzu, protože u reálného odzkoušení (asi 9,5 milionu cyklů) by hrozily potíže s játry experimentátorů. Každopádně výsledek 9,5 milionu cyklů ukázal, že pro průměrnou českou rodinu by tento otvírák měl vydržet přibližně 34 tisíc let.

Simulace 3D tisku

Po navržení a verifikaci finálního tvaru jsme provedli také analýzu samotného 3D tisku v modulech Ansys Additive Prep (SpaceClaim) a Ansys Workbench Additive (Mechanical) - obojí v rámci licence Additive Suite. Cílem takové analýzy je navrhnout vhodné pozicování dílu pro 3D tisk, a to tak, aby vnitřní pnutí vznikající výrobou bylo pokud možno co nejmenší, aby čas na tisk byl pokud možno co nejkratší, a bylo potřeba minimálního množství podpůrných trámečků během tisku.

3D tisk

Samotný 3D tisk proběhnul v Laboratoři aditivní výroby na fakultě strojí Technické univerzity v Ostravě. Za materiál byla zvolena (a uvažována i v simulacích) korozivzdorná ocel  316L. Celkem bylo vytisknuto 150 kusů. Po tisku následovalo odstranění podpor a finální povrchová úprava pomocí omílacího procesu ve třech fázích. V první fázi pomocí keramických tělísek, pak plastových a na konci porcelánových, přičemž každá fáze trvala 2 hodiny.

Sečteno a podtrženo

Čím vším je tedy tento otvírák tak výjimečný?

  • Vyrobeno pouze 150 ks
  • Jedinečný design
  • Vyroben z vysoce kvalitní nerezové oceli 316L
  • Vyroben pomocí technologie 3D tisku
  • Optimalizovaný design
  • Hmotnost pouhých 11,2 g
  • Ale především, navržen kompletně pomocí CAE nástrojů ANSYS

Zaujal Vás návrhový přístup založený na simulacích a dalších CAE metodách? Neváhejte se na nás obrátit. Spolu dokážeme i Váš produkt dovést k maximálním výkonům!

 

 

Hotline:

+420 724 895 455

hotline(at)svsfem(dot)cz

Online HelpDesk

 
facebook youtube