W produkcji elementów metalowych nie każdy projekt można zrealizować na podstawie prostego rysunku i standardowych parametrów. Szczególnego znaczenia nabiera to w przypadku konstrukcji o nieregularnym kształcie, wielu punktach łączenia i wymagających zachowania określonych wymiarów. Im bardziej złożona jest geometria elementu, tym większe znaczenie ma odpowiednie przygotowanie projektu jeszcze przed rozpoczęciem prac produkcyjnych.

Głównym celem tej realizacji była modelowa realizacja obejmująca przygotowanie i spawanie elementu metalowego o skomplikowanej geometrii na podstawie modelu CAD. Punktem wyjścia był projekt wymagający precyzyjnego odwzorowania kształtu, właściwego przygotowania poszczególnych komponentów oraz zachowania odpowiedniej geometrii gotowej konstrukcji.

Celem analizy jest pokazanie, jak wykorzystanie cyfrowego modelu elementu może ułatwić przejście od projektu do fizycznej konstrukcji oraz jakie znaczenie ma odpowiednie połączenie cięcia, przygotowania detali i spawania. Jest to szczególnie istotne w przypadku konstrukcji, w których nawet niewielkie odchylenie jednego komponentu może wpłynąć na położenie kolejnych elementów.

Od czego zaczęła się realizacja?

Problem, który wymagał rozwiązania, dotyczył projektu elementu metalowego, którego konstrukcja odbiegała od prostych, powtarzalnych form. Dokumentacja zawierała wiele połączonych ze sobą powierzchni i komponentów, które po wykonaniu miały tworzyć jedną przestrzenną całość.

W przypadku takiego projektu kluczowym wyzwaniem nie jest samo wykonanie spoin. Znacznie wcześniej trzeba zadbać o to, aby poszczególne elementy zostały odpowiednio przygotowane i mogły zostać później połączone zgodnie z założoną geometrią.

Model CAD pełnił więc rolę punktu odniesienia dla całego procesu. Pozwalał zobaczyć projekt jako przestrzenną konstrukcję, a nie wyłącznie zbiór pojedynczych detali. Dzięki temu można było wcześniej przeanalizować wzajemne położenie elementów, miejsca łączenia oraz potencjalnie problematyczne obszary.

W przypadku skomplikowanych konstrukcji znaczenie ma również kolejność wykonywania poszczególnych prac. Elementy nie mogą być traktowane całkowicie niezależnie, ponieważ sposób przygotowania jednego z nich może wpływać na możliwość prawidłowego połączenia z kolejnym.

Przed rozpoczęciem produkcji istotne było zatem przełożenie projektu cyfrowego na rzeczywiste komponenty. Laser-Prec wykorzystuje w tym celu między innymi cięcie laserowe, które pozwala wykonywać detale o dowolnie zaprojektowanych kształtach. Firma deklaruje dokładność cięcia do 0,1 mm i 100% powtarzalności wycinanych elementów.

Dla analizowanej realizacji oznaczało to możliwość przygotowania poszczególnych części w sposób odpowiadający założeniom projektu, a następnie przejścia do ich przestrzennego połączenia.

Na czym oparto przygotowanie projektu?

W przypadku elementu o skomplikowanej geometrii samo przekazanie modelu CAD nie kończy procesu przygotowawczego. Konieczne jest przeanalizowanie projektu pod kątem jego wykonania i ustalenie, jak poszczególne założenia można przełożyć na kolejne operacje technologiczne.

Analiza mogła obejmować przede wszystkim:

• model CAD i dokumentację techniczną – określenie geometrii, wymiarów, punktów połączeń oraz wzajemnego położenia poszczególnych komponentów;
• rodzaj materiału – ustalenie, czy konstrukcja będzie wykonywana ze stali zwykłej, nierdzewnej czy aluminium, ponieważ materiał wpływa między innymi na dobór technologii spawania;
• grubość i rodzaj poszczególnych elementów – informacje istotne przy planowaniu cięcia, przygotowania krawędzi i dalszego łączenia;
• miejsca wykonywania spoin – określenie, które połączenia będą wymagały szczególnej kontroli ze względu na geometrię konstrukcji;
• kolejność montażu i spawania – zaplanowanie prac w taki sposób, aby ograniczyć ryzyko utraty zakładanych wymiarów podczas łączenia komponentów;
• wymagania dotyczące gotowego elementu – analiza tego, jak konstrukcja będzie później wykorzystywana i jakie cechy powinny zostać zachowane po zakończeniu produkcji.

Istotną częścią przygotowania było również zestawienie modelu przestrzennego z możliwościami technologicznymi. Model CAD pokazuje, jak element powinien wyglądać, natomiast zadaniem procesu produkcyjnego jest odpowiednie przełożenie tej geometrii na rzeczywiste części.

W przypadku Laser-Prec ma to szczególne znaczenie ze względu na możliwość realizacji kilku etapów obróbki w ramach jednego zaplecza. Firma oferuje między innymi cięcie laserowe, gięcie blach, obróbkę CNC, spawanie i usługi ślusarskie.

Dzięki temu przygotowanie elementów może zostać zaplanowane z uwzględnieniem całego procesu, a nie tylko końcowego etapu spawania.

Co było największym wyzwaniem?

Największym wyzwaniem w analizowanym przypadku było zachowanie geometrii konstrukcji podczas przejścia od pojedynczych detali do gotowego, przestrzennego elementu. Przy prostych konstrukcjach tolerancja błędów może być większa, natomiast w przypadku skomplikowanej geometrii nawet niewielka różnica w położeniu jednego komponentu może powodować problemy przy kolejnych połączeniach.

Znaczenie miało kilka wzajemnie powiązanych czynników:

• dokładność przygotowania komponentów – elementy musiały odpowiadać dokumentacji, aby ich późniejsze zestawienie nie wymagało przypadkowych korekt;
• odpowiednie spasowanie części – przed wykonaniem trwałych połączeń konieczne było właściwe ustawienie komponentów względem siebie;
• kontrola kolejnych etapów pracy – przy konstrukcji przestrzennej ważne było zachowanie odniesienia do modelu również po wykonaniu kolejnych połączeń;
• dobór technologii spawania – Laser-Prec wykorzystuje metody MIG/MAG i TIG, które pozwalają dopasować sposób łączenia do materiału i charakteru konstrukcji;
• ograniczenie ryzyka odkształceń – sposób prowadzenia prac powinien uwzględniać fakt, że proces spawania może wpływać na geometrię elementu.

Istotne było również doświadczenie osoby wykonującej spawanie. Przy skomplikowanej konstrukcji nie wystarczy znajomość samej technologii. Spawacz musi rozumieć, jak poszczególne połączenia wpływają na całą konstrukcję i w którym momencie należy wykonać daną spoinę.

Z tego względu realizację można traktować jako połączenie pracy projektowej i wykonawczej. Model CAD określał oczekiwany rezultat, natomiast doświadczenie zespołu pozwalało przełożyć go na kolejne operacje produkcyjne.

Jak wyglądał efekt końcowy?

Rezultatem prac było wykonanie przestrzennej konstrukcji odpowiadającej założeniom przyjętym w dokumentacji. Najważniejsze znaczenie miało zachowanie właściwego kształtu oraz wzajemnego położenia poszczególnych elementów po ich trwałym połączeniu.

W praktyce efekt można było oceniać na kilku poziomach:

• zgodność wykonanych komponentów z dokumentacją – poszczególne detale powinny odpowiadać przyjętym wymiarom i kształtom;
• prawidłowe spasowanie elementów – połączenia musiały tworzyć konstrukcję zgodną z modelem;
• jakość wykonanych spoin – połączenia powinny być odpowiednio wykonane pod względem technicznym i wizualnym;
• zachowanie geometrii całego elementu – konstrukcja po zakończeniu spawania powinna odpowiadać założonemu kształtowi;
• powtarzalność rozwiązania – w przypadku dalszej produkcji podobnych elementów istotne jest możliwość odtworzenia przyjętego sposobu wykonania.

Warto podkreślić, że w przypadku tego rodzaju realizacji sukcesu nie należy mierzyć wyłącznie tym, czy poszczególne części zostały połączone. Najważniejsze jest uzyskanie gotowego elementu, który zachowuje funkcję i geometrię przewidzianą w projekcie.

Zaletą takiego podejścia jest również możliwość wykorzystania dokumentacji jako punktu odniesienia przy kolejnych podobnych realizacjach. Laser-Prec deklaruje realizację zarówno prototypów, jak i produkcji seryjnej, co pozwala wykorzystać przygotowane rozwiązanie również w przypadku zapotrzebowania na większą liczbę elementów.

W efekcie model CAD nie był jedynie materiałem pomocniczym, ale ważnym elementem całego procesu – od przygotowania detali po kontrolę zgodności gotowej konstrukcji z założeniami projektu.

Co pokazuje ten przykład?

Analizowany przypadek pokazuje, że przy produkcji skomplikowanych elementów metalowych bardzo ważne jest połączenie precyzyjnej dokumentacji z doświadczeniem wykonawczym. Sam model CAD nie gwarantuje jeszcze uzyskania prawidłowej konstrukcji. Konieczne jest właściwe zaplanowanie technologii i świadome przeprowadzenie kolejnych etapów produkcji.

Dużą wartością jest możliwość wykonania kilku rodzajów obróbki w ramach jednego procesu. Jeżeli cięcie, gięcie, obróbka i spawanie są ze sobą odpowiednio skoordynowane, łatwiej zachować ciągłość realizacji i ograniczyć ryzyko rozbieżności pomiędzy poszczególnymi etapami.

Jednocześnie nie każda konstrukcja o skomplikowanej geometrii będzie wymagała identycznego sposobu przygotowania. Technologia powinna być każdorazowo dopasowana do materiału, kształtu, wymagań projektu i przeznaczenia gotowego elementu.

Najważniejsze wnioski z realizacji

Projektowanie elementu w środowisku CAD daje możliwość dokładnego określenia jego geometrii, ale dopiero odpowiednie przygotowanie technologiczne pozwala przełożyć cyfrowy model na rzeczywistą konstrukcję.

W przypadku skomplikowanych elementów szczególnie ważne są dokładność wykonania detali, właściwe spasowanie komponentów oraz kontrola geometrii podczas spawania. Połączenie tych czynników ogranicza ryzyko, że gotowa konstrukcja będzie odbiegać od założeń projektu.

Najważniejszy wniosek jest więc praktyczny: im bardziej wymagająca geometria elementu, tym większe znaczenie ma współpraca pomiędzy projektowaniem a produkcją. Model CAD, precyzyjne przygotowanie komponentów i doświadczenie spawaczy tworzą razem podstawę do wykonania konstrukcji odpowiadającej wymaganiom technicznym.