pdf online - netfei

Transkript

pdf online - netfei

Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava
RAPID PROTOTYPING
učební text
Bohumil Horák
Kristýna Friedrischková
Ostrava 2014
Název:
Rapid prototyping
Autor:
doc. Ing. Bohumil Horák, Ph.D.,
Friedrischková
Vydání:
první, 2014
Počet stran:
312
Studijní materiály pro studijní obor Měřicí a řídicí technika, FEI
Jazyková korektura: nebyla provedena.
Ing.
Kristýna
Určeno pro projekt:
Operační program Vzdělávání pro konkurenceschopnost
Název: NETFEI - Rozvoj sítí a partnerství mezi Fakultou elektrotechniky a informatiky
VŠBTUO a podnikatelským sektorem a institucemi terciálního vzdělávání
Číslo: CZ.1.07/2.4.00/31.0031
Realizace: Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava, FEI
Projekt je spolufinancován z prostředků ESF a státního rozpočtu ČR
© VŠB – Technická univerzita Ostrava
ISBN 978-80-248-3533-4
2
OBSAH
1
Prototypová výroba na VŠB TU Ostrava ..................................................................... 6
2
Historie desek plošného spoje .................................................................................... 7
3
Prototypová výroba desek plošného spoje ............................................................... 13
3.1.
Příprava návrhu.......................................................................................................... 13
4
Návrhový Program Eagle ......................................................................................... 13
5
Výroba DPS mokrou cestou ...................................................................................... 41
5.1.
6
7
Realizace DPS za pomocí suché metody – frézováním ............................................... 62
Osazení plošných spojů ............................................................................................ 71
7.1.
7.2.
8
Úprava plošného spoje před osazením součástek ........................................................ 71
Pravidla osazování desek plošného spoje .................................................................... 71
Pájení ...................................................................................................................... 97
8.1.
8.2.
8.3.
9
Základní vlastnosti materiálů desek plošných spojů ..................................................... 47
Pájitelnost.................................................................................................................. 97
Ruční pájení ..............................................................................................................103
Pájení přetavením pájecí pasty (reflow pájení) ...........................................................104
Prokovování DPS ....................................................................................................116
9.1.
9.2.
9.3.
9.4.
9.5.
9.6.
9.7.
Galvanické prokovování otvorů .................................................................................116
Žárové cínování - HAL ................................................................................................117
Chemické zlacení .......................................................................................................118
Galvanické zlacení .....................................................................................................118
Celoplošné galvanické zlacení motivu DPS..................................................................119
Galvanický cín ...........................................................................................................120
Manuální prokovování ..............................................................................................120
11 CNC stroje ..............................................................................................................124
11.1.
11.2.
Systémy ....................................................................................................................125
Automatizace ............................................................................................................128
12 Řídicí systémy se souvislým řízením ........................................................................133
12.1.
12.2.
Vztažné body u CNC strojů .........................................................................................134
Druhy řídících systému NC strojů ...............................................................................136
13 Souřadnicový systém ..............................................................................................140
13.1.
13.2.
13.3.
13.4.
13.5.
13.6.
13.7.
Kartézský souřadnicový systém .................................................................................140
Polární souřadnicový systém .....................................................................................140
Souřadnicový systém CNC strojů ................................................................................141
Základní pravidla pro orientaci os v prostoru u obráběcích strojů ...............................142
CNC soustruhy...........................................................................................................144
CNC frézky ................................................................................................................145
Korekce nástrojů .......................................................................................................146
3
13.8.
13.9.
13.10.
13.11.
13.12.
Korekce při soustružení .............................................................................................147
Korekce při frézování .................................................................................................150
Korekce poloměru nástroje .......................................................................................151
Nástroje pro CNC stroje .............................................................................................152
Určování nulového obrobku W ..................................................................................153
14 CNC program ..........................................................................................................157
14.1.
14.2.
14.3.
14.4.
14.5.
14.6.
Stavba CNC programu................................................................................................157
Význam nejpoužívanějších adres................................................................................158
Postup tvorby programu............................................................................................159
Uplatnění počítačové podpory v obrábění a její struktura ...........................................160
Strukturu výroby součástí v CAD/CAM systémech ......................................................164
Rozdělení CAD/CAM systémů ....................................................................................167
15 G-kód .....................................................................................................................170
15.1. Použití vybraných přípravných (G- funkcí) a pomocných funkce (M- funkce) dle normy
ISO 6983 ...............................................................................................................................171
16 CNC stroje v prototypové laboratoři SAZE ...............................................................195
16.1.
ProtoMat E33 ............................................................................................................195
Prototypová výroba 3D tisk .................................................Chyba! Záložka není definována.
18 Rapid prototyping – 3D tisk ....................................................................................211
18.1.
18.2.
18.3.
18.4.
18.5.
18.6.
18.7.
18.8.
18.9.
18.10.
18.11.
18.12.
18.13.
18.14.
Předmluva ................................................................................................................211
Digitální model ..........................................................................................................211
Stereolitografie .........................................................................................................213
Selective Laser Sintering ............................................................................................214
Laminated Manufacturing .........................................................................................216
Solid Ground Curing ..................................................................................................217
Fused Deposition Modelling ......................................................................................218
Model Maker 3D Plotting a Ballistic Particle Manufacturing .......................................219
Multi JET Modelling ...................................................................................................220
Binder jetting (ZCORP) ...............................................................................................220
LPF (Laser Powder Forming) .......................................................................................222
Polyjet Matrix Printing - PLM .....................................................................................224
Thermoplastic Inkjet With Milling ..............................................................................224
Vakuové odlévání ......................................................................................................225
19 Materiály pro 3D tiskárny .......................................................................................227
19.1.
19.2.
19.3.
19.4.
19.5.
ABS ...........................................................................................................................227
PLA ...........................................................................................................................227
Fotopolymer .............................................................................................................227
Kompositní prášek ....................................................................................................228
Materiály pro lití .......................................................................................................228
20 Základy technického kreslení ..................................................................................237
20.1.
20.2.
20.3.
Technická normalizace ..............................................................................................237
Technické výkresy .....................................................................................................238
Kótování ...................................................................................................................242
4
20.4.
20.5.
20.6.
Tolerance v technickém výkresu ................................................................................244
Operační systémy počítačů a CAD software ................................................................246
Licencování softwaru .................................................................................................247
21 CAD programy ........................................................................................................249
21.1.
21.2.
21.3.
21.4.
21.5.
21.6.
21.7.
Srovnání rýsovacích desek a CAD programů ...............................................................249
Přehled, zařazení a rozdělení CAD softwaru ...............................................................249
CAD a IS ....................................................................................................................254
Programy pro skicování .............................................................................................254
2D modeláři ..............................................................................................................256
3D modeláři ..............................................................................................................260
Konvertory a prohlížeče.............................................................................................270
22 Metodika tvorby výkresů v CAD programech ..........................................................273
22.1.
22.2.
22.3.
Metodika přípravy – skicování ...................................................................................273
Metodika přípravy – kreslení ve 2D ............................................................................281
Metodika přípravy – 3D program SolidWorks ............................................................287
23 Typy 3D tiskáren.....................................................................................................296
23.1.
23.2.
23.3.
23.4.
23.5.
Prusa i3 .....................................................................................................................296
Easy3Dmaker ............................................................................................................297
Up! mini ....................................................................................................................299
Zprinter 450 ..............................................................................................................300
Form 1 ......................................................................................................................301
24 3D tiskárny SAZE ....................................................................................................304
24.1.
24.2.
uPrint SE ...................................................................................................................304
RepRap .....................................................................................................................308
5
1 Prototypová výroba na VŠB TU Ostrava
Na Vysoké škole báňské Technické univerzitě Ostrava působí skupina SAZE, která
pod vedením doc. Ing. Bohumila Horáka, Ph.D disponuje prototypovou laboratoří
v níž se realizují různé projekty, diplomové a bakalářské práce tak i semestrální
práce. K tomu, aby bylo možné studenty neustále posouvat z technologického
hlediska dopředu je možné v prototypové laboratoři použít tyto technologie:







Výroba plošných spojů suchou či mokrou metodou
Osazení vyrobených spojů ručním teleoperátorem či osazovacím automatem
Zapájení osazených DPS v malé/velké reflow peci
Prokovování DPS
3D tisk
3 osý 2,5D CNC stroj
Výroba potisků a výkresů
V níže uvedených kapitolách bude stručný souhrn historie
vycházejících z výše uvedeného počtu prototypové výroby.
6
a
technologií
2 Historie desek plošného spoje
Plošný spoj (také deska plošných spojů, zkráceně DPS, v angličtině PCB) se v
elektronice používá pro mechanické připevnění a současně pro elektrické propojení
elektronických součástek.
Historie desek je delší než by se na první pohled mohlo zdát, již dlouho se jejich věk
počítá na tři číslice. Již v padesátých letech devatenáctého století se objevují první
prkénka, na kterých byly připevněny historicky první součástky; vodivé propojení
zajišťovaly kovové pásky nebo dráty. Časem byly kovové pásky nahrazeny vodiči
připevněnými na šroubové vývody součástek a dřevěné desky nahradila kovová šasi.
Dokud bylo součástek málo a byly veliké, tak tato technologie postačovala. Ovšem
proces minimalizace součástek již byl nastartován a bylo třeba vyvinout technologii,
která by umožňovala sériovou výrobu. Skutečná historie desek plošných spojů (DPS)
v dnešním slova smyslu se však začala psát v roce 1925, kdy Charles Ducas
patentoval metodu tisku vodivého materiálu na izolační podložku pomocí standardní
tiskové planžety.
Obr. 2.1. Charles Ducas
Z této doby pochází i název tištěné spoje, neboli „tišťáky“ a tohoto přízviska se přes
zásadní změny v technologiích do dnešních dnů nezbavily.
7
Dnes jim lépe sluší jméno leptané spoje nebo plošné spoje. Když jsme u
pojmenování můžeme se setkat i s Circuit Boards (PCB), Printed wiring boards
(PWB) atd. Původní technologie měla celou řadu nedostatků, například vodivost
nebyla na požadované úrovni.
Obr. 2.2. První PCB
Po pokusech z druhé poloviny třicátých let dvacátého století, byla první technologie
leptání měděné fólie, použitelné v sériové výrobě, patentována v roce 1943, kdy Paul
Eisler představil první výrobek – kupodivu rádio.
Objevil se tak výrobek, ve kterém se objevila deska plošných spojů v takovém
provedení, jaké známe dnes. Dokud každá součástka měla své samostatné pouzdro,
dokud se velikost tranzistorů počítala v milimetrech a jedno pouzdro obsahovalo
jediný tranzistor, držely plošné spoje s rozvojem elektroniky krok a jedna strana pro
vodiče byla postačující, když se nepovedlo vše propojit pod součástkami, těch pár
propojek se sneslo. V té době také bylo ještě možné říci, co je strana spojů (solder
side) a co strana součástek (component side).
Ovšem zejména tranzistory si neudržely svou velikost a začaly se dramaticky
zmenšovat. Velikost se již nepočítala v centimetrech na jeden tranzistor, ale v
mocninách desítky na čtvereční milimetr. Vznikly první integrované obvody. Ten
8
první byl představen v roce 1957 Jackem Kilby z Texas Istruments (na obrázku jsou
dva tranzistory (!!) na germaniu).
Obr. 2.3. První tranzistor
Je zřejmé, že takové obvody přestaly být na jedné vrstvě propojitelné a ani výpomoc
drátových propojek nestačila. Teoreticky bylo samozřejmě možné vytvořit vodiče i na
druhé straně – pod součástkami, ovšem problém byl, jak obě dvě vrstvy navzájem
propojit. Objevily se technologie připájených drátků, pasty natlačené do otvorů,
ovšem krom značné pracnosti byl jednou z vad i fakt, že takový prokov zaplnil otvor,
do něhož již nebylo možno vsunout součástkový vývod.
V roce 1961 však byla americkou firmou Hazeltyne patentována metoda pokovení
otvorů, čímž začala nová éra desek plošných spojů. Růst hustoty integrace, popsaný
tzv. Moorovým pravidlem, však již nastartoval neuvěřitelné tempo. Součástky na
stále menší ploše obsahovaly stále více tranzistorů a tyto tranzistory bylo nutno
připojit k dalším, podobně se rozvíjejícím součástkám. Propojitelnost rostoucího
počtu vývodů na stále menší ploše mohl zajistit pouze další technologický skok –
technologie vícevrstvých desek.
Desku vícevrstvého plošného spoje (multilayer) netvoří jen jedna izolační deska ze
skelného laminátu se dvěma vnějšími vodivými vrstvami, nýbrž obrazně řečeno je
tvořena jakýmsi sandwichem střídajících se vrstev. Můžeme si ji představit jako
několik dvouvrstvých desek oddělených od sebe izolačním materiálem (tzv. B-stage,
9
nebo prepreg) a za působení tepla slisovaných do jedné desky. Otvory pro součástky
či prokovy se vrtají až nakonec a při pokovování stěny otvoru dojde k vodivému
propojení i těch částí motivu vnitřních vrstev, které se dotýkají vyvrtaného otvoru.
Obr. 2.4. První IC
Brzy však došlo k situaci, že plocha čipu vůči velikosti celé součástky byla v
obrovském nepoměru například obvod 7404 v pouzdře DIL14 při rozměrech 19×7
milimetrů uvnitř skrývá čip o rozměrech pouhých 1,5×1,5 milimetrů. Rozhodujícím
parametrem tohoto nepoměru byly součástkové vývody a možnost jejich připájení.
Pro připojení jediného vývodu bylo nutné vyrobit otvor o průměru minimálně 0,5 mm
(po pokovení, většinou ještě větší) s pájecí ploškou o průměru přibližně o 0,5 mm
větším než je velikost otvoru, přičemž tyto otvory procházely celou deskou napříč,
přes všechny vnitřní vrstvy. To vše „pouze“ pro připojení jediné nožičky obvodu na
jediný vodič – v té době o šířce kolem 300 μm. Prvním krokem k nápravě byla
výměna pájecích vývodů; uvedené plošky (zpravidla ještě větší) byly nahrazeny
pájecí ploškou pouze na jedné vnější vrstvě, na níž dosedne vývod součástky bez
nutnosti vytváření otvoru. K této plošce je tedy přiveden vodič a po zapájení je
vytvořeno kvalitní propojení a součástka je dostatečně přesně a spolehlivě fixována v
prostoru desky.
10
Obr. 2.5. SMD součástky
Jen tato samotná technologie povrchové montáže sou částek (Surface-mounted
technology – SMT) umožnila zmenšení pouzder součástek přibližně na polovinu,
navíc součástky mohou být umístěny po obou stranách desek (označení vrstvy
součástek a spojů tedy vzalo za své a začalo se používat označení horní a dolní
vrstva – Top a Bottom). Druhou úsporou byl prostor uvnitř desky, který již nebyl
narušován tisíci otvorů pro montáž součástek a který již slouží pouze pro propojovací
vodiče.
Otvory nemusely být dimenzovány podle rozměrů pájecích nožiček obvodů a začaly
sloužit jen k přenesení signálu z jedné vrstvy do jiné (průchody – Vias).
Proto bylo možno zmenšovat průměry těchto průchodů až na samotné limity
technologií; tím je jednak průměr mechanicky zhotovitelného otvoru (v dnešní době
až 0,05 mm, viz např. nástroje MicroPrima na www.ham-tools.com), jednak je to
poměr průměru otvoru vůči jeho délce (tzv. aspekt-ratio), který ještě umožní
vytvoření prokovu a ten se pohybuje v řádech 1:10. Menší průměry (tzv. microvia) se
již vyrábí jinými technologiemi – např. pomocí laseru.
Současně se snahami o zmenšování průměru průchodů a aspect-ratio se začal řešit
problém jak realizovat průchod pouze mezi nezbytně nutným počtem vrstev desky;
zbývající vrstvy mohou obsahovat jiné vodiče, případně i průchody. Průchody, které
vedou z povrchu desky do některé z vnitřních vrstev, se označují jako slepé
průchody (Blind via), průchody, které realizují přenos signálů pouze mezi vnitřními
vrstvami, jsou označovány jako ztracené průchody (Buried via). Pomocí uvedených
technologií B&B vias bylo možné ušetřit další místo uvnitř vícevrstvých desek – nad
sebou může být několik různých průchodů a spojů.
Vývody umístěné pouze po obvodu pouzdra začaly být i v SMT technologiích
překážkou – na obvod nebylo možno umístit potřebný počet vývodů; potřebujeme-li
navíc výrobu součástek o velikosti srovnatelné se samotnou plochou čipu (Chip
11
Scale Packages – CSP), je nutno tyto vývody umístit na spodní stranu pouzdra
součástky. Moderní technologie výroby DPS tedy umožňuje realizovat pájecí plošky
pro pájení součástek např. typu pBGA (plastic FBGA) s řádově tisícem vývodů
pájených na plošky průměru 200 μm s roztečí 500 μm nebo pasivní součástky
v pouzdrech 01005 s pájecími ploškami o rozměru 150×150 μm s roztečí 250 μm.
Rozvíjí se také technologie montáže křemíkového plátku přímo na plošný spoj (Direct
Chip Attachment – DCA).
Vzhledem k povaze přenášených signálů, tedy přenášeným frekvencím, strmosti
náběžných a závěrných hran, přestává být DPS pouhým propojovacím elementem.
Stále více se její vlastnosti a kvalita promítají i do přeneseného signálu a tak se
vlastně DPS stává dalším aktivním prvkem elektronického zařízení, jehož výroba
musí být průběžně sledována, testována, kde impedance vybraných spojů musí být v
přesně definovaných hodnotách. A to jen okrajově zmiňuji možnosti zapouzdření
součástek přímo do jádra desky – jak pasivních zhotovených třeba technikami PTF
(Polymer Thick Foil), tak skrytých aktivních součástek, přímo bondovaných na vodiče
vnitřních vrstev (embedded components).
Výroba takovýchto DPS je pochopitelně velmi náročná na strojní vybavení, na kvalitu
používaných materiálů, chemikálií, data použitá pro přípravu samotné výroby a velmi
významnou roli hrají i jednotlivé kontroly prováděné v průběhu celé výroby.
Další zdroje
[1.]
[2.]
Plošný spoj. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA):
Wikimedia Foundation, 2001 -, 9. 4. 2013 [cit. 2014-05-10]. Dostupné z:
http://cs.wikipedia.org/wiki/Plošný_spoj
PLÍVA, Zdeněk. Z historie plošných spojů. Odborný časopis pro vývoj a výrobu
v oboru elektroniky. září/říjen 2010, č. 9, s. 2. Dostupné z: http://www.dpsaz.cz/media/pdf/historie/9-pliva-clanek.pdf
12
3 Prototypová výroba desek plošného spoje
3.1. Příprava návrhu
K tomu, aby bylo možné vyrobit plošný spoj je nejprve nutné realizovat schéma
zapojení ze kterého následně vychází deska plošného spoje (DPS).
Návrh samotného schématu, rozmístění a propojení jednotlivých součástek mezi
s sebou se v prototypové laboratoři skupiny SAZE realizuje za pomocí vývojového
prostředí EAGLE.
Program EAGLE se řadí do skupiny programu FREE s omezenou plochou desky
plošného spoje (DPS).
4 Návrhový Program Eagle
EAGLE (Easily Applicable Graphical Layout Editor) je u nás jeden z
nejrozšířenějších zahraničních návrhových systémů pro elektroniku. Je to dáno
jednak tím, že na rozdíl od většiny ostatních systémů, které pocházejí ze zámoří, se
jedná o původní produkt německé firmy CadSoft Computer GmbH z Pleiskirchenu a
také dlouhou tradicí, kterou má na našem trhu. Zejména v počátku devadesátých let
byl vyhodnocován v odborných časopisech jako produkt s daleko nejvýhodnějším
poměrem cena/výkon, i když podle mého názoru se v poslední době vývoj vlastního
programu relativně zpomalil (pokud nepočítám převod na platformu WIN95/NT).
Podobné hlasy ohledně stagnace vývoje EAGLU však začínají zaznívat i z
německého odborného tisku. Uvidíme, čím nás CadSoft v budoucnu překvapí. Ale i s
touto malou výtkou se domnívám, že aktuální verze programu EAGLE (v provedení
PROFESSIONAL) je vhledem ke své ceně (v segmentu profesionálních programů)
stále ještě dobrá investice. Mimo jiné, redakce Amatérského radia používá tento
program, který poskytla firma CADware Liberec také, nyní v poslední verzi 3.55 pod
Windows NT4.0.
Program je dodáván ve třech verzích: Light, Standard a Professional. Všechny jsou
shodné, verze Light a Standard mají omezen maximální rozměr desky plošných
spojů. Ve Standardu můžete navrhovat desky do rozměru "EURO", tj. 100 x 160 mm,
verze Light je omezena na 1/2 "EURO", tj. 80 x 100 mm. Tento plně funkční program
je určen zájemcům jako "možnost osahání si programu", ale může být použit s výše
uvedeným omezením velikosti desky pro praktickou tvorbu výkresové dokumentace
a návrh desek plošných spojů s možností generování výstupních souborů jak pro
tiskárnu, tak i pro osvitovou jednotku, fotoplotr nebo vrtačku či férku. Program může
být volně používán pro potřeby amatérů, studentů apod., nesmí však být použit ke
komerčním účelům.
Poslední dostupná verze programu Eagle je 6.5. Tato verze je rozšířená o podporu
datové struktury ASCII XML, která zajišťuje flexibilitu a přívětivost v užívání.
13
Obr. 4.1. Hlavní okno programu EAGLE 6.5

Složení návrhového systému
Program EAGLE se skládá ze tří hlavních modulů, které jsou:



EDITOR SCHÉMAT
EDITOR SPOJŮ
LIBRARY
Obr. 4.2. Možnosti výběru v programu EAGLE
Jsou ovládány z jednoho uživatelského prostředí prostřednictvím Control Panelu.
14

Vlastnosti návrhového systému
Společné







dopředná a zpětná anotace v reálném čase
nápověda orientovaná podle obsahu
žádná hardwarová ochrana programu
vícenásobná okna pro desku, schéma a knihovnu
výkonný uživatelský jazyk
integrovaný textový editor
dostupný pro Windows 95/98/NT4/2000 a Linux
Editor spojů










největší rozměr výkresu 1.6 x 1.6m (64 x 64 inch)
rozlišení 1/10.000 mm (0,1 mikronu)
až 16 signálových vrstev
klasické i SMD součástky
dodává se s plnou sadou knihoven součástek
snadné vytváření vlastních součástek v plně integrovaném editoru knihoven
funkce vpřed/vzad pro LIBOVOLNÝ editační příkaz, do libovolné hloubky
pomědění ploch = rozlévání mědi
funkce kopírovat a vložit pro kopírování kompletních částí výkresu
kontrola pravidel návrhu
Editor schémat




až 99 listů jednoho schématu
kontrola elektrických pravidel zapojení
prohazování hradel a pinů
vytvoření desky ze schématu jediným příkazem
Autorouter


až 16 signálových vrstev
strategie propojování nastavitelná uživatelem pomocí váhových faktorů
Verze
Profesionál je plná verze bez omezení.
Standard je omezena na max. 4 vrstvy desky a na velikost desky max. velikosti
Eurokarty (160 x 100 mm).
Light je omezena na velikost Eurokarty (80x100 mm) a není určena pro komerční
použití, je plně funkční
15
Požadavky na PC
PC Pentium (nebo lepší)





Windows 95/98/NT4/2000 nebo Linux
myš
alespoň 32MB RAM
pevný disk s alespoň 20MB volného místa
Control panel (ovladací panel)
Control Panel je okno nejvyšší úrovně programu EAGLE. Okno se skládá ze
stromové struktury (levá část) a informačního okna (pravá část). Položky nejvyšší
úrovně stromové struktury (zcela vlevo), reprezentují různé typy souborů EAGLE.
Každá z těchto položek může ukazovat na jeden nebo více adresářů se soubory
daného typu.
Ve sloupci „Description“ je zobrazen krátký popis jednotlivých položek stromové
struktury (pokud tento popis existuje).
V informačním okně vpravo je zobrazen popis právě vybrané položky stromové
struktury. Pokud se jedná o knihovní prvek, je zde vidět jeho náhled.
Obr. 4.3. Control panel
S objekty stromové struktury lze provádět operace také pomocí kontextového menu,
toto menu, specifické pro každou položku stromové struktury, se vyvolá kliknutím
pravého tlačítka myši.
Zde je uveden seznam všech položek, které se mohou v kontextovém menu objevit:
New Folder
vytvoří novou podsložku vybrané složky
Edit Description
otevře soubor s popisem v textovém editoru
Rename
přejmenuje vybraný objekt
16
Copy
překopíruje vybraný objekt
Delete
vymaže vybraný objekt
Use
přidá knihovnu do seznamu knihoven, které se
budou prohledávat (hledá-li se device, package)
USE ALL
přidá
všechny
knihovny
určené
v
options/directories do seznamu knihoven, které se
budou prohledávat (hledá-li se device, package)
Use none
odebere všechny knihovny určené k prohledávání
Update
obnoví všechny součástky
použité ve schématu a desce
Add to schematic
spustí příkaz ADD s tímto device (v editoru
schémat)
Add to board
spustí příkaz ADD s tímto package (v editoru
desky)
Open/Close Project
z
této
knihovny
otevře/zavře současný projekt
New
vytvoří nový soubor daného typu v okně editoru
Open
otevře zvolený soubor v okně editoru
Print...
vytiskne soubor na systémové tiskárně
Run in ...
spustí ULP v aktuálním schématu/desce/knihovně
Execute in ...
spustí
Script
schématu/desce/knihovně
Load into Board
nahraje tuto sadu návrhových pravidel (Design
Rules) do aktuální desky
v
aktuálním
Další možností je metoda „Drag&Drop“ (táhni a pusť), pomocí které můžete kopírovat
nebo přesouvat soubory a adresáře mimo stromovou strukturu. Takto lze vkládat
součástky do schématu nebo desky, spouštět ULP a Scripty, přiřadit soubor „Design
Rules“, provést „Library update“.

Postup práce ve schématickém editoru
Přechod z Control panelu do Schematic editoru a jeho nastavení
Po spuštění programu se otevře okno CONTROL PANEL, který je zobrazen na
následujícím obrázku. Z CP je možné přejít do jednotlivých editorů.
17
Obr. 4.4. Control panel
Při tvorbě nového schématu postupujeme
FILE - NEW - SCHEMATIC
Pracovní prostředí SCH E je zobrazeno na následujícím obrázku.

Nastavení pracovního prostředí
Barvy vrstev a jejich zapnutí / vypnutí
Provádíme pomocí ikony DISPLAY, okno je zobrazeno na obr. 4. Význam
jednotlivých vrstev:
91
Nets
spoje (Nets)
92
Busses
93
Pins
vývody součástek
94
Symbols
schematické značky
95
Names
jména součástek
96
Values
hodnoty/typy součástek
sběrnice
Doporučení- při tvorbě dokumentace volíme černou barvu vrstev, viditelnost vrstev
podle uvážení.
18
Návrh desky
Velikost
mřížky
Pohyb
komponent
Zoom
Výběr
knihovny
Barevné filtry
Vstup do
knuhoven
Změna
hodnoty
Vodivý spoj
Nastavení
hodnoty
Text
Polygon
Spojení
vodivých cest
Obr. 4.5. Pracovní prostředí SCHEMATIC
19
Název vrstev
Číslo vrstvy
Barva vrstvy
Obr. 4.6. Nastavení vrstev
Nastavení pokládacího rastru a jeho zobrazení

Použijeme ikonu GRID- nastavíme velikost pokládacího rastru, jednotky, zobrazení
bodů
nebo mřížky (vhodné pro závěrečnou grafickou úpravu schématu).
Vypnutí/zapnut
í mřížky
Velikost
mřížky
Max. rozšíření
Bodové
zobrazení
mřížky
Obr. 4.7. Okno GRID

Ohraničení pracovní plochy – formát sch.
20
Ohraničením pracovní plochy předejdeme pozdějším problémům při závěrečné
grafické úpravě budoucího schématu (může se stát, že vytvořené schéma
neumístíme do zvoleného formátu a musíme ho znova zdlouhavě upravovat).
Zvolený formát vybíráme z knihovny.
ADD (USE) - FRAMES - DIN A4-L - OK - LTM - ESC

Manipulace se soubory
Použijeme MENU - FILE - NEW vytvořit nové schéma
- OPEN otevřít existující schéma
- SAVE uložit
- SAVE AS uložit jako
Doporučení- založte si ihned soubor s názvem budoucího schématu !!!!

Organizace knihoven, umístění součástek a objektů na plochu
Organizace knihoven
Všechny součástky jsou uloženy v knihovnách. Knihovny jsou organizovány podle
typu součástek a nebo podle výrobců pomocí stromové struktury. Na obr. 6 je
zobrazen příklad rozvinuté knihovny napěťových regulátorů vyvolané povelem ADD.
Schématická značka, pouzdro vybrané součástky a popis (knihovna, typ pouzdra,
rozměry pouzdra) jsou zobrazeny v pravé části.
Okno SEARCH umožňuje také hledání konkrétní součástky v případě, že neznáme
knihovnu kde je umístěna.
21
Obr. 4.8. Rozvinuté okno knihovny
Umístění součástek na plochu
Vyvolání součástky na plochu si popíšeme na příkladu:

umístit jednočipový mikroprocesor PIC od firmy MICROCHIP typu 16F84 v
pouzdře DIL18 na plochu.
Postup:
ADD - knihovna MICROCHIP - PIC16F8* - listujeme v knihovně a podle pouzdra
DIL18 vybíráme PIC19F84AP - OK - součástka je uchycena na kurzoru, pohyb a
případná rotace (PTM) - umístění na požadované místo LTM - ESC - a můžeme
pokládat další součástku ze stejné knihovny a nebo jiné.
Umístění objektů na plochu
TEXT:
ikona TEXT - v dialogovém oknu TEXT napsat znění - OK - nastavit parametry SIZE,
RATIO, FONT - případná rotace PTM - umístění LTM – ESC
SIZE výška písma
RATIO poměr šířky čáry a výšky písma
22
FONT styl textu
ZMĚNA TEXTU:
ikona CHANGE - TEXT změna textu
- SIZE, RATIO, FONT parametry
ČÁRA:
Kreslení čar ve SCH E - čáry provedené tímto způsobem - nejsou elektrické spoje !!!
ikona WIRE - začátek LTM - parametry sklon, WIDTH, STYLE pomocí PTM +
LAYER - vedení čáry, zlom LTM - konec dvojitý klik ve stejném bodě LTM
ZMĚNA ČÁRY:
ikona CHANGE - WIDTH tloušťka čáry
- STYLE provedení čáry
- LAYER vrstva

Manipulace s objekty- součástky, texty, grafické prvky
Při vytváření schématu musíme součástky a další objekty přesouvat na určená
místa. Rozmístění součástek musí být rovnoměrné po celé ploše formátu (zajistíme
přehlednost schématu).
Nejdříve umístíme "centrální součástku" a okolo ní ostatní, zde je vhodné zapnout
pokládací rastr (viz. ikona GRID - body/čáry nebo F6). Součástky pokládáme
symetricky v horizontální a vertikální rovině.
PŘESUN:
MOVE - kurzorem "uchopíme" součástku nebo objekt (text....) za uchopovací značku,
změna barvy značky signalizuje připravenost k přesunu - případná rotace PTM umístění na požadované místo LTM – a přechod na další součástku..
ANALOGICKY
ROTATE
ROTOVÁNÍ
MIRROR ZRCADLENÍ
DELETE VYMAZÁNÍ

Editace objektů ( jméno/ hodnota součástky)…
23
Každá součástka musí být přesně definována (i pro budoucí přechod do editoru
plošných spojů) jménem (NAME) a hodnotou (VALUE). Po rozmístění součástek toto
provedeme pomocí ikonek NAME a VALUE v odpovídajících editačních oknech. Tato
okna použijeme i pro případné budoucí změny.

Propojení objektů
Provádíme povelem, ikonou NET se zobrazeným pokládacím rastrem pomocí ikony
GRID a nebo F6.
Ikona NET - začátek (kurzor) na vývodu součástky a LTM - styl vedení spoje měníme
pomocí PTM - ukončení segmentu spoje (zlom, roh) LTM - konec na vývodu
součástky LTM.
ZMĚNA: -tloušťku spoje (segmentu spoje) měníme CHANGE - WIDTH + volba tl.

Závěrečná grafická úprava
Rozmístění součástek a spojů musí být přehledné, objekty rovnoměrně rozmístěny v
rámečku (grafická úprava).
Především jednotně uspořádáme pozici popisu součástek NAME, VALUE (výjimky
pouze omezeně), vzdálenosti spojů a schematických značek, spojů a popisů.
Pozornost věnujeme i symetrickému umístění schematických značek ve větvích
obvodu (horizontálně i vertikálně).
Upravíme velikost a pozici nápisů a popisů např. bloků.
POUŽIJEME
MOVE
PŘESUN
ROTATE ROTOVÁNÍ
MIRROR ZRCADLENÍ
DELETE VYMAZÁNÍ
SMASH
ODDĚLENÍ TEXTOVÝCH ATRIBUTŮ OD ELEMENTU
Schematická značka je složena ze symbolu a textu jméno/hodnota a má tedy jednu
uchopovací značku = jeden objekt. Při pohybu manipulujeme s jedním objektem.
Při závěrečné grafické úpravě je potřeba často přesouvat odděleně symbol, jméno,
hodnotu = oddělit jednotlivé prvky = více uchopovacích značek.
Na následujícím obrázku je vidět schematickou značku rezistoru po přesunu, rotaci a
po provedení povelu SMASH.
24
Značka
jména
Uchopovací
značka
Značka
hodnoty
Obr. 4.9. Vliv povelu SMASH na zobrazení elementu

Výstupy sch. Editoru
Podrobně budou výstupy ze SCHEMATIC rozebrány v kapitole 4. ELEKTRONICKÁ
PODOBA soubor schématu *.sch, soubor s výsledky ELECTRICAL RULE CHECK
*.erc, soubor PARTLIST *.bom
TISK schéma zapojení
PARTLIST
VÝSLEDEK ERC
Editor plošného spoje, spuštění, přechod mezi editory, nastavení e
pcb
Podle situace může existovat několik variant, které budou dále popsány. Kontrola
dodržování vazeb mezi editory- je otevřeno sch. a deska jednoho obvodu, při změně
v jednom editoru se změna projeví v druhém editoru – zpětná anotace, při vypnutí
sch. editoru bude hlášeno porušení integrity- můžeme dále pracovat- nebude však
garance 100% návrhu.

Tvorba / načtení sch. Souboru a přechod do E SCH
Standartní, nejvíce používaná varianta , kdy je schéma vytvořeno ve SCH E
postupem výše uvedeným. Přejdeme do SCH E a vytvoříme, nebo načteme dříve
vytvořené schéma obvodu.
CONTROL PANEL - FILE - NEW / OPEN - SCHEMATIC

Přechod z e sch do E PCB
Použijeme ikonu BOARD

Načtení / úprava již vytvořené DPS
CONTROL PANEL - OPEN – BOARD.
25
Obr. 4.10. Načtení vytvořené DPS pro její úpravu
Nebo přepnutím pomocí ikony BOARD v okně schématu.
Obr. 4.11. Přepínací ikona v okně SCH
26
Obr. 4.12. Dotazové okno při vytvoření Bard ze schématu

Popis pracovního prostředí a ovládací prvky
Po spuštění editoru plošného spoje E PCB se zobrazí pracovní prostředí, které
vidíme na následujícím obrázku.
Vytvoření
cest
Odroutování
cest
Ped
Ratsnest
Obr. 4.13. Pracovní prostředí okna Board
27

Nastavení prostředí E PCB
Opět je zde možno nastavit zobrazovací mřížku, tento krok se provede, jako v okně
SCH.

Vrstvy
Editační okno DISPLAY pro nastavení barev a zobrazení jednotlivých vrstev.
On/Off vrstvy
Název vrstvy
Obr. 4.14. Editační okno DISPLAY

Kontrola a případná záměna pouzder součástek
Po otevření E PCB se na obrazovce v levé části zobrazí pouzdra součástek
schématu. Obrys desky (u verze STANDART 100x80 mm) doporučuji povelem
DELETE smazat - bude nahrazen konkrétním rozměrem DPS.
Křížek má koordináty [0,0]. Vývody pouzder jsou propojeny gumovými spoji.
28
Jednotky/Pol
oha kurzoru
Pouzdra
součástek
Gumové
spoje
Obr. 4.15. Pouzdra součástek s gumovými spoji
Provedeme kontrolu úplnosti pouzder, zda byla všechna ze schématu zobrazena a
zda odpovídají po elektrické a konstrukční stránce. Záměnu pouzder řeším pomocí
povelu REPLACE

Rozmístění pouzder součástek
Rozmístění pouzder je ovlivněno- konstrukčními požadavky, funkcí a typem obvodu,
provozními požadavky, jednoduchostí spojů, vyrobitelností desky.



doporučený rastr: GRID - SIZE 50/ 25 mil
přesunutí je provedeno -ikona MOVE
Náhrada gumových spojů
Tuto operaci provést vždy po provedeném přesunu pouzder součástek- gumové
spoje jsou nahrazeny nejkratšími


doporučený rastr: SIZE 50/ 25 mil
ikona RASTNEST
29

Propojení vývodů pouzder
Ruční
Ikona ROUTE – vrstva 16 - BOTTOM (strana spojů- standartněmodrá barva) –
WIDTH (šířka spoje) – způsob vedení spoje
Postup:



ovládání pomocí pravého tlačítka myši
klik na vývod pouzdra a vedení spoje za pomoci nejkratšího spoje k dalšímu
vývodu, způsob vedení spoje volíme tlačítkem myši,
z pájecího bodu vycházíme přímo a později spoj lomíme pod úhlem 45°
Automatické
Pomocí AUTOROUTERU
Kombinované
Nejčastěji používaný způsob- nejdříve návrh automatický s následnou ruční úpravou.

Grafická úprava spojů
Změna šířky
vybrané části
spoje
CHANGE
CHANGE – WIDTH – nastavit novou hodnotuklik na segment spoje
Vymazání části
spoje
DELETE
část spoje bude nahrazena nejkratším
Vymazání celého
úseku sítě
RIPUP
spoje budou nahrazeny nejkratšími
Posunutí spoje
MOVE
Vytvoření zlomu
na spoji
SPLIT
vypnout vrstvu zobrazující obrysy pouzder –
DISPLAY – 21 a provést kontrolu vedení spojůdodržení návrhových pravidel
Optická kontrola
spojů
Změna pouzdra
CHANGE
PACKAGE
REPLACE
30
Úprava popisů
pouzder
TEXT
MOVE
pro přehlednost vypneme vrstvy 16, 17,18
SMASH
Tab. 4.1. Možné úpravy spojů
Obr. 4.16. Pohled na navrženou DPS ze strany pouzder součástek

Vytváření polygonů
Rozlévání mědi na plochu desky – plochy je možné využít jako zemnění,
chlazení……..


ikona POLYGON
určit vrstvu ve které se bude polygon vytvářet 1 TOP součástky
16 BOTTOM spoje
31
Postup:
ikona POLYGON - klikneme na počáteční bod budoucího polygonu- táhneme jako
spoj po obvodu vyplňované plochy- ukončíme přesně v počátečním bodě- uzavřeme
polygon – tloušťka čáry polygonu 10 mil – vyplnění plochy pomocí ikony RATSNEST.
Obr. 4.17. Ukázka vylití Polygonu
Výstupy z návrhového systému
Výstupy z programu jsou tvořeny soubory v elektronické podobě,výkresy v tištěné
podobě a soubory s výrobními daty:




tisk výstupů SCH E, E PCB
generování technologických souborů filmových předloh- GERBER
generování technologických souborů ovládání vrtačky- EXCELLON
informační soubory- např. PARTLIST- seznam součástek
VÝSLEDKY DRC
Výstupy dat pro zpracování jinými programy, např. 3D zobrazení, simulace

TISK
SCHÉMA ZAPOJENÍ
FILE - PRINT
Příklad:
vytisknout černobílé schéma zapojení na jednu stránku orientovanou podélně
32
Postup:
FILE – PRINT – BLACK
SOLID
ROTARE
PODÉLNÝ VÝKRES
SCALE FACTOR 1
MĚŘÍTKO
PAGE LIMIT 1
POČET STRÁNEK
Výsledek:
schéma je vytištěno v měřítku 1:1 na jedné stránce, je-li větší program provede
automaticky úpravu měřítka zobrazení. Je-li PAGE LIMIT = 0 – tisk bude proveden
v zadaném měřítku na odpovídající počet stran.
PRINTER TYP TISKÁRNY
PAGE
PARAMETRY STRÁNKY
CAPTION TISK ZÁHLAVÍ (soubor, datum, čas)
Tisk výstupu E PCB
Postup je stejný jako při tisku schématu s respektováním zásad uvedených v tabulce
Dokument
Mirror Zapnuté vrstvy
Obrazec spojů - BOTTOM
ANO
16, 17, 18, (20)
Obrazec spojů - TOP
NE
1, 17, 18
Potisk, rozložení součástek - TOP NE
20, 21, 25, 27
Nepájivá maska - BOTTOM
ANO
30
Nepájivá maska - TOP
NE
29
Tab. 4.2. Možnosti výstupu z desky Board

Informační soubory
Se vytváří pomocí překladačů uživatelského programovacího jazyka.
PARTLIST- seznam součástek
Ikona ULP (USER LANGUAGE) – program spustíme bom.ulp – výsledek můžeme
uložit pro následné zpracování - tisk. Okno BOM je na obr.16.
33
Obr. 4.18. Okno se seznamem součástek
Výsledky ERC -electrical rule chech
Výsledky jsou uloženy v souboru *.erc a mohou být vytištěny.
EAGLE Version 4.11 Copyright (c) 1988-2003 CadSoft Electrical Rule Check for
C:/PROGRAM FILES/EAGLE-4.11/projects/New_Project _1/3.sch at 04.01.2004
18:32:01
WARNING: Only 1 Pin on net N$4
Board and schematic are consistent
0 errors
1 warnings

Editor knihoven
Editor knihoven se používá k editaci souborů součástek v knihovně (*.LBR). Po
otevření nového okna editoru knihoven bude editační plocha okna prázdná a musíte
použít povelu EDIT k vybrání toho prvku knihovny, který chcete editovat (package,
symbol, device) nebo vytvořit.
EDIT
V editačním okně knihovny lze editovat (modifikovat či vytvořit
nové) tzv. package, symbol, nebo device, což jsou různé formy
součástky pro potřebu kreslení schématu či návrhu desky
plošných spojů- editovat prvky knihovny
PACKAGE Definice pouzdra součástky (návrh desky)
SYMBOL
Schematický symbol součástky (kreslení schématu).
DEVICE
Je definice celé součástky. Obsahuje jeden nebo více „package
34
variants“ a jeden nebo několik symbolů (např. hradel). Symboly
mohou být přitom navzájem různé.
Tab. 4.3. Hlavní symboly v okně knihovny
Klikněte na jednu z ikon k načtení device (definice součástky), package (pouzdro) a
symbolu.
Pokud chcete vytvořit nový prvek knihovny, napište jeho jméno do políčka New.
Pokud chcete editovat již existující knihovní prvek, napište do políčka New jeho celé
jméno i s koncovkou pro rozlišení typu prvku.
Když koncovku vynecháte, budete muset vybrat typ prvku v políčku Choose, které se
objeví.
Pokud nemáte licenci na kreslení schémat (Modul Schema), potom se tlačítka pro
volbu typu prvku příslušného schématu (Dev...) neobjeví v menu.
Export Návrhu pro mokré metody návrhu DPS z programu EAGLE
K tomu aby bylo možné vytvořit šablonu pro mokré technologie v prototypové
laboratoři SAZE, která využívá negativních plošných spojů (více v kapitole uvedené
níže) je zapotřebí otevřít program EAGLE, okno BOARD a následně v programu
FILE, otevřete záložku CAM Processor.
V okně CAM Processor Vyberte pro jednostrannou DPS vrstvy :
a. Bottom
b. Pads
c. Vias
d. Dimension
Následně vyberte typ exportu PS_INVERTED a odškrkněte v sloupci STYL, FILL
PADS. Následně zadejte místo uložení, např. C://Desktop/predloha.ps (soubor vždy
s příponou ps) a exportujte tlačítkem PROCESS JOB.
Při realizaci oboustranné desky plošného spoje je třeba myslet na to, že při exportu
vrchní vrstvy (tedy TOP) musí být návrh exportován zrcadlově obrácen (tedy ve
sloupci STYLE musí být kromě všeho ostatního zaškrtnuto MIRROR).
35
Obr. 4.19. Ukázka exportu DPS
Obr. 4.20. Okno CAM Processor
Po exportu se v místě zvoleném pro uložení vytvoří soubory, které je třeba vložit do
nějakého grafického programu, který podporuje vložení obrázku v křivkách.
V prototypové laboratoři SAZE se k tomu účelu používá licencovaný program Corel
Draw.
36
Vložte přetažením soubory exportované z programu EAGLE do dokumentu v Corelu
Draw v křivkách.
Obr. 4.21. Export předlohy do grafického programu Corel
Obr. 4.22. Exportovaná předloha
37
A následně už jen zbývá předlohu vytisknout na průhlednou fólii, která je odolná proti
teplu.
Obr. 4.23. Vytisknutá předloha plošného spoje
V prototypových laboratořích se pro tyto účely používá Xerox transparentní fólie 003R98199.
Obr. 4.24. Xerox transparentní fólie
Takto připravenu předlohu už zbývá pouze realizovat.
Export Návrhu pro suché metody návrhu DPS z programu EAGLE
Nejprve je potřeba z programu Eagle vyexportovat data potřebná k frézování
plošného spoje. Jedná se v základu o čtyři soubory s informacemi o layoutu mědi a
38
oblastech k odfrézování, okrajích desky a vrtaných otvorech. K tomu slouží CAM
Procesor v okně pro návrh plošného spoje, který je možné spustit ikonou na vrchním
panelu nebo cestou File/CAM Processor…
Obr. 4.25. Volba propozic pro export dat do frézky
V otevřeném okně je nutné postupně nastavit kombinace uvedené v následující
tabulce. Po každém nastavení je zapotřebí vyexportovat příslušný soubor pomocí
tlačítka Process Job.
Druh dat
Zařízení (Device)
Soubor (File)
Vrstvy (Layers)
Top
frézování
motivu
GERBER_RS274X
top.gbr
Pads
Vias
Top
frézování ploch
GERBER_RS274X
rubout.gbr
Pads
Vias
Dimension
frézování
okrajů
GERBER_RS274X
dimension.gbr
39
Dimension
vrtání otvorů
EXCELLON
drill.exc
Drills
Holes
Tab. 4.4. Nutné informace pro frézování
Spolu s danými daty se vygenerují vždy ještě soubory se seznamem nástrojů a tvarů
vyskytujících se v přidružených datech. Samotné názvy souborů nejsou kritické a
mohou být změněny. Pokud na desce mohou zůstat volné oblasti mědi, které nejsou
s ničím spojeny, není zapotřebí exportovat data pro odfrézování měděných ploch
(rubout.gbr).
Další zdroje
[1.]
[2.]
[3.]
Fólie pro výrobu plošných spojů. SEMACH: výroba plošných spojů a SMT
osazovacích planžet [online]. 2008-2013 [cit. 2014-05-10]. Dostupné z:
http://www.semach.cz/folie.html
Fotorezist - suchý film, 2role 305mm x 30m. P2J Technology: technologie a
materiály pro výrobu DPS [online]. [cit. 2014-05-10]. Dostupné z:
http://www.vyroba-dps.cz/www-vyroba-dps-cz/eshop/24-1-Nanasenifotocitlive-vrstvy/0/5/170-Fotorezist-suchy-film-305mm-x30m/description#anch1
JANOUD, Jan. Technologie plošných spojů. 2008 [cit. 2014-05-10]. Dostupné
z: http://www.janoud.cz/sub/jcueltech/09b_Technologie_plosnych_spoju.pdf .
Výukový text, pomocný text pro předmět ELEKTROTECHNOLOGIE
[4.]
Doc. ing. Bohumil Horák, Ph.D a kolektiv. Navrhování a technologie desky
plošného spoje, Úvod do problematiky návrhu plošného spoje v programu
Eagle. VŠB-TUO, Fakulta strojní. 2013 [cit. 2014-05-02].
[5.]
doc. Ing. Bohumil Horák, Ph.D akolektiv. ZÁKLADY KONSTRUKČNÍCH
TECHNOLOGIÍ V ELEKTRONICE -Výroba dps v laboratořích VŠB TU
Ostrava, učební text a návody do cvičení. VŠB – Technická univerzita
Ostrava, FEI, KAT 450. 2012 [30.6.2013]. Interní document.
Kristýna Friedrischková. Příprava výukových textů v projektu MOST-TECH,
Technologie propojení součástek v systému, plošné spoje – materiály,
konstrukce, výroba. VŠB TU Ostrava, učební text a návody do cvičení. VŠB –
Technická univerzita Ostrava, FEI, KAT 450. 2012 [30.6.2013].Dostupné z <
http://mostech.vsb.cz/source/dokumenty/4_Plosne%20spoje.pdf>.
[6.]
40
5 Výroba DPS mokrou cestou

Tvorba předlohy
Aby bylo možné přenést na světlocitlivou desku dané schéma, je třeba vytvořit
šablonu, kterou následně osvětlíme.
Předloha se vytvoří exportem schématu v křivkách z programu, ve kterém bylo
vytvořeno schéma, do grafického programu.
Tisk se provádí na průhledné fólie či pauzák na běžných tiskárnách.
Obr. 5.1. Předloha plošného spoje
Materiál na výrobu desek plošného spoje
Součástky jsou propojeny vodivými cestami vytvořenými leptáním či frézováním z
měděných folií nalepených na izolační laminátové desce, nejčastěji typu FR4 (skelný
laminát, plátovaný měděnou folií). Samotné součástky jsou na DPS připájeny za své
vývody cínovou pájkou.

Požadavky na materiály pro plošné spoje
Materiály určené pro plošné spoje musí vyhovovat požadavkům na jejich elektrické a
mechanické vlastnosti.
Důležitými elektrickými vlastnostmi jsou:

elektrická rezistivita,

elektrická pevnost,

relativní permitivita εr,

ztrátový činitel tg δ.
V závislosti na konkrétní aplikaci je možné sledovat i další parametry (např. odlišné
požadavky budou na desky s plošnými spoji používané pro nf a vf obvody).
41
Tepelná odolnost – deska plošného spoje je v průběhu pájení součástek po dobu
několika sekund vystavena teplotám vyšším než 200°C, např. 250°C až 280°C.
Desky jsou rovněž ohřívány při provozu, což má vliv na stárnutí materiálu.
Průhyb desky;
Ztráta pevnosti laminátu;
Teplotní roztažnost materiálu v podélném směru;
Relativní změna rozměru materiálu je dána vztahem:
, kde
Δl je změna rozměru při změně teploty,
L0 je rozměr materiálu při počáteční teplotě υ0,
TCE je koeficient teplotní roztažnosti - je udáván v ppm/°C (ppm = 10-6),
,
(TCE – Temperature Coefficient of Expansion) – důležitý je koeficient teplotní
roztažnosti pro podélné osy, tam, kde jsou používány prokovené otvory, je nutné
počítat i s roztažností příčnou,
Δυ je konečné a počáteční teploty.
Následující tabulka uvádí délkové roztažnosti používaných materiálů ve směru os x a
y.
Pouzdra a podložky
TCExy [ppm/°C]
Plastová pouzdra
20 až 23
Keramická pouzdra
5,4 až 6,7
Laminát FR-4
12 až 24
Laminát FR-4 vícevrstvý
14 až 24
FR-4 s kovovým jádrem
8,6 až 14
(INVAR plátovaný mědí)
Keramické vícevrstvé desky 6,0 až 8,3
42
Laminát Epoxy – Kevlar
6,0 až 7,0
Tab. 5.1. Délkové roztažnosti materiálů v osách x a y
Aby nevznikalo mechanické pnutí, měl by mít materiál použitý k výrobě desky
přibližně stejnou teplotní roztažnost jako pájené součástky.
Z tohoto hlediska je vhodné použití materiálu FR-4, na který mohou být bezpečně
osazovány miniaturní pasivní čipové i MELF součástky s keramickým nosičem až do
velikosti 10 mm, dále integrované obvody v plastových pouzdrech typu SO, PLCC,
FLAT-PACK apod.
Materiály pro desky plošných spojů
Volba materiálu desky plošných spojů je důležitá pro výslednou spolehlivost celého
výrobku. Výrobek, a tím i deska plošných spojů je vždy vystavena určitým okolním
vlivům. Tyto externí vlivy je třeba předpokládat a podle nich volit základní materiál
desky plošných spojů. Rovněž je třeba volit materiál podle požadavků elektrického
obvodu umístěného na desce, např. vf obvody.
Optimálním materiálem pro desky plošných spojů je vrstvený izolant - laminát.
Výztuží jsou dány mechanické vlastnosti (pevnost v tlaku, v tahu a v ohybu), tvarové
(rozměrové) vlastnosti v daném teplotním rozsahu a odolnost proti chemicky
agresivnímu prostředí. Vyztužujícím materiálem bývá papír nebo vlákno (tkané nebo
sekané). Druhou složkou laminátu je pojivo. Úlohou pojiva je přenášet mechanické
namáhání rovnoměrně na všechny strany výztuže, chránit ji před mechanickým
poškozením a před účinky chemikálií. Používají se různé pryskyřice. Výhodou je
možnost kombinace obou složek - výztuže a pojiva, a tím ovlivnění vlastností
laminátu. Požadované vlastnosti se kontrolují zkušebními metodami pro desky
plošných spojů, které jsou obsaženy v ČSN EN 61189-3 a ČSN EN 61189-3:1998.
Doporučené tloušťky výsledné desky plošných spojů (jednovrstvé a dvouvrstvé) jsou:
0,2 - 0,5 - 0,7 - 0,8 - 1,0 - 1,2 - 1,5 - 1,6 - 2,0 - 2,4 - 3,2 - 6,4 mm.
Měděná fólie desky plošných spojů

Základní materiál je pokryt měděnou fólií elektrolyticky vyráběnou o čistotě 99,5%.
Fólie se vyznačuje dobrou adhezí k povrchu laminátu, která je podmíněna drsností
povrchu a vysokou pružností.
Na měděnou fólii jsou kladeny požadavky, kterým musí odpovídat její vlastnosti. K
základním vlastnostem fólie plošných spojů patří:

mechanické:
o pevnost v loupání měděné fólie,
43
o tloušťka fólie,

elektrické:
o proudová zatížitelnost plošných měděných spojů,
o elektroizolační vlastnosti (šířka vodiče a mezery),
o parazitní kapacita a indukčnosti.
Mechanické vlastnosti
Pevnost a loupání měděné fólie

Měděná fólie musí mít dostatečnou adhezi, aby nedocházelo při technologické
operaci (pájení) k jejímu odloupnutí. Odolnost se měří jako síla na jednotku šířky,
která se vyžaduje k odloupnutí plošného spoje od povrchu základního materiálu.
Zkouší se při dodání, po působení rozpouštědel, galvanických roztoků, a při
tepelném namáhání.
Běžné hodnoty pro různé materiály jsou následující (vodiče široké 0,8 mm a více):

papír impregnovaný fenolickou pryskyřicí (FR2)
0,8 N/mm,

papír a epoxid (FR3)
1,1 N/mm,

skelný laminát a epoxid (FR4)
1,1 N/mm
Tloušťka měděné fólie
Tloušťky fólie se vyjadřují ve váze Cu na čtverečnou stopu, tj. oz/ft 2. Běžnou
tloušťkou je 1 oz/ft2, což je přibližně 35μm, pro SMT 0,5 oz/ft 2, 18 μm, Silnější fólie
mají 2 oz/ft2 (70 μm), ty se používají např. v automobilovém průmyslu.
Elektrické vlastnosti

Proudová zatížitelnost
Tato vlastnost je důležitá pro konstrukci obrazce plošných spojů. Plošné spoje mají
vyšší proudovou zatížitelnost než drátové spoje. Důvodem je podstatně vyšší
ochlazovací plocha plošného spoje. Na proudové zatížení má rovněž vliv tloušťka Cu
fólie a základní materiál (odvod tepla). Tabulka orientačně ukazuje závislost mezního
proudu, při kterém se spoj přetaví, a dovoleného trvalého proudu na šířce plošného
spoje.
Šířka
spoje
[mm]
plošného Mezní proud
Dovolený proud
[A]
[A]
1,0
5
0,8
1,5
10
1,2
44
2,0
12
1,6
3,0
15
2,4
6,0
23
4,8
Tab. 5.2. Zatížitelnost plošného spoje o tloušťce 35μm
Obr. 5.2. Proudová zatížitelnost pro tloušťky měděné fólie - plošného spoje 18μm a
35μm
Obr. 5.3. Proudová zatížitelnost pro tloušťky měděné fólie – plošného spoje 70μm a
150μm
Obecně platí, že proudová zatížitelnost plošných spojů je asi 5x vyšší než u
klasických vodičů. Pro stanovení celkové teploty spojů je třeba přičíst k teplotě, o
kterou se zvýší teplota spoje, rovněž teplotu, ve které bude deska plošných spojů
45
pracovat. Teplota dlouhodobě nesmí překročit teplotu skelného přechodu (Tg viz
dále) základního materiálu desky plošných spojů.
Elektroizolační vlastnosti (šířka vodiče a izolační mezery)
Mezery by měly být tak veliké, aby byly splněny požadavky elektrické bezpečnosti a
usnadňovaly výrobu desky a její montáž. Čím je mezera užší, tím mohou vznikat
problémy při leptání, nanášení nepájivé masky, vzniku můstků při pájení atd. Na
druhé straně, pokud jsou mezery široké, zvětšuje se rozměr desky, a tím rozměr
finálního výrobku. Konstruktér musí vědět, jaké mezery jsou únosné pro výrobu a
následné zpracování desky plošných spojů. Graf ukazuje závislost napětí mezi spoj i
na velikosti mezery při různých atmosférických výškách.
Obr. 5.4. Závislost jmenovitého napětí mezi plošnými spoji na šířce izolační mezery
(tloušťka Cu fólie 35μm). A - spoje nelakované, do výšky 3 000m, B - spoje
nelakované, do výšky 15000m, C - spoje lakované, do výšky 3 000m, D -spoje
lakované, do výšky 15 000m
Parazitní kapacita a indukčnosti
Mezi plošnými spoji, vrstvami a stíněním se projevují parazitní kapacity a indukčnosti.
Velikost je dána velikostí překrývajících ploch, vzdáleností mezi nimi a základním
materiálem (relativní permitivita základního materiálu). Tato problematika je poměrně
obsáhlá a specifická a přesahuje rámec této publikace. Pro informaci je uvedena
kapacita dvou souběžných vodičů o šířce 0,5 mm na FR4.
Šířka mezery [mm]
Kapacita [pF/cm]
46
0,5
0,4
2,0
0,3
5,0
0,15
Tab. 5.3. Kapacita dvou souběžných vodičů o šířce 0,5 mm na FR4
5.1. Základní vlastnosti materiálů desek plošných spojů
Konstruktér obrazce desky plošných spojů by měl vědět, co od výsledné osazené a
zapájené desky očekává, neboli jak bude umístěný elektrický obvod pracovat při
různých klimatických podmínkách. Tabulka představuje typické konstrukční
parametry, které je nutno při návrhu sledovat, včetně odpovídajících vlastností.
U desek plošných spojů se sleduji následující tři kategorie vlastností:

elektrické,

tepelné,

mechanické.
Na úvod je uveden přehled typických vlastností desek plošných spojů. Se stále
vyššími požadavky na kvalitu základního materiálu se zvyšuje počet zkoušek, které
dokonale prověří požadované vlastnosti desek. Vlastnosti se ověřují přesně
definovanými zkouškami. Všechny zkušební metody uvádí ČSN EN 60249-1, ČSN
61189-2.
Elektrické vlastnosti
Deska plošných spojů musí mít takové elektrické vlastnosti, aby elektrický obvod,
který je na ní umístěn, pracoval přesně tak, jak jej navrhl konstruktér. Výrobci sledují
a udávají následující skupinu vlastností.
Vnitřní a povrchová rezistivita
Určuje práh vodivosti a zkratu.

Relativní permitivita
Vyjadřuje míru polarizace základního materiálu. Závisí na frekvenci, teplotě, obsahu
vlhkosti a složení základního materiálu a ovlivňuje kapacitní vazby obvodů. Relativní
permitivita je jeden z prvků, který je běžně sledován konstruktérem při výběru
materiálu pro desku plošných spojů. Graf vyjadřuje závislost relativní permitivity na
frekvenci pro laminát (sklocpoxid v hmotnostním poměru 40:60). Relativní permitivita
se snižuje při vzrůstání podílu skelné složky.
47
Obr. 5.5. Závislost relativní permitivity na frekvenci (pro skloepoxidový laminát).
Výrobci obvykle udávají dielektrické vlastnosti při 1 MHz
Platí, že kvalitnější základní materiály mají nižší permitivitu.
Ztrátový činitel
Ztrátový činitel je míra dielektrických ztrát. Závisí na frekvenci a teplotě, ovlivňuje
útlum signálů a ztráty vedením.
Průrazné napětí
Charakterizuje schopnost materiálu zachovávat elektroizolační stav, tj. bezpečnou
vzdálenost mezi jednotlivými vodivými vrstvami desek plošných spojů.
Povrchový izolační odpor
Charakterizuje kvalitu izolace. Obvyklá hodnota je 109 až 1010Ω.
Tepelné vlastnosti
Přizpůsobení činitele tepelné roztažnosti (TCE) desky plošných spojů.
Vzhledem k tomu, že keramický materiál má TCE asi 5-7 ppm/°C a běžné desky
plošných spoj li (epoxid-sklo) od 15 do 20 ppm/°C, jsou pájené spoje při tepelných
cyklech vystaveny značnému tepelnému namáhání (při pájení vlnou i přetavením).
Tato skutečnost vedla k rozsáhlému hledání různých materiálů pro základní materiál
anebo metod, jak zabránit základnímu materiálu v jeho normální roztažnosti. Příklady
jsou uvedeny dále.
Protože problém tepelné roztažnosti je pro konstrukci desky plošných spoj li závažný,
je popsán podrobněji. Rozdílný činitel TCE se projevuje především u bezvývodových
pouzder SMD, proto požadavky na spolehlivost vyžadují, aby desky plošných spojů s
bezvývodovými keramickými pouzdry SMD byly podrobeny teplotním cyklům v peci.
48
Pokud se roztažnost pouzdra rovná roztažnosti desky plošných spojů, je zatížení
pájených spojů minimální.
Problém je znázorněn na následujícím obrázku v části (I), jako nepřizpůsobení TCE
při použití běžných materiálů. Deska se rozpíná více než pouzdro, čímž se namáhají
pájené spoje. V části (2) se roztažnost desky s vysokým TCE vyrovnává jádrem z
materiálu s nízkým TCE, jako je např. Invar (slitina železa a 35,6% niklu). Podobná
koncepce je v části (3). Zde je vyrovnávacím materiálem Kevlar (nebo křemenné
vlákno). V části (4) pružná nebo poddajná horní vrstva laminátu do značné míry
zachycuje zatížení pájených spojů.
Vývodová pouzdra (5) poskytují nejlepší ochranu součástkám i pájeným spojům při
ohybu desky. Vývody součástek do jisté míry pruží a tím podstatně snižují riziko
poškození spoje.
Komplikace mohou rovněž vznikat nestejnoměrným zahříváním při střídání stavů pod
proudem a bez proudu (6). Během stavu pod proudem se nosiče čipu zahřívají a
roztahují rychleji než podložka. Pájené spoje jsou tak silně namáhány, a to i tehdy,
jsou-li činitele TCE nosiče a podložky přizpůsobeny, Při trvalém provozu bude
pouzdro ohřívané čipem integrovaného obvodu také vždy teplejší než deska.
Laminát s přizpůsobeným TCE, jehož TCE je mírně vyšší než TCE nosiče čipu,
nebude v těchto podmínkách namáhat pájené spoje vůbec. Avšak při ochlazování (7)
bylo zkouškami prokázáno, že keramické pouzdro SMD chladne rychleji než deska
plošných spojů. To opět vyvolává námahu pájeného spoje ve směru opačném, než
při zahříváni, Tato opakovaná namáhání pájených spojů smykem jsou předmětem
pozornosti hlavně u zařízení, kde se střídají stavy zapnuto-vypnuto. Řešením je
kombinace vhodných materiálů.
49
Obr. 5.6. Nepřizpůsobení činitelů TCE
Teplota skelného přechodu Tg (Glass Transition Temperature)
Charakterizuje teplotu, při které dochází k výrazným změnám TCE a deska plošných
spojů přechází z elastického stavu do plastického stavu.
Tepelná odolnost při pájení
Deska plošných spojů musí být zpracována určitým druhem pájení (ručním, vlnou
nebo přetavením) a odolat delaminaci.
Trvalá tepelná odolnost
Uvádí se po 100 - 500 hodinách provozu desky plošných spojů, Určuje oblast použití
desek.
Tepelná vodivost
Množství tepelné energie tekoucí mezi plochami ve směru x je přímo úměrné
teplotnímu gradientu ve směru x, ploše S a koeficientu tepelné vodivosti 1.
Hořlavost
50
Určuje schopnost materiálu nepodporovat zapálení nebo oheň způsobený náhodným
přehřátím elektronickou součástkou (samozhášivost).

Mez pevnosti v ohybu
Charakterizuje mechanickou pevnost desek plošných spojit K, poškození zapájené
desky plošných spojů SMD může dojít při jejím ohnutí. Problém je možné řešit tím,
že deska plošných spojů bude vyrobena inherentně neohebná. Mnoho moderních
konstrukcí záležitost řeší připojením desky plošných spojů ke kovové desce nebo
kovovému jádru. Tento způsob dává dostatečně pevnou strukturu, zajišťující
minimální ohyb během následné manipulace. Velké desky plošných spojů bez takové
kovové podpěry by se měly po pájení ukládat do speciálních boxů a upevňovacích
přípravků, aby nedocházelo ke zborcení a zabránilo se ohybu desek při manipulaci,
testování apod.
Rovinnost, prohnutí, zkroucení
Stav desek při dodání a po zpracování. Určuje snadnost zpracování materiálu,
použitelnost při montáži součástek. Tyto vlastnosti mají význam hlavně při osazování
SMD.
Rozměrová stabilita
Zjišťují se změny rozměru, ke kterým došlo během výrobních operací. Sleduje se
tepelná roztažnost v obou směrech a v tloušťce materiálu, smrštění po ochlazení a
po odleptání Cu fólie, zachování rozměrů po pokovení atd.
Nasákavost vodou
Ovlivňuje způsob použití materiálu a určuje použití desek plošných spojů z hlediska
klimatického, elektrického a tepelného namáhání. Měří se hmotnost vody
absorbované deskou plošných spojů ponořené do vody.

SKLOTEXTIT ® FR4
Vrstvený materiál vyrobený z upravené nealkalické skelné tkaniny jako výztuže a
epoxidové živice jako pojiva. Kromě dobrých mechanických a elektroizolačních
vlastností jsou desky samozhášivé. Používá se na výrobu součástek s dobrými
mechanickými a elektrotechnickými vlastnostmi, pro elektrická zařízení při vyšších
teplotách nebo ve vlhkém prostředí, při namáhaných elektroizolačních součástkách,
jako kostry, tělesa přístrojů, skříňových částí rozvoden, transformátorů, rozvaděčů,
elektrických strojů.
Výrobní rozměry: 1050x1025 mm, 1040x1570 mm, 1065x1300 mm, 1050x2050 mm
Síly desek: 0,5 mm až 50 mm, jiné rozměry po dohodě s výrobcem.
51
Obchodní jméno: Sklotextit Hgw 2372.1 – tvrzená skelná tkanina
Typ dle DIN – EN: 60893
ČSN – EN: 60893
EPGC 202
Typ dle DIN 7735
Hgw 2372.1
Typ dle NEMA
FR-4
Výztuha - materiál
skelná tkanina
Pryskyřice
epoxidová
Aplikace
elektroizolační,
konstrukční
Pevnost v ohybu při
porušení kolmo na vrstvy
MPa
340
Modul pružnosti v ohybu
MPa
24x103
Pevnost v tahu
MPa
300
Pevnost v tlaku kolmo na
vrstvy
MPa
350
Rázová houževnatost
(Charpy) rovnoběžně s
vrstvami
KJ/m2
33
Pevnost ve smyku
rovnoběžně s vrstvami
MPa
30
MPa
180
(při 20°C)
Pevnost v tlaku
rovnoběžně s vrstvami
dle PN-83/C-89031
Dielektrické vlastnosti
52
Průrazné napětí v oleji při
90°C
-kolmo na vrstvy
kV/3 mm
30
-rovnoběžně s vrstvami
kV/25 mm
35
Ztrátový činitel tan d
- při 50 Hz
0,04
- při 1 MHz
0,04
Permitivita při 1 MHz
5,5
Odolnost proti plazivým
proudům (CTI)
200
Izolační odpor po ponoření
MΩ
do vody
5x104
1 min. zkušební napětí v
oleji 90°C podle PN-86/E04404
- kolmo na vrstvy (pro
3mm)
- rovnoběžně s vrstvami
kV
40
kV
40
g/cm3
1,9
Fyzikální vlastnosti
Měrná hmotnost
Teplotní index (TI)
Nasákavost (pro tloušťku
3mm)
130
mg
22
Hořlavost (kategorie)
FVO
Tab. 5.4. Vlastnosti materiálu FR4

Vrstva mědi
53
Kompozity laminátů plátovaných mědí jsou vyráběny pomocí polyimidových filmů s
měděnou fólií na jedné nebo obou stranách, která je na základní materiál nanesena
pomocí vlastního pryskyřičného lepidla upraveného do stavu C. Veškeré lamináty
plátované mědí jsou dostupné s válcovanou, žíhanou mědí nebo s elektrolytickou
mědí.
Kromě toho je měď obou typů také k dispozici ve dvojité aplikaci (na obou stranách
měděné fólie jsou naneseny částečky elektrolytické mědi). To umožňuje vynechat
procedury přípravy povrchu před plátováním rezistu nebo krycí vrstvy.
Obvykle se použivá měděná folie specifikovana v ANSI/IPC-CF-150E tloušťky 18,
35, 70 a 105 mm.
Obr. 5.7. Cuprextit jednostranný

Vrstvy fotorezistu
Cuprextiti je možno koupit s již nanesenou vrstvou reagující na světlo a to pozitivní či
negativní emulzí.
V prototypové laboratoří SAZE bylo možno vyrábět desky s oběma variantami a to
pomocí zažehlování či spojováním.
Obecně jsou to roztoky organických světlocitlivých látek a filmotvorných polymerů v
rozpouštědlech, pomoci kterých lze připravit na různých podložkách vrstvu citlivou k
ultrafialovému světlu.
54
Po expozici a vyvolaní těchto vrstev se získá na podložce reprodukce exponované
předlohy. Vrstva, která zůstala na podložce, slouží jako ochrana vůči leptadlu,
zatímco místa obnažena vyvolaným jsou odleptaná.
Světlocitlivé roztoky pro fotoleptání a suché rezisty
Negativně pracující světlocitlivé roztoky
Vhodné při použiti agresivních leptadel, alkalických leptadel, při reprodukci a leptu
ploch relativně menších než jsou plochy neleptané, při zpracovaní polovodičů, při
sériové výrobě plošných spojů apod.
Pozitivně pracující světlocitlivé roztoky
Jejich zpracovaní je poměrně jednodušší, zejména při přípravě světlocitlivé vrstvy,
jejíž sila může kolísat v různých místech podložky s větší toleranci. Vyvolávaní se
provádí v nehořlavé vývojce a zbytky vrstvy po zpracovaní se snadno beze zbytku
odstraní rozpuštěním v acetonu nebo ředidle. Jsou vhodné pro podložky leptané
středními nebo mírnými leptadly, při reprodukci a leptu ploch relativně větších než
jsou plochy neleptané.
Výroba světlocitlivé vrstvy zažehlováním
Tato metoda je velmi snadná a rychlá. Jedná se o čirou fólii zbarvenou buď do modra
nebo hněda. Z jedné strany je nanesena fotocitlivá vrstva, která přilne na povrch
mědi pod teplem a tlakem.
Materiál pro výrobu DPS cuprextit je potřeba nejprve důkladně odmastit, nejlépe
přešmirglovat velmi jemným smirkem pod tekoucí vodou a důkladně osušit, případně
před tiskem předem mírně nahřát. Poté jej položte na pevnou podložku a natištěný
motiv na modré fólii položte matnou, tedy potištěnou stranou tak, aby byl celý
obrazec natištěný tonerem směrem k měděné fólii po celé ploše budoucího plošného
spoje. Poté nastavte žehličku na teplotu hedvábí a přiložte na ně žehličku. Není
vhodné přejíždět sem a tam, mějte žehličku po dobu asi 30 s na jednom místě. Poté
na chvíli oddělejte a opět na 15 s přiložte. Podle originálního návodu je vhodný čas
na ukončení prohřívání prostoupení černého toneru skrze modrý povlak až k fólii, což
je pod žehličkou při oddělání viditelné. Modrou fólii sundejte z cuprextitu až po
důkladném vychladnutí materiálu, jinak poškodíte spoje. Na cuprextitu by měl zůstat
pouze přežehlený motiv krytý tonerem, místa pro odleptání my měly být holé,
měděné. Případné kazy je potřeba buď odstranit, nebo doretušovat (lak na nehty
ap.).
Pokud použijete příliš nízkou teplotu, nepřenese se celý motiv kvalitně, pokud zase
vysokou, toner se přepálí a je nepoužitelný. Obecně platí raději déle při nižší teplotě.
55
Správně přenesená fólie je v místech přenosu průhledná, protože se modrý povlak i
s tonerem přilepil na cuprextit.
Obr. 5.8. Fotorezist - suchý film
Výroba světlocitlivé vrstvy roztokem
Pro snadnější manipulaci se tyto roztoky dnes dají koupit ve formě spreje. V takovém
to případě nanášíme emulzi ve vodorovné poloze nebo mírně šikmé. Vzhledem
k tomu, že většina takto dostupných emulzí nereaguje na světle, které neobsahuje
modrou složku je je možné nanášet za běžného osvětlení v místnosti pokojové
teploty.
Nevýhodou takto nanášených světlocitlivých ploch je malý rozptyl nanesené eulze.
Dodatečné znovu přestříkání není již tak účinné a může se stát, že v místech, kde se
emulze budou překrývat nedojde k dostatečnému osvícení šablony a následnému
defektu při lepttání spoje.
V prototypové laboratoři SAZE se na výrobu desek plošného spoje používají
cuprextitové desky typu FR4, na které je nanesena negativní vrstva světlocitlivého
materiálu. Desky jsou pokryty ochrannou fólií proti poškrábání a zanesení nečistot na
světlocitlivý materiál.
Umístění předlohy na cuprextit se světlocitlivou vrstvou
Z desek plošného spoje je vybrána taková část cuprextitu, aby rozměrově
vyhovovala předloze a zbytečně ji nepřesahovala.
Předloha je položena tak, aby text umístěný na předloze byl čitelný. Je důležité
obzvláště při tvorbě oboustranných desek plošného spoje předlohu přichytit na
cuprextit, např. lepicí páskou, která nebude zasahovat do schématu umístěného na
předloze.
56
Pozn.: OCHRANNÝ OBAL z cuprextitu NEODSTRAŇUJTE!!!!
Při realizaci oboustranné desky plošného spoje se vytištěné předlohy spárují, a to
tak, aby na sobě vzájemně seděly a texty umístěné na předlohách byly čitelné. Takto
spárované předlohy je nutno na rozích slepit lepící páskou. Do takto vytvořeného
„sendviče“ se vloží oboustranný cuprextit, který se opět přichytí na předlohu lepicí
páskou, tak, aby nezakrývala vytištěné části schématu.
Osvícení plošného spoje
Takto připravená deska se vloží do osvitové jednotky, zavře víko a zatíží se tak, aby
světlo z osvitové jednotky neunikalo ven. Po spuštění tlačítka START se spustí
osvitová jednotka a po uplynutí časového intervalu (1min 30s) desku vyjmeme.
Obr. 5.9. Osvitová jednotka, osvícený kuprextit, sundání ochranné fólie
V dnešní vyspělé době výpočetní techniky byla realizována oboustranná osvitová
jednotka, která je automaticky řízena po přiložení ISC karty studenta. Tento počin
vznikl potřebou statistiky vytíženosti prototypové laboratoře SAZE.
Obr. 5.10. Oboustranná osvitová jednotka
57
Vyvolání plošného spoje
Než se osvícená deska plošného spoje vloží do připraveného roztoku uhličitanu
sodného, je nutné odstranit ochrannou fólii.
K urychlení vyvolávacího procesu, je možno desku plošného spoje „hladit“ měkkým
štětcem do té doby, než je osvícená plocha čistá a měděná.
Obr. 5.11. Leptací roztok 1.uhličitan sodný, úprava povrchu při vyvolávání, DPS po
vyvolání
Leptání plošného spoje
V prototypové laboratoř SAZE je možné si vybrat ze dvou variant leptání plošného
spoje a to:



Pomocí uhličitanu sodného nebo
Hydroxidu sodného.
Leptání plošného spoje za pomoci uhličitanu sodného
Po vyndání desky plošného spoje z uhličitanu sodného je nutno desku plošného
spoje opláchnout pod proudem tekoucí vody a osušit ji.
Takto připravený spoj se vloží do leptacího roztoku, který je běžně k dostání v sítích
s elektrotechnikou. Desku plošného spoje můžeme ovázat jemně drátem s
uchopovacím okem, které ční nad hladinu leptacího roztoku. Desku plošného spoje
je nutné následně několikrát vložit a vytáhnout z roztoku, aby se z desky plošného
spoje odstranily bublinky, které by mohly způsobit podleptání spoje či nevyleptání
měděných částí.
58
Obr. 5.12. Leptací roztok chlorid železitý

Leptání plošného spoje za pomoci hydroxidu sodného
V případě, že se rozhodnete vyleptat plošný spoj v roztoku hydroxidu sodného
postupujete stejně jako u předchozího případu, tzn. Předloha, osvícení spoje,
vyvolání spoje).
Poté se plošný spoj přichytí na drátek nebo mezi úchytné prvky v leptací lázni a vloží
se do leptacího akvária a zapne se ohřev se vzduchováním.
Dle nasycenosti roztoku se DPS vyleptá po 5-10min.
Obr. 5.13. Leptací akvárium pro Hydroxid sodný

Očištění plošného spoje
Jakmile je měď odleptána z osvícených míst je potřeba spoj umýt a osušit.
59
Následně se provede mechanická úprava desky plošného spoje (DPS) (vrtání,
úprava rozměru DPS).
Předposlední úpravou je vložení upraveného tištěného spoje do roztoku hydroxidu
sodného, který odstraní ochrannou vrstvou.
Jako poslední se provádí nástřik ochrannými spreji, například tekutým fluxem, který
se nechává zaschnout za pokojové teploty.
Obr. 5.14. Roztok hydroxidu sodného, DPS vložená do stoperu, očištěná DPS
Další zdroje
[1.]
[2.]
60
[3.]
Výukový text, pomocný text pro předmět ELEKTROTECHNOLOGIE
[4.]
[5.]
Technická univerzita Ostrava, FEI, KAT 450. 2012 [30.6.2013]. Dostupné z <
[6.]
61
6 Realizace DPS za pomocí suché metody – frézováním
V prototypové laboratoři SAZE je možné realizovat DPS pomocí frézovacího nástroje
LPKF ProtoMat E33.
Pozn.:Více o tomto typu nástroje v kapitole CNC stroje

Import dat do CircuitPro
Při zapnutí programu dojde k inicializaci spojení mezi počítačem a frézkou. Pokud by
se
vyskytly
komplikace,
je
zapotřebí
spojení
inicializovat
pomocí
Machining/Connect…, případně vyřešit potíže s fyzickým propojením.
Po spuštění programu by mělo být defaultně zvoleno frézování jednovrstvého
plošného spoje s top vrstvou. O tom se můžeme přesvědčit v okně vrstev (Layers),
ve kterém se nebude v názvech vrstev vyskytovat označení bottom, pouze top.
V opačném případě je zapotřebí zvolit File/New… a z nabídky vybrat variantu
SingleSided_Top.cbf.
Následně zvolíme File/Import… a v otevřeném okně označíme všechny soubory
vygenerované Eaglem (včetně souborů *.gpi a *.dri, celkem 8 souborů). V tabulce se
seznamem souborů ve sloupci Layer/Template přiřadíme souborům *.gbr a *.exc
příslušné vrstvy dle následující tabulky.
dimension.gbr
BoardOutline
top.gbr
TopLayer
rubout.gbr
RuboutTop
drill.exc
DrillUnplated
Tab. 6.1. Soubory vygenerované z programu Eagle pro frézování
Tím zajistíme přiřazení těchto vrstev ke správným technologiím a fázím výroby.
62
Obr. 6.1. Importovaná data do programu pro frézování

Generování cesty pro nástroje frézky
Před samotným zahájením frézování plošného spoje je zapotřebí podle návrhu
vygenerovat cesty pohybu jednotlivých nástrojů. K tomu slouží ikona na horním
panelu Generate insulation and contour rating toolpath, případně nabídka
Toolpath/Technology Dialog… V otevřeném okně volíme vlastnosti procesu
frézování, zda má být daný proces vykonán a také typ použitého materiálu.
63
Obr. 6.2. Okno nastavení programu LPKF CircuitPro
V první oblasti Insulate je možné zvolit způsob vyfrézování motivu, kdy na výběr
máme 4 varianty od vyfrézování pouze izolačních mezer až po odstranění veškeré
mědi dle návrhu plošného spoje. Po otevření detailů (Show Details) je možné zvolit
nástroje, které mají být použity a vlastnosti izolačních mezer. Při výběru varianty pro
odfrézování veškeré mědi (Complete Rubout) necháme nastavení v defaultní
podobě.
V druhé oblasti volíme způsob vyfrézování okraje plošného spoje. Po otevření detailů
(Show Details) můžeme vybrat u různých variant například šířku nevyfrézované
mezery nebo délku frézovaných úseků. Důležité je zvolit variantu Outside – motiv
bude vyfrézován vně obrysu z vrstvy Dimension.
V poslední oblasti – Convert to Toolpath – necháme zatrženou pouze možnost Drills.
Po otevření jejich detailů (Show Details) můžeme zvolit, zda se příslušné rozměry
vrtáků budou volit automaticky nebo zda vybereme jeden konkrétní typ pro odvrtání
64
všech otvorů. Tato varianta je vhodná v situaci, kdy navržené otvory neodpovídají
průměrům dostupných vrtáků. Při samotném návrhu plošného spoje v Eaglu je
vhodné brát tuto skutečnost v potaz a všechny vrtané otvory upravovat. Je také
vhodné nechat zatrženu možnost Create parking drills. Frázka otvory nejprve
naznačí frézovacím nástrojem, vrták se pak tolik neopotřebovává a lépe se chytá do
mědi.
Po nastavení všech možností spustíme vygenerování tlačítkem Start. V okně
Compupation Results vidíme, které nástroje budou pro výrobu plošného spoje
použity včetně vzdáleností, které jimi budou vyfrézovány případně kolik děr s nimi
bude navrtáno. Pokud nastanou během generování nějaké komplikace, budou
v tomto okně uvedeny. Nejčastěji se týkají odlišnosti rozměrů vrtaných otvorů a
dostupných nástrojů – otvory budou ignorovány, nebo příliš složitých oblastí motivu,
které frézka nezvládne vyfrézovat.

Zahájení frézování
Ke spuštění frézování slouží Board Production Wizard dostupný v záložce Wizards
nebo pod ikonou na horním panelu. Nejprve je zapotřebí umístit na frézku pomocný
materiál a na něj pak připevnit desku cuprextitu pomocí lepicí pásky. Provedení této
části potvrdíme tlačítkem Start.
Obr. 6.3. Naváděcí průvodce frézováním
65
V dalším okně – Material Settings – Zvolíme typ používaného materiálu a jeho
parametry. Nejčastěji se lze setkat s materiálem FR4, tloušťkou mědi 18 µm a
tloušťkou cuprextitu 1,55 mm. Tloušťka používaného pomocného materiálu je 2 mm.
Dále je nutné definovat použitelnou plochu. Jedním ze způsobů je manuální
zaměření, kdy klikneme kurzorem do původního okna programu na znázorněnou
plochu frézky a vyčkáme, až na dané místo v reálu přejede. Takto nastavíme
frézovací hlavu nad levý spodní roh použitelné plochy a výběr zaznamenáme
kliknutím na příslušnou ikonu v okně Material Settings. Stejně postupujeme při
zaměření pravého horního rohu. Vybraná oblast se navíc na ploše frézky znázorní.
Je nutné dbát na to, aby ani v okrajových pozicích nebyl frézovací nástroj ani
ochranný kroužek hlavy nad upevňovací páskou, při frézování by docházelo k jejímu
shrnování. Po nastavení těchto parametrů pokračujeme tlačítkem Continue.
Obr. 6.4. Okno specifikace materiálu
66
Dále se otevře okno Placement. V této fázi volíme polohu frézovaného motivu, jeho
natočení a počet kopií. Přesunout motiv lze nejjednodušeji přímo v hlavním okně
programu CurcuitPro metodou drag and drop. Jakékoliv změny v okně Placement
potvrzujeme tlačítkem Apply, po dokončení nastavení pokračujeme tlačítkem
Continue.
Obr. 6.5. Okno nastavení frézovaného obrazce
Nyní začne probíhat samotné frézování. To spočívá ze série kroků, mezi nimiž je
zapotřebí manuálně měnit nástroje frézky. V programu se vždy objeví výzva
k výměně nástroje se specifikací požadovaného nástroje a hlava frézky se přesune
do levého předního rohu.
Obr. 6.6. Informační okno o nástroji
K výměně slouží šroubovák a plastový nástavec uložené napravo v pojezdu frézky.
67
Obr. 6.7. Ukázka vložení nástroje
Nástavec se nasune na nástroj a uvolní se zajišťovací šroubek. Poté se nástroj
vyjme, uloží do krabičky a stejným způsobem se upevní nástroj požadovaný. Pro
zvýšení životnosti nástrojů je zapotřebí nedotýkat se jejich kovových částí. Po
kontrole dotažení zajišťovacího šroubku potvrdíme výměnu nástroje a frézka vykoná
danou fázi výroby.
68
Obr. 6.8. Vložený nástroj ve frézovací hlavě
Během celého procesu dojde nejprve k navrtání děr včetně jejich předznačení,
vyfrézování motivu plošného spoje od nejtenčího nástroje k nejširšímu a posléze
k vyfrézování okraje plošného spoje, jehož součástí je navrtání míst pro zahájení
frézování.
Celý průběh práce je možné sledovat na ukazatelích a pohyb frézovacího nástroje
v okně programu. Po dokončení práce se přesune hlava frézky do parkovací pozice
vpravo vzadu a na obrazovce se objeví informace o ukončení výroby.
Další zdroje
[1.]
[2.]
[3.]
DOČEKAL, Tomáš. Uživatelský návod k laboratorní úloze: Frézování DPS pro
mobilní robot (laboratoř C112). Vysoká škola báňská – Technická univerzita
Ostrava, FRVŠ 910/2013, Inovace laboratoří na katedře Kybernetiky a
biomedicínského inženýrství. Ostrava 2013 [cit. 2014-05-10]. Dostupné v
prototypové laboratoři skupiny SAZE CPIT C112
69
[4.]
Výukový text, pomocný text pro předmět ELEKTROTECHNOLOGIE.
[5.]
[6.]
[7.]
70
7 Osazení plošných spojů
Desky s plošnými spoji mohou obsahovat nejen SMD, ale i klasické součástky. Tomu
musí být podřízen způsob montáže součástek na desky s plošnými spoji i způsob
pájení.
Jsou možné následující způsoby montáže:

montáž pouze SMD součástek.
o jednostranná, kdy na desku s plošnými spoji jsou součástky
osazovány pouze na jednu stranu;
o oboustranná, kdy součástky jsou osazeny z obou stran plošného
spoje.

kombinovaná montáž SMD i klasických součástek. Součástky pro
klasickou montáž jsou umisťovány na jednu stranu desky s plošnými spoji (na
stranu součástek), SMD součástky jsou osazovány na stranu spojů. Při
osazování jsou nejprve osazeny součástky pro klasickou montáž, následuje
osazení dále popsaným popisem SMD součástek a pájení vlnou.

kombinovaná montáž SMD i klasických součástek, kdy jsou SMD
součástky osazeny jak na straně klasických součástek, tak na straně spojů.
7.1. Úprava plošného spoje před osazením součástek
Prvním předpokladem pro kvalitní osazení je výborná pájitelnost DPS. Toho se
zpravidla dosahuje nanesením tavidla.
Tavidlo je zpravidla kapalná látka, která při ohřátí zrychluje nebo podporuje smáčení
pájených materiálů pájkou. Tavidlo za působení tepla odstraní z povrchu pájeného
materiálu oxidy i jiné nečistoty a chrání jej během procesu pájení proti oxidaci.
Reakce tavidla s oxidy zapříčiní zvýšení povrchového napětí a tím zlepšení
smáčivosti. Přísady, pomocí kterých je dosahováno kvalitní pájení jsou nazývány
aktivátory.
Hlavním požadavkem na tavidlo je zajistit spolehlivý proces pájení s
reprodukovatelnou kvalitou pájených spojů a s minimálním obsahem zbytkovým
obsahem nečistot po pájení. Jsou preferována bezoplachová tavidla, která
nevyžadují čištění (tzv. no clean typy).
7.2. Pravidla osazování desek plošného spoje
Montážní a propojovací sestavy (tj. osazené desky s plošnými spoji) jsou osazeny
součástkami z jedné strany (typ 1) nebo z obou stran (typ 2). Montují se elektronické
součástky určené pro zástrčnou technologii (Through Hole Technology – THT) i
71
povrchovou montáž (Surface Mount Technology - SMT) s různou konstrukcí vývodů,
způsobů pouzdření i mechanické prvky.
Obr. 7.1. Přehled montážních a propojovacích sestav - typ 2
Příklad značení:
1A
(jednostranná montáž vývodových součástek)
2B
(oboustranná montáž SMD prvků až po fine pitch)
2Z
(komplexní oboustranná kombinovaná montáž se součástkami CSP, COB, Flip Chip, TAB aj.).
Mechanická montáž
Zahrnuje operace prováděné na montážní a propojovací struktuře, např.:

montáž nýtů, pájecích oček i konektorových pinů

montáž chladičů, konektorů, úhelníků
72

upevnění elektronických součástek nýtováním, šroubováním, pomocí
montážních svorek

fixace součástek pomocí tmelů i lepidel

odizolování a upevňování vodičů a lanek
Mechanická montáž doplňuje montáž elektronických prvků s cílem dosažení
požadované spolehlivosti i funkčnosti. Montáž se realizuje před nebo po montáži
elektronických prvků:
Obr. 7.2. Příklady upevnění součástek
Kvalita upevnění montážních prvků se posuzuje zejména opticky, sleduje se shoda s
požadavky norem např. IPC-A-610 B, IPC SM-782 aj.

Montáž elektronických prvků
Vývodová montáž
Na montážní a propojovací strukturu s upevněnými mechanickými prvky se montují
vývodové součástky. Vlastní proces montáže spočívá v natvarování vývodů, osazení
do otvorů DPS a zapájení. Některé elektronické prvky jsou ještě často fixovány
mechanicky např. pomocí nýtů, šroubů na desce plošného spoje.
Tvarování vývodů
Hlavním úkolem natvarování je, aby byly součástky lépe fixovány na DPS během
procesu pájení a po pájení zvýšily spolehlivost pájeného spoje.
Před tvarováním vývodů je nutno určit rastr tvarovaných vývodů (tj. vzdálenost
mezi vývody – buď z technické dokumentace nebo přímo z hotové DPS) i vlastní
tvar a délku vývodu.
Vývody součástky jsou fixovány v otvorech následujícími způsoby:
a) vlastní hmotností viz následující obrázek. a), b), d), g)
b) pružností natvarovaných vývodů viz c),e), f), i), j)
c) zahnutím vývodů na druhé straně desky (tg. cut and clinch)
d) pomocí upevňovacích prvků (přišroubování chladiče k DPS aj.)
73
Obr. 7.3. Tvary vývodu klasických součástek
Pro zvýšení spolehlivosti při náročnějších aplikacích se požaduje vývody na spodní
straně DPS zahýbat, tzv. technologie cut and clinch. Tyto zvýšené požadavky má
např. automobilový průmysl, trakce, armáda, aj.
Obr. 7.4. Fixace vývodů tzv. technologií cut and clinch

Zásady pro tvarování vývodů
A - vzdálenost od ohybu- minimálně 1 x D, ne méně než 0,8 mm
D - průměr vývodu součástky
R - poloměr ohybu:

minimálně 1x D (D menší než 0,8 mm)
74

minimálně 1,5 D (pro D od 0,8 do1,2 m)
Obr. 7.5. Zásady pro tvarování
Minimální vzdálenost L tvarovaných vývodů axiálních součástek:
L = C + 2A + 3D
kde
L - minimální vzdálenost
C – max. velikost tělesa součástky
D – průměr vývodu
A – minimální vzdálenost počátku ohybu od tělesa součástky.
Obr. 7.6. Zásady pro tvarování
Hlavní zásady pro osazování vývodových součástek:


osazování začínáme zleva doprava, odshora dolů,

postupujeme od nejmenších součástek po největší.
Požadavky a osazení axiálních a radiálních součástek na DPS
Axiální součástky
Osazované horizontálně:
75
Součástka často leží na DPS, vzdálenost součástky od DPS je volena tak aby
vyhovovala elektrickým požadavkům, tepelnému zatížení součástky, eventuálně i
požadavkům na čištění. Pokud osazujeme součástku nad DPS musí být vzdálenost
min. 1,5 mm.
Hmax = 2 mm
Lmax = 1,5 mm
H-Lmax = 1,25 mm
Obr. 7.7. Požadavky na osazení axiální součástky
Osazované vertikálně
Součástka by měla být osazena kolmo k DPS a doporučená vzdálenost axiální
součástky od DPS je 0,4 – 1,5 mm.
Radiální součástky
Součástka by měla být osazena kolmo k DPS a doporučená vzdálenost radiální
součástky od DPS je 0,3 – 2 mm.
Dle IEC 61191-3:

Náklon součástky do strany: B max. 15 °

Zvednutí součástky nad DPS:
o L min 0,4 mm
o H max 2,0 mm
76
Obr. 7.8. Požadavky na osazení radiální součástky
Délka vývodu ze spodní strany DPS:

nezahnutého: 1,5 - 2,5 mm

zahnutého: délka zahnutí vývodu minimálně 1/2 průměru pájecí plošky.
Zahnutý vývod by neměl přesahovat, nebo jen minimálně pájecí plošku.
Kvalita osazení se posuzuje zejména opticky, sleduje se shoda s požadavky norem
např. IPCA- 610 B, IPC SM-782 aj.

Montáž SMD součástek
Při tomto způsobu montáže součástek na plošný spoj je používána tzv. metoda
přetavení pájecí pasty. Tato technologie má některé přednosti oproti technologii
vlnového pájení.
Pájecí pasta plní dvě funkce:


zpočátku slouží jako dočasné lepidlo, které fixuje součástku k desce (musí mít
dobrou lepivost);
po přetavení slouží k zajištění pevného elektrického spojení součástek s DPS.
Nanášení pájecí pasty je prováděno zpravidla sítotiskem nebo šablonovým tiskem.
Při tom je naneseno definované množství pasty (pájky a tavidla) na plošný spoj, což
zabezpečuje reprodukovatelnou kvalitu spoje. Důležitým faktorem je volba správné
pasty a teplotního profilu. Součástky jsou osazovány osazovacími automaty
(případně poloautomaty).
Po přetavení je spoj lesklý a hladký. Případné zbytky pájecí pasty jsou odstraněny v
etapě čištění.
Je-li deska osazena součástkami SMD z obou stran, celý proces se uskutečňuje
dvakrát. Nejprve pro jednu, potom pro druhou stranu.
77
Vizuální kontrola má za úkol zjistit viditelné závady, jako např. můstky cínu mezi
spoji, špatně připájené součástky atd.
Konečné testy vyhodnocují správnost funkcí osazené desky. Po jejich bezchybném
ukončení je možné vyhotovenou desku montovat do zařízení.
Obr. 7.9. Postup osazování SMD součástkami

Kombinovaná montáž
SMD součástky na stranu spojů, klasické součástky na stranu součástek.
Při kombinaci klasických a SMD součástek na jednu desku s plošnými spoji jsou
klasické součástky uchyceny k plošnému spoji svými vývody zasunutými do otvorů v
plošném spoji. SMD součástky jsou před pájením přitmeleny na vyznačená místa k
druhé straně DPS.
Jako první krok je provedeno osazení klasickými součástkami, jejichž vývody jsou
zasunuty do prokovených otvorů v plošném spoji. Aby součástky z plošného spoje
nevypadávaly, jsou k plošnému spoji uchycovány převážně zahnutím konců
určených vývodů k desce s plošnými spoji.
78
Součástky SMD jsou osazovány na stranu spojů. Před osazením je na stanovená
místa přes masku naneseno lepidlo, kterým jsou SMD součástky k desce přilepeny.
Lepidlo má tyto základní vlastnosti:

jednosložkový bezrospouštědlový systém;

je tixotropní (nedochází k jeho roztékání);

je elektricky nevodivé a dielektricky stabilní (pro některé aplikace jsou
používána elektricky vodivá lepidla, která jsou v tom případě využívána
nejen k přilepení součástek, ale i k vodivému propojení mezi ploškami a
vývody součástky);

je chemicky stabilní;

je nekorozivní;

má dobrou lepivost;

má dobrou teplotní stabilitu (stálá viskozita při změnách teploty.

je výrazně barevné – kvůli vizuální kontrole;

má dlouhou skladovatelnost;

je odolné vůči teplotám používaným při pájení.
Princip lepení SMD součástek - po přilepení součástek a vytvrzení lepidla je
prováděno pájení vlnou.
Vlna roztavené pájka současně pájí SMD součástky i vývody klasických součástek k
plošnému spoji. SMD součástky jsou umístěny na straně pájení.
Po vyčištění zapájené desky je prováděna vizuální kontrola, pomocí které jsou
zjišťovány viditelné závady, jako např. můstky cínu mezi spoji, špatně připájené
součástky atd.
Konečné testy vyhodnocují správnost funkcí osazené desky. Po jejich bezchybném
ukončení je možné vyhotovenou desku montovat do zařízení.
79
Obr. 7.10. a) Postup osazování desky klasickými a jednostranně SMD součástkami,
b) Lepení SMD součástek
SMD součástky po obou stranách desky s plošnými spoji, klasické součástky
na stranu součástek
Při této metodě jsou SMD součástky osazovány po obou stranách desky s plošnými
spoji, klasické součástky jsou osazovány pouze na stranu součástek.
Tato metoda je z hlediska počtu montážních operací nejsložitější. Používají se při ní
oba způsoby pájení: pájení přetavením, kdy je přetavována pájecí pasta, i pájení
vlnou, při kterém jsou pájeny současně SMD i klasické součástky.
Nejprve je na stranu součástek tam, kde budou osazeny SMD součástky, nanesena
pájecí pasta. Následuje osazení strany součástek SMD součástkami a jejich pájení
přetavením. Při tom musejí být zakryty otvory určené pro montáž klasických
součástek.
80
Nyní jsou na stranu součástek osazeny součástky s klasickými vývody a další postup
je shodný s postupem, kdy jsou SMD součástky osazovány pouze na stranu spojů.
Obr. 7.11. Postup osazovaní desky klasickými a oboustranně SMD součástkami
Materiály pro montážní technologie

Tavidlo
Tavidlo urychluje smáčecí proces a tak napomáhá k vytvoření spolehlivého pájeného
spoje.
Má následující funkce:

odstraňuje nečistoty a reakční produkty ze spojovaných povrchů a umožní tak
pájce, aby se dobře roztekla - tj. fyzikální funkce

zlepšuje přenos tepla - tj. fyzikální funkce

odstraňuje oxidy ze spojovaných povrchů a brání jejich reoxidaci - tj. chemická
funkce
81
Jedná se převážně o kapalnou, plynnou nebo pevnou látku, která při ohřátí zrychluje
nebo podporuje smáčení pájených materiálů pájkou. Tavidla pomáhají za působení
tepla odstranit z povrchu pájeného materiálu oxidy, nečistoty a chrání jej i proti
oxidaci během procesu pájení. Reakce tavidla s oxidy zapříčiní zvýšení povrchového
napětí a tím zlepšeni smáčivosti. Přísady, pomocí je dosaženo dobrých pájecích
výsledků se nazývají aktivátory. Nejstarší typ tavidla je kalafuna - tj. přírodní
pryskyřice, která se skládá zejména z organických kyselin.
Tavidlo volíme zejména s ohledem na:

pájitelnost součástek a DPS

způsob nanášení

vlastnosti pájecího zařízení i technologii pájení

snadnou odstranitelnost zbytků po pájení, pokud budeme čistit,

nekorozivní zbytky se stabilním a vysokým SIR i ve vlhkosti po klimatických
zkouškách (nebudeme-li čistit)

minimální zbytky po pájení pro splnění náročných vzhledových kritérií

testováni / znečištění testovacích jehel/.
Základním požadavkem je při výběru tavidla zajistit spolehlivý pájecí proces s
reprodukovatelnou kvalitou pájených spojů a s minimálním zbytkovým obsahem
nečistot po pájení, které mohou způsobit v klimaticky náročnějších prostředích
zhoršeni izolačních vlastností DPS příp. i korozi vývodů součástek a přerušeni
vodivých obrazců na DPS.
Dělení tavidel
V tuzemsku se používá několik dělení tavidel. V následující tabulce je zpracována
klasifikace tavidel pro měkké pájení dle ČSN EN ISO 9454-1.
Typy tavidla
Základní složka
1. Klafuna
Prysk.)
1. Plyskyřice
(přírod.
2. Bez kalafuny
1. Rozpustné
82
1. Bez aktivátoru
2. Aktivováno
halogenidy
3. Aktivovano
halogenidů
Syntetická pryskyřice
2. Organické
Forma
tavidla
Aktivátor
ve
A
tekuté
B tuhé
bez C
pasta
4. Bez aktivátoru
A
vodě
2. Nerozpustné
vodě
5. Aktivováno
halogenidy
ve
tekuté
B tuhé
Aktivovano
halogenidů
bez C
pasta
1. NH4Cl
3. Anorganické
1. Soli
2. Bez NH4Cl
A
tekuté
2. Kyseliny
3. Jiné kyseliny
B tuhé
3. Zásady
4. Aminy
amoniak
nebo C
pasta
Tab. 7.1. Klasifikace tavidel pro měkké pájení dle ČSN EN ISO 9454-1
Nejnovější členění tavidel dle J-STD-004 popisuje níže uvedená tabulka. Tavidla
jsou na bázi přírodní pryskyřice (RO), syntetické (RE), organických kyselin (OR) i
anorganických látek (IN). Norma značí aktivitu tavidla i tavidlových zbytků písmeny L
(low – nízká), M (moderate- střední), H (high – vysoká). Aktivace halogenidy je
indikována číslicí 1. Tavidla se značí např. jako ROL0, ORL0 ORL1 aj.
Základ tavidla
Zkratka
Úroveň aktivace (%halidů)
L00
L1
0,5
do
M00
M1 0,5 H1 nad
H00
2
2
Přírodní pryskyřice
ROSIN
A
B
C
D
E
F
Syntetické
pryskyřice
RESIN
G
H
I
J
K
L
Organické kyseliny
ORGANNIC
M
N
P
Q
R
S
Anorganické
kyseliny
INORGANIC T
U
V
W
X
Y
Tab. 7.2. Členění tavidel dle J-STD-004
83
Obr. 7.12. Porovnání různých typů tavidel

Pájka
Pájka SnPb
V elektrotechnice se používá nejčastěji pájka skládající se z podílu 60 - 63
hmotnostních % cínu Sn a 40-37 hmotnostních % olova Pb díky svým specifickým
vlastnostem:

teplota tavení slitiny 183 - 189°C vyhovuje z hlediska návrhu (používané
součástky a substráty), technologického procesu i běžných pracovních teplot
elektronických zařízení

cín vykazuje velmi dobré smáčecí charakteristiky, oxidy cínu lze odstranit
relativně málo aktivovanými tavidly

pájecí slitina nevytváří křehké intermetalické fáze

příznivá cena
84
Obr. 7.13. Fázový diagram SnPb
SnPb pájka s různým podílem složek se dodává ve formě trubiček, drátů, kuliček,
tyčí, fólií.
Trubičkové pájky se používají pro ruční pájení. Zpravidla mají několik jader, která
jsou vyplněna tavidlem. Pro vlastní pájecí proces je rozhodující: typ slitiny, typ
tavidla, množství tavidla v trubičkové pájce, průměr trubičkové pájky, způsob čištění
tavidlových zbytků po pájení.
Kuličky pájky se používají do pájecích past i pro samostatné aplikace (reballing u
BGA oprav aj). Rozhodujícím parametrem kromě typu slitiny, rozptylu hodnot
požadovaného průměru kuliček je i množství oxidů.
Pro strojní pájení se užívá měkká pájka v tyčích zejména Sn63Pb37 (eutektická) ev.
Sn60Pb40, používají se i pájky s příměsí fosforu (P), india (In). Předností vakuově
přetavovaných pájek je zejména nižší viskozita, zlepšení smáčecí schopnosti,
jasnější spoje.
Fólie pájky (často plněné tavidlem) definovaných tloušťek se používají pro speciální
aplikace. V mnohých případech se na jejich přednosti i aplikace zapomíná.
85
Bezolovnaté Pájka
Snaha o náhradu pájecí slitiny Sn63Pb37 je nejen z důvodu toxicity, ale i pevnosti
pájeného spoje. Bezolovnaté pájky mají větší podíl cínu ve slitině a potřebují vyšší
teplotu pájení, mají větší tendenci k oxidaci i teoreticky lepší smáčecí charakteristiky.
Odpovídající smáčecí charakteristiky se ale uplatní pouze v dusíkové atmosféře.
Evropská komise dokonce předložila návrh na
v elektrotechnickém průmyslu do konce roku 2004.
ukončení používání olova
Bezolovnaté slitiny musí vyhovovat těmto požadavkům:

kompatibilita s používanými zařízeními i postupy (vlnové pájení, HAL,
vhodnost pro ruční pájeni ve formě trubičkového drátu i použitelnost pro pájecí
pastu zejména no-clean aplikace).

ekvivalentní a lepší materiálové charakteristiky než stávající slitiny teplota
tavení >185° C

minimální rozsah plastického stavu, optimálně 4 - 15°C
Bezolovnaté pájky (lead free solder – LSF) mají výrazně odlišné zpracovatelské
charakteristiky ve srovnání se slitinami obsahujícími olovo. Při implementaci
bezolovnatých pájek do výrobního procesu se řeší zpravidla tyto 3 oblasti:

volba typu slitiny a odpovídajícího procesu

eliminace halogenovaných retardantů ze základních organických substrátů,
teplotní odolnost ZM

volba součástek, používaných plastů, povrchových úprav i chemie, jejich
slučitelnost i vhodnost pro vyšší teploty.
Slitiny pod 180°C
Systém
Složení (hm%)
Rozsah teplot tavení (°C)
Sn-Bi
Sn-58Bi
138e
Sn-In
Sn-52In
118e
Sn-50In
118-125
Bi-33In
109e
Bi-In
86
Slitiny 180 – 200°C
Sn-Zn
Sn-9Zn
199e
Sn-Bi-Zn
Sn-8Zn-3Bi
189-199
Sn-Bi-In
Sn-20Bi-10In
143-193
Slitiny 200-230°C
Sn-Ag
Sn-3,5Ag
221e
Sn-2Ag
221-226
Sn-Cu
Sn-0,7Cu
227e
Sn-Ag-Bi
Sn-3,5Ag-3Bi
206-213
Sn-7,5Ag-2Agi
207-212
Sn-3,8Ag-0,7Cu
217e
SnAgCu
Sn-Ag-Cu-Sb Sn-2Ag-0,8Cu-0,5Sb 216-222
Tab. 7.3. Přehled bezolovnatých slitin
Příměsi In, Zn, Bi, Sb v bezolovnatých pájkách vykazují špatné smáčecí
charakteristiky. Smáčecí úhly pro bezolovnaté pájecí slitiny na Cu substrátu jsou ve
srovnání s Sn63Pb37 jsou o poznání vyšší
Nové slitiny dosahuji srovnatelných smáčecích a fyzikálních charakteristik. Některé
vykazují i lepší mechanické vlastnosti a charakteristiky tečení. Teploty tavení se
zpravidla pohybují kolem 215 - 220°C. Otázkou zůstává cena i ekonomie provozu
těchto slitin.

Spojovací materiál a volba pájecí slitiny
Výběr slitiny pájky závisí na:

druzích spojovaných materiálů i jejich povrchové úpravě

mechanických vlastnostech, požadované teplotě slitiny (solidus/liquidus),
technice zpracování
87

množství příměsí
Níže jsou uvedeny kompatibilní i nekompatibilní pájky pro spojování různých kovů. U
pájek plněných tavidlem je třeba volit odpovídající typ tavidla, jeho aktivitu i
hmotnostní podíl v pájce.
Spojovaný materiál Kompatibilní pájka
Nekompatibilní pájka
Au, Ag, Pd, Pt
In,InPb,InPbAg,AuSn
všebecně slitiny s Sn
Cu a slitiny Cu
SnPb,SnPbAg,SnPbBi
všeobecně slitiny s In
Ni
nejméně 50% Sn, SnPbAg není
Sn a slitiny
SnPb všeobecně ,SnBi
slitiny s In
Nerez ocel
nejméně 50% Sn
ne Pb pro potraviny
Tab. 7.4. Kompatibilita materiálů při pájení
Trubičkové pájky s Ag, Cu a jejich přednosti
Pro pájení povrchové montovaných prvků se používají pájky s obsahem Ag. Pro
některé aplikace je výhodné použití pájecího drátu a externího tavidla. Pájka s
příměsí Ag vykazuje větší pevnost v pájených spojích, brání rozpouštění terminálů
obsahujících stříbro a má i menší povrchové napětí než slitina Sn63Pb37. Pro pájení
měděných lanek se preferuje pájka s obsahem Cu.

Pájecí pasta
Technologie využívající přetavení pájecí pasty má některé přednosti ve srovnání se
strojním pájením vlnou. Hlavní výhodou je nanesení definovaného množství pájky a
tavidla na pájený spoj a reprodukovatelnější kvalita spoje. Základem je volba vhodné
pájecí pasty i technologie zpracování. Na pájecí pasty jsou kladeny stále vyšší
požadavky v závislosti na vyšších zástavbových hustotách, rychlejších procesech
montáže i teplotních požadavcích, které musí splňovat teplotní profil.
Z hlediska chování se pájecí pasta řadí do kategorie viskózně-elastických kapalin a
její chování je charakterizováno reologickými vlastnostmi (ty jsou podmíněny
složením pasty). Pro různé aplikační techniky pájecí pasty se volí následující
viskozity s rozdílným množstvím kovu.
TECHNIKA NANÁŠENÍ PODÍL KOVU
88
VISKOZITA
dávkovač kovu
200-450 Pa.s
82-86 hm.%
sítotisk kovu
400-700 Pa.s
86-89 hm.%
šablonový tisk
600-1.000 Pa.s 90-92 hm.%
Tab. 7.5. Dělení pájecích past
Složení pájecí pasty
Pájecí pasta je homogenní směs pastovité konzistence. Skládá se z práškovité pájky
(65 -96% hmotnostních), gelového tavidla (tavidlový nosič, aktivátor, rozpouštědlo) a
reologických modifikátorů.
Prášková pájka
Je charakterizována velikostí částic, jejich tvarem i typem pájecí slitiny. Prášková
pájka se ve velké míře podílí na kvalitě tisku, roztékání i na smáčecích
charakteristikách a předurčuje teplotu tavení.
Velikost a tvar částic
Preferují se kulovité částice, ale ve většině pájecích past se vyskytuje až 15%
elipsoidů a cca 1% částic jiných tvarů.
Obr. 7.14. Velikost částic pájecí pasty
Velikost částic pájecí pasty se volí podle nejmenší apertury šablony. Často se
používá pravidlo 3D, tj. do nejmenší apertury v šabloně by se měly jak na výšku, tak i
na šířku vejít 3 kuličky pájecí pasty největšího průměru. Určujícím faktorem je
vzdálenost vývodů součástky a technika nanášení pasty.
89
Typy pájecí slitiny
Pájecí slitiny se používají pro rozdílné zástavbové hustoty montážních a
propojovacích sestav, často oboustranně pájených s různými typy pouzder. Jsou
proto rozdílné i požadavky. Nejdůležitější jsou následující parametry: teploty liquidu a
solidu, elektrická a tepelná vodivost, mechanická pevnost, teplotní koeficient délkové
roztažnosti (TCE), povrchové napětí slitiny (hraje klíčovou roli při smáčivosti a tudíž i
pájitelnosti), kompatibilita s povrchovými úpravami, aj.
TYP SLITINY
TEPLOTA SOLIDU[°C] TEPLOTA LIQUIDU[°C] POZN.
58Bi42Sn
138
138
43Sn43Pb14Bi 144
163
62Sn36Pb2Ag
179
179
E
63Sn37Pb
183
183
E
60Sn40Pb
183
193
90Pb10Sn
268
302
E
E - eutektická slitina
Tab. 7.6. Základní typy pájecích slitin
Hmotnostní podíl kovu v pájecí pastě
Výraznou měrou ovlivňuje viskozitu pájecí pasty i teplotní změny viskozity (se
vzrůstem kovového podílu se zmenšuje vliv teploty na viskozitu).
Oxidy v pájecí pastě
Oxidy kovů musí být zastoupeny v minimální míře. Nevhodným skladováním i
stárnutím pasty se zvyšuje jejich obsah. Oxidy kovů mají výrazně vyšší teploty
tavení, např. SnO2 > 1930°C, PbO > 890°C. Vyšší podíl oxidů přináší mnohé
problémy při pájení přetavením pasty (např. „solder balling“ aj. Větší podíl oxidů se
vyskytuje u pájecích past s menšími zrny pájecí pasty (dáno větší oxidující plochou
pájky).
Reologický modifikátor
Reologické vlastnosti popisují změny v chování pájecí pasty, zejména změny v
tečení a deformaci vlivem působících faktorů: tlaku při tisku, rychlosti pohybu stěrky,
teploty aj. Reologické vlastnosti se zabývají viskózně elastickými změnami v chování
90
pájecí pasty v dynamickém režimu. Reologické vlastnosti nezahrnují sledování
statických a strukturálních vlastností pájecí pasty.
Reologické chování pájecí pasty je dáno složením pájecí pasty, tvarem a velikostí
částic, strukturou tavidlového pojiva i vzájemným fyzikálně chemickým působením
mezi jednotlivými složkami pájecí pasty včetně smáčení i rozpouštění.
Hlavní reologické vlastnosti u pájecí pasty jsou: viskozita a tixotropnost. Požadované
reologické vlastnosti pasty se upravují reologickými modifikátory, které ovlivňují
zejména:


chování pasty během tisku i po natisknutí

smáčecí charakteristiky

výslednou kvalitu pájeného spoje
Požadavky na pájecí pastu
Požadavky na pájecí pastu se liší podle jednotlivých aplikací. Hlavní důraz je kladen
na tisk pasty, přetavení a testování.

během tisku a po natisknutí: dobré tiskové vlastnosti pasty, zejména
tixotropnost, stabilita pasty na šabloně, minimální zasychání na šabloně, ostrý
obrazec natisknuté pasty, rozměrová stabilita pasty po tisku, minimální vliv
zvýšené vlhkosti i teploty na viskozitu pájecí pasty

během dávkování: minimální separace složek, malý frikční koeficient,
minimální „tahání vláken“, žádné vzduchové bubliny

při osazení: dobrá lepivost, dlouhá doba lepivosti během přetavovacího cyklu
a po přetavení:
o přetavovací profil: velké technologické okno
o pájený spoj: vzhled spoje (lesklý, hladký), tvar spoje (správný smáčecí
úhel), nesmí být přítomny kuličky pájky
o rezidua: minimální množství, bez migrací ve vlhku, stálý a vysoký SIR,
rezidua na ploškách a spojích, čirý vzhled


čištění: snadné čištění i rozpustnost v izopropanolu
testování: kompatibilita s testovacím procesem
Nanášení cínu
Součástky jako takové je nutno osazovat na desku plošného spoje do pájitelného
materiálu. V našem případě se jedná o cín a to už v podobě tuhého cínu (viz ruční
pájení) nebo cínu v podobě emulze.
91

Natlakování kompresoru nastavení dávkovače cínu
Nejprve je nutné zapnou hlavní přívod elektrické energie. Následně proveďte zapnutí
kompresoru.
Tlačítko
na
zapnutí
kompreso
ru
Obr. 7.15. Kompresor
Kompresor se nelakovává přibližně 3 – 5 minut. Po natlakování kompresoru je
možné zapnout dávkovací jednotku.
Zapnutí
jednotky
Ukazatel
tlaku
Nastavení
délky impulzu
pro dávku cínu
Přepnutí
mezi
Obr.
7.16. Dávkovacíajednotka
automatickým
manuálním
dávkováním cínu
92
Po zapnutí nastavte redukční ventil na cca 5barů a nanášejte pomocí stlačného
pedálu potřebné množství cínu na pájecí plošky.
Pozn: Regulace dávkování cínu
Délka impulzu ovlivňuje množství dávky cínu. Tento čas se mění podle vlastnosti
cínové pasty a podle velikosti pedu součástky.
Redukčním ventilem je možné nastavit tlak. Čím je tlak vyšší, tím je cínové pájky
v dávce více. Doporučené nastavení je od 3,5 do 5 barů.
Dávkovač tekutého
cínu
Obr. 7.17. Osazovací pracoviště
93
Pedál
pro
dávkování cínu
Osazování
Osazování součástek na desku plošného spoje je možno realizovat za pomocí
pinzety nebo pomocí poloautomatického teleoperátoru.

Osazování pomocí teleoperátoru
Nejprve zafixujte desku plošného spoje s naneseným cínem mezi vodítka umístěná
na osazovací ploše teleoperátoru. Do pořadače, který je k dispozidi u teleoperátou
vložte potřebné součástky a zapněte vakuovou pumpu. Výkon vákuové pumpy musí
být nastaven na střední nebo maximální hodnotu. Zkontrolujte, zda jehla, kterou se
budou uchopovat součástky je vyčištěna.
Otočný
bod
pro
rotaci
součástek
Jehla
Obr. 7.18. Osazovací hlava s jehlou
94
Vakuov
á
pumpa
Osazovací
teleoperáto
r
Box
na
součástky
Osazovac
í hlava
Obr. 7.19. Osazovací teleoperátor
Po těchto úkonech začněte jehlou odebírat součástky a osazovat je na pady desky
plošného spoje. A to tak, že jehlou najedete nad součástku a přitlačíte konec jehly na
součástku (po zvednutí ramene by součástka měla držet na jehle), otočte součástku
do příslušné polohy a sjeďte na určené místo součástky na desku plošného spoje a
opět přitlačte (součástka by se měla uvolnit z konce jehly a zůstat na svém mísěe na
desce plošného spoje). Řiďte se pravidlem osazování součástek od integrovaných
obvodů přes nejmenší součástky až k těm velkým.
Pozn: Součástkou je možno pohybovat společně s manipulační hlavou, pro rotaci
součástky slouží otočný knoflík.
Osaďte všechny součástky.
Další zdroje
[1.]
95
[2.]
[3.]
[4.]
[5.]
[6.]
KRAUS, Alan. Návrhový systém EAGLE. Manuál programu Eagle [online].
neuvedeno
[cit.
2014-05-12].
Dostupné
z:
http://web.quick.cz/chmelar.t/eagle/manual.htm
DOČEKAL,Tomáš. UŽIVATELSKÝ NÁVOD K LABORATORNÍ ÚLOZE,
Frézování DPS pro mobilní robot (laboratoř C112). VŠB-TUO, FRVŠ
910/2013, Inovace laboratoří na katedře Kybernetiky a biomedicínského
inženýrství, 2013
Ing. Martin Abel. PLOŠNÉ SPOJE SE SMD, NÁVRH A KONSTRUKCE.
Nakladatelství Platan, Kunětická 101, Pardubice. Tisk Grafion Pardubice,
Vydání první, dotisk. ISBN 80-902733-2-7. 2000 [20.6.2011].
96
8 Pájení
Po osazení nastává technologický proces pájení. V prototypové výrobě může být
pájení dvojího typu:


Ruční pájení
o Trafo pájkou
o Mikro pájkou
Reflow pec
Pájení je proces metalurgického spojování kovových částí roztavenou pájkou,
zpravidla za přítomnosti tavidel. Pájení součástek patří do kategorie měkkého pájení
s pracovními teplotami do 450°C. Při tomto fyzikálně chemickém procesu se atomy
spojovaných kovů a roztavené pájky dostávají do velmi malých vzdáleností, přičemž
dochází k účinkům adhezních (přilnavých) a kohezních (soudržných) sil. Při pájení
probíhá difůze a rozpouštění některých prvků pájky i spojovaných materiálů. Aby
došlo k tomuto procesu, musí být povrchy spojovaných materiálů čisté a atomy kovů
umístěné na rozhraní musí mít dobrou adhezi.
Z fyzikálního a fyzikálně chemického hlediska musíme procesem pájení dosáhnout
mechanicky pevného a dlouhodobě spolehlivého pájeného spoje, tj. vytvořit kvalitní
metalurgické spojení vývodů součástky s pájecími ploškami substrátu. Minimálním
požadavkem pro spolehlivě zapájený spoj je dobrá pájitelnost spojovaných materiálů,
jejich kompatibilita v pájecím procesu i minimální (smáčecí) teplota.
Nestačí pouze pájené komponenty zahřát na požadovanou teplotu a dodat pájku, ale
je třeba pájené komponenty připravit - musí mít vyhovující pájitelnost. Termín
pájitelnost povrchu je použít jako popis schopnosti povrchu být smáčitelný pájkou
během procesu pájení.
8.1. Pájitelnost
Je to funkce přesného procesu a práce materiálu; kontakt může vykazovat
přijatelnou pájitelnost v některých procesech, ale v jiných ne.
Stupně smáčení mohou být děleny následovně:
Nesmáčení
V tomto případě se nevytvoří metalurgická vazba a rozhraní mezi pájkou a povrchem
zůstane zřetelné. Tavidlo použité k podpoře pájení nemohlo adekvátně odstranit
povrchové znečištění, nebo protože je oxidační vrstva příliš silná nebo tavidlo není
dostatečně aktivní.
Smáčení
97
Povrchová energie čistého kovového povrchu je vyšší než roztavené pájky. Za této
podmínky pájka smočí povrch a vytvoří tak na rozhraní metalurgickou vazbu. Jak
smáčení postupuje, tak roste na rozhraní tenká mezikovová vrstva a vytváří základ
pro spolehlivý spoj.
Odsmáčení
Mezi kovové vrstvy, které rostou na rozhraní, jsou bohaté na cínové směsi, které
vytahují cín z cíno-olověné pájky. Jak je cín odtavován z pájky, opouští oblasti
bohaté na olovo s relativně slabou pájitelností. Když teplota klesá dost dlouho, pak
velikost těchto oblastí bude dostatečná k tomu, že pájka ustoupí z již dříve
smáčených oblastí, tento jev se nazývá odsmáčení. Odsmáčení se může také
vyskytnout zespoda – od pájeného místa, v místě vystavenému nesmáčenému
povrchu, kdy je tenká pájená vrstva kovu totálně rozpuštěna do pájky. Toto může
vzniknout, když se pájí kontakty z drahých kovů, které se rychle rozpustí v cínoolověné pájce.
Slabá pájitelnost součástek se hlavně projevuje při špatném režimu pájení
přetavením SMD. V procesu pájení vlnou je spoj omýván velkým množstvím pájky.
Malá množství nečistot jsou rychle zředěna a odnesena pryč. Pájení přetavením
neprovádí čisticí operaci; nečistoty, které jsou přítomny na kontaktech součástky
zůstanou v hotovém spoji.
Spolehlivost pájeného spoje
Spolehlivý pájený spoj je základním požadavkem v elektronické výrobě. Ideální
pájený spoj je charakterizován konkávním pájecím kuželem, lesklým a hladkým
povrchem pájky s dokonale smočeným vývodem součástky i pájecí ploškou/pájecím
mezikružím DPS. Takto vizuálně charakterizovaný pájený spoj má i dostatečnou
pevnost, která odpovídá úrovni pájecího procesu.
Spolehlivost je dána kompatibilitou pájených i pájecích materiálů i pájecím procesem.
Záleží na mnoha faktorech. Základním předpokladem pro vytvoření spolehlivého
pájeného spoje je dobrá pájitelnost všech pájených části - přívodů součástek a
plošného spoje. Pájitelnost je podmíněna dobrou smáčivosti.
98
Obr. 8.1. Faktory ovlivňující spolehlivost pájeného spoje
Nedostatečné smáčení, nevytvoření odpovídajícího menisku s odpovídajícím
množstvím pájky i nehomogenita pájeného spoje (vměstky, nečistoty) vedou ke
snížení spolehlivosti.

„STUDENÉ SPOJE“
K tzv. „studeným spojům“ dochází v případech, kdy nenastala odpovídající difůze
mezi spojovanými materiály a pájkou:

je přítomna vrstva oxidů mezi spojovanými materiály (bylo použito málo aktivní
tavidlo)

je přítomna intermetalická fáze na povrchu spojovaných materiálů (nevhodná
povrchová úprava i doba skladování)

nesprávný proces pájení

pájka nebo spojovaný kov byly při pájecím procesu na nízké teplotě

doba pájení není optimální
Elektrická vodivost „studených spojů“ je velmi malá, protože proud prochází přes více
či méně izolační vrstvy oxidů. Adheze je též velmi špatná a po ztuhnutí spoje může
pájka při mechanickém namáhání ztratit kontakt se základním materiálem. Vzhled
spoje je šedý, porézní.
99
Nedostatečné smáčení, nevytvoření odpovídajícího menisku s odpovídajícím
množstvím pájky i nehomogenita pájeného spoje (vměstky, nečistoty) vedou ke
snížení spolehlivosti.
Termomechanické namáhání pájeného spoje
Pájený spoj Obr. 20. je vystaven mechanickému namáhání (v tahu i ve smyku),
které je způsobeno:
a) rozdílnými teplotními dilatacemi součástky a substrátu hlavní příčiny jsou:

výkonové zatížení součástky

teplotní cyklování součástky a substrátu
Obr. 8.2. Pájený spoj
b) prohnutím montážního celku
c) vibracemi montážního celku
Mechanické namáhání pájeného spoje je kromě výše uvedených příčin ovlivněno
geometrií spoje (výškou pájky mezi substrátem a čipem Obr. 21., výškou pájeného
spoje, velikostí pájecích plošek a jejich přesahem), typem pájecí slitiny aj.
Vlivem creepové únavy materiálu způsobené dlouhodobě zvýšenou teplotou (nad
20°C) a vlhkostí vzduchu (nad 50%) i formací intermetalické fáze při teplotním
cyklování dochází dále ke zkřehnutí spoje a snížení střihové pevnosti.
Obr. 8.3. Výška pájky mezi substrátem a čipem
Během únavy materiálu dochází k:
100

shlukování zrn, které jsou nejvíce vystaveny namáhání v pájeném spoji

vytváření prasklin pod spojem

růst prasklin, které jsou později viditelné a mohou probíhat na rozhraní
součástka/pájený spoj
Vliv kontaminací na vlastnosti pájeného spoje
Kontaminace, tj. zejména škodlivá přítomnost některých kovů v pájce má vliv na
kvalitu a spolehlivost pájeného spoje. Výrazně ovlivňuje mikrostrukturu spoje,
pevnost spoje, křehkost, smáčecí charakteristiky i elektrické vlastnosti rezistivitu) aj.
Problémy související s pájením (krápníky, matný povrch, praskliny ve spoji,
nezaplněná horní strana pokoveného otvoru aj.) mohou mít příčinu též ve zvýšené
úrovni kontaminací v pájce.
Obr. 8.4. Zdroje nečistot
Členění nečistot:

oxidující kovy: Al, F, Zn, Cd

kovy vytvářející intermetalické fáze: As, Fe, Co, Ni, Pd, Cu

kovy vytvářející směsné krystaly: Sb, Bi
Všeobecně:

příměsi oxidujících kovů snižují rozpouštění substrátu, snižují tloušťku
intermetalické zóny, průměr krystalů narůstá,

příměsi kovů vytvářejících intermetalické fáze výrazně zvyšují rozpouštění
substrátu, ale je to naopak doprovázeno minimálními průměry krystalů,

kovy vytvářející směsné krystaly nelze považovat za nečistoty, ale jsou často
přidávány do pájky pro zlepšení smáčecích charakteristik, nemají vliv na
vytváření intermetalických zón, vedou ke zmenšování průměru krystalů.
Max. úrovně nečistot:
Al - 0,006%
Fe - 0,02%
Pd - neuvedeno Zn - 0,05%
Sb - 0,5%
Au – neuvedeno
P - neuvedeno
101
As - 0,3%
In – neuvedeno
Ag - neuvedeno
Cd - 0,005%
Cu - 0,3%
Bi - 0,25%

Vliv jednotlivých příměsí:
Al - malé množství Al se rozpouští v Sn při zvýšených teplotách nad E. 0,001% Al
vede ke zhoršení adheze, zrnitosti, větší viskozitě pájky, praskání z důvodu křehkosti
za tepla, podporuje oxidaci povrchu pájky. Al se používá na výrobu nosných rámečků
DPS, PÚ - anodická oxidace.
Sb - 0,3% výrazně zlepšují smáčivost, omezení růstu whiskerů a eliminace cínového
moru. Příměs zvyšuje pevnost. Příměsi Sb nezhoršují výrazně vlastnosti pájky.
As- škodlivá příměs, As je nerozpustný v solidu Sn nebo Pb, dlouhé jehlice v
mikrostruktuře, způsobuje nesmáčivost.
Bi - není považován za nečistotu v pájce, ale za příměs do slitiny. Bi zlepšuje
smáčecí charakteristiky při solidifikaci vede k pozitivním změnám v mřížce.
Cd - zanedbatelná rozpustnost v tuhé fázi, tvoří intermetalické sloučeniny, toxické,
slitiny s nižší teplotou tavení, podporuje oxidaci povrchu pájky, nežádoucí, pájecí jed.
Cu - zanedbatelná rozpustnost v tuhé fázi, tvoří dvě ortorombické intermetalické
sloučeniny, kontaminace vede k větší zrnitosti i viskozitě, nutnost zvýšit pracovní
teplotu lázně.
Kontaminace Cu způsobuje křehkost. Částečné odstranění Cu ze slitiny se provádí
přidáním síry S nebo odstraněním povrchové vrstvy slitiny při nižší teplotě.
Au - zanedbatelná rozpustnost v tuhé fázi, tvoří intermetalické sloučeniny, matný
vzhled, mnoho strusky, max 0,2% způsobuje křehkost. Koncentrace Au x 2 +
koncentrace Cu celk. méně než 0,35%.
Fe - žádná rozpustnost v tuhé fázi, tvoří intermetalické sloučeniny, kontaminace
způsobuje křehkost, zrnitost.
Mg - podobně jako Al.
Ni - žádná rozpustnost v tuhé fázi, tvoří intermetalické sloučeniny s Sn, neškodí.
Ag - žádná rozpustnost v tuhé fázi, tvoří intermetalické sloučeniny, zrnitost a důlky
v povrchu.
Zn - zanedbatelná rozpustnost v tuhé fázi, netvoří intermetalické sloučenin, škodlivý
0,005%, zrnitost povrchu, výrazně zhoršuje smáčecí charakteristiky, problémy při
tuhnutí, podporuje oxidaci povrchu pájky.
S - škodlivá kontaminace od 7 ppm, vytváří nežádoucí sirníky.
102
P - fosfor a arsén způsobuje nesočivost.
8.2. Ruční pájení
Hlavní zásada: efektivní přenos tepla při optimálních pracovních teplotách. Cílem je
dosažení co nejspolehlivějšího spoje volbou vhodného času a teploty. Pro
eutektickou pájku Sn63Pb s teplotou tání 183°C se doporučuje teplota hrotu asi o
80°C vyšší. Dále je nezbytné zvolit vhodný typ tavidla a pájecí slitiny v trubičkové
pájce, zajistit dobrou hájitelnost spojovaných částí při respektování správné techniky
ručního pájení.
Během pájení je nutno zajistit prohřátí pájeného spoje a přidávání pájky přímo na
pájené místo viz Obrázek 25 a). Nesprávný postup s přidáváním trubičkové pájky na
hrot je na Obrázek 25 b)
Obr. 25. Ruční pájení a) správná technika b) nesprávná technika
Trubičkové pájky s Ag, Cu a jejich přednosti
Pro pájení povrchové montovaných prvků se používají pájky s obsahem Ag
(eliminuje rozpouštění terminálů obsahujících stříbro), pro pájení měděných lanek se
preferuje pájka s obsahem Cu. Pro některé aplikace je výhodné použití pájecího
drátu a externího tavidla.
Typy pájecích zařízení
Zařízení pro ruční pájení pracují na 2 základních principech:

Regulovatelná pracovní teplota
Teplota je snímaná čidlem poblíž hrotu ve vyhřívané části pracovního nástroje. Jako
čidlo se používá termočlánek nebo laserem trimovaný rezistor. Zapojení topného
tělesa je zpravidla pětivodičové (2 vodiče napájení, 2 vodiče čidlo, zem).

Fixní pracovní teplota
Hroty jsou důležité pro kvalitní pájecí proces a pro dobrý přenos tepla. Hrot bývá buď
zasunut a vyhříván topným tělesem po obvodu, nebo je topné těleso umístěno uvnitř
hrotu. Hroty mají pro zajištění dlouhé životnosti několik vrstev povrchových úprav.
Pro dlouhou životnost je vhodné dodržovat tato doporučení:
103
Všeobecná doporučení pro zvýšení životnosti hrotů:
1. Používat co nejnižší pracovní teploty
2. Volit hrot s maximální kontaktní plochou
3. Volit hrot co možná nejkratší
4. Udržovat hrot pocínovaný a čistý bez oxidů
5. Používat pájku pro zlepšení přenosu tepla
6. Aplikovat trubičkovou pájku na spoj, ne na hrot
8.3. Pájení přetavením pájecí pasty (reflow pájení)
Při tomto technologickém postupu se součástky osazují do pájecí pasty, která se
přetaví při teplotě, která je vyšší, jako bod tání pájky obsažené v pastě. Během
pájení jsou součástky povrchovým napětím "vycentrovány" na plošky DPS. Pájí se
montážní celky osazené čistou povrchovou montáži jednostrannou či oboustrannou i
typy kombinované povrchové montáže.
Druhy přenosu tepla
Pro přetavení pájecí pasty je možno použit prakticky všechny způsoby přenosu
tepla: tj.:

vedení (kondukce)

proudění (konvekce)

záření (radiace)
Vedení (kondukce)
Každá látka je charakterizována teplotou, která je mírou tepelného pohybu částic. Při
kontaktu dvou látek o rozdílných teplotách předávají částice teplejší látky část své
kinetické energie částicím látky chladnější, tzn. přímým fyzickým kontaktem. Přenos
tepla lze zprostředkovat přes tuhá, kapalná a plynná média.
Tepelný tok q, tj. množství tepla, které projde plochou S za určitý časový interval se
určí ze zjednodušeného vztahu jednodimenzionální formy Fourierova zákona.
q = λ x S x ΔT / L)
kde
q - teplotní tok (W)
λ - teplotní vodivost materiálu (Wm-1K-1)
S - plocha, kterou prochází teplo (m2)
104
ΔT/L - teplotní gradient Km-1
⇒ jistá analogie s Ohmovým zákonem: q - proud, ΔT - rozdíl napětí, L/ λS odpor
Touto metodou se realizuje přenos tepla z pouzder součástky/spoje na substrát.
Kontaktní metodu lze použít na pájení keramických substrátů, příp. vícevrstvých DPS
s kovovým jádrem, tedy materiálů, které mají velmi dobrou tepelnou vodivost.
Proudění (konvekce)
Teplo se přenáší pohybem celého souboru molekul kapaliny nebo plynu. Šíření tepla
prouděním je tedy intenzivnější než šíření tepla vedením (neuspořádaný pohyb
jednotlivých molekul). V konvekčním proudění je i jistá část energie předávaná
kondukcí. Konvekce je buď přirozená, nebo nucená.
Přirozená konvekce nastává v kapalinách nebo plynech působením gravitačních sil,
v místech, kde je hustota vyšších částí teplotního media větší než částí nižších,
klesají hustší části dolů a řidší stoupají naopak vzhůru.
Nucená konvekce se používá tam, kde je potřeba větší přenos tepla. Proudění se
vytváří uměle pomocí ventilátorů nebo čerpadel.
qc = hc x S x (Ts - Ta)
kde
qc - přenos tepla prouděním z povrchu do okolí (W)
hc - koeficient konvekčního přenosu tepla (Wm-2K-1)
S - plocha (m2)
(Ts - Ta) - rozdíl teploty povrchu Ts a teploty okolí Ta (K)
⇒ jistá analogie s Ohmovým zákonem: q - proud, ΔT - rozdíl napětí, 1/ hcS odpor
Záření (radiace)
Tepelná energie se přenáší zářením, tj. elektromagnetickým vlněním. Množství
tepelné energie přenesené radiací mezi dvěmi tělesy teploty T1 a T2 lze vyjádřit
rovnicí:
q = εk (T14 -T24)
kde
q - množství tepelné energie
ε - koeficient vyzařování
k - Stefan-Boltzmanova konstanta 5,67.10-8(Wm-2K-4)
T1,T2 – teploty
105

Metody pájení přetavením
Metody pájení přetavením:

konvekční pájení

infraohřev

metoda pájení pomocí laseru

kondenzační metoda

kontaktní metody
o vyhřátým nástrojem
o vyhřátým pásem
Ve srovnání s pájením vlnou, případně jinými technologiemi, má pájení přetavením
pájecích past následující výhody:

pájka a tavidlo se vhodným technologickým postupem aplikují pouze
v místech kde je třeba, výsledkem je:
o úspora materiálu
o pájka a tavidlo se dávkují v přesně definovaném poměru
o je vyloučena "nekontrolovatelná" přítomnost nečistot, které se mohou
dostat na pájený spoj při pájení vlnou, případně jiných postupech

pájecí proces probíhá bez teplotních rázů

přesný technologický postup aplikace pasty umožňuje dosáhnout vyšší
hustoty montáže

oboustranná montáž SMD
Faktor
IR
Kondenzace Konvekce
Řízení procesu
dobré
výborné
Pracovní teplota
regulovatelná pevná
velmi dobré
regulovatelná
Homogenita pracovní teploty špatná
velmi dobrá
dobrá
Max.teplota
špatně def.
pevná
špatně def.
Univerzálnost
ucházející
velmi dobrá
dobrá
106
Citlivost na barvu materiálu
velká
žádná
malá
Tab. 8.1. Srovnání tří nejdůležitějších metod pájení přetavením
Konvekční pájení je nejrozšířenější metodou. Součástky, DPS i pájecí pasta jsou
ohřívány proudem vyhřátého plynu. Méně se používá infraohřev kondenzační
metoda, metoda pájení pomocí laseru, případně kontaktní metody - vyhřátým
nástrojem, nebo vyhřátým pásem.

Trendy v reflow pájení:

kontinuální zlepšování kvality pájení při dalším snížení koncentrace O2
v dusíkové atmosféře

nucená konvekce s recirkulací plynného média

zlepšení technického vybavení reflow pecí, např. samočištění tj. „spálení“
zkondenzovaných tavidlových zbytků krátkým cyklickým ohřevem a jejích
odsátí, přídavné spodní chlazení v přetavovací sekci aj.

monitorování procesu vč. SPC
Trafopájka
Trafo pájka umožňuje ve spojovací technice spojovat dva materiály pomocí páječky.

Princip
Trafopájka obsahuje několik set závitů primárního vinutí, aby bylo vytvořeno optimální
magnetické pole. Sekundární vinutí, obsahuje pár závitů z obdélníkového vodiče, které jsou
vyvedeny ven z těla trafopájky na železné tělo pájky, na které se upevňuje pájecí očko.
Díky tomu, že sekundární vinutí obsahuje pár závitů, nevzniká nebezpečné napětí a
trafopájkou prochází velký proud. Pokud mezi vyvedené železné tělo trafopájky je upevněno
tenké (poměrně) pájecí očko, prochází jim zkratový proud, který očko zahřívá.
Obr. 8.5. Trafopájka
107

Vytvoření pájecího očka
Vytvoření pájecího očka a jeho následné upevnění je velmi jednoduché.

Pájecí očko je možno koupit ve specializovaných obchodech s elektrotechnickými
potřebami.
Obr. 8.6. Pájecí očko


Takto zakoupené očko, je třeba ohnout pomocí kulatých tvarovacích kleští dle směru
utahování šroubků na čelistech trafopájky.
Není-li k dispozici kupované očko, je možné si je snadno vyrobit například ze
svařovacího drátu nebo z tlustšího propojovacího drátu.
Obr. 8.7. Upevnění pájecího hrotu na trafopájku

Postup při pájení trafopájkou
Obecně platí, že zapneme trafopájku, jakmile je hrot dostatečně teplý (během několika
sekund) nabereme spičkou očka potřebné množství cínu, které aplikujeme na dané místo.
Trafopájka musí být stále v sepnutém stavu. Například při pocínování drátu, drát nejprve
zatočíme, aby nedocházelo k uvolnění drátků, nabereme potřebné množství cínu, přiložíme
k místu, které chceme pocínovat (pájka je stále zapnutá) a čekáme až se dané místo prohřeje
na danou teplotu k protavení cínu části drátku. Tento proces opakujeme do té doby, než je
drátek celý pocínovaný a cín je lesklý a hladký.
108
Obr. 8.8. Postup při pocínovaní drátu
Mikropájka
Mikropájka pracuje na obdobném principu jako trafopájka s tím rozdílem, že teplo je
vyvedeno na pevný hrot mikropájky.
Obr. 8.9. Mikropájka

Postup při pájení mikropájkou
Dle použité páječky, nastavte teplotu, obvykle 300°C. Počkejte, než indikace na pájce
pohasne, nemá-li mikropájka led diodu, která signalizuje stav dosažené teploty, použijte
kousek páječky, jakmile se začne na pájce tavit a rozlévat je pájecí hrot dostatečně nahřát.
Oproti trafopájce nenanášíme na hrot cín, ale přiložíme hrot pájky na požadované místo a
jemně vtlačujeme páječku do místa styku hrotu s objektem, který chceme zapájet.
Pájka nesmí být ani hodně ani málo zahřátá, po odejmutí hrotu páječky by místo spoje mělo
být lesklé a hladké.
109
Obr. 8.10. Postup při pájení klasických součástek
Obr. 8.11. Akceptovatelné stavy spoje
Obr. 8.12. Neakceptovatelné stavy spoje
Obr. 8.13. Neakceptovatelné stavy zakončení spoje
Při pájení SMD součástek postupujeme následovně:

Nejprve naneste pájku na jednu pájecí plošku,
110




Vezměte do pinzety SMD součástku a přiložte na požadované místo,
Nahřejte pájku a jemně vtlačte pinzetou SMD součástku na pájecí plošku,
Po zatuhnutí, přiložte hrot mikropájky na druhou stranu SMD součástky a vtlačte
trochu cínu do místa styku páječky a SMD součástky,
Po odejmutí páječky by měla být pájka lesklá a hladká.
Obr. 8.14. Akceptovatelné pájení
Obr. 8.15. Neakceptovatelné pájení
Reflow pec
Jedná se o horkovzdušnou pec s možností programovatelného programu.
Obr. 15:
Reflow pec
111
Obr. 8.16. Teplotní křivka v Reflow peci
Uživatelské rozhraní
Při práci s reflow pecí musí být prostor kolem pece volný. Pec aktivujeme zapnutím
hlavního vypínače. Po několika vteřinách se načte program v reflow peci a vyzve vás
k otevření dvířek. Tento úkon se provádí pomocí vysouvacích tlačítek.
Po vysunutí dveří s roštem, vložte desku plošného spoje na rošt a opět vyčkejte na
pokyny k zavření dveří.
Pozn: Probíhá předem nastavený program pro standardní pájení v peci. Deska se
pájí infraohřevem, a proto není možné se dívat přímo do ohřívacích lamp ani
přes dvířka, protože by mohlo dojít k poškození zraku.
Po proběhnutí pájecícho cyklu se dvířka reflow pece samy otevřou. Vyčkejte na
vychladnutí roštu i desky plošného spoje (HROZÍ POPÁLENÍ).
Po ukončení pájení nechtě reflow pec vychladnout na cca 80°C a po vychladnutí pec
vypněte pomocí hlavního vypínače. Po úplném vychladnutí přikryjte reflow pec
přehozem.
112
Obr. 6: Pájecí trouba
Nastavení pájecího cyklu
Po prvním zapnutí se na LED displeji vypíše název programu a proběhne diagnostika
pece. Po skončení této činnosti se na textovém displeji asi na 5 sekund objeví nápis:
Chcete měnit program? [a/n]. Jestliže je připojena klávesnice, zvolíte možnost „a“ a
dostanete se do režimu nastavení parametrů. V případě zvolení „n“ pokračujete v
předešlém nastaveném programu.
Při nastavování reflow peci se nastavují čtyři parametry:




Hodnota teploty předehřevu
Hodnoty teploty přetavení
Délka trvání předehřevu
Délka trvání přetavení
113
Obr. 8.17. Nastavení parametrů
Je nutné pamatovat na to, že každý programovací cyklus je třeba pojmenovat od 0199 aby jej bylo možné posléze vyvolat. Program číslo 00 je nastaven od výrobce a
nelze měnit.
Editování zvoleného programu se provádí pomocí klávesy „E“.
Nastavení teplotních a časových proměnných je možné zadat pomocí klávesnice,
listovaní mezi parametry je možné pomocí šipek a po editaci je nutné potvrdit
nastavení opětovný zvolením písmene „a“.
Další zdroje
[7.]
[8.]
neuvedeno
[cit.
2014-05-12].
Dostupné
z:
114
[9.]
[10.]
[11.]
[12.]
115
9 Prokovování DPS
Pokovování motivů plošných spojů může velmi významně prodloužit životnost
plošných spojů, ale současně vyžaduje od konstruktéra, aby dbal na technologická
omezení z toho vyplývající.
9.1. Galvanické prokovování otvorů
Úkolem tohoto procesu je docílit souvislého kovového povlaku na vnitřním povrchu
vrtaného otvoru. Tento povlak musí pevně lnout k nosnému materiálu desky a musí
být dobře pájitelný. Pro tento proces používáme galvanochemický postup
vypracovaný firmou SHIPLEY. Vrtané otvory jsou chemickými lázněmi vyčištěny a v
otvorech je narušen povrch základního materiálu a obnažena skelná výztuž
sklolaminátu. Takto upravený povrch otvoru je chemicky aktivován v celé ploše vrtu
elektricky vodivým aktivátorem a aktivovaná vrstva galvanicky pokovena v síle 4 - 5
µm. Tím, že je elektricky vodivý celý aktivovaný povrch vrtaného otvoru, dochází k
hlubokému zakotvení galvanické mědi do povrchu otvoru. Po tomto základním
prokovení je na DPS nanesen rezist a fotoprocesem vytvořen vodivý obrazec. Vodivé
cesty a vnitřní povrch otvorů jsou zesíleny galvanickou mědí 20 - 25 µm. Zaručuje se
síla prokovení 20 µm. K leptání se používá selektivní leptadlo působící pouze na Cu.
Části, které mají zůstat neodleptány je nutno zakrýt galvanicky naneseným rezistem;
v naší technologii je k tomuto účelu používán Sn, Ni a Au. DPS je pak odleptána.
Tloušťka galvanického nánosu kovu je ovlivňována několika faktory a proto je
udávána i vyšší tolerance výsledného průměru otvoru.
116
Obr. 9.1. Průřez prokoveným otvorem
9.2. Žárové cínování - HAL
Žárové cínování - halování je technologický proces finální úpravy DPS nanesením
63%SnPb pájky na povrch vodičů a pájecích oček. Pokud není zákazníkem
specifikováno jinak, provádí se u všech DPS pro uchování pájitelnosti. Bez provedení
HAL neposkytujeme garanci pájitelnosti.
Obr. 9.2. Zakrytí vodiče PbSn pájkou
117
Z odleptané DPS je v chemické lázni odstraněn krycí Sn rezist až na čistou
galvanickou měď. Části neurčené k pájení se mohou pokrýt nepájivou maskou. Na
měděnou vrstvu je v technologickém zařízení HAL ponorem v roztavené lázni
nanesena SnPb pájka. Přebytečná pájka je odstraňována ofouknutím proudem
stlačeného vzduchu. Halování DPS je vysoce kvalitní povrchová úprava, která
umožňuje dlouhodobou skladovatelnost při zachování dobré pájitelnosti DPS.
Halované části mají zakryty boky spojů bez ostrých hran a vnitřní plochy
prokovených otvorů). Na sílu vrstvy nanesené pájky má vliv více faktorů. Výsledná
tloušťka se pohybuje od 10 do 50 µm a proto je nutné při návrhu plošného spoje
uvažovat s tolerancí výsledného průměru otvoru. Nerovnoměrné překrytí pájecích
ploch Pmax = 50 µm může činit potíže při osazování DPS povrchovou montáží.
Tento nedostatek odstraňuje metoda celoplošného galvanického zlacení DPS.
Obr. 9.3. Nerovnoměrné překrytí pájecích ploch
9.3. Chemické zlacení
Používaná technologie firmy SHIPLEY chemického zlacení umožňuje nanesení
tenké vrstvy zlata na celou plochu měděných částí DPS. Z odleptané DPS je v
chemické lázni odstraněn krycí rezist Sn. Na čistou galvanickou měď je nejprve
naneseno cca 8 µm chemického niklu a dále 0,40 µm chemického zlata. Uvedená
technologie umožňuje získání roviny všech pájecích ploch pro osazování
vícevývodových součástí povrchové montáže. Při pájení je nutno použít aktivní
tavidla a zvýšit teplotu pájení o 20%.
9.4. Galvanické zlacení
Galvanické zlacení konektorových nožů
118
Galvanické zlacení konektorových nožů se provádí nánosem cca 8 µm galvanického
niklu a cca 1-2 µm galvanického zlata. Tloušťku zlata je nutno uvést na objednávce,
základní provedení je 1 µm. Pro galvanické zlacení musí být všechny měděné části
pod čarou ponoru do lázně galvanicky propojeny, nebo zakryty nepájivou maskou a
společný vývod vyústěn nejméně 50 mm nad čarou ponoru. Galvanicky nepropojené
a nezakryté části mědi se v galvanické lázni rozpouští a lázeň znehodnocují. Chybně
navržené DPS nemůžeme zlatit. Zlatící linka je navržena pouze na zlacení
konektorových nožů a nelze v ní zlatit části DPS vzdálené od technologického okraje
DPS více jak 25 mm. U oboustranně zlacených konektorů je vhodné propojit
společné vývody prokoveným otvorem.
Obr. 9.4. Zlacení konektorů DPS
9.5. Celoplošné galvanické zlacení motivu DPS
Celoplošné galvanické zlacení motivu plošného spoje nahrazuje zlacení chemickým
zlatem. Protože se jedná o galvanický proces, je možno přesně výpočtem stanovit a
zhotovit jednotlivé tloušťky vrstev a výsledkem je dokonalý povrch plošného spoje s
rovností povrchu lepší jak +/- 0.5 µm. Povrch je dokonale pájitelný za použití běžných
tavidel a skladovatelnost spoje není omezena. Další výhodou je odstranění olova z
výrobního procesu. Zlacení se provádí pouze na motiv plošného spoje a galvanické
propojení tvoří základní plátování Cu. Ozlacená vrstva vytváří galvanorezist odolný
vůči použitému leptadlu. Tuto vrstvu tvoří 8 µm galvanického niklu a tenká vrstva
galvanického zlata. Nikl zajišťuje dobrou pájitelnost a zlato zabraňuje oxidaci niklu.
Touto cestou zhotovujeme DPS určené pro SMT montáž. Zákazník si může také
předepsat jaká síla zlata má být na nikl nanesena, popřípadě lokalizovat v celé ploše
119
desky zesílení pouze některých míst motivu plošného spoje, například plošky
klávesnic.
Obr. 9.5. Lokální zlacení plošek DPS
9.6. Galvanický cín
Provedení DPS v galvanickém cínu je jednou z možných finálních úprav povrchu
DPS. Odleptaná DPS s naneseným cínovým rezistem je polotovarem pro další finální
výrobu povrchových úprav pokovovacími procesy. Její výhodou je možnost rychlého
zhotovení levných ověřovacích vzorků DPS, určených k dalším zkouškám anebo k
použití v nenáročných a vlastní konstrukcí dobře zabezpečených výrobcích. Tloušťka
vrstvy galv. cínu je 7 - 10 µm . DPS v tomto provedení nelze se zárukou dlouhodobě
skladovat, neboť klesá jejich počáteční pájitelnost.
9.7. Manuální prokovování
Prokovení, které je možné realizovat v prototypové laboratoři SAZE je za pomocí
ručního lisu, který tlakem hlavice roznýtovává polotovary pozlacených nýtků, dle
velikostí. K tomuto účelu, je k dispozici ruční lis firmy FAVORIT, do kterého je možné
umístit jednotlivé hlavy určitých nýtovacích hlav dle velikosti použitých nýtků.
V laboratoři jsou k dispozici hlavice: 0,4; 0,6; 0,8; 1; 1,2 a k nim nýtky. Je třeba brát
na zřetel, že velikost díry musí být vždy alespoň o cca 0,2mm větší než požadovaný
nýtek.
120
Obr. 9.6. Technologie na realizaci nýtků a) ruční lis na nýtky, b)aplikace nýtku do
DPS
Postup při nýtování je následující. Do nýtovacího lisu zašroubujte nýtovací hlavy a
vystřeďte je tak, aby se vodící sloupky pokud možno dotýkaly v jedné rovině.
Obr. 9.7. Uložení hlav
Po té vložte desku plošného spoje na, které byly provedeny všechny ostatní výše
zmíněné technologie provrtáme na příslušné velikosti děr. Po té vložíme nýtek do
vyvrtaného otvoru tak, aby již zahnutá strana nýtku byla na spodní straně hlavy.
121
Obr. 9.8. Uložení nýtku do nýtovací aparatury
Po tomto kroku už zbývá jen pomocí páky stlačit lisovací stroj.
Další zdroje
[13.]
[14.]
neuvedeno
[cit.
2014-05-12].
Dostupné
z:
122
[15.]
[16.]
[17.]
[18.]
[19.] Izolační desky: SKLOTEXTIT ® FR4. LABARA: Obrábění elektroizolačních
materiálů
[online].
2014
[cit.
2014-05-12].
Dostupné
z:
http://www.labara.cz/vrstvene-izolanty/izolacni-desky/155-sklotextit-r-fr4
[20.] MRÁZEK, Oldřich. Pokovovací procesy plošných spojů. HW server [online].
Firemní prezentace Printed s.r.o, 28.5.2003 [cit. 2014-05-12]. Dostupné z:
http://www.hw.cz/teorie-a-praxe/dokumentace/pokovovaci-procesy-plosnychspoju.html
123
11 CNC stroje
Z dnešního pohledu je podstatná část vývoje technologií třískového obrábění
datována do období průmyslové revoluce, která probíhala v 18. a 19. století. Zvláště
významný rozvoj tohoto výrobního odvětví nastal ve století 20., a také v době
dnešních dnů vývoj i výzkum nebo aplikace obrábění nezpomaluje.
Nahlédneme-li na historii také částečně z pohledu ovládání obráběcích strojů, tak o
podstatném zrychlení vývoje můžeme hovořit až od okamžiku, kdy byl k dispozici
první mechanický pohon stroje. Další cesta pak vedla k zapojení parního stroje a
následně přes několik navazujících historických milníků až k dnešním
elektromotorům. Doposud se však jednalo především o manuální výrobní činnosti.
Až v průběhu 20. století začaly do procesů třískového obrábění výrazně vstupovat
prvky řízení a automatizace.
Historie vývoje CNC obráběcích strojů, nebo-li vývoje číslicové techniky, probíhala
současně v několika oblastech: jednotlivé strojní komponenty, výrobní soustavy,
řídicí systémy a strojní celky. Již okolo roku 1950 se jako pohonné jednotky začaly
používat elektricky řízené hydromotory a později byly aplikovány elektricky řízené
motory. Pro odměřování při polohování se využívalo optických principů (lineární a
rotační odměřovací systémy). První zde ještě takzvané NC konzolové frézky byly
víceméně modifikované konvenční stroje (Feranti ve Skotsku, Parson v USA). Řídicí
systémy pracovaly na principu vakuových lamp (Record play back) a začalo se
prosazovat i tzv. pravoúhlé řízení a systémy s magnetickým záznamem dat.
V roce 1960 uvedla firma Kearney&Trecker první obráběcí (frézovací) centrum. NC
systémy byly již tranzistorové. Koncem 60. let pak v USA aplikovali integrované
obvody s možností parabolických a splineových interpolací. NC stroje se integrovaly
do prvních výrobních linek.
V 70. letech se při stavbách strojů aplikovaly kuličkové šrouby a hydrostatická
vedení. Firma Herbert uvedla na trh první soustružnické centrum s rotačními nástroji
pro frézování a vrtání. NC systémy byly doplňovány pamětí a umožňovaly editaci
programů (Westinghouse). Od nich byl jen velmi malý krůček k prvním CNC
systémům.
Firma
Kearney&Trecker
přišla
s
prvním
FMSPVS
(FlexibleManufacturingSystem pružný výrobní systém).
V 80. letech začaly být stroje vybavovány zásobníky nástrojů i obrobků a do
konstrukce NC strojů se aplikovaly senzory pro sledování pohonů a jednotlivých
mechanismů. Řídicí systémy byly založeny na bázi CNC/PLC s multiprocesorovými
mikropočítačovými strukturami. Toto období je velmi důležité, poněvadž došlo k
výraznému prosazení frézovacích i soustružnických center do technologií třískového
obrábění.
124
V 90. letech minulého století byly aplikovány velkokapacitní zásobníky s
mezioperační dopravou nástrojů i obrobků. Výrazně se zvyšovala přesnost výroby
jednotlivých typů součástí na NC strojích, zvyšovala se produktivita výroby a CNC
stroje již měly poměrně otevřenou architekturu. Rostoucí ariabilita obráběných dílů
vedla k většímu uplatňování pružných výrobních systémů.
Obr. 11.1. Blokové schéma CNC řídicího systému
Ve 21. století byl zahájen vývoj nové generace obráběcích center. Jsou vytvářeny
především multifunkční stroje a výrazně se hovoří i realizuje sjednocování HW a SW
(Hardware, Software). Běžně jsou do CNC strojů integrovány CAD/CAM systémy a
dále se posiluje provázanost na externí počítačové stanice.
11.1. Systémy
125
Vývoj tzv. CAM obsahoval původně oblast plánování výroby. Zkratka CAM (z
anglického ComputerAidedManufacturing), která je dnes poměrně běžně užívaná,
označuje systém pro počítačovou podporu výroby, zahrnující přímé řízení NC
techniky, robotů, mezioperační dopravy výrobků, polotovarů, materiálů a nářadí. Co
však znamenají další dnes běžně užívané zkratky? Jaká je mezi nimi návaznost?
Z pohledu historie jsme tedy rozlišovali:
CIM (ComputerIntegratedManufacturing) počítačem integrovaný výrobní systém
(výroba);
CAM (ComputerAidedManufacturing) systém počítačové podpory výroby, který
zahrnoval přímé řízení NC techniky, robotů, mezioperační dopravu materiálu,
polotovarů i výrobků a nástrojů;
CAE (ComputerAidedEngineering)
činností;
systém
počítačové
podpory
inženýrských
CAD (ComputerAided Design) počítačová podpora procesu konstruování;
CAPE (ComputerAidedProductionEngineering) systém pro tvorbu a údržbu informací
v TPV (technologická příprava výroby), který zahrnuje plánování výroby,
technologičnost konstrukcí, tvorbu technologických postupů, NC programů a volbu
nástrojového i měřicího vybavení;
CAP (ComputerAidedProgramming) systém pro zpracování NC programu stroje;
CAPP (ComputerAidedPocessPlanning) systém, který zahrnuje plánování výroby,
včetně návrhu a tvorby korekcí plánů s ohledem na dodržování smluvených termínů
zakázek a požadavků na materiální i nástrojové vybavení (zajištění);
CAQ (ComputerAidedQuality) systém počítačové podpory kontrol a řízení jakosti;
CA (ComputerAided) počítačová podpora;
NC (NumericalControl) číslicové řízení operací obrábění (přímé vkládání číslicových
údajů);
CNC (ComputerNumericalControl) počítačem řízený NC stroj;
DNC (Direct NumericalControl) centrálním počítačem řízená a kontrolovaná síť NC
strojů. Celková koncepce CIM byla poprvé definována již v roce 1973 Josephem
Harringtonem v jeho knize ComputerIntegratedManufacturing. Schematické
znázornění vzájemné návaznosti jednotlivých systémů, publikované v pozdější době,
je naznačeno na obr.
126
Obr. 11.2. Schematické znázornění vzájemné návaznosti jednotlivých systémů
Zavádění výpočetní techniky do prostředí výroby postupně způsobilo významné
změny v technologiích. Se zdokonalováním počítačů docházelo ke zvyšování počtu
jejich technických aplikací do různých fází procesu navrhování a realizace nových
výrobků. Konstruování elementárních součástí i rozsáhlých sestav se z rýsovacích
prken přeneslo do CAD aplikací. Navazující a související technologické činnosti
mohou využít připravené elektronické formy dat. Například pomocí systému CAPE
jsou tvořeny výrobní postupy a právě vzájemným propojením CAD a CAPE vznikl
systém CAE, který je počítačovou podporou konstruování výrobku z hlediska jeho
budoucí funkce a technologičnosti. Zpracování technického postupu výroby součástí
a programu pro NC stroje je prováděno pomocí systému CAP a systém CAPP slouží
k řízení a sledování výroby z pohledu termínů dodávek, požadavků na materiální i
nástrojové vybavení. Zastřešující systém CAM pak pomáhá řídit výrobu a zahrnuje
tak fáze plánování i přípravy a řízení výroby. Vše samozřejmě opět pomocí počítače.
Postupný vývoj systému CAM do značné míry souvisel i s vývojem NC a CNC
systémů. Ekonomické tlaky na vývoj a aplikace výpočetní techniky do výrobních
technologií se i dnes neustále zvyšují. Již v devadesátých letech minulého století
odborné studie uváděly statistiky, ze kterých vyplynulo, že během jednotlivých
konvenčních výrobních operací je vyráběná součást 95 % času uložena na paletách.
Jen 5 % času je tedy aktivně opracovávána. Zvýšením komunikace mezi jednotlivými
odděleními, která jsou vzájemně propojena, se tento „nepříznivý“ stav výrazně
změnil.
127
Rozbor jednotlivých historických milníků prokázal, že zavádění výpočetní techniky, a
tedy CNC strojů do výroby, zvyšuje konkurenceschopnost firmy. Vede ke zvyšování
produktivity a zkracování mezioperačních časů i doby přípravy výroby, ke zvýšení
přesnosti a eliminaci chyb (odstranění tzv. lidského faktoru).
11.2. Automatizace
Z historického pohledu se však vývoj automatizace odehrával v několika etapách.
Běžně jsme se mohli setkat, a i dnes se setkáváme, s tzv. konvenčními obráběcími
stroji, číslicově řízenými stroji jednoprofesními, obráběcími centry, vícevřetenovými
obráběcími centry, jednoúčelovými stroji, pružnými výrobními linkami, pružnými
výrobními soustavami, tvrdými automatickými linkami nebo automatizovanými
výrobními soustavami. V současné době je poslední vývojovou etapou automatizace
vytvoření automatického výrobního závodu.
Omezíme-li se však jen na základní výrobní zařízení, tak je patrné, že v oblastech
malosériové a středně sériové výroby je automatizace s aplikací CNC strojů zcela
nezbytná. Rychle se měnící sortiment výrobků a snaha snížit výrobní náklady při
maximalizaci výkonnosti vede k častému (pružnému) přizpůsobování strojů
jednotlivým obrobkům. Související trendy vývoje obráběcích strojů (multifunkční
stroje) rovněž potvrzují, že dosažení výrobní pružnosti je možno dosáhnout aplikací
programově řízených strojů.
Klíčovou předností CNC strojů je velmi snadný přechod mezi jednotlivými typy
vyráběných součástí. Přechod z jednoho typu obrobku na jiný se provádí změnou
řídicího programu (NC programu), který buď částečně nebo úplně využívá
seřízeného nástrojového a měřicího vybavení. Další významnou předností CNC
strojů je jejich zcela automatický chod. Ovládání veškerých funkcí (jednotlivé pohyby
řezného nástroje, nastavení pohybových rychlostí i otáček nástrojů, výměny nástrojů
nebo obrobků pro jednotlivé výrobní operace atd.) je realizováno postupným
zpracováváním jednotlivých řádků NC programu (zpracováváním tzv. bloků).
Všechny informace nezbytné pro obrobení součásti na stroji jsou tedy předem
zaznamenány formou řad alfanumerických znaků. Mezi tyto nezbytné výrobní
informace je možno zařadit:



rozměrové informace pro výrobu jednotlivých ploch součásti
informace o otáčkách řezného nástroje, posuvové rychlosti, řezném prostředí
atd.
informace ostatní (např. velikost časové prodlevy, otevření dveří
bezpečnostního krytu atd.).
CAD/CAM historie a současnost
128
Historie oboru CAD/CAM, bez kterého si současné efektivní obrábění na CNC
kovoobráběcích strojích nedokážeme představit, je především spojena se snahou
„ulehčit si“ a zrychlit práci s přípravou NC programů. Vždy se jedná o zkrácení
vedlejších časů při přípravě NC programů a následném seřízení výroby. Vedlejší
časy, spojené s přípravou výroby, zabírají velké procento časového fondu CNC
obráběcího stroje. Zvýšením využití strojního času daného stroje jen o 10 % při počtu
10 strojů ve výrobě získáme trvale volnou kapacitu jednoho stroje.
Vývojové generace obráběcích strojů
Nahlédneme-li ještě ve stručnosti na jednotlivé vývojové generace obráběcích strojů,
pak bude již zcela patrné, že změny ve způsobech NC programování byly
nevyhnutelné a že řadu změn musíme očekávat i v době dnešní a budoucí. První
vývojová generace, kam zahrnujeme tzv. NC stroje, vycházela z koncepcí strojů
konvenčních. V druhé generaci byly stroje vybavovány např. automatickou
mezioperační výměnou nástrojů a výměna opotřebovaných řezných nástrojů v
zásobníku probíhala ručně. Připojení dalších prvků, jako byl např. dopravník třísek,
vyžadovalo i rozšíření databáze programovacích funkcí. U strojů zařazovaných do
třetí vývojové generace byl integrován systém automatické výměny obrobků. Zvětšila
se kapacita zásobníků využívající i systém tzv. duplo nástrojů, ale stále se ještě
realizovala ruční výměna opotřebovaných řezných nástrojů.
Stroje čtvrté generace měly již vyřešeno napojení na automatickou výměnu
opotřebovaných řezných nástrojů ze zásobníků. Můžeme zde tedy hovořit o plně
automatizovaných technologických pracovištích, s možností „samostatně“ pracovat
ve třísměnném provozu. U strojů páté generace byly do konstrukcí postupně
aplikovány mechatronické prvky, které umožňují např. elektronickou kompenzaci
chyb polohování nebo měření rozměrů obrobků mezi obráběcími operacemi
(improcesní kontrola). Prostřednictvím měřicích sond jsou kvantifikovány hodnoty
nezbytných korekcí (odchylek od požadované hodnoty např. stanovené technickým
výkresem), které jsou interaktivně aplikovány při probíhajícím procesu obrábění. V
této generaci strojů se rovněž můžeme setkat s laserovým odměřováním polohy a
optimalizací řezných podmínek. Stroje zatím poslední, šesté vývojové generace, mají
konstrukci založenou na požadavcích minimalizace časů výměn obrobků a nástrojů,
na suchém víceosém a vysokorychlostním obrábění, na dálkové diagnostice, na
ultrapřesném obrábění (desetiny mikrometru) a na koncepcích pro obrábění
konkrétních typů součástí (stroje na zakázku).
Způsoby řízení
Číslicové řízení (NC NumericControl) obráběcích strojů prošlo v průběhu svého
vývoje řadou změn. Měnila se jednotlivá záznamová média i způsoby přenosu a
uložení dat (děrné štítky, děrné nebo magnetofonové pásky, diskety, DNC
129
komunikace, flash disky, až po propojení jednotlivých pracovišť do internetové či
intranetové sítě s integrací centrálních serverových pracovišť). Pojem NC se dnes
používá jak pro označení typu, tak pro způsob řízení. Dnes tedy běžně užívané NC
programování (především CNC strojů) je označení pro řízení obráběcího stroje
prostřednictvím kódovaných informací (příkazů neboli funkcí), které jsou složeny z
alfanumerických znaků a dalších symbolů. Tyto jednotlivé programové věty (bloky
nebo řádky) jsou složeny ze slov, které jsou strojem převáděny na impulzy
elektrického proudu nebo dalších výstupních signálů pro aktivaci servomotorů nebo
ostatních zařízení potřebných pro provoz stroje. Na rozdíl od konvenčních strojů
nejsou tedy CNC stroje přímo ovlivněny tzv. lidským faktorem, ale jsou závislé
především na kvalitě vytvořeného NC programu.
Zmiňovaný lidský faktor se však (nepřímo) může negativně nebo naopak velmi
pozitivně projevit v úrovni zpracování NC programů pro obrábění. Jelikož CNC stroje
musí pracovat v poloautomatickém nebo zcela automatickém režimu bez zásahu
obsluhy, musí být věnována převážná míra pozornosti jednotlivým detailům
plánování a přípravy obrábění. Konkurenceschopnost tak opět závisí především na
zkušenostech a odborných znalostech osob, které ovlivňují proces výroby, nehledě
na použité počítačové vybavení.
Pracovní prostor CNC obráběcího stroje
V pracovním prostoru CNC obráběcího stroje jsou určeny některé základní vztažné
body:
Referenční bod stroje R: je přesně stanoven výrobcem a jeho aktivací dochází k
sjednocení mechanické a výpočetní části stroje. Slouží k přesnému nastavení
odměřovacího systému po zapnutí stroje. Zařazení referenčního bodu do CNC
programu také umožní odstranění chyb, které mohou vznikat interpolací (pokud stroj
nemá zpětnou vazbu). Je realizován mechanickým způsobem - pomocí koncových
spínačů.
Nulový bod stroje M: je pevně stanovený bod, který je výchozím bodem pro
všechny další souřadnicové systémy a vztažné body na stroji. U frézek, vrtaček (u
strojů, kde hlavní pohyb vykonává nástroj) je spojnice nulového bodu stroje M a
referenčního bodu R úhlopříčkou pracovního prostoru stroje. U soustruhů je nulový
bod stroje M umístěn vose rotace obrobku v místě zakončení pracovního vřetena
přírubou univerzálního sklíčidla. Vzdálenost nulového bodu stroje a referenčního
bodu je výrobcem přesně odměřena a vložena do paměti řídicího systému jako
strojní konstanta.
Nulový bod obrobku W: lze nastavit v libovolném místě pracovního prostoru stroje a
jeho polohu určuje technolog-programátor. Umísťuje se do takového místa, aby se co
130
nejvíce zjednodušilo programování v souvislosti
přechodových bodů (konstrukční základna).
s
výpočtem
Obr. 11.3. Pracovní prostor CNC obráběcího stroje
Obr. 11.4. Pracovní prostor CNC obráběcího stroje v prostoru
131
jednotlivých
Bod špičky nástroje P: je bod, jehož pohyb se teoreticky programuje. Je nutný v
souvislosti s určením korekce poloměru zaoblení ostří.
Vztažný bod suportu nebo vřetene F: je to bod sup ortu (u CNC frézky vřetene), ke
kterému se vztahuje délková korekce nástroje.
Bod nastavení nástroje E (nulový bod nástroje): je bod na držáku nástroje, který
při upnutí splyne s bodem F (na revolverové hlavě -využívá se při určování korekce
nástroje mimo CNC stroj).
Výrobci řídicích systémů umisťují počátek souřadnicového systému do bodu R nebo
do bodu M. V rámci programu lze počátek souřadnicového systému posouvat.
Další zdroje
Seznam další literatury, www odkazů ap. pro zájemce o dobrovolné rozšíření
znalostí popisované problematiky.
[1.]
[2.]
[3.]
[4.]
PBS VELKÁ BÍTEŠ, Středisko praktického vyučování. Obecný úvod do
problematiky CNC programování [online]. Velká Bíteš, neuvedeno [cit. 201405-15]. Operační program Vzdělávání pro konkurenceschopnost,
CZ.1.07/1.1.01/02.0084.
Dostupné
z:
http://www.sosbites.cz/images/stories/VUKOV_TEXT_-_1.ST.pdf . Výukový
materiál. Středisko praktického vyučování PBS Velká Bíteš, Vlkovská 279,
Velká Bíteš.
SADÍLEK, Marek. Počítačová podpora výroby [online]. VŠB-TU Ostrava,
Fakulta strojní, Studijní opora. 2010/2011 [cit. 2014-05-04]. Dostupné z:
http://www.346.vsb.cz/Počítačová%20podpora%20výroby.pdf
Učebnice CNC [online]. Žďár nad Sázavou, 8.5.2005 [cit. 2014-05-15].
Dostupné z: http://sstzr.cz/download/cat1/ucebnicecnc.pdf. Učebnice. Střední
škola technická, Žďár nad Sázavou.
Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj, Registrační číslo:
CZ.1.07/1.1.08/03.0009,. Historie CNC strojů [online]. neuvedeno, 25.5.2011
[cit.
2014-05-15].
Dostupné
z:
http://coptel.coptkm.cz/reposit.php?action=0&id=22926&instance=2. Studijní
materiál. COPTEL Internetový portál.
132
12 Řídicí systémy se souvislým řízením
Systémy umocňující výpočet korekce a geometrie pohybu nástroje. Rozdělují se
podle počtu současně řízených os na:
Jednoosé obrábění (1D) – umožňuje pohyb jen v jedné ose. Využívané např. u
vrtaček k zhotovení otvoru, pohyb jen v ose Z.
Dvouosé obrábění (2D) – řízení dvou os najednou. Lze se sním setkat u soustruhů,
pohyb ve dvou osách zároveň X-Z.
Dvou a půl osé obrábění (2,5D) – hovoříme u frézek, kde lze provádět lineární či
kruhovou interpolaci volitelně vždy v jedné rovině X-Y, X-Z nebo Y-Z, viz obrázek.
Neboli najetím na hloubku řezu (osa Z) a následně obrábět v osách X - Y.
Tříosé obrábění (3D) – jedná se o řízení frézek, které umožňuje obrábět ve třech
osách současně X-Y-Z. Činnost interpolátoru je zde nezastupitelná, protože
propočítává pohyb nástroje ve dvou osách v závislosti na třetí ose, viz obrázek.
Čtyřosé obrábění (4D) a víceosé obrábění – systémy dovolující obrábění nejen v
osách X, Y, Z , ale umožňuje dále rotaci kolem zmíněných os, tedy nástroj nebo
obrobek může být natočen, naklopen viz obrázek.
Obr. 12.1. 2,5 D a 3D
133
Obr. 12.2. 4D a ukázka 9osého systému
12.1. Vztažné body u CNC strojů
Každý řídicí systém obsahuje body, pomocí kterých se orientuje v prostoru a od
kterých odměřuje zadávané souřadnice. Tyto body se nazývají tzv. vztažné body:
Grafická
značka
Název a označení
Popis
M Nulový bod
Je stanoven výrobcem. Jedná se výchozí počátek
souřadného systému. U soustruhů bývá umístěn v ose
rotace a u frézek v krajní poloze stolu frézky v rovině X –
Z. Nemůže být změněn programátorem.
W Nulový bod
Jeho polohu si programátor volí sám s ohledem na tvar
součástky a zvyklosti. Váží se k němu všechny
programované souřadnice drah v NC programu. Většinou
se nulový bod obrobku u soustružení volí na čelní ploše
součástky a u frézování na nejbližší ploše k vřetenu
součástky.
stroje
obrobku
R
Referenční bod
Je dán výrobcem a slouží k nalezení nulového bodu stroje
při zapnutí stroje. Při zapnutí stroje se provede tzv.
zreferování počátečních nastavení stroje eliminace chyb.
N
Nulový bod
nástrojového
držáku stroje
Jedná se o bod, ke kterému se vztahují rozměry všech
nástrojů. Je stanoven výrobcem a nelze ho měnit. Při
vložení držáku do zásobníku nástrojů je tento bod totožný s
nulovým bodem výměny nástroje
134
T
Nulový bod
výměny nástroje
Tento bod slouží k určení bezpečného místa výměny
nástroje. Např.: bezpečné otočení revolverové hlavy v
pracovním prostoru stroje, tak aby nedošlo k poškození
nástroje, stroje ani obrobku.
P
Nulový bod
nástroje
Charakteristický bod pro dané typy nástrojů. U
soustružnického nože se jedná o bod ležící na teoretické
špičce nástroje, zatímco u rotačních nástrojů se nachází na
čelní ploše v ose rotace nástroje.
Tab. 12.1. Vztažné body u CNC strojů
Obr. 12.3. Vztažné body u soustruhu
135
Obr. 12.4. Vztažné body u frézky
12.2. Druhy řídících systému NC strojů
Podle složitosti pracovních cyklů rozeznáváme tyto druhy řídicích systémů:

Systém pro stavení souřadnic
Tento systém se nejčastěji používá u číslicově řízených vrtaček a vyvrtávacích strojů
pro přemísťování (polohování) obrobku vzhledem k nástroji. Pohyb probíhá
rychloposuvem v osách x a y podle zadaných souřadnic a není pohybem pracovním.
Ten probíhá vose z a představuje posun nástroje, např. vrtáku, výhrubníku,
výstružníku do řezu. Pohyb v této ose bývá řízen narážkami
136
Obr. 12.5. Systém pro stanovení souřadnic

Systém pro pravoúhlé řízení
Při tomto systému je prováděno obrábění rovnoběžně se souřadnými osami x, y , z ,
vždy však pouze v jedné z nich. Teprve po skončení pohybu v jedné ose může
nastat v druhé ose. To umožňuje soustružit válcové plochy a frézovat pravoúhlé
obrobky - např. dělící roviny převodových skříní apod.
Obr. 12.6. Systém pro pravoúhlé řízení

Systém pro souvislé řízení
Systém se používá u soustruhů, frézek a obráběcích center. Ve srovnání s
pravoúhlým řízením umožňuje současný pohyb nejméně ve dvou osách,
např. obrábění rádiusů, úhlových ploch, tvarových ploch. Provádí-li se obrábění
současně ve 2 osách (2 dimenzích), označuje se toto řízení jako souvislé řízení 2D.
Obr. 12.7. Systém pro souvislé řízení
U některých frézek lze provádět obrábění ve 2 osách vždy v jedné z rovin X - Y, Y Z, Z - X, přepínáním těchto rovin. Toto řízení se označuje jako souvislé řízení 21/2 D.
137
Probíhá-li obrábění ve třech současně pracujících osách (3 dimenzích), je toto řízení
označováno jako souvislé řízení 3D. Tímto způsobem lze obrábět složité tvary, např.
dutiny kovacích zápustek apod.
Obr. 12.8. Svislé řízení 3D
Číslicově řízené obráběcí stroje jsou tedy již konstrukčně uzpůsobovány pro práci
v automatickém režimu. Jejich programování se realizuje prostřednictvím speciálního
komunikačního (strojního) panelu nebo zcela externě na pracovištích vybavených
výkonnými počítačovými stanicemi. Z pohledu NC programování tak rozlišujeme
např. CAD/CAM systémy, dílensky orientované programování a tzv. ISO
programování (někdy také nazývané programování v G-kódu). Hovořit by se dalo i o
tzv. popisném dialogu, ale podstatnější je, že každý ze zmiňovaných způsobů tvorby
programů má svou nezastupitelnou oblast použití. Nelze tedy jednoznačně
konstatovat, že NC programování pomocí „supermoderního“ CAD/CAM softwaru je
„naprosto nejlepší“ a hlavně nejefektivnější cesta pro konkurenceschopné obrábění.
Vždyť každý z neuvěřitelně rozsáhlé nabídky CAD/ CAM softwarů dostupných na
dnešním trhu končí překladačem, a tedy tvorbou např. zmiňovaného G-kódu.
Správný formát zápisu jednotlivých programových vět (bloků), které umožňují
realizovat proces třískového obrábění, je tedy zcela klíčovou záležitostí při CNC
obrábění. Znalosti struktury NC programů a formátu jednotlivých bloků
(programových řádků) umožňují realizovat tzv. ruční programování, ale jsou také
zcela nezbytné pro tvorbu či editaci jednotlivých překladačů (postprocesorů).
Postprocesory totiž transformují elektronická data specializovaných CAD/CAM
softwarů do formátů jednotlivých obráběcích strojů. Každý CNC stroj tak mnohdy
vyžaduje mírně odlišný NC program. Odlišnosti NC programů jednotlivých strojů
vychází z jejich koncepce. Číslicově řízené stroje jsou většinou sestaveny ze sedmi
hlavních celků: ovládací panel, vřeteno s vřeteníkem, zásobník a rameno pro
výměnu nástrojů, zásobník nebo podavač obrobků (případně paletový systém),
polohování nástroje a obrobků, soustavy pro přívod procesních kapalin a ochranné
kryty. Jednotlivá konstrukční řešení a stupeň integrace automatizačních prvků tak
vede k nezbytným odlišnostem v zápisech NC programů a rovněž k odlišnému
zpracovávání těchto programových bloků PLC programem.
138
Další zdroje
[1.]
[2.]
[3.]
[4.]
CZ.1.07/1.1.01/02.0084.
Dostupné
z:
Velká Bíteš.
CZ.1.07/1.1.08/03.0009. Historie CNC strojů [online]. neuvedeno, 25.5.2011
[cit.
2014-05-15].
Dostupné
z:
139
13 Souřadnicový systém
Řídicí systémy pro CNC obráběcí stroje používají dva typy souřadnicových systémů:
13.1. Kartézský souřadnicový systém
Osy jsou na sebe navzájem kolmé a rovnoběžné se základními vodícími plochami.
Osa Z je vždy rovnoběžná s osou hlavního pracovního vřetene. Kladný smysl pohybů
vose X a Z při soustružení probíhá směrem od obrobku. Poloha každého bodu je
jednoznačně určena pomocí souřadnic v jednotlivých osách.
Obr. 13.1. Definice kartézského souřadnicového systému
13.2. Polární souřadnicový systém
Používá se např. u obrobků s víceúhlovými rozměry (otvory umístěné na kružnici a
pod.).
Obr. 13.2. Zadání úhlu pro vrtání na kružnici
140
Obr. 13.3. Definice bodu P pomocí úhlu A a délky L
13.3. Souřadnicový systém CNC strojů
U CNC strojů víceúčelové konstrukce (obráběcí centra) je velmi časté použití více os
pro translační pohyby a přídavné osy rotační. Pro tyto účely se používá kartézský
souřadnicový systém, kde kromě základního označení kolmých os X,Y,Z se používá
pro stejné osy označení U,V,W, případně P,Q,R.
Souřadnicový systém
Základní
-
Posuvné osy
-
Rotační osy
X Y Z
A B C
Pokud konstrukce stroje umožňuje provádět
přídavné rotační pohyby v osách, jsou tyto
označeny jako A, B, C (např. U soustruhu, který
používá přídavné rotační nástroje je využita osa C
pro nastavení polohy obrobku vůči nástroji)
Doplňkové osy
I
Parametry interpolace (vyjadřují určení středu
poloměru oblouku na obrobku)
Sekundární
doplňkové osy
U V W
J
K
Terciální doplňkové
osy
Tab. 13.1. Souřadnicový systém pro více os
141
13.4. Základní pravidla pro orientaci os v prostoru u obráběcích
strojů
Pro sjednocení pohybů na CNC strojích byla zvolena následující pravidla umístění
souřadného systému:







vychází se od nehybného obrobku,
vždy musí být definována osa X,
osa X leží v upínací rovině obrobku nebo je s ní rovnoběžná,
osa Z je totožná či rovnoběžná s osou pracovního vřetena, které vykonává
hlavní řezný pohyb,
kladný smysl os je od obrobku k nástroji, ve směru zvětšujícího se obrobku,
pokud jsou na stroji další doplňkové pohyby v osách X,Y,Z, označují se
U,V,W,
pokud se obrobek pohybuje proti nástroji, označují se takové osy X´, Y´, a Z´.
Při dodržování těchto základních pravidel je pro programátora jednoduché vytvářet
program na různé druhy CNC strojů. Situování os stroje je stále shodné a zhotovený
program může být použit na více strojů s minimem úprav.
Obr. 13.4. 5 osé vertikální frézovací centrum
142
Obr. 13.5. Soustruh
Obr. 13.6. Kartézský souřadný systém
143
Obr. 13.7. Víceosý soustruh
13.5. CNC soustruhy
Stroj koná posuvné pohyby ve směru osy X a osy Z. Osa Z je osa rotace vřetena,
pohyb v kladném smyslu probíhá směrem od materiálu (od vřeteníku ke koníku). Osa
X je kolmá na osu Z, její kladný směr je orientován od osy obrobku k držáku nástroje.
144
Obr. 13.8. Ukázka CNC soustruhu
13.6. CNC frézky
Osy X a Y leží v rovině stolu frézky; osa X je rovnoběžná s podélným pohybem stolu,
osa Y je kolmá na osu X a je rovnoběžná s příčným pohybem stolu. Osa Z je totožná
s osou hlavního pracovního vřetena - pohyb v kladném smyslu směřuje od materiálu.
145
Obr. 13.9. Ukázka CNC frézky
13.7. Korekce nástrojů
Všechny nástroje nemají stejné rozměry (jejich břity se nachází v různých polohách)
což znamená, že při programování dráhy nástroje by při výměně nástroje bylo
nezbytné přepracovávat celý program.
146
Funkce korekcí umožňuje programovat bez ohledu na změnu nástroje, neboť
hodnoty potřebné k bezchybnému průběhu programu a tím celého obrábění si řídicí
systém CNC obráběcího stroje dopočítává sám na základě zadaných hodnot korekcí.
Tímto způsobem se tvorba programu zjednoduší a urychlí. Hodnoty korekcí j sou
uloženy v paměti korekcí a j sou přiřazeny ke konkrétním nástrojům.
13.8. Korekce při soustružení
Korekce polohy špičky nástroje vose X a Z vzhledem k nulovému bodu nástroje:
nulový bod nástroje je stanoven výrobcem obráběcího stroje a leží většinou na
dorazové ploše revolverové hlavy.
Obr. 13.10. Korekce při soustružení
Tato korekce se nejčastěji zjišťuje v měřicím přístroji mimo obráběcí CNC stroj.
Nástroj se vkládá do měřicího přístroje společně s držákem nástrojů.
Korekce polohy špičky nástroje vose X a Z vzhledem k nástroji, jemuž byla
přiřazena nulová korekce: -využívá se především při upínání nástrojů do rychlovýměnných nožových držáků. Lze ji zjistit např. přímo na CNC stroji naškrábnutím
obrobené plochy; stejným způsobem se postupuje u druhého a dalších nástrojů.
Tímto postupem se tak zjistí odchylky těchto nástrojů vose X a Z od nástroj e číslo 1,
kterému je přiřazena korekce nulová.
147
Obr. 13.11. Korekce polohy špičky nástroje
Pro přesnější určení korekcí je možné použít mikroskop nebo dotykové sondy.
Zjištěné korekce se uvedou do CNC programu v adrese T nástroje, nebo přímo
načtením do řídicího systému CNC stroje pro každý nástroj. Korekce poloměru
špičky nástroje: mikroskopem se zjistí poloměr zaoblení špičky nástroje.
Obr. 13.12. a) teoretická špička soustružnického nože
soustružnického nože
b) skutečný řezný bod
V CNC programu se využívá takto zjištěných hodnot poloměrů zaoblení nástroje pro
usnadnění programování při zařazení funkcí G41 a G42. Použitím těchto funkcí
koriguje daný řídicí systém pohyb nástroje po ekvidistantě na rozměry
programovaného obrysu obrobku. Tyto poloměry zaoblení špičky nástroje jsou také
přiřazeny k jednotlivým nástrojům.
148
Obr. 13.13. Korekce funkce G41
Korekce G41 se uvádí v případě (dle ČSN ISO 6983), když se nástroj nachází na
levé straně povrchu obrobku při pohledu ve směru uvažovaného pohybu nástroje.
Obr. 13.14. Korekce funkce G42
Při programování korekce G42 se nástroj nachází na pravé straně povrchu obrobku
při pohledu ve směru pohybu nástroje.
149
Obr. 13.15. Příklad dopadu zaoblení špičky nástroje při soustružení vnějšího obrysu
V souvislosti s korekcí poloměru špičky nástroje je také důležité určení kvadrantu - je
třeba uvést polohu nástroje vzhledem k obráběné ploše, aby řídicí systém věděl, jak
má tyto korekce vypočítat.
Obr. 13.16. a) poloha nástroj e za osou
13.9. Korekce při frézování
Korekce délek LkZ
150
b) polohu nástroj e před osou
Obr. 13.17. Korekce délek LkZ
Má také stejný význam u osových nástrojů - vrtáků, výhrubníků, výstružníků, ...
13.10.
Korekce poloměru nástroje
Měřením se zjistí poloměr nástroje. V CNC programu se využívá takto zjištěných
poloměrů nástrojů pro usnadnění programování při zařazení funkcí G41 a G42; není
nutné programovat ekvidistantu nástroje, neboť se programuje pohyb teoretické
špičky nástroje - průsečíku osy a čela nástroje.
151
Obr. 13.18. Korekce poloměru nástroje
Použitím funkcí G41 a G42 daný řídicí systém koriguje pohyb nástroje po
ekvidistantě na rozměry programovaného obrysu obrobku.
Obr. 13.19. Korekce pohybu nástroje po ekvidistantě
13.11.
Nástroje pro CNC stroje
Hlavní rozdíly mezi nástroji pro konvenční obráběcí stroje a pro CNC stroje spočívají:
152






seřizování nástrojů pro CNC stroje probíhá nejčastěji na specializovaném
pracovišti mimo vlastní stroj, což vede k výraznému snížení vedlejších časů a
tím i k větší produktivitě práce
u CNC obráběcích strojů se jako řezné materiály používají vyměnitelné břitové
destičky nejčastěji ze slinutých karbidů povlakované např. TiN, ale také jiné
řezné materiály jako keramické materiály, polykrystalický kubický nitrid boritý i
syntetický diamant, což vede k nárůstu řezných rychlostí
nutností jsou vhodné utvářeče a děliče třísek
upínání nástrojů se realizuje pomocí normalizovaného upínacího nářadí
u CNC strojů se používá tzv. nástrojový systém - systematicky uspořádaná a
udržovaná sada nástrojů. Nástroje jsou minimálně zdvojeny z hlediska
náhodného otupení, nebo vylomení ostří, tak aby byly okamžitě při obrábění k
dispozici
nepoužívají se téměř tvarové nástroje - výjimkou mohou být např. závitové
soustružnické nože
Na CNC obráběcích strojích lze vykonávat práce na hotovo - v mnohých případech
lze úspěšně nahradit i broušení (je možné dosáhnout drsnosti Ra = 0,8 a tomu
odpovídající stupeň přesnosti.
13.12.
Určování nulového obrobku W
Nulový bod obrobku je pro technologa-programátora jedním ze základních bodů. Z
tohoto bodu se vychází při programování a jeho umístění musí být voleno s ohledem
na optimální tvorbu řídicího programu. Na začátku obrábění (tvorby programu) je
nutné posunout souřadnicový systém z nulového bodu stroje (absolutní nula) do
nulového bodu obrobku.
Způsoby určení nulového bodu obrobku W:
Dotykem- "naškrábnutím" nástroje na obrobku


na soustruhu je vhodné povrch obrobku lehce osoustružit ručně a tento
průměr přesně změřit. Porovnáním souřadnic na obrazovce a z měřené
hodnoty obrobku je možné určit polohu ostří nástroje vose X vzhledem ke
zvolenému nulovému bodu. Podobným způsobem se pokračuje při určení
polohy ostří nástroje vůči nulovému bodu obrobku vose Z ("naškrábnutím" na
čele obrobku).
na frézce dotykem nástroje v osách X,Y,Z na plochách polotovaru a výpočtem
vzhledem k poloměru nástroje a přídavkům na opracování se určí poloha
nástroje vůči nulovému bodu obrobku.
Určování nulového bodu obrobku W dotykem, ať již na soustruhu nebo na frézce,
není nejpřesnějším způsobem, neboť přesnost ovlivňuje:
153

ovalita obrobku - polotovaru u soustružení

možná excentricita upnutí polotovaru a následkem toho „házení“ rotujícího
polotovaru u soustružení

možná nepřesnost způsobená malou zkušeností obsluhy
Dotykem pomocí excentrického měřícího dotyku na frézce
Základem jsou dva válcové čepy, které jsou k sobě ve vnitřní části přitlačovány
pružinou. Horní čep je upnut v pracovním vřetenu a při měření se otáčí malou
rychlostí. Spodní čep se také otáčí - excentricky a na tento čep se při měření najíždí
obrobkem. V určitém okamžiku, kdy se spodní čep mírně dotýká obrobku dochází k
soustřednému pohybu obou čepů (jejich osy jsou totožné) a tento okamžik se nazývá
okamžikem odečítání. Tato metoda je výhodná zejména v případech, kdy nelze
připustit byť jen nepatrné poškození upnuté součástky, ke kterému by mohlo dojít při
určování nulového bodu dotykem nástroje.
Dotykovými sondami
Dotykové sondy jsou různě konstrukčně řešeny; mezi nejpoužívanější patří sondy
mechanické a elektrokontaktní, které signalizují dotyk, případně zastaví posuv stroje.
154
Obr. 13.20. Dotykové sondy a) na soustruhu, b) na frézce
Další zdroje
[1.]
CZ.1.07/1.1.01/02.0084.
Dostupné
z:
Velká Bíteš.
155
[2.]
[3.]
[4.]
[cit.
2014-05-15].
Dostupné
z:
156
14 CNC program
Je soubor geometrických, technologických a pomocných informací, které popisují
činnost numericky řízeného stroje. Prostředky pro programování zachovávají
jednoduchou skladbu slov (příkazů) seřazených v daném řetězci nazývaný
programovací kód.
Informace obsažené v programu lze rozdělit na: Geometrické - popisující dráhy
nástroje, které jsou dány rozměry (tvarem) konkrétní obráběné součásti (způsob
pohybu nástroje – přímka, kruhový oblouk). Technologické – určují technologii
obrábění s ohledem na optimální řezné podmínky (hodnota řezné rychlosti, posuvu,
hloubky řezu) Pomocné – zahrnují ostatní informace nutné k výrobě součásti
(zapnutí nebo vypnutí řezné kapaliny, otáček, konec nebo stop programu,…) Ostatní
– jsou další informace důležité v orientaci v programu (čísla bloků, poznámka...)
14.1. Stavba CNC programu
Program se skládá z tzv. BLOKŮ (vět, řádků), bloky se skládají z jednotlivých
PŘÍKAZŮ (slov), která obsahují adresovou část a významovou část.
Obr. 14.1. Složení CNC programu
Popis struktury bloku
Druh informace
N
Číslo bloku
Ostatní
G
Přídavné funkce
Geometrické
X, Y, Z
Souřadnice
F
Rychlost posuvu
S
Otáčky vřetena
T
Volba nástroje
M
Pomocné funkce
Technologické
Pomocné
Tab. 14.1. Přehled jednotlivých označení příkazů
157
Příkazy (slova) v bloku jsou: N10, G00, X100, Y100, Z100, F0.2, S1200, T02, M8
Obr. 14.2. Složení příkazu
Adresami jsou: N, G, X, Y, Z, F, S, T, M Významová část: 10, 00, 100, 100, 100, 0.2,
1200, 02, 8 Maximální velikost bloku udává formát bloku, který lze dělit podle
délky na:
a) Formát s konstantní (pevnou) délkou bloku
b) Formát s proměnnou délkou bloku
U formátu s konstantní (pevnou) délkou bloku má každé slovo přesně stanovenou
polohu a to i v případě, že se funkce nevyskytuje nebo se opakuje v předchozím
bloku, viz příklad 1. V případě formátu s proměnnou délkou bloku je možno vynechat
slova, která se v bloku nevyskytují nebo se opakují v předchozím bloku, viz příklad 2.
Příklad 1. N10 G00 X20 Y100 Z2 F10
N20 G00 X25 Y100 Y2 F10
Příklad 2. N10 G00 X20 Y100 Z2 F10
N20
X25
14.2. Význam nejpoužívanějších adres
Adresy jsou označovány velkými písmeny řecké abecedy. Jejich význam je popsán v
níže uvedené tabulce. Základní značení adres vychází z normy a užívá se název tzv.
ISO PROGRAMOVÁNÍ. Je známo, že norma je předpis doporučující, proto firmy
vyvíjející řídicí systémy CNC strojů (např. Heidenhain, Siemens, Mazak, FANUC, …),
které se normou řídí, ale jen do určité míry. Každá firma chce být něčím unikátní,
proto dochází u některých adres a významových části příkazů k odlišnostem
například u tzv. DÍLENSKÉHO (Dialogového) PROGRAMOVÁNÍ.
Písmeno
Význam
158
N
Číslo bloku (může či nemusí být
uvedeno, slouží pro lepší orientaci v
programu)
X, Y, Z
Základní osy souřadného systému (
souřadnice v osách X, Y, Z )
A, B, C
Rotace kolem základních os
U, V, W
Paralelní pohyb se základními osami
G
Přípravná funkce (geometrická),
zadávají se geometrické informace
(přímka, kruh)
M
Pomocné funkce (přípravné), spouštějí
činnost strojních mechanizmů (zapnutí a
vypnutí otáček, řezné kapaliny)
F
Rychlost posuvu (udává se v mm na
otáčku nebo v mm za minutu nebo v mm
na zub)
S
Otáčky vřetena nebo hodnota konstantní
řezné rychlosti (záleží na systému)
T
Volba nástroje
R
Hodnota rádiusu nebo polární
souřadnice
Tab. 14.2. Význam nejpoužívanějších adres
14.3. Postup tvorby programu






Prostudování technického výkresu a volba technologie obrábění.
Volba polotovaru a upnutí součásti před programování.
Zvolit vhodný nástroj a vyplnit seřizovací list pro nástroje.
Založení programu pod určitým jménem (dle výkresové dokumentace). Název
programu bude prvním řádkem NC programu, před kterým bude nejčastěji
symbol % nebo velké písmeno P.
Zadání rozměrů polotovaru, nulového bodu součásti a způsobu programování.
Volba nástroje s příslušnými řeznými podmínkami.
159






Předchozím třem bodům se říká tzv. HLAVIČKA PROGRAMU, ve které jsou
zadány základní informace o obráběné součásti.
Za hlavičkou následuje tzv. TĚLO PROGRAMU, ve kterém jsou zadávány
informace o pohybu nástroje dle konkrétního výkresu. Tělo programu lze
rozčlenit na:
hlavní programovou část (hlavní program) říká nám JAK a ČÍM – technologie
a
vedlejší programovou část (podprogram) popisující KDE – souřadnice.
Po napsání těla programu následuje blok ukončující celý program tzv. KONEC
PROGRAMU. K ukončení programu je možno využít více funkcí, ale
nejpoužívanější je funkce M30.
Při vytvoření programu následuje fáze tzv. SIMULACE, ve které je možno
odhalit hrubé chyby a tím předejít možným komplikacím při uvedení programu
do výroby na CNC stroji.
Vyzkoušený program lze poté přenést na CNC stroj, na kterém se provede
ODLADĚNÍ programu, na kterém se ověřuje vhodnost použitých nástrojů,
řezné podmínky, způsob a tuhost upnutí apod.
Konečným bodem je samotná výroba součásti
14.4. Uplatnění počítačové podpory v obrábění a její struktura
Neustálý tlak konkurence nutí konstruktéry a technology pracovat na nových
řešeních a potýkat se s novými problémy. Zkrácení výrobních časů, zlepšení kvality,
rychlá změna výrobního programu a jiné nutné změny, to jsou jen některé aspekty,
které se musí řešit. Východiskem pro řešení složitých situací, které se velmi často v
praxi objevují, je použití integrované výroby počítačem (CIM – Computer Integrated
Manufacturing) a s ním související CAD/CAM systémy.
Nasazení počítačem řízených obráběcích strojů samo o sobě nestačí. Důležitá je
kvalifikovaná obsluha stroje a osoba technologa programátora, který je schopen
připravit kvalitní programy. Rychlost a kvalita zaškolení zmiňovaných pracovníků
závisí také na zvoleném CAD/CAM systému. Ten by měl být uživatelsky nenáročný,
přehledný, snadno ovladatelný a intuitivní.
V rámci všeobecných trendů v počítačově podporované výrobě (CIM) vyvstává úloha
použít data o obrobku vytvořené v CAD systému i na automatické měření obrobků na
souřadnicových měřících strojích.
Některé CAM systémy nabízí při práci volbu role uživatele: začátečník, pokročilý, atd.
Rovněž může pomoci pro snadnou a rychlou výuku průvodce obráběním.
160
Všeobecně se vývojoví pracovníci programující moduly CAM systémů se snaží
zjednodušit a ulehčit práci programátorů CNC strojů vytvářením softwarů s
uživatelsky jednoduchou a intuitivní obsluhou.
Mnoho velkých a malých firem, ale také i osob samostatně výdělečně činných se
snaží v současné době zavést do výrobního procesu počítačem řízené obráběcí
stroje. Nutnost tohoto kroku vysvětluje konkurenční prostředí. Produktivita,
efektivnost, přesnost a rychlost výroby jsou rozhodující existenční faktory firmy.
Hlavní uplatnění CAD/CAM systémů je v oblasti výroby forem, zápustek a jiných
tvarově složitých součástek v různých odvětvích strojního průmyslu (hlavně
kosmického, leteckého a automobilového). Tento známý fakt o použití je výsadou
dřívější doby – doby počátku zavádění CNC systémů a CAM systémů. V dnešní
době se CAD/CAM systémy uplatňují i v běžné strojírenské výrobě.
Nové technologie nasazované v oblasti obrábění (např. suché obrábění, HSC
obrábění, tvrdé obrábění) popř. uplatnění nových pracovních cyklů u řezných
nástrojů, si vyžaduje nasazení počítačem řízených číslicových strojů (CNC) do
výroby. Uplatnění těchto strojů je jak v sériové - s možností doplnění manipulátorem
obrobků a napojení na DNC síť, tak i v kusové výrobě, kde se především počítá s
jejich pružností.
Se zpracováním technologie souvisí i realizace některých speciálních operací jako je
hrubování složitých rotačních nebo nerotačních tvarů ve víceosém režimu obrábění.
Řešená technologie je podmíněna možnostmi jednotlivých pracovišť NC strojů.
Výrobci CAD/CAM softwarů se také zaměřují a specializují na různé oblasti
strojírenské výroby, např. na obrábění elektrod, obrábění v oblasti uměleckého
řemesla a tvorby reliéfů, softwary pro řemeslníky pracující se dřevem, rytce, výrobce
nábytku, zakázkovou výrobu, výrobce prstenů a šperků a dalších. (zástupcem
umělecké specializace je např. MasterCAM X2 Art).
Vývojové etapy CAD / CAM systémů
Pro rozvoj systémů počítačové podpory výrobního procesu existuje několik mezníků,
ve kterých proběhl zásadní zvrat v technické i organizační koncepci výroby:





1950 - prvopočátek kreslení – vynález světelného pera.
1952 - aplikace numericky řízených strojů.
1960 - řízení pomocí číslicového počítače.
1970 - vznik koncepce CNC a DNC strojů.
1980 - první realizace pružných výrobních buněk, uplatnění skupinové
technologie, aplikace pružných výrobních systémů.
161

1990 - integrované CAD/CAM systémy, systémy pro plánování a řízení
výrobního procesu, plné uplatnění filozofie CIM.
Prvopočátek kreslení na počítači je spojen s vynálezem světelného pera v roce 1950.
Nakreslený obraz zůstával elektrostaticky zachycen na stínítku obrazovky, která
sloužila zároveň jako paměť. Tohoto nápadu se ujala (jak to už bývá) armáda. Tento
vynález našel praktické uplatnění u protivzdušné obrany - radarového systému
SAGE (Semi-Automatic Ground Environment) vyvinutý v MIT Lincoln labs. Tento
počítačem vybavený stroj dokázal vypočítat budoucí trasu letounu, na základě dat
vložených právě světelným perem. Byl zde použit tehdejší nejsilnější počítač světa.
Myš byla zcela neznámá periferie do r. 1965 a tak se kreslilo světelným perem na
obrazovku jako na digitální papír. Světelné pero později nahradil tablet.
Počítačem podporované systémy pro integrovanou podporu návrhu a podporu
výroby součásti vznikly postupným slučováním CAD, CAM, CAPP modulů s rozvojem
výpočetní techniky. Tento rozvoj souvisel především s vývojem grafických adapterů a
hardwaru. Před jejich zavedením nebylo možné vytvářet grafickou podobu výkresové
dokumentace, tvořit modely, nebo sestavy. Nebylo možné, tak jako je tomu dnes,
tímto způsobem zjednodušit práci. Počítačová podpora byla soustředěna pouze do
oblasti výpočtů. První počítače s možností interaktivního ovládání grafiky, byly
vynalezeny na počátku 60. let minulého století, ve firmách General Motors,
Lockhead, NASA a Bell Labs. Největšími distributory výpočetní techniky se potom
staly společnosti IBM, DEC, Control Data a Texas Instruments.
V roce 1960 se mladý student, Ivan Sutherland, pracující jako asistent v MIT, rozhodl
vypracovat svojí disertační práci zaměřenou na aplikaci počítačů v počítačové grafice
a návrhu. Projektem byl kreslící program dokončený v r. 1962 a nazýval se
Sketchpad. Mnohými je označován za začátek historie CAD. Podobné aktivity v
tomto oboru vyvíjela i firma General Motors ve spolupráci s IBM (DAC-1). V roce
1966 Sutherland vynalezl HMD (Head Mounted Display), jak název napovídá,
jednalo se o prapředka virtuální reality. Toto období je charakteristické použitím
velkých počítačů, vektorově zobrazujících terminálů a softwarem napsaným v
assembleru velmi primitivním způsobem. Vlastnictví takového zařízení bylo výsadou
velkých automobilek a vývojových laboratoří. Širšímu použití bránila obrovská cena.
Nástup minipočítačů a hardwarová zlepšení zobrazovačů firmou Tektronix pomohly
snížit cenu a akcelerovat rozšíření. Typický systém řady PDP-11 byl v roce 1970
složen z 16-ti bitového počítače s 8-16 kB hlavní paměti, diskem o velikosti 2,5-10
MB pro data a 11-ti palcovou obrazovkou. Kreslící software se většinou omezoval na
jednoduché 2-rozměrné úlohy. Operační systém si buď výrobce počítače napsal od
začátku podle svého návrhu, nebo prostě zmodifikoval konkurenční produkt. O
systém se dělili až 4 uživatelé. Cena se pohybovala od 100 tis. do 600 tis $. Grafika
162
dlouho zůstávala vektorová. Nedalo se však hovořit o větší rychlosti práce oproti
klasickému rýsování, například chtěl-li konstruktér smazat 1 čáru, pak musel smazat
celou obrazovku a pak dlouho čekat, než se znovu všechno zpátky postupně
vykreslí.
Použití rastrové grafiky jak je známa dnes se poprvé objevuje až koncem roku 1978.
Obrazovky mají už poměrně dobré rozlišení 1024x1280 s 24bitovou hloubkou barev.
V tuto dobu se začínají hýbat ledy také v počítačové grafice, rodí se výpočetní
algoritmy pro zobrazování skrytých ploch. Významným způsobem na zrodu klasické
grafiky se podílela Univerzita ve státě Utah, přitahující budoucí zakladatele a
manažery velkých firem jako je SGI, Adobe, atd. V roce 1979 je specifikován známý
3D průmyslový standard pro výměnu dat mezi konstrukčními systémy - IGES (Initial
Graphic Exchange Specification), který je dodnes uznáván.
CAM systém se rodí jako mladší bratr CAD v sedmdesátých letech. Může být
definován jako využití počítačových systémů pro přípravu a řízení operací ve
výrobním procesu. V roce 1961 firma Boeing zavádí do výroby první číslicově řízený
stroj (NC). Děrné pásky nebo štítky pro archivaci dat se používaly téměř bez výjimky.
Občas se v útrobách řídící jednotky stroje ukrývala feritová paměť. Zavedení
počítačem řízených obráběcích strojů (CNC) do výroby znamenalo zvýšení jejich
flexibility a zkrácení doby využité na seřízení stroje. Přínosem takového stroje je
minimální zmetkovitost při podstatně vyšší produktivitě práce. Hlavní uplatnění
takovýchto strojů je v malosériové až kusové výrobě. Ve velkosériové a hromadné
výrobě se z ekonomických důvodů používali a stále se používají vačkové automaty
(např. výroba šroubů).
Během 70tých let minulého století bylo vyvinuto několik desítek systémů pro podporu
návrhu. V průběhu jejich provozu se začaly projevovat zásadní odlišnosti v kvalitě
provedení a flexibilitě, proto některé zanikly. Naopak ty systémy, které se dokázaly
udržet, našly své využití i mimo oblast vývojových pracovišť.
Počátky 80tých let byly charakteristické nástupem velkých společnosti (např. Unix),
které začaly produkovat náročné, velmi komplexní softwarové systémy na úkor
starších systémů. Došlo také zásadnímu průlomu technologií podpory návrhu a
výroby, především díky velkému rozvoji CNC řízených strojů, které začaly efektivně
využívat CAD data z oblasti návrhu. Postupným prolínáním obou systémů vznikly
první CAD/CAM systémy. Nejvýznamnější společností, která investovala peníze do
rozvoje CAD/CAM systémů byla společnost Computervision, která zaujímala
dominantní postavení v leteckém a automobilovém průmyslu.
Začátkem 90. let minulého století vyrazila do popředí pětice společností produkující
výkonnostně a cenově blízké systémy pracující pod Unixem, čtyři americké
(Electronic Data Systems, Unigraphics, Strategic Directions in Computing Research,
163
Parametric Technology Corporation) a dvě francouzské (Marta Datavision, Dasault
Systems). Tyto společnosti vyráběly systémy výhradě pro strojírenství, v oblasti
velkých CAD/CAM systémů dominují dodnes.
Zajímavé je, že se program ještě nedávno (někde doposud) nahrával do stroje
děrnou páskou. Důvodem nepoužívání disket anebo harddisků byla špatná
spolehlivost těchto médií ve výrobních podmínkách. (prašnost, silná střídavá
elektromagnetická pole, obsluha s nečistýma rukama vkládající disketu do
mechaniky, apod.). Pro harddisk znamená také rychlou zkázu chvění a vibrace
obráběcího stroje. Program na děrné pásce se stočil do ruličky, opatřil etiketou a
uložil do prosklené skříňky sloužící jako archiv. Dnes jsou stroje stále více závislé na
podnikové počítačové síti. Data se fyzicky vyskytují odděleně od stroje.
Hotový výrobek se musí rychle certifikovaným způsobem změřit a to v současné
době řeší počítačem řízený tří souřadnicový měřící stroj na přesné snímání
prostorových souřadnic. Tento stroj přejímá přímo konstruktérova data v podobě
průmyslového 3D standardu (nejčastěji IGES, VDA). Počítač vyhodnotí rozměrové
odchylky proti modelu a obsluha obráběcího stroje na základě protokolu udělá
korekci rozměrů. Stále více se zkracuje vzdálenost od okamžiku návrhu k hotovému
výrobku.
14.5. Strukturu výroby součástí v CAD/CAM systémech
Strukturu výroby součástí v CAD/CAM systémech, lze chápat jako souhrn činností
probíhajících na jednotlivých rozhraních, které provázejí zhotovení výrobku, od
počáteční fáze návrhu, až po konečnou fázi výroby, jejímž výsledkem je konkrétní
výrobek. Sled těchto činností je schematicky znázorněn na následujícím obrázku.
164
Obr. 14.3. Proces vývoje výrobku při použití CAD/ CAM systémů
Obr. 14.4. Hierarchie výroby součásti pomocí CAD/CAM systémů
Idea je v podstatě myšlenka, která představuje nejvolnější možný vstup do systémů,
bývá omezena rozměrovými a jinými požadavky na budoucí vyráběné součásti.
CAD(Computer Aided Design) = počítačem podporovaný návrh.
Je modul pro počítačovou podporu konstruování. Jedná se o konstrukční návrh nové
součásti, kdy celá geometrie je interaktivním způsobem modelována a zobrazována
ve skutečné reálné formě. Je to tedy souhrn prostředků pro vytváření geometrických
modelů. Informace reprezentující geometrický model jsou uloženy v aplikačně
sestavené databázi, která je základem pro další kroky v komplexním inženýrském
řešení problému návrhu nového modelu.
Myšlenka budoucího výrobku se přenese do počítače (tzv. vymodelování součásti), k
tomu se využije některý ze softwarů, tzv. CAD programy.
165
Tvorba modelů se uskutečňuje pomocí různých konstrukčních prvků (bod, přímka,
kružnice atd.). Jednotlivým hranám je možné přiřadit různé atributy např. barvu, typ
čár, text, kóty. Prostorové modely mohou být reprezentovány jako drátové, plošné,
nebo objemové.
drátový model – je tvořen body, které jsou spojené v křivky,
plošný geometrický model – je určen vrcholy, hranami a stěnami,
objemový (solid) model – se skládá z geometrických těles zabírající určitý objem v
prostoru.
Při vytváření jednotlivých modelů se konstruktér nejčastěji setkává s následujícími
příkazy:
generování základních geometrických elementů např. body, přímky, kružnice atd.,
příkazy pro manipulaci s objekty tj. posuv, rotace, zrcadlení, zkosení, prodlužení,
změnu měřítka,
příkazy pro spojování elementů do požadovaného objektu a další.
Výsledkem této práce jsou tedy modely, výkresy, sestavy, zjednodušeně CAD data,
které tvoří důležitý faktor při integraci CAD systému s jinými CA systémy a aplikacemi
pro jejich další využití např. import modelu do prostředí CAM.
CAM (Computer Aided Manufacturing) = počítačem podporovaná
výroba.
CAM označuje systém, který připravuje data a programy pro řízení numericky
řízených strojů pro automatickou výrobu součástí. Tento systém využívá geometrické
a další informace vytvořené ve fázi návrhu v systému CAD. Představuje v užším
pojetí automatizované operativní řízení výroby na dílenské úrovni a zahrnuje i
automatický sběr dat o skutečném stavu výrobního procesu, numericky řízené
výrobní systémy, automatické dopravníky a automatické sklady. Produkty tohoto
charakteru umožňují simulovat sled technologických operací při vlastní výrobě
součásti. Simulují práci jednotlivých nástrojů v nejrůznějších technologiích obrábění,
např. frézování, soustružení, vrtání, elektroerosivní obrábění, obrábění laserem,
vodním paprskem atd.. Po prověření a odzkoušení bezpečného chodu výroby
součásti je tímto modulem vygenerován program pro řízení NC, CNC strojů. CAM
modul pracuje s geometrickými útvary v rovině i prostoru (modely součásti).
Výsledkem činnosti CAM modulu je partprogram.
Partprogram je program součásti, který vypracovává CAM modul. Je tvořen sledem
příslušných adres obsahující kódový zápis geometrie a technologie součásti. Tento
sled adres jednoznačně popisuje obráběcí postup, který se pomocí postprocesoru
166
upravuje pro konkrétní obráběcí stroj. Při tvoření partprogramu je třeba vycházet z
těchto údajů:






geometrie stroje (souřadný systém, orientace os, nulové body),
geometrie polotovaru (možnost kolize, umístění obrobku v souřadné soustavě
stroje),
geometrie nástroje (rozměry, tvar, korekce dráhy nástroje a tvar obrobku),
geometrie výsledného obrobku (daná výkresem-modelem součástí),
technologické a řezné podmínky (procesní prostředí, řezná rychlost, posuv,
hloubka řezu, apod.),
ostatní podmínky důležité pro činnost obráběcího stroje (pozice nástrojů,
korekcí atd.).
Postprocesor zpracovává informace z geometrického a technologického procesoru
již s ohledem na konkrétní NC stroj a použitý řídící systém. Přihlíží k pracovním
možnostem stroje a určuje rozmístění pozic nástrojů zásobníku nebo revolverových
hlav. Dráhy nástrojů se transformují do souřadného systému stroje. Dále jsou
určovány konečné otáčky vřetene a rychlosti posuvu a je prováděn výstup řídícího
programu na některém nositeli informací v kódu a formátu bloku, ve kterém pracuje
řídící systém CNC stroje.
NC program je soubor číselných informací odděleně popisujících činnost stroje.
Program se skládá z bloků (vět), zapsaných v jednom řádku.
Vygenerovaný NC program se odešle na příslušný obráběcí stroj. Přenos na
obráběcí stroj může být uskutečněn například:



pomocí sítí,
bezdrátovým přenosem,
fyzickým přenosem dat pomocí CD, flash disků apod. (Dříve se používaly
děrné štítky, děrné pásky, magnetofonové pásky a diskety).
NC program se v řídicím systému stroje ještě znovu simuluje a tzv. odlazuje.
Operátor NC stroje upne do příslušných nástrojových pozic nástroje, provede
seřízení nástrojů a do tabulky korekcí zadá příslušné nástrojové korekce, připraví a
upne polotovar. Dále pak následuje samotné obrábění.
14.6. Rozdělení CAD/CAM systémů
CAD/CAM systémy představují integraci mezi CA systémy. A to mezi CAD a CAM
systémem. Pojem CAD/CAM systém můžeme chápat v těchto rovinách:



CAD/CAM systém jako útvar v rámci podnikového CIM,
CAD/CAM jako technologie,
CAD/CAM jako software.
167
Rozdělení CAM systému je v podstatě podobné jako u systému CAD. CAM systémy
můžeme dělit podle několika kritérií. Hlediska dělení mohou být různá a to např.
podle ceny, podle použití nebo podle podpory ze strany výrobce daného software.
CAM systémy mohou být rozlišovány dle velikosti systému. Velikosti systému
myslíme konkrétní využití dané aplikace (množství doplňků nadstaveb, obráběcích
operací atd.).
CAD/CAM systém jako počítačem podporovaný útvar v rámci CIM znamená, že tento
systém zabezpečuje všechny činnosti a funkce spadající pod oba CA systémy, s
propojením na přímé vazby na ostatní CA systémy.
Pod pojmem CAD/CAM lze chápat také technologii, která využívá počítače pro
vykonávání určitých funkcí v předvýrobních etapách i v samotné výrobě. Tato
technologie představuje maximální možnou integraci přípravných a výrobních
procesů ve všech průmyslných činnostech. Vyvíjí se směrem k vyšší integraci
předvýrobních a výrobních fází, které byly tradičně chápány jako oddělené činnosti
výrobního podniku.
Třetí pojem pro většinu technické veřejnosti znamená nejvýznamnější představa o
CAD/CAM systému jako o softwaru.
Všechny CAD/CAM systémy (ať jsou na jakémkoli stupni vývoji) mají společné tyto
aspekty:



počítačovou grafiku,
společnou databázi,
grafickou vizualizaci.
Společná databáze umožňuje tvorbu principu modulárnosti. To znamená, že každý
CAD/CAM se skládá z několika samostatných modulů, přitom je možné využívat
výsledky jiných modulů právě přes společnou databázi. Počet a rozsah modulů závisí
na konkrétní úloze, která se řeší pomocí CAD/CAM systémů. V podstatě všechny
CAD/CAM softwary mají několik základních modulů, které tvoří tzv. funkční minimum
CAD/CAM systémů. K tomuto minimu je možné přidávat další moduly s různým
zaměřením a účelem.
Podle úrovně systémů a na základě ceny lze CAM systémy rozdělit na:



malé CAM systémy,
střední CAM systémy,
velké CAM systémy.
168
Další zdroje
[5.]
[6.]
[7.]
[8.]
CZ.1.07/1.1.01/02.0084.
Dostupné
z:
Velká Bíteš.
[cit.
2014-05-15].
Dostupné
z:
169
15 G-kód
G-kód (ISO-kód) je název programovacího jazyka, který řídí NC a CNC obráběcí
stroje. Byl vyvinut společností EIA počátkem šedesátých let, konečná verze byla
schválena v únoru 1980 jako RS274D.
Díky nedostatkům ve vývoji, mnoha variantám nastavení obráběcích strojů a nízkým
požadavkům na součinnost se jen málo řídicích systémů CNC drží tohoto standardu.
Nezávisle na výrobci jsou přidávány různé změny a rozšíření pod dojmem, že
obsluha musí toto všechno znát.
Mnoho výrobců se snažilo překonat tento problém zpětnou kompatibilitou s řídicím
systémem Fanuc. Fanuc se neshoduje se standardem RS-274, je pomalý v přidávání
nových vlastností a i ve využívání stále většího výpočetního výkonu. Například,
změnil g70/g71 na g20/g21; používal oblé závorky pro komentáře, což způsobilo
potíže po představení matematických výpočtů; nedávno začal používat nanometry
(potřeba 64 bitů); uvedl také systém NURBS ke zrychlení čtení bloků z paměti.
G-kód (přípravné funkce) je rovněž název pro jakýkoliv řetězec znaků v NC
programu, které začíná písmenem G. Obecně je to kód, který říká obráběcímu stroji,
jakou akci má vykonat:





rychlé polohování
posuvný pohyb po přímce nebo oblouku
vrtání, řezání
výměna palety
nastavení nástroje (např. offset)
Různé obráběcí stroje, mohou pomocí stejného kódu vykonávat různé funkce:
dokonce i stroje se stejným řídicím systémem. Někteří lidé se mylně domnívají, že Gkód systému Fanuc je standardem.
Standardizovaná verze G-kódu, známá jako BCL, se používá pouze na několika
strojích.
Jednoduché vytváření G-kódu umožňuje CAM software (např. Smartcam, Gibbscam,
Featurecam, Edgecam, Surfcam, Mastercam, OneCNC atd.). Tyto aplikace využívají
ke generování G-kódu překladače zvané post-procesory. Post-procesory jsou často
jednoduše nastavitelné a umožňují uživateli přizpůsobit se obráběcímu stroji dle
potřeby. G-kód vytváří také některé CAD systémy používané pro navrhování
tištěných spojů. Takový software se musí přizpůsobit jakémukoliv obráběcímu stroji.
170
15.1. Použití vybraných přípravných (G- funkcí) a pomocných
funkce (M- funkce) dle normy ISO 6983
Norma ČSN ISO 6983 rozlišuje funkce v řadě G00 – G99 a M00 – M99 , které jsou
závazné. Ovšem některá místa v řadách jsou neobsazena a výrobci těchto míst
využívají ke svým programovacím funkcím. Proto se běžně stává, že stejná funkce
má více významů (systém od systému). Funkce uvedené v této kapitole jsou však
závazné a totožné u všech řídících systému nezávisle na výrobci tzv. ISO
PROGRAMOVÁNÍ
Způsoby programování
Při tvorbě programu je snaha popsat dráhu nástroje co nejjednodušší způsobem při
zachování všech požadavků zadané výkresovou dokumentací. Většinou se používají
dva způsoby programování:

Absolutní programování – G90
Souřadnice všech programovaných bodů se zadávají k předem zvolenému počátku
souřadnic tzv. NULOVÉMU BODU (kótování od základny).
Č. bodu Souřadnice X Souřadnice Y
1
10
10
2
30
20
3
50
30
Tab. 15.1. Určení polohy bodů v absolutních souřadnicích
171
Obr. 15.1. Určení polohy bodů v absolutních souřadnicích

Inkrementální (přírůstkové) programování – G91
Souřadnice všech programovaných bodů se zadávají vzhledem k PŘEDCHOZÍMU
BODU (naposledy naprogramovanému bodu nástroje), tzn. každý předchozí bod je
současně považován za bod nulový (řetězcové kótování).
Č. bodu Souřadnice X Souřadnice Y
4
10
10
5
20
10
6
20
10
Tab. 15.2. Určení polohy bodů
Obr. 15.2. Inkrementální programování
172
Obr. 15.3. Příklad soustružení
Obr. 15.4. Příklad frézování

Přípravné funkce (G- funkce)
Za adresou funkce následuje významová část skládající se ze dvou číslic upřesňující
relativní pohyb nástroje a obrobku (podmínky a druh pohybu)
Funkce
Význam
G00
Rychloposuv - lineární interpolace maximálním posuvem
173
G01
Lineární interpolace – pohyb po přímce zadanou hodnotou posuvu F
G02
Kruhová interpolace - pohyb po kružnici v směru hodinových ručiček (CW clockwise)
G03
Kruhová interpolace - pohyb po kružnici proti směru hodinových ručiček (CCW counterclockwise)
G17
Volba pracovní roviny X/Y
G18
Volba pracovní roviny Z/X
G19
Volba pracovní roviny Y/Z
G40
Bez korekce rádiusu
G41
Korekce dráhy nástroje vlevo od obrysu (sousledné frézování)
G42
Korekce dráhy nástroje vpravo od obrysu (nesousledné frézování)
G54 G57
Absolutní posunutí nulového bodu
G90
Absolutní programování
G91
Inkrementální (přírůstkové) programování
G92
Omezení otáček stroje
G94
Posuv v milimetrech za minutu [min-1]
G95
Posuv v milimetrech za jednu otáčku [mm]
G96
Zapnutí konstantní řezné rychlosti vc = konst.
G97
Vypnutí konstantní řezné rychlosti n = konst.
Tab. 15.3. Seznam G-funkcí
G00 – Rychloposuv
Funkce G00 se používá pro rychlé přestavení nástroje, neboli nástroj NENÍ v řezu
ani v kontaktu s obrobkem. Nástroj se pohybuje maximální konstrukční rychlostí
stroje z výchozích souřadnic (bod A) do cílových souřadnic (bod B) po přímkové
dráze.
174
Zápis bloku: N... G00 X… Y… Z…
X, Y, Z – souřadnice cílového bodu B
Obr. 15.5. Princip funkce G00
Obr. 15.6. Příklad bloku programu obsahující funkci G00
G01 – Lineární interpolace (pohyb po přímce)
Funkce G01 se používá při pracovním pohybu nástroje (nástroj obrábí) nebo pohybu
nástroje v blízkosti obrobku či přípravků. Nástroj se pohybuje pracovním posuvem F
(hodnotu zadává technolog) z výchozích souřadnic (bod A) do cílových souřadnic
(bod B) po přímkové dráze.
Zápis bloku: N... G01 X… Y… Z… F…
X, Y, Z – souřadnice cílového bodu B
175
F – pracovní posuv nástroje
G02 – Kruhová interpolace ve směru hodinových ručiček
Pohyb nástroje se realizuje po kruhovém oblouku o poloměru R pracovním posuvem
F ve směru hodinových ručiček z výchozích souřadnic (bod A) do cílových souřadnic
(bod B). Lze se setkat s označením pohybu tzv. CW, což vychází z anglických slov
(clockwise) ve směru hodinových ručiček.
Zápis bloku: N... G02 X… Y… Z… R… F… ( I.. J... K…)
X, Y,Z – hodnota souřadnic cílového bodu B
R – poloměr zaoblení (rádius)
176
F – posuv
I – souřadnice středu kruhu v ose X
J – souřadnice středu kruhu v ose Y
K – souřadnice středu kruhu v ose Z
G03 – Kruhová interpolace proti směru hodinových ručiček
Pohyb nástroje se realizuje po kruhovém oblouku o poloměru R pracovním posuvem
F proti směru hodinových ručiček z výchozích souřadnic (bod A) do cílových
souřadnic (bod B). Lze se setkat s označením pohybu tzv. CCW, což vychází z
anglických slov (counterclockwise) proti směru hodinových ručiček.
177
Zápis bloku: N... G03 X… Y… Z… R… F… ( I.. J... K…)
G17, G18, G19 – Volba pracovní roviny
Obrábění obrobku lze provádět v každé ze tří základních pracovních rovin X-Y, X- Z,
Y-Z. Pro výběr požadované roviny musí být uvedena jedna příslušná G – funkce před
uvedením souřadnic pohybu nástroje.
178
Obr. 15.13. Volba pracovní roviny pro vertikální frézku
U tříosých vertikálních frézek se používá nejčastěji programování v rovině X-Y, tedy
programování pomocí přípravné funkce G17.
G40, G41, G42 – Korekce rádiusu břitu ve směru pohybu
Funkce korekce rádiusových korekcí umožňuje programovat rovnou jednotlivé body
kontury obrobku bez ohledu na poloměr zaoblení špičky nástroje (frézy) viz obrázek.
Korekce zaoblení špičky je důležitou funkcí pro zaručení rozměrové a geometrické
přesnosti obráběné součásti. Pokud by nebyly brány v úvahu, docházelo by k
odchylkám mezi naprogramovanou trajektorií nástroje a obrobeným tvarem
(konturou) obrobku. Výroba by se vyznačovala velkým množstvím neshodných
výrobků (zmetků).
Podle ČSN ISO 6983 platí:
G40 – bez korekce - neuvažuje se (u frézování – osa nástroje)
G41 – vlevo od kontury obrobku vzhledem k pohybu nástroje (obrobku)
G42 – vpravo od kontury obrobku vzhledem k pohybu nástroje (obrobku)
(více v kapitole 3)
179
G54 – G57 - Absolutní posunutí nulového bodu
Funkce posunutí nulového bodu slouží k přemístění nulového bodu stroje do nových
souřadnic v závislosti na zakótování (rozměrech) výrobního výkresu z důvodu
minimalizace výpočtu souřadnic. Pokud by se měli při programování vztahovat
souřadnice k nulovému bodu stroje, který je definován výrobcem a je neměnný, bylo
by nutno ke všem rozměrům obrobku připočítávat rozměry polotovaru a upínače (viz
obrázek – souřadnice XMW, YMW, ZMW). Tímto vzniká prostor pro velké množství
chyb způsobený špatným výpočtem. Proto je zde možnost přesunout (softwarově)
nulový bod stroje na libovolné místo v pracovním prostoru a vytvořit tzv. nulový bod
obrobku.
Obr. 15.14. Posunutí nulového bodu – Vytvoření nulového bodu obrobku M
Důležité je si uvědomit, že souřadnice v programu mohou být definovány pouze k
jednomu nulovému bodu (jen jeden aktivní nulový bod). Celkově však lze definovat v
paměti stroje aţ čtyři nulové body. Polohu nulového bodu si programátor volí většinou
sám s ohledem na tvar součástky a zvyklosti. Váží se k němu všechny
programované souřadnice drah v NC programu. Většinou se nulový bod obrobku u
soustružení volí na čelní ploše součástky a u frézování na nejbližší ploše k vřetenu
součástky, viz obrázek.
G92 – Omezení otáček stroje
Touto funkcí limitujeme velikost otáček stroje v programu. Nastavíme maximální možné otáčky
stroje, které lze při programování (obrábění) využít. Využívá se převážně v kombinaci s funkcí
G96 jako ochranný prvek (pokud bude vc=konstantní, ØD= nekonečně malá hodnota => n=
nekonečně velká hodnota).
Zápis bloku: N... G92 S…
Př: N10 G92 S4000 => maximální možné otáčky stroje jsou n = 4000 m.min-1.
180
G94 – Posuv v milimetrech za minutu [min-1]
Funkce definuje: o kolik milimetrů se nástroj posune za jednu minutu a zároveň
hodnotu pracovního posuvu, kterou se nástroj má pohybovat, když není zadáno
jinak.
Zápis bloku: N... G94 F…
Př: N10 G94 F130 => za jednu minutu se nástroj posune o 130 mm
G95 – Posuv v milimetrech za jednu otáčku [mm]
Funkce definuje: o kolik milimetrů se nástroj posune při jedné otáčce nástroje
(frézování) nebo obrobku (soustružení) a zároveň hodnotu pracovního posuvu,
kterou se nástroj má pohybovat, když není zadáno jinak.
Zápis bloku: N... G95 F…
Př: N10 G95 F0.15 => za jednu otáčku se nástroj posune o 0,15 mm
G96 – Zapnutí konstantní řezné rychlosti vc = konst. [m.min-1]
Je známo, že velikost řezné rychlosti je závislá na průměru obrobku (soustružení)
nebo nástroje (frézování) podle vztahu:
neboli, čím menší bude průměr D, tím větší budou otáčky.
Funkce G96 zabezpečuje dodržování zadané hodnoty řezné rychlosti bez ohledu na
průměr D, tedy plynule mění hodnotu velikosti otáček vzhledem k průměru D.
Př: N10 G96 S220 => hodnota řezné rychlosti je konstantní vc = 220 m.min-1. Na
hodnotu velikosti řezné rychlosti nemá vliv měnící se průměr obrobku (soustružení)
nebo nástroje (frézování).
G97 – Vypnutí konstantní řezné rychlosti n = konst. [mm]
Funkce G97 ruší funkci G96. Zadáním této funkce zajistíme, že obrábění bude
probíhat při konstantních otáčkách.
Př: N10 G96 S1300 => otáčky obrobku (soustružení) nebo nástroje (frézování) při
obrábění se nemění, jsou konstantní, n = 1300 min-1.

Pomocné funkce (M- funkce)
181
Za adresou funkce následuje významová část skládající se ze dvou číslic vyjadřující
činnosti CNC stroje (např. zapnutí a vypnutí otáček vřetene či hlazení, výměna
nástroje, konec programu)
Funkce Význam
M00
Programové zastavení. STOP vykonávání programu včetně zastavení vřetena a
chlazení do doby opětovného startu stroje.
M03
Spuštění otáček vřetena ve smyslu hodinových ručiček. (CW)
M04
Spuštění otáček vřetena proti smyslu hodinových ručiček. (CCW)
M05
Zastavení otáček vřetena.
M06
Výměna nástroje.
M08
Zapnutí chlazení.
M09
Vypnutí chlazení.
M17
Konec podprogramu.
M30
Konec programu
Tab. 15.4. Seznam pomocných M-funkcí
M00 – Programové zastavení
Řídicí systém zastaví chod programu a stroje (vypnutí otáček, chlazení) do doby potvrzení
opětovného startu stroje (od obsluhy). Funkce se využívá v místech, ve kterých je potřeba zastavit
probíhající program na konkrétním místě z důvodu např. kontroly rozměru obrobku, odstranění
třísek z místa řezu, výměny a kontroly nástroje.
Zápis bloku: N... M00
M03 – spuštění otáček vřetena ve smyslu hodinových ručiček (CW)
M04 – spuštění otáček vřetena proti smyslu hodinových ručiček (CCW)
Tyto funkce zabezpečují spuštění hlavního řezného pohybu umožňující odebírání
materiálu. U soustruhu se jedná o rotační pohyb obrobku a u frézování o rotační
pohyb nástroje.
Zápis bloku: N... M03 nebo N… M04
Směr rotace vřetena se určuje z pohledu kladné osy Z, neboli od vřetena stroje,
nikoliv z pohledu obsluhy, viz obrázek.
182
Jednodušší vysvětlení u soustružení: pokud je nástroj před nebo pod osou
soustružení při použití pravého nože jedná se o funkci M03 a pokud je nástroj za
nebo nad osou soustružení při použití pravého nože jedná se o funkci M04.
Obr. 15.15. Smysl rotace otáček dle příslušných funkcí M03 a M04
M05 – Zastavení otáček vřetena
M06 – Výměna nástroje
Řídicí systém zajistí výměnu nástroje dle konkrétních příkazů.
Zápis bloku: N... M06 T… D… S…
T 01 – nastavení nástroje v pozici 01 (otočení nástrojové hlavy, zásobníku)
D 07 – vyznačují délkové korekce nástroje zadané v tabulce nástrojů
S 2000 – otáčky vřetene (někdy hodnota řezné rychlosti)
M08 – Zapnutí chlazení (chladící kapaliny)
M09 – Vypnutí chlazení (chladící kapaliny)
M17 – Konec podprogramu
Využívá se u rozvětvených programů obsahující podprogramy. Funkce zajistí návrat
řídicího systému z podprogramu do hlavního programu a to na řádek, který je hned
za blokem odkazující se na podprogram.
183
M30 – Konec programu
Příkaz ukončí hlavní program se všemi podprogramy a činnostmi souvisejícími s obráběním (stop
otáček, chlazení). Zároveň zabezpečí návrat na začátek hlavního programu (restart programu).
Tento blok by měl být na konci kaţdého programu z důvodu bezpečnosti.
Pevné cykly
Pevné cykly slouží ke zjednodušení programu a jeho zkrácení. Pevné cykly obsahují
funkce G00 a G01 o daném algoritmu, pomocí kterých stačí zadat základní vstupní
hodnoty, a tak si systém dopočítá souřadnice drah nutných ke splnění úkolu. Pevné
cykly (G64 – G85) byly sestaveny pro nejpoužívanější obráběcí operace. Při
programování pevných cyklů je důležité si uvědomit, že nástroje se vždy po
splnění cyklu vrátí zpět do výchozích souřadnic (místo startu cyklu)
Funkce
Význam
Technologie
G64
Podélný hrubovací
cyklus
Soustružení
G66
Zapichovací cyklus
Soustružení
G68
Čelní hrubovací cyklus
Soustružení
G73
Vrtací cyklus s
přerušením
Soustružení, Frézování
G78
Závitový cyklus s
vertikálním přísunem
Soustružení
G79
Závitový cyklus s
bočním přísunem
Soustružení
G81
Vrtací cyklus
G83
Vrtací cyklus s
výplachem
G85
Vyhrubovací –
vystružovací cyklus
Tab. 15.5 Seznam pevných cyklů
184
Cyklus G64 – Podélný hrubovací cyklus
Využívá se k podélnému hrubování součástky s konečným začištěním čelní plochy a
návratem do výchozí polohy. Odebírání třísky o hloubce H je prováděno, dokud
nástroj nedosáhne požadovaných hodnot souřadnic koncového bodu X, Z. Všechny
pracovní pohyby nástroje jsou vykonávány zadaným posuvem F a ostatní posuvy
(přejezdy, odjezdy příjezdy) rychloposuvem stroje. Při posledním přejezdu dojde k
začištění čelní plochy vzniklé vytvořením příslušného osazení. Po provedení
posledního úkonu se nástroj vrací zpět do výchozí polohy, ze které byl cyklem volán.
Zápis bloku: N... G64 X… Z… H… F…
X, Z – souřadnice koncového bodu soustružení
H – hloubka záběru příčného ostří ap v milimetrech
F – posuv
Obr. 15.16. Příklad podélného hrubovacího cyklu
Cyklus G68 – Čelní hrubovací cyklus
Využívá se k čelnímu hrubování součástky s konečným začištěním válcové plochy a
návratem do výchozí polohy. Tříska o zvolené hloubce H je odebírána kolmo k ose
rotace obrobku pracovním posuvem aţ do programovaných souřadnic X, Z. Při
posledním záběru třísky dojde k začištění válcové plochy a návratu do výchozí
polohy. Je důležité si uvědomit, ţe pokud je navolena funkce G96 dochází se
zmenšujícím se průměrem ke zvyšování otáček (je nutno navolit maximální mez
otáček fcí G92)
Zápis bloku: N... G68 X .. Z.. H.. F..
185
X,Z - souřadnice koncového bodu
H - hloubka záběru ostří ap v milimetrech
F - posuv
Obr. 15.17. Příklad čelního hrubovacího cyklu
Cyklus G66 – Zapichovací cyklus
Funkce se nejčastěji využívá při tvorbě zápichů, jejichž šířka je větší než šířka
nástroje. Před ukončením cyklu se celá obrobená plocha začistí přejezdem na
hotovo. Pokud je zápich širší než šířka nástroje, je potřeba vhodně zvolit počáteční
bod cyklu. Souřadnice Z udává šířku drážky včetně šířky řezné hrany nástroje
směrem k začátku cyklu.
Zápis bloku: N... G66 X.. Z.. H.. F..
X,Z - souřadnice koncového bodu zápichu
H - šířka nástroje v milimetrech
F - posuv v milimetrech
186
Obr. 15.18. Příklad zapichovacího cyklu
Vrtací cykly:
Vrtací cykly jsou velmi využívány jak z hlediska rychlosti programování, tak z hlediska
bezpečnosti. Samotný cyklus nám zabezpečí bezpečný řezný proces se všemi výjezdy a nájezdy.
Programátorovi se minimalizuje oblast výskytu chyb, které by mohly programováním vzniknout.
Cyklus G81 - Vrtací cyklus
Funkce se použije pro naprogramování vrtání na souřadnici (hloubka otvoru). Po
vyvrtání se nástroj vrátí do počáteční polohy.
Zápis bloku: N... G81 Z… F...
Z - souřadnice hloubky vrtání
F - posuv
187
Obr. 15.19. Příklad vrtacího cyklu
Cyklus G73 - Vrtací cyklus pro hluboké vrtání
Pod pojmem hluboké vrtání (hluboká díra) si lze představit zhotovení otvoru, jehož
délka je alespoň desetkrát větší, než je průměr vrtáku L = 10 x Ø D Funkce se
používá pro vrtání hlubokých otvorů s přerušením pracovního posuvu. Nástroj se
pohybuje pracovním posuvem F a vždy pro vyvrtání hodnoty dráhy H (v ose Z) se
pracovní posuv na okamžik zastaví. Dochází k řízenému dělení (lámání) třísky. Po
vyvrtání otvoru do souřadnice Z se nástroj vrátí zpět do výchozí polohy.
Zápis bloku: N... G73 Z... H... F…
H – přírůstek přerušení ve směru vrtání
F - posuv
188
Obr. 15.20. Příklad vrtacího cyklu pro hluboké vrtání
Cyklus G83 - Vrtací cyklus pro hluboké vrtání s výplachem
Vrtací cyklus pro vrtání hlubokých děr se zhoršenou tvorbou třísky (hůře obrobitelné
materiály). Podobně jako u funkce G73 i zde dochází při vrtání hlubokých otvorů k
zlomení třísek zastavením v předem naprogramované hloubce H. Mimo přerušení
pracovního posuvu dále vrták vyjede z místa řezu (rychloposuvem) před obrobek a
provede se výplach vrtaného otvoru chladicí kapalinou. Poté se nástroj vrátí do místa
přerušení vrtu (rychloposuvem) a cyklus se opakuje až do zhotovení díry dané
hloubky.
Zápis bloku: N... G83 Z... H... F…
H – přírůstek přerušení ve směru vrtání
F - posuv
189
Obr. 15.21. Příklad vrtacího cyklu pro hluboké vrtání s výplachem
Cyklus G85 – Vyhrubovací - vystružovací cyklus
Funkce provede pracovním posuvem F vyhrubování či vystružení otvoru do
požadované hloubky určené souřadnicí Z, a poté vyjíždí z místa řezu zpět do výchozí
polohy pracovním posuvem F. Výjezd z místa řezu pracovním posuvem zabezpečí:
rozměrovou přesnost, kvalitní povrch otvoru a hlavně bezpečný návrat nástroje, který
by při rychlém výjezdu mohl být zničen (vyštípnutí ostří).
Zápis bloku: N... G85 Z… F...
Z - souřadnice hloubky vyhrubování či vystružení
F - posuv
190
Obr. 15.22. Příklad vyhrubovacího - vystružovacího cyklu
Cykly soustružení závitů
Cyklus G78 – Závitový cyklus s vertikálním přísuvem
Cyklus G79 – Závitový cyklus s bočním přísuvem
Závitové cykly slouží k řezání závitu pomocí soustružnického závitového nože.
Celková hloubka závitové mezery (výška závitu) je rozdělena na třísky o stejné
hloubce H. Nástroj při každém přejezdu odebírá materiál odpovídající zadané
hodnotě H, mimo poslední tloušťku třísky, kterou systém automaticky vypočítá dle
zadané hodnoty průměru (hodnota X). Cykly jsou stavěny pro obrábění metrických
závitů, kde hodnota K vyjadřuje stoupání závitu. Cykly G78 a G79 se liší způsobem
rozjíždění závitové drážky viz obrázky níže.
Zápis bloku: N... G78 X… Z… H… K...
Zápis bloku: N... G79 X… Z… H… K...
X, Z - souřadnice malého průměru závitu (vnější závit - šroub), velkého
průměru závitu (vnitřní závit - matice)
H – hloubka záběru třísky
K – stoupání závitu
191
Obr. 15.23. Řezání závitů s vertikálním přísuvem (kolmo k ose obrobku) nástroje
192
Obr. 15.24. Řezání závitů s bočním přísuvem nástroje
Obr. 15.25. Blok zápisu výroby závitu M20x1.5 v délce 50 mm
193
Další zdroje
[1.]
[2.]
G-kód. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA):
Wikimedia Foundation, 9. 3. 2013 [cit. 2014-05-15]. Dostupné z:
http://cs.wikipedia.org/wiki/G-kód
CZ.1.07/1.1.01/02.0084.
Dostupné
z:
Velká Bíteš.
194
16 CNC stroje v prototypové laboratoři SAZE
16.1. ProtoMat E33
Jedná se o nejmenší frézku od firmy LPKF. Tato frézka je určena především pro
nadšence či školy a univerzity. Velikost pracovní plochy frézky je přibližně o
rozměrech A3.
Přes malý frézovací rozměr si tato frézka zachovává vysokou přesnost a
opakovatelnost výroby plošných spojů s rozlišením 0,6µm.
Obr. 16.1. Frézka E33
Rychlost vřetene je 33.000ot/min s rychlostí posuvu 50mm/s a početm otvorů 100/min,), opakovatelnost ±0,005mm (±0,02mil).
Návod k frézování plošného spoje pro mobilní robot

Export dat z Eaglu
195
Nejprve je potřeba z programu Eagle vyexportovat data potřebná k frézování
plošného spoje. Jedná se v základu o čtyři soubory s informacemi o layoutu mědi a
oblastech k odfrézování, okrajích desky a vrtaných otvorech. K tomu slouží CAM
Procesor v okně pro návrh plošného spoje, který je možné spustit ikonou na vrchním
panelu nebo cestou File/CAM Processor…
Obr. 16.2. Exportovací okno Eaglu
V otevřeném okně je nutné postupně nastavit kombinace uvedené v následující
tabulce. Po každém nastavení je zapotřebí vyexportovat příslušný soubor pomocí
tlačítka Process Job.
Druh dat
Zařízení (Device)
Soubor (File)
Vrstvy (Layers)
frézování
motivu
GERBER_RS274X
top.gbr
Top
Pads
Vias
frézování ploch
GERBER_RS274X
rubout.gbr
Top
Pads
Vias
Dimension
196
frézování
okrajů
GERBER_RS274X
dimension.gbr
Dimension
vrtání otvorů
EXCELLON
drill.exc
Drills
Holes
Tab. 16.1. Přehled podkladů nutných k exportu
Spolu s danými daty se vygenerují vždy ještě soubory se seznamem nástrojů a tvarů
vyskytujících se v přidružených datech. Samotné názvy souborů nejsou kritické a
mohou být změněny. Pokud na desce mohou zůstat volné oblasti mědi, které nejsou
s ničím spojeny, není zapotřebí exportovat data pro odfrézování měděných ploch
(rubout.gbr).

Import dat do CircuitPro
Při zapnutí programu dojde k inicializaci spojení mezi počítačem a frézkou. Pokud by
se
vyskytly
komplikace,
je
zapotřebí
spojení
inicializovat
pomocí
Machining/Connect…, případně vyřešit potíže s fyzickým propojením.
Po spuštění programu by mělo být defaultně zvoleno frézování jednovrstvého
plošného spoje s top vrstvou. O tom se můžeme přesvědčit v okně vrstev (Layers),
ve kterém se nebude v názvech vrstev vyskytovat označení bottom, pouze top.
V opačném případě je zapotřebí zvolit File/New… a z nabídky vybrat variantu
SingleSided_Top.cbf.
Následně zvolíme File/Import… a v otevřeném okně označíme všechny soubory
vygenerované Eaglem (včetně souborů *.gpi a *.dri, celkem 8 souborů). V tabulce se
seznamem souborů ve sloupci Layer/Template přiřadíme souborům *.gbr a *.exc
příslušné vrstvy dle následující tabulky.
dimension.gb
BoardOutline
r
top.gbr
TopLayer
rubout.gbr
RuboutTop
drill.exc
DrillUnplated
Tab. 16.2. Seznam souborů nutných k vyfrézovaní dané DPS
Tím zajistíme přiřazení těchto vrstev ke správným technologiím a fázím výroby.
197
Obr. 16.3. Ukázka okna Importu

Generování cesty pro nástroje frézky
Před samotným zahájením frézování plošného spoje je zapotřebí podle návrhu
vygenerovat cesty pohybu jednotlivých nástrojů. K tomu slouží ikona na horním
panelu Generate insulation and contour rating toolpath, případně nabídka
Toolpath/Technology Dialog… V otevřeném okně volíme vlastnosti procesu
frézování, zda má být daný proces vykonán a také typ použitého materiálu.
198
Obr. 16.4. Ukázka Technologického okna
V první oblasti Insulate je možné zvolit způsob vyfrézování motivu, kdy na výběr
máme 4 varianty od vyfrézování pouze izolačních mezer až po odstranění veškeré
mědi dle návrhu plošného spoje. Po otevření detailů (Show Details) je možné zvolit
nástroje, které mají být použity a vlastnosti izolačních mezer. Při výběru varianty pro
odfrézování veškeré mědi (Complete Rubout) necháme nastavení v defaultní
podobě.
V druhé oblasti volíme způsob vyfrézování okraje plošného spoje. Po otevření detailů
(Show Details) můžeme vybrat u různých variant například šířku nevyfrézované
mezery nebo délku frézovaných úseků. Důležité je zvolit variantu Outside – motiv
bude vyfrézován vně obrysu z vrstvy Dimension.
V poslední oblasti – Convert to Toolpath – necháme zatrženou pouze možnost Drills.
Po otevření jejich detailů (Show Details) můžeme zvolit, zda se příslušné rozměry
vrtáků budou volit automaticky nebo zda vybereme jeden konkrétní typ pro odvrtání
199
všech otvorů. Tato varianta je vhodná v situaci, kdy navržené otvory neodpovídají
průměrům dostupných vrtáků. Při samotném návrhu plošného spoje v Eaglu je
vhodné brát tuto skutečnost v potaz a všechny vrtané otvory upravovat. Je také
vhodné nechat zatrženu možnost Create parking drills. Frázka otvory nejprve
naznačí frézovacím nástrojem, vrták se pak tolik neopotřebovává a lépe se chytá do
mědi.
Po nastavení všech možností spustíme vygenerování tlačítkem Start. V okně
Compupation Results vidíme, které nástroje budou pro výrobu plošného spoje
použity včetně vzdáleností, které jimi budou vyfrézovány případně kolik děr s nimi
bude navrtáno. Pokud nastanou během generování nějaké komplikace, budou
v tomto okně uvedeny. Nejčastěji se týkají odlišnosti rozměrů vrtaných otvorů a
dostupných nástrojů – otvory budou ignorovány, nebo příliš složitých oblastí motivu,
které frézka nezvládne vyfrézovat.

Zahájení frézování
Ke spuštění frézování slouží Board Production Wizard dostupný v záložce Wizards
nebo pod ikonou na horním panelu. Nejprve je zapotřebí umístit na frézku pomocný
materiál a na něj pak připevnit desku cuprextitu pomocí lepicí pásky. Provedení této
části potvrdíme tlačítkem Start.
200
Obr. 16.5. Naváděcí program pro frézování desek plošného spoje
V dalším okně – Material Settings – Zvolíme typ používaného materiálu a jeho
parametry. Nejčastěji se lze setkat s materiálem FR4, tloušťkou mědi 18 µm a
tloušťkou cuprextitu 1,55 mm. Tloušťka používaného pomocného materiálu je 2 mm.
Dále je nutné definovat použitelnou plochu. Jedním ze způsobů je manuální
zaměření, kdy klikneme kurzorem do původního okna programu na znázorněnou
plochu frézky a vyčkáme, až na dané místo v reálu přejede. Takto nastavíme
frézovací hlavu nad levý spodní roh použitelné plochy a výběr zaznamenáme
kliknutím na příslušnou ikonu v okně Material Settings. Stejně postupujeme při
zaměření pravého horního rohu. Vybraná oblast se navíc na ploše frézky znázorní.
Je nutné dbát na to, aby ani v okrajových pozicích nebyl frézovací nástroj ani
ochranný kroužek hlavy nad upevňovací páskou, při frézování by docházelo k jejímu
shrnování. Po nastavení těchto parametrů pokračujeme tlačítkem Continue.
201
Obr. 16.6. Výběr materiálu
Dále se otevře okno Placement. V této fázi volíme polohu frézovaného motivu, jeho
natočení a počet kopií. Přesunout motiv lze nejjednodušeji přímo v hlavním okně
programu CurcuitPro metodou drag and drop. Jakékoliv změny v okně Placement
potvrzujeme tlačítkem Apply, po dokončení nastavení pokračujeme tlačítkem
Continue.
202
Obr. 16.7. Volba polohy motivu
Nyní začne probíhat samotné frézování. To spočívá ze série kroků, mezi nimiž je
zapotřebí manuálně měnit nástroje frézky. V programu se vždy objeví výzva
k výměně nástroje se specifikací požadovaného nástroje a hlava frézky se přesune
do levého předního rohu.
Obr. 16.8. Vyžadování frézovacího nástroje
K výměně slouží šroubovák a plastový nástavec uložené napravo v pojezdu frézky.
203
Obr. 16.9. Vložení frézovacího nástroje do hlavy frézky
Nástavec se nasune na nástroj a uvolní se zajišťovací šroubek. Poté se nástroj
vyjme, uloží do krabičky a stejným způsobem se upevní nástroj požadovaný. Pro
zvýšení životnosti nástrojů je zapotřebí nedotýkat se jejich kovových částí. Po
kontrole dotažení zajišťovacího šroubku potvrdíme výměnu nástroje a frézka vykoná
danou fázi výroby.
204
Obr. 16.10. Upevněný frézovací nástroj
Během celého procesu dojde nejprve k navrtání děr včetně jejich předznačení,
vyfrézování motivu plošného spoje od nejtenčího nástroje k nejširšímu a posléze
k vyfrézování okraje plošného spoje, jehož součástí je navrtání míst pro zahájení
frézování.
Celý průběh práce je možné sledovat na ukazatelích a pohyb frézovacího nástroje
v okně programu. Po dokončení práce se přesune hlava frézky do parkovací pozice
vpravo vzadu a na obrazovce se objeví informace o ukončení výroby.

CNC TRON
Jedná se o výukovou stavebnici realizovanou v rámci bakalářské práce studentem
Jakubem Kolaříkem. Tento CNC stroje pracuje v 2,5 D.
205
Obr. 16.11. Stavebnice CNC stroje TRON
Frézovací hlava je opatřena vysokootáčkovou frézkou o výkonu 800W s rozsahem
10 000- 30 000ot/min, kovová příruba motoru s dvojím ložiskem zajišťuje vysokou
kvalitu frézování. Výhodou této frézky je měkký pozvolný start a elektronická ochrana
proti přetížení.
Obr. 16.12. Upnutí frézovacího nástroje - frézky
Řízení stroje zajišťuje řídicí elektronika TB4-HA. Tato jednotka obsahuje 4 drivery pro
krokové motory, které jsou ovládány pomocí standardních STEP/DIR instrukcí a
výstup pro řízení vřetena či jiného nástroje. Nástroj lze řídit buď přímo, nebo
regulátorem otáček pomocí PWM výstupu. Pro komunikaci s počítačem je použito
206
paralelního portu LPT. Jako další periferie je možno připojit koncové spínače, E-stop
tlačítko, digitální odečet polohy a ručního ovládání.
Parametr
Hodnota
Napájecí napětí
12-36V
Výstupní proud
3A (špičkově 3,5A)
Typ řízení krokových motorů
Bipolární
Charakter výstupního signálu
Proudově řízený PWM signál
Chipset driveru
TOSHIBA TB6560AHQ
Počet driveru pro krokové motory
4
Komunikační rozhraní
Paralelní port
Tab. 16.3. Parametry řídicí jednotky TB4-HA
Každý driver má svůj vlastní kódový spínač umožňující nastavení různých parametrů
pro jednotlivé krokové motory v případě použití odlišných krokových motorů, nebo
požadavcích na přesnost.
Vstupy
Výstupy
Pin
Parametry
Pin
Parametr
1
Osa X, Y, Z, Spínací relé
A
10
Koncový spínač osy X
2
Osa X
DIR
11
Koncový spínač osy Y
3
Osa X
STEP
12
Koncový spínač osy Z
4
Osa Y
DIR
13
Tlačítko E-stop
5
Osa Y
STEP
6
Osa Z
DIR
7
Osa Z
STEP
207
8
Osa A
DIR
9
Osa A
STEP
14
Nástroj
Spínací relé
16
Nástroj
PWM řízení
Tab. 16.4. Vstupy a výstup LTP konektoru
Ve výše uvedené tabulce jsou uvedeny informace o jednotlivých pinech paralelního
portu. Všechny krokové motory je možné sepnout pomocí pinu 1. Každý motor má
vlastní vstupní signál DIR určující směr a STEP určující krok, je tedy možné je řídit
paralelně. Protože v této aplikaci je osa X řízena za pomocí dvou krokových motorů,
může být řízení pro osu X a osu A fyzicky propojeno. Pro řízení nástroje je použito
dvou vstupních signálů, pomocí pinu 14 je možné sepnout relé a napájet vřeteno
přímo z řídicí desky, nebo pomocí vhodné spínací součástky ze sítě. Výstupní pin 16
je určen pro řízení otáček vřetene pomocí frekvenčního měniče. Zbylé piny 18-25
jsou připojeny k signálové zemi.
Pin
Parametr
1
Koncový spínač osy X
2
Koncový spínač osy Y
3
Koncový spínač osy Z
4
Tlačítko E-stop
Tab. 16.5. Vstupy RS232 konektoru
Koncové spínače pro jednotlivé osy jsou umístěny v jejich krajních pozicích
a připojeny na patřičné vstupy řídicí elektroniky. Pomocí těchto spínačů je možné
nastavit a kalibrovat CNC stoj a nastavit počátky jednotlivých os. Zároveň také chrání
před mechanickým poškozením stroje v případě špatně napsaného řídicího
programu. Tlačítko E-stop slouží k okamžitému zastavení zařízení uživatelem
v případě vzniku nebezpečí pro obsluhu, nebo stroje samotného. Všechny tyto
signály jsou přivedeny do řídicí elektroniky pomocí vstupního konektoru RS232 a
přeposlány do počítače po LTP portu.
208
Samotné řízení frézovací hlavy je řízeno z počítačového programu
naprogramovaném autorem, Jakubem Kolaříkem v prostředí LabView nebo pomocí
programu Mach3.

Uživatelské prostředí Jakuba
Jedná se o velmi jednoduché ovládání CNC stroje TRON, které je možné rozšířit o
další aplikace jako nanášení pájecí pasty na již vyfrézované plošné spoje.
Obr. 16.13. Vizualizační okno programu
Vizualizační prostředí je realizováno standardními prvky z vývojového prostředí
LabView.
Jako další možností jak již bylo výše zmíněno je možnost nanášení vodivé pasty na
plošky plošného spoje. Výše uvedený program umí zpracovávat EAGLE soubory
s koncovkou BRD, které obsahují návrh DPS. Pomocí speciálně napsaného
algoritmu vyextrahuje všechny typy použitých SMD součástek, najde jejich výskyt na
desce a dopočte souřadnice všech jejich padů. Z pole těchto souřadnic je pak
vygenerován G-kód. Program v aktuálním stavu umožňuje generovat trasu mezi
jednotlivými pady součástek. Tento program bude dále doplněn o sekvenci spuštění
nástroje a sepnutí dávkovače pasty. Doba dávkování bude přímo úměrná ploše
jednotlivých padů.

Mach3
Jedná se o program, který je možno stáhnout free s omezením na 1000 řádků.
Výhodou tohoto programu je, že je v češtině a pro uživatele přístupný a snadno
ovladatelný.
209
Tento program umožňuje podporu různých typů vstupů jako koncových spínačů a
enkoderů. Parametry jednotlivých motorů jako rychlost, zrychlení a počet kroků na
posun o jednotku vzdálenosti se nastavují pro každý motor zvlášť.
Obr. 16.14. Uživatelské rozhraní programu Mach3
Další zdroje
[1.]
KOLAŘÍK, Jakub. Řízení jednotky CNC stroje, bakalářská práce. Vysoká
škola báňská – Technická univerzita Ostrava, FEI, KAT 450. 2014 [cit. 16-052014]. Dostupné na vyžádání.
[2.]
DOČEKAL, Tomáš. Uživatelský návod k laboratorní úloze: Frézování DPS pro
mobilní robot (laboratoř C112). Vysoká škola báňská – Technická univerzita
Ostrava, FRVŠ 910/2013, Inovace laboratoří na katedře Kybernetiky a
biomedicínského inženýrství. Ostrava 2013 [cit. 2014-05-10]. Dostupné v
prototypové laboratoři skupiny SAZE CPIT C112
210
17 Rapid prototyping – 3D tisk
17.1. Předmluva
Rapid Prototyping (RP) v zásadě slouží k co nejrychlejší tvorbě prototypů a modelů
(nástroje, prototypové formy, atd.). Vyvíjí se již od osmdesátých let, kdy vznikla
metod stereolitografie. Nyní se tvorba modelů a prototypů (prezentačních i funkčních)
směřuje především do oblasti výroby forem a nástrojů. Na významu nabývá také
oblast koncepčního konstruování, kdy se ověřují definované vlastnosti budoucího
výrobku. Ve specifických případech se modely vybudované pomocí RP využívají k
simulacím nebo různým typům zkoušek (obtékání, namáhání, atd.).
Velké úsilí je věnováno zdokonalení softwarových i hardwarových technologií, které
by umožnili provádět celý vývojový proces výrobku na digitálním modelu přímo v
CAD systému (vizualizace, rendrování, virtuální realita, MKP, dynamické analýzy, ...).
Ukazuje se ovšem, že potřebou současných designérů a konstruktérů je pracovat
spíše s modelem fyzickým, u kterého se dá snadněji měnit design, odstraňovat
případné chyby, kontrolovat smontovatelnost, opravitelnost, ergonomie nebo
provádět funkční zkoušky. Všechny tyto výhody fyzického modelu mají ve finále za
následek zrychlení celého procesu vývoje výrobku. Výroba modelů a prototypů
klasickými technologiemi je ale velmi náročná a zdlouhavá. Jako nejvhodnější cesta
splňující většinu požadavků konstruktéra se jeví RP, což je technologie rychlá a
umožňuje přímou vazbu na vývojové prostředí, tedy na CAD/CAM systém.
Přednosti metod RP se využijí nejen v automobilovém, leteckém a elektrotechnickém
průmyslu ale i ve výrobě spotřebního zboží. Ve všech oblastech se docílilo zkrácení
vývojových časů, snížení nákladů a zvýšení kvality výrobku. Nejlepší výsledky v
ušetřeném čase dosahují metody RP při aplikaci ve vývoji celých montážních skupin.
V kombinaci s metodami přesného lití kovů poskytují metody RP možnost rychlejší a
levnější výroby kovových funkčních modelů a prototypů.
17.2. Digitální model
Metody RP jsou dalším článkem v dlouhém řetězci vytváření a modifikací dat
týkajících se daného výrobku. První fáze začíná zkonstruováním nákresu výrobku v
některém z CAD programů, pokud možno už odtud by měly být informace o
geometrii ve 3D souřadnicích. Dále se data použijí pro různé analýzy jako je metoda
MKP pro pevnostní analýzu, software vyšetřující kinematické a dynamické závislosti,
atd. Z těchto předešlých programů vyjdou úplná a správná data o výrobku, která se
dále mohou poslat buď do CNC obráběcích center, odkud dostaneme hotový fyzický
model, nebo s nimi můžeme vstoupit do technologie RP. V moderních společnostech
211
nad celým výrobním řetězcem bdí navíc ještě systém správy dat PDM (Product Data
Management).
Aby mohl být fyzický model vytvořen, musí vstupní data nést úplné informace o
geometrii tělesa. Ideálním případem je popis objektu pomocí objemových entit.
Použitím speciálních softwarových nástrojů lze přepracovat i data z 2D CAD
systémů.
V další fázi jsou data o objektu aproximována pomocí trojúhelníků (triangulace).
Parametry triangulace ovlivňují výslednou přesnost modelu a lze je nastavit. První
volitelnou hodnotou je Chord Height, což je maximální přípustná tangenciální chyba v
mm. Druhým parametrem je Angle Control, který určuje maximální přípustný úhel
mezi dvěma trojúhelníky.
Dalším krokem je převedení dat do formátu STL (standardní formát dat pro RP).
Většina moderních CAD/CAM systémů nabízí uložení dat do tohoto formátu. Data
jsou dále zpracována speciálním softwarem dodávaným se systémy pro RP, který
speciálním výpočtovým postupem rozloží 3D geometrii na jednotlivé příčné řezy
definované výšky (Slicen, SLI formát). Obvyklá výška vrstev je 0,1 až 0,2 mm. S
takovým softwarem je možné vykonávat ještě celou řadu pomocných operací jako
např. stanovení měřítka rozměrů součásti, zkoušení a oprava chybných STL dat
nebo navržení podpůrné konstrukce (vyžaduje např. Stereolitografie z důvodů
pozdějšího oddělení součástky od nosné desky nebo podepření a fixaci součástky v
průběhu procesu vytváření modelu). Údaje o takto vytvořených řezech jsou přímo
odeslány do výrobního zařízení pro RP.
Vznik modelu
Při výrobě prototypu se může postupovat klasickými metodami jako je lití do formy
nebo obrábění polotovaru. Přestože i tyto metody dnes už nabízejí propojení s
CAD/CAM systémy jejich použití je technologicky velmi náročné a zdlouhavé.
Technologie RP narozdíl od obrábění, kdy se materiál odebírá, pracuje na principu
přidávání materiálu po vrstvách. Prostorový model je při tomto procesu vytvářen
přímo podle dat, která přicházejí z počítače. 3D model načtený z CAD/CAM systému
je příslušným postprocesorem rozdělen na geometrická data jednotlivých vrstev.
Tato data je už schopen zpracovat prototypovací stroj, který fyzický model postupně
vrstvu po vrstvě opět sestaví. Tímto způsobem se můžou vyrobit i tvarově velmi
složité součástky s dutými vnitřními prostory, šikmými i vodorovnými spodními
stěnami nebo žebry.
V průběhu let se prosadilo hned několik technologií, které pracují na principu
modelování pomocí postupného přidávání nebo vytvrzování vrstev materiálu. Mezi
tyto technologie, které jsou souhrnně označovány termínem Rapid Prototyping patří:
212








Stereolitografie
Selective Laser Sintering (SLS)
Laminated Manufacturing (LM)
Solid Ground Curing (SGC)
Fused Deposition Modelling (FDM)
Metody Model Maker 3D Plotting a Ballistic Particle Manufacturing
Multi-Jet Modelling
a další
17.3. Stereolitografie
Jde o nejpřesnější z uvedených metod, při které se vytváří model postupným
vytvrzováním fotopolymeru (plastické hmoty citlivé na světlo) pomocí UV laseru, který
je na základě dat přicházejících z počítače zaměřován poměrně složitou optickou
soustavou. Na základě dříve vytvořených informací o rozměrech příčných řezů
jednotlivými rovinami (vrstvami) jsou vypočítané řídící údaje, které vedou paprsek
laseru pomocí XY skenovací hlavy nad horní plochou nádobky s polymerem.
Součástka je vytvářena na nosné desce, která se na začátku nachází přímo pod
hladinou polymeru. Vytvarováním tekutého polymeru po vrstvách a následným
odebráním z nosné desky vzniká trojrozměrné těleso (model).
Stereolitografie je nejstarší z technologií Rapid Prototypingu a kromě už zmíněné
přesnosti vyniká také velkým množstvím použitelných materiálů. Oproti jiným
technologiím je možno stereolitografií vytvářet modely s milimetrovými otvory a
miniaturními prvky. Stejně jako u většiny ostatních technologií je možno modely
vyrobené stereolitografií použít pro vizuální kontrolu návrhu výrobku, v některých
případech i k funkčním zkouškám a díky široké paletě materiálů i jako forem pro
vstřikování a lití.
Součástka, která by se klasickými konvenčními metodami vyráběla několik týdnů
může být s pomocí Stereolitografie vyrobena během několika hodin. Nevýhodou
stereolitografie je především pomalý proces tvrzení polymeru a u některých materiálů
také malá tepelná odolnost vzniklého modelu.
213
Obr. 17.1. Princip Stereolitografie
17.4. Selective Laser Sintering
Na rozdíl od stereolitografie jsou modely vyrobené novější metodou Selective Laser
Sintering velmi pevné. Selective Laser Sintering je technologie, při které je laserovým
paprskem spékán do určitého tvaru slévárenský písek, plastový nebo kovový prášek.
Přídavný materiál je nanášený na nosnou desku v inertní atmosféře po vrstvách.
Podle vypočtených souřadnic bodů rovin řezů je řízená XY skenovací hlava, která
vede laserový paprsek nad povrchem prášku, který je nasypaný ve vaně. V místě
působení laseru se přídavný materiál buď zapeče nebo roztaví. Okolní neosvětlený
materiál slouží jako nosná konstrukce. Výroba součásti probíhá po vrstvách, po
vytvoření jedné vrstvy se nosná deska sníží o hodnotu odpovídající hloubce vrstvy.
Na rozdíl od jiných metod můžeme využívat široké spektrum materiálů. Principielně
je možné použít jakýkoliv prášek, který se působením tepla taví nebo měkne. V
současnosti se v komerčních oblastech používají např. termoplastické materiály jako
jsou polyamid, polyamid plněný skelnými vlákny, polycarbonát, polystyrén dále
speciální nízkotavitelné slitiny z niklových bronzů nebo polymerem povlakovaný
ocelový prášek. Většinou však ale není možno přecházet na stejném zařízení od
jednoho materiálu k druhému, neboť jejich vytvrzení si vyžaduje výrazně odlišné
podmínky.
214
Podle druhu použitého modelovacího materiálu je možno v rámci této technologie
rozlišovat metody:





Laser Sintering - Plastic
Laser Sintering - Metal
Laser Sintering - Foundry Sand
Laser Sintering - Ceramic (Direct Shelt Production Casting)
Laser Sintering - Plastic
U Laser Sinteringu - Plastic je, stejně jako například u FDM, možno volit z několika
druhů plastických materiálů, které svými vlastnostmi určují i způsob využití hotového
modelu. Při použití polystyrenu je možné použít výsledný model ve standardní
metodě lití do ztraceného vosku, přičemž je možno snadno modelovat i velmi
komplikované části výrobku. Při použití nylonu dosahují výsledné modely vynikající
mechanické vlastnosti jako tvrdost, houževnatost, teplotní odolnost atd. Tyto modely
jsou proto vhodné pro funkční zkoušky nebo testy lícování. Standardním využitím
všech modelů je prostorová vizualizace navrhovaného výrobku.

Laser Sintering - Metal
Modely vzniklé metodou Laser Sintering - Metal dosahují dostatečné pevnosti a
mechanické odolnosti, takže je možno je využít především jako formy pro výrobu
plastových součástek vstřikováním nebo lisováním.

Laser Sintering - Foundry Sand
Jednou z nejnovějších technologií rapid prototypingu je Laser Sintering - Foundry
Sand. Tato metoda používá upravený slévárenský písek, jehož vytvrzováním je
možno bez jakýchkoli mezikroků vytvořit na prototypovacím zařízení klasickou
pískovou formu pro lití.

Laser Sintering - Ceramic
Výchozím materiálem je v tomto případě prášek slepovaný pomocí tekutého pojiva.
Nanášení pojiva je zajištěno pomocí Ink-Jet tryskové hlavy, která je vedená v rovině
XY podle předem vypočítaných řídících údajů. Pomocí této metody se dají vyrábět
různé součástky z keramického prášku nebo formy a jádra pro technologii přesného
lití.
215
Obr. 17.2. Princip metody Selective Laser Sintering
17.5. Laminated Manufacturing
Oproti jiným metodám Rapid Prototypingu, které pracují relativně pomalu, je pro
rychlé zhotovení prototypu vhodná technologie výroby laminováním, při níž se model
sestavuje z plastových folií nebo z mnoha vrstev papíru napuštěného zpevňující
hmotou, které jsou oříznuty do správného tvaru laserem. Součástka je vytvářená na
svisle se pohybující podložce. Celý proces modelování probíhá tak, že se na
nanesenou a vyřezanou vrstvu natáhne papírová folie opatřená vrstvou polyetylénu,
která se poté přitlačí soustavou vyhřívaných válců, čímž dojde ke slepení obou
vrstev. Paprskem laseru je vyřezán požadovaný obrys vytvářené vrstvy. Přebytečná
odřezaná folie je laserem rozdělena na čtverce a později odstraněna. Po vytvoření
vrstvy se podložka sníží o tloušťku folie a postup se opakuje.
Vytvořené součástky mají podobné vlastnosti jako by byly vyrobené ze dřeva. K
dosažení hladkého povrchu je nutné součástku ručně opracovat. Metoda je vhodná
na výrobu velkých modelů, nevýhodou je velké množství odpadu.
216
Obr. 17.3. Princip metody Laminated Manufacturing
17.6. Solid Ground Curing
Je to metoda vytvářející z jednotlivých vrstev modelu “masky”, přes které se
ultrafialovým světlem vytvrzuje fotocitlivý polymer. Maska je nejčastěji tvořena
skleněnou destičkou, na které je vyznačený tvar vytvářené vrstvy. Celá vrstva se v
tomto případě vytváří naráz. Vytváření tělesa tedy probíhá ve dvou oddělených
současně probíhajících cyklech. Nejdříve je vytvořena negativní maska a potom
dojde k osvícení fotopolymeru. Osvícený fotopolymer ztvrdne, neosvětlený tekutý
fotopolymer je odsáván a vzniklý meziprostor se vyplní voskem. V dalším kroku je
povrch vytvořené vrstvy opracovaný na požadovanou výšku vrstvy a tím je
připravený na nanesení další tenké vrstvy tekutého fotopolymeru. Vosková výplň
zůstane ve vytvářeném tělese až do konce procesu vytváření, potom je chemickou
cestou (pomocí kyseliny citrónové) odstraněna.
Pro názornost lze uvést, že výroba dětské přilby o rozměrech 260x180x140 mm trvá
tímto způsobem asi 32 hod (24 hod trvá vytváření modelu, 5 hod čištění, 3 hod ruční
dokončení).
217
Obr. 17.4. Princip metody Solid Ground Curing
17.7. Fused Deposition Modelling
Velmi zajímavým kompromisem odolnosti modelu, rychlosti a přesnosti tvorby je
metoda Fused Deposition Modelling (FDM). Model se vytváří nanášením jednotlivých
vrstev z různých netoxických termoplastů nebo vosků systémem krok po kroku.
Materiál ve tvaru tenkého vlákna vychází z vyhřívané trysky, která se pohybuje v
rovině XY nad pracovním prostorem. Ve trysce je ohříván na teplotu o 1°C vyšší než
je jeho teplota tavení. Při styku s povrchem vytvářené součástky se vlákna vzájemně
spojují a vytváří tak požadovanou ultratenkou vrstvu, která ihned ztuhne. Součástka
se opět vytváří na nosné desce, která se vždy po nanesení jedné vrstvy sníží o
hloubku této vrstvy. Na podepření přečnívajících částí je nutné vytvořit podpůrnou
konstrukci zlepenky nebo polystyrenu.
Při modelování metodou FDM jsou objekty vytvořené v CAD aplikacích "rozřezány"
na vrstvy pomocí tzv. Slice-Software. Zařízení pracující s technologií FDM mohou být
využívána také v běžném kancelářském prostředí, neboť u nich byla odstraněna
práce s toxickými materiály a s citlivými zařízeními pro laserové snímání. Touto
metodou můžeme vytvářet součástky např. z polyamidu, polyetylénu nebo z vosku.
Vytvořený model již nevyžaduje žádné obrábění. Na principu technologie FDM
pracuje většina tzv. 3D tiskáren.
218
Obr. 17.5. Princip metody Fused Deposition Modelling
17.8. Model Maker 3D Plotting a Ballistic Particle Manufacturing
Obě metody jsou založené na principu inkoustových tiskáren. Nanášení materiálu je
docílené tím, že jednotlivé malé kapky materiálu (termoplastu) jsou vystřelované z
tlakové hlavy na pracovní plochu a tam bezprostředně po dopadu vytvrzené. Cíleným
nanášením dalších kapek na už nanesený materiál můžeme vyrobit trojrozměrnou
součástku.
V současnosti se používají dvě různá řešení. Metoda Model Maker 3D Plotting
pracuje se dvěma tiskovými hlavami, přičemž první nanáší materiál druhá ho tvaruje.
Metoda Ballistic Particle Manufacturing pracuje pouze s jednou tiskovou hlavou,
která má 5 stupňů volnosti. Tato metoda umožňuje vytvářet modely bez podpůrné
konstrukce.
219
Obr. 17.6. Princip metod Model Maker 3D Plotting a Ballistic Particle Manufacturing
17.9. Multi JET Modelling
Princip metody spočívá v nanášení jednotlivých vrstev termopolyméru postupně na
sebe pomocí speciální tiskové pracovní hlavy. Hlava má 96 trysek uspořádaných
rovnoběžně vedle sebe. Průtok nanášeného materiálu je pro každou trysku
samostatně řízen programem. Model se opět vytváří na zvláštní nosné desce
podobně jako u Stereolitografie. Pracovní hlava se pohybuje nad nosnou deskou ve
směru osy X. Jestliže je součástka širší jak pracovní hlava, posouvá se ve směru osy
Y tak, aby se vytvořila celá součástka. Velký počet trysek zaručuje rychlé a
rovnoměrné nanášení materiálu. Nanášený termoplastický materiál ztuhne při styku s
už naneseným materiálem téměř okamžitě.
Obr. 17.7. Princip metody Multi JET Modelling
17.10.
Binder jetting (ZCORP)
Binder jetting neboli Zcorp podle společnosti Zcorporation, která vymyslela tuhle
technologii. Zcorp je proces velice srovnatelný s klasickým inkoustovým tisknutím na
220
papír, u které se nanáší inkoust na papír. U metody Zcorp se nanáší rozprášené
pojivo do prášku. Pohybující se tisková hlava postupně vykreslí celý průřez vrstvy.
Po dokončení jedné vrstvy se deska, na které je model, posune o výšku vrstvy.
Jednotlivá vrstva je nanášena rotujícím válečkem o velikosti 0,1mm +/- 0,2%
Obr. 17.8. Popis Binder Jetting (ZCORP)
Technologie binder jetting má obrovskou výhodu v použitelnosti barev. Velmi přesná
výroba s použitím barev vytváří krásnou povrchovou strukturu. Aby se u modelů
zlepšila pevnost, model se dodatečně opatřuje nátěry, jakými jsou např. pryskyřice
nebo vosk. To se provádí nástřikem, potěrem nebo ponořením do náplně.
Převislé části modelu jsou řešeny stejně jako u technologie SLS. Podpůrné
konstrukce se tedy nemusí vytvářet, protože si je sám tvoří udusaný prášek kolem
modelu. Po ukončení tisku je nutné odstranit přebytečný materiál, který sloužil pro
tyto konstrukce. Používá se vibrační deska s dodatečnou vzduchovou tryskou, která
je na jemnější odstranění.
221
Zcorp se využívá v architektuře, GIS, strojírenství. Kombinací kvalitního modelu s
barevným tiskem vznikají názorné ukázky daného modelu. V designových studiech
se velice používá tato technologie, díky rychlosti vytvořeného tisku. Není potřeba
finálního barevného dokreslování a lakování. Technologie je dobře použitelná v
praxi, ale je důležité si uvědomit, jestli se vyplatí do ní investovat. Tiskárna má velké
pořizovací a režijní náklady.
Obr. 17.9. Ukázka ZCORP ve strojírenství a ukázka ZCORP v GIS
17.11.
LPF (Laser Powder Forming)
Technologie založená na tavení materiálu, který se přidává do určeného místa.
Materiál se podává ve formě prášku volným sypáním nebo pomocí stlačeného plynu,
který udržuje lázeň v ochranné atmosféře. Vznikající teplo vytvoří tavnou lázeň, která
roztaví dodávaný materiál. Postupným posunem laserové hlavy, vznikne jedna
vrstva. Opakovaným procesem vznikne celý model. Laserová hlava je postavená na
víceosém zařízení, které umožní naklonění a model může být uložen na desku v
jakékoliv poloze.
222
Obr. 17.10. Popis technologie LPF
Výhodou je, že se dá používat veliké množství materiálu. Především se jedná o ocel,
hliník, nerez a titan. Není problém míchání různých druhů materiálu. Je to veliká
výhoda. Dají se tím dosáhnout vynikající vlastnosti materiálu, které není možné
dosáhnout klasickými metodami. Ale nevýhodou je, že se kvůli zrnitosti povrchové
vrstvy musí obrábět. Velice úzce je spojená technologie, kterou používá NASA na
oběžné dráze. Akorát s vylepšenými vlastnostmi nebo vhodnými k dané
problematice.
Oproti SLS se tu můžou tisknout velké modely až o velikosti několika metrů.
Používají se na opravy nebo na tisk nových modelů.
Obr. 17.11. Tisknutí LPF technologií a ukázka modelu po tisku LPF technologií
223
17.12.
Polyjet Matrix Printing - PLM
Metoda PLM nanáší velmi slabé vrstvy akrylátových fotopolymerů 16 či 30 μm
(Sandback Technical Desing, ©2012). Stavební materiál je v tekuté formě vytlačován
tryskami do tiskové komory, kde dochází k vytvrzení UV zářením. Současně se
stavebním materiálem je v jednotlivých vrstvách nanášen materiál podpor, je-li to pro
tisk prototypu nutné. Pro stavbu podpor je používán rozpustný materiál, což
umožňuje tisk velmi komplikovaných modelů. Díky velmi slabým vrstvám umožňuje
tato technologie naprosto přesný tisk. Největší výhodou této technologie je tzv.
dvoukomponentní tisk, jež umožňuje tisk dvou různých materiálů v jednom tiskovém
procesu. Výsledkem tohoto procesu může být produkt, který je tvrdý a pevný, ale
zároveň i pružný, svými vlastnosti se podobá pryži. Tiskové zařízení nevyžaduje
nadstandardní bezpečnostní podmínky, materiály se kterými pracuje, jsou netoxické.
Obr. 17.12. PolyJet proces a PolyJet Matrix Proces
Obr. 17.13. Výrobky metodou PolyJet
17.13.
Thermoplastic Inkjet With Milling
224
Jedná se o metodu jejíž princip spočívá ve vytlačování termoplastu – vosku
v kombinaci s frézováním v horizontální rovině.
17.14.
Vakuové odlévání
Tato metoda patří mezi technologie RP. Jedná se moderní technologii pro výrobu
silikonových forem a prototypových dílů. Vakuové lití umožňuje výrobu tvarově velmi
složitých, tenkostěnných modelů při přesném dodržení rozměrů master modelu, za
nízkou cenu v porovnání se vstřikováním plastů (MCAE Systems s.r.o., 2013).
Vakuové lití slouží k výrobě malých sérií prototypových dílů z polyamidových nebo
polyuretanových materiálů, které se svými vlastnostmi velmi podobají materiálům
sériových dílů. Lití se většinou provádí do silikonových forem vyrobených ze
silikonových kaučuků, které se snadno zpracovávají a vytvrzují. Z praktického
hlediska je důležitá zejména jejich pružnost, díky ní se z formy snadno uvolňují i
komplikované odlitky. Další pozitivní vlastností je průsvitný vzhled, který umožňuje
přesné rozříznutí formy dle označených dělících rovin na master modelu. Silikony
mají velice nízké smrštění, dobrou rozměrovou stabilitu, jsou velmi houževnaté a
mají středně vysokou tvrdost. Formy ze silikonových kaučuků lze použít pro odlévací
hmoty na bázi polyuretanů, epoxidů, polyesterů a silikonů. Dále se do těchto
materiálů mohou odlévat i nízkotavitelné slitiny, sádra, keramika, atd. Silikon je
dvousložkový materiál složený ze základní složky, která se po promíchání s
vytvrzovací složkou vytvrdí při pokojové teplotě adiční reakcí. Proces vytvrzení lze
urychlit temperováním nebo urychlovači.
Při tvorbě silikonové formy bez vakuování může vzniknout problém se vzduchovými
bublinami, které silikon obsahuje. Tento faktor má negativní vliv na kvalitu povrchu
silikonové formy a při odlévání tenkostěnných odlitků může dojít i ke zhroucení stěny
formy nebo ke vzniku nekvalitního odlitku. Na trhu se vyskytuje velká nabídka
různých druhů silikonů, které se od sebe mohou odlišovat materiálovými
charakteristikami (viskozita, tvrdost, pevnost v tahu, smrštitelnost, doba
zpracovatelnosti).
Princip vakuového lití




V první fázi je vyroben tzv. master model, k jehož výrobě používáme metodu
FDM nebo již hotový díl, který chceme duplikovat.
Povrch master modelu musí být náležitě upraven.
Master model je nutno potřít separátorem, vhodně umístit do formy (např. ze
skla nebo z plastu) a zafixovat ho pomocí modelíny nebo drátků, dále je nutné
vytvoření vtokové soustavy (např. přilepením modelíny do místa, které je
vhodné pro vtokovou soustavu).
Zalití master modelu vyvakuovaným silikonem a opětovné vakuování zalitého
modelu.
225


Po ztuhnutí se jednodílná forma rozřízne, dojde tak ke zvýraznění dělící
roviny. Vyjmutím modelu je forma hotová. U dvojdílné formy je nutné udělat
druhou část formy stejným způsobem.
Do formy jsou odlévány materiály dle požadovaných vlastností. Materiály jsou
odlévány buď za běžných pokojových podmínek, nebo ve vakuové licí
komoře. Pro lití ve vakuu bývá použit speciální dvousložkový materiál
(Roupec, 2006).
Další zdroje
[1.]
NAVRÁTIL, Robert. Rapid prototyping [online]. 2001 [cit. 2014-05-02].
Dostupné z: http://robo.hyperlink.cz/index.html
[2.]
KOKTAN, Petr. Prostorový model historické části Č. Krumlova a možnosti jeho
3D tisku, bakalářská práce, Jihočeská univerzita v Českých Budějovicích,
Pedagogická fakulta, Katedra informatiky [online]. 2014 [cit. 2014-05-15].
Dostupné z: http://theses.cz/id/ivf14t/Bakalarska-prace-Koktan-Petr.pdf
SAMOHÝL, Lukáš. Aplikace moderních technologií pro výrobu předního dílu
upínacího systému horolezecké mačky, bakalářská práce. Vysoké učení
technické v Brně, Fakulta podnikatelská, Ústav managementu [online]. Brno
2013-05-31
[cit.
2014-05-15].
Dostupné
z:
https://dspace.vutbr.cz/xmlui/bitstream/handle/11012/27432/Bakalářská%20pr
áce%20veřejná.pdf?sequence=1
Mareš, Martin; Horejš, Ostakar. Stroje pro rychlé prototypování. Stroje pro
obráběcí
stroje
[online].
2009
[cit.
2014-05-15].
Dostupné
z
http://www.czspos.cz/akce/20100225.emo2009/10_stroje_pro_rychle_prototyp
ovani.pdf
Bc. KUNC, Martin. Metodika přípravy učitele na výuku strojírenských předmětů
s využitím systémů CAD, diplomová práce. Masarykova univerzita,
pedagogická fakulta, Katedra didaktických technologií [online]. Brno 2012 [cit.
2014-05-15].
Dostupné
z
https://www.google.cz/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=4&cad=rja
&uact=8&ved=0CEcQFjAD&url=https%3A%2F%2Fis.muni.cz%2Fth%2F5762
0%2Fpedf_m%2FDiplomova_prace.doc&ei=q3p0UboEOry7Abm2ICgDQ&usg=AFQjCNHPG-9L3t5gTw8GQUOQ44cil0Jtw&sig2=khHN9gmsrVDmZnS96aHkog&bvm=bv.66330
100,bs.1,d.ZGU
[3.]
[4.]
[5.]
226
18 Materiály pro 3D tiskárny
Jak již bylo řečeno, nejčastěji se jako médium pro tisk na 3D tiskárnách používají
různé typy plastů. Dále pak to může být vosk nebo kovový prášek. Pro konkrétní
výrobek je třeba použít daný typ plastu, aby byla zaručena jeho trvanlivost a odolnost
proti externím nežádoucím vlivům. V následující tabulce shrnu možnosti materiálů,
které se na trhu nabízejí, vyjmenuji jejich výhody a případně nedostatky. Jsou to
plasty, s nimiž je možné na 3D tiskárnách tisknout.
18.1. ABS
ABS je základní materiál používaný při 3D tisku. Jedná se o termoplast, který se
nejprve musí nahřát na konkrétní tavicí teplotu, aby mohl být po ohřátí protlačen
konkrétní tryskou a tím být spojen s předešlou vrstvou. Teplota tavení je 230-250°C,
která se musí odzkoušet dle konkrétního materiálu. Vysoká teplota tavení má výhodu
u dokončovacích operací, které jsou potřebné po tisku. Není problém materiál brousit
a vrtat. Materiály se dodávají v barevných variantách (20).
Cena se pohybuje okolo 700 Kč za 1 kg, záleží na výrobci a prodejci. Často se stává
u levnějších variant, že neodpovídá průměr vlákna dle objednávky. Je to dané
nedůslednou výrobou v Číně.
Výtisk z ABS je výhodný svou odolností a mírným sklonem ke kroucení. Nevýhodou
je vznikající nepříjemný zápach při tavení. Řešením tohoto jevu je potřebný odsav.
Tisknutím ABS se doporučují menší součásti.
18.2. PLA
PLA je biologicky odbouratelný polymer vyrábějící z fermentovaných plodin, jako je
kukuřice nebo cukrová třtina. Jedná se o materiál, který je roztaven a vytlačován
tryskou. Teplota tavení je v rozmezí 180 – 220°C. Nižší teplota tavení oproti ABS
nemá vliv na pevnost výtisku i na spojení jednotlivých vrstev. Dále má výhodu, že se
kroutí méně a proto se mohou tisknout větší modely.
Materiál se dodává v průhledné a neprůhledné (barevné) variantě. Cena se pohybuje
kolem 700 Kč za 1 kg, záleží na výrobci a prodejci.
18.3. Fotopolymer
Fotopolymer je speciální světlocitlivý materiál, který rozšiřuje škálu materiálů
určených pro tisk na 3D tiskárnách. Jeho struktura je kapalná, tudíž se musí
uchovávat v uzavřené nádobě. Požadovaný model se vytváří pomocí paprsku laseru,
kdy se průchodem tohoto paprsku kapalná část mění v pevnou část.
Po vytvrzení je pevný, pružný a voděodolný. Případná křehkost se odstraňuje
dodatečným vytvrzováním pod UV lampou. Dřívější nevýhoda tohoto materiálu,
227
kterým bylo smrštění a zvlnění se díky vývoji odstranila. Cena fotopolymeru se
pohybuje okolo $140.
18.4. Kompositní prášek
Na trhu je obrovské množství kompositních prášků, z kterých se na 3D tiskárnách
vytvářejí modely s různými vlastnostmi. Základem při použití kompozitního prášku je
udusání v nádobě a pak následné vytvrzovaní podle použité technologie. Vytištěný
model je velice křehký a proto se musí napouštět látkou, která zlepší vlastnosti.
Nejčastěji se využívá pryskyřice, u které model dostane náležitou pevnost.
Tohoto materiálu se využívá pro vytváření kvalitních, přesných a barevných modelů.
Další výhoda je možnost tisku komplikovaných modelů, což je dané technologií tisku,
kdy materiál slouží pro automatické vyváření podpůrných konstrukcí.
18.5. Materiály pro lití
Pro vakuové odlévání do silikonových forem jsou nejčastěji používány polyuretanové
pryskyřice, jejichž materiálové vlastnosti se velmi podobají plastům. Podobnost
materiálových vlastností plastu a pryskyřice záleží na typu použité pryskyřice a na
množství vytvrzovacího činidla.
PE (polyethylen)
Hračky, mikrotenové sáčky,
elektrotechnická instalace
ABS (akrylonitrilbutadienstyren)
Spotřební průmysl
PP (polypropylen)
Textilní průmysl, obalový průmysl
PS (polystyren)
Izolace, spotřební průmysl
PA (polyamid)
Textilní průmysl
PMMA (polymetylmetakrylát)
Plexisklo
PC (polykarbonát)
Stavebnictví
POM (polyoxymethylen)
Strojírenství (vodící kroužky, pouzdra,
atd.)
PEEK (polyetereterketon)
Strojírenství (tyče, trubky, ozubená
kola, atd.)
Tab. 18.1. Nejčastěji napodobované plasty.
228
Při výrobě plastových součástí často dochází ke kombinaci kladných vlastností
různých druhů plastů pro dosažení požadovaných mechanických vlastností. Např.
pro zvýšení tepelné odolnosti, rázové houževnatosti pevnosti v tahu a v ohybu a
dalších vlastností.
Polyuretanové pryskyřice jsou dvousložkové materiály skládající se ze základní
složky, která se míchá s vytvrzovacím činidlem. Mísení probíhá nejčastěji v těchto
poměrech: 100/100, 100/80, 100/60, 100/50, 100/40, atd. Po důkladném promíchání
obou složek je doba zpracovatelnosti od 3 do 8 minut. Pro snížení viskozity, a tím
zlepšení zabíhavosti materiálu do formy, lze licí materiál předehřát, tím ovšem dojde
k podstatnému zkrácení doby zpracovatelnosti. Materiál s nízkou viskozitou není
potřeba zahřívat, protože snadno zatéká do formy. Viskozita polyuretanových
pryskyřic je velmi odlišná. Od pryskyřic s nízkou viskozitou (100 mPa.s), po
pryskyřice s vyšší viskozitou (okolo 1300 mPa.s). Doba vytvrzení se obvykle
pohybuje od 25 do 120 minut při teplotě temperování 70°C. Modul pružnosti se
pohybuje v rozmezí hodnot od 500 do 4500 MPa. Hustota pryskyřic se pohybuje od
1,06 do 1,22 g/cm3 (ACR Czech, 2011). Tvrdost plastových materiálů se obvykle
měří zkouškou tvrdosti podle Shorea, jež se řadí mezi dynamicko-elastické zkoušky.
Jedná se o zkoušku odrazem, kdy se zjišťuje výška odskoku zkušebního tělesa od
měřené plochy. Touto metodou se zjišťuje tvrdost z velikosti odskoku závaží (kulička,
diamantový hrot) spuštěného z určité výše na testovaný materiál. Působením závaží
dojde k plastické deformaci a k částečnému pohlcení části energie závaží, které se
těmito vlivy neodrazí do původní výšky (Bureš, 2002). Hodnota tvrdosti se spočítá
jako poměr výšky odskoku a počáteční výšky zkušebního tělesa. Výsledek se
vyjadřuje v procentech. Čím je zkoušený materiál tvrdší, tím méně kinetické energie
zkušebního tělesa je přeměněno na elastickou energii zkoušeného materiálu.
Zkušební těleso odskočí do větší výšky. Pro tvrdší plasty je používána stupnice
Shore D, pro pryže Shore A. Tvrdost polyuretanových pryskyřic se obvykle pohybuje
v rozmezí 74 až 85 Shore D.
229
230
Obr. 18.1. Stupnice tvrdosti Shore

Polymerizace
Polymerizace je chemická reakce, kterou z monomeru (malá molekula) nebo směsi
monomerů vzniká polymer (vysokomolekulární látka.

Polyuretany
Veliká šíře potenciálních kombinací výchozích surovin a možnost selektivní katalýzy
jednotlivých reakcí, které při syntéze polyuretanů nastávají, dovolují připravit velké
množství různých typů polyuretanů. Je možno připravit měkké i tuhé pěnové
materiály, elastomery, vlákna, filmy, nátěrové hmoty, polyuretanové licí pryskyřice,
adheziva a další. Měkké pěny jsou používány např. v nábytkářském a
automobilovém průmyslu (polštářování), pro laminování textilu nebo jako těsnicí
pásky. Většina tuhých pěn je používána k izolačním účelům. Z tzv. integrálních pěn
(pórovité jádro a nepórovitá kůra) jsou vyráběny např. tvarované podrážky bot nebo
součásti automobilů. Polyuretanové elastomery se používají ve výrobě těsnění,
pohonných řemenů, podešví, případně celých lyžařských bot. Pro podlahoviny,
povrchy sportovních drah nebo povrchy startovacích drah letadel se mohou použít
polyuretanové licí pryskyřice.

Elastomery
Elastomer je makromolekulární látka, která se po podstatné deformaci malým
napětím a uvolněním tohoto napětí při pokojové teplotě rychle vrací k přibližně k
původním rozměrům a tvaru.

WPC (Wood Plastic Copolymer - dřevěně plastický kompozitní materiál)
WPC materiál je složený z dřevité moučky a polymeru. Výrobky z něj mají vzhled
dřeva a přitom nemá jeho nevýhodné vlastnosti jako plesnivění, změna barvy nebo
možné poškození vnějšími vlivy. V závislosti na teplotě, při které tisknete, může mít
materiál různé odstíny hnědé. Při teplotě kolem 180°C bude světlejší, při teplotě
240°C bude tmavě hnědý.

BendLay
Materiál se vyrábí z modifikovaného butadiénu. Je bezbarvý a jeho předností je vyšší
ohebnost oproti jiným materiálům používaným v 3D tisku. • Polyamid (nylon) Nylonu
chybí životnost ABS a schopnost rychlého ochlazení bez změny tvaru jako u PLA. Je
to materiál pružný a lehký. Je to skvělý materiál pro tisk součástí přístrojů, protože je
flexibilní, tlumí nárazy a umožňuje připájení k jiným částem. Jeho nevýhodou je, že
při rychlém ochlazení se může poškodit.

PC (polykarbonát)
231
Polykarbonát patří mezi termoplastické plasty. Má dobrou tepelnou odolnost a
odolnost proti nárazům. Překvapivě si ohebnost zachovává i v chladu. Je využíván
hlavně pro tisk transparentních prototypů. Je to nejtvrdší materiál, který se v
současnosti používá v 3D tiskárnách. Nevýhodou je vysoký bod topení oproti ABS a
PLA, což prodlužuje dobu zpracování.

PET-G (polyetylén tereftalát –glykol)
PETG je na rozdíl od jiných materiálu víc odolný vůči kyselinám a rozpouštědlům,
vysokým i nízkým teplotám

PVA (polyvinyl alkohol)
PVA je ve vodě rozpustný syntetický polymer. Používá se pro tisk na dvouhlavých 3D
tiskárnách. Jedna hlava vytiskne podpůrné konstrukce z PVA a druhá samotný
model z ABS či PLA. Po ukončení tisku se podpůrné konstrukce rozpustí ve vodě.

HIPS (houževnatý polystyrén)
HIPS je termoplast, postyrén s přídavkem kaučuku. Používá se pro tisk na
dvouhlavých 3D tiskárnách. Jedna hlava vytiskne podpůrné konstrukce z ABS nebo
HIPS a druhá samotný model z ABS nebo HIPS. Podpůrné konstrukce z ABS je
možné rozpustit acetonem a konstrukce z HIPS limonenem.

XT
XT je amorfní kopolymer vyrobený z biologicky odbouratelných materiálů. Je
transparentní, elastický a jemný na dotek.

Lay-brick
Je to nový typ vlákna vyrobený ze směsi křídy a minerálních příměsí s polymerem.
Vytištěné modely mají kamenný vzhled.

Keramika
Jedná se o keramickou směs z oxidu hlinitého (alumina) a oxidu křemičitého (silica),
která je ve formě velmi jemného prášku nanášena v tenkých vrstvičkách.

Kov
Prozatím se tiskne ze směsi Bronzu, Nerezové oceli a martenzitické oceli, které jsou
dodávány ve formě velmi jemného prášku, který se vytvrzuje.

Sklo
Materiál
Využití
Vlastnosti
232
Výhody
Stereolitografie
- palubní desky a mřížky
kryty
elektrických
a
mechanických komponentů
Polyamid
- další použití bez
- vysoká pevnost dodatečných
součásti
vystavené
- odolnost proti úprav
působení vody
chemikáliím
a - možnost dalších
- díly pro obrábění a lepení vodě
povrchových
úprav
funkční
prototypy
–
dosahují vlastnosti výrobku,
jako při sériové výrobě
- palubní desky a mřížky
Polyamid
s obsahem
skla
(nylon)
kryty
elektrických
a
mechanických komponentů - vysoká pevnost
součásti
vystavené - odolnost proti
chemikáliím
a
působení vody
vodě
funkční
prototypy
–
výborná
dosahují vlastnosti výrobku, tuhost
a
jako při sériové výrobě
přesnost
- tenkostěnné trubky
- další použití bez
dodatečných
úprav
- možnost dalších
povrchových
úprav
- tepelně namáhané díly
- Interiérové komponenty
ABS
-odolný a pevný
materiál
- modely pro zaformování do
vysoká funkční
silikonových forem
přesnost
prototypy
komponenty
pro srovnatelná modely
pro
elektroniku
kvalita, jako při marketingové
a
- pevné a odolné prototypy technologii
jiné využití
vstřikovaného
malosériové
finální
plastu
při
produkty
lisování
233
- testování pro letecký a
automobilový průmysl
Kompozit
extrémní
kryty
elektrických
a - použití až do
mechanických komponentů tvrdost
vysoká 250°C
- vhodný pro osvětlovací techniku, kde odolává teplu odolnost teplotní - tvarová stálost
produkujícímu od tepelných i vůči vlhkosti
- materiál odolává
zdrojů
vysoká deformacím
- odolává působení vody, přesnost
použití v točivých částech
vodních čerpadel
- průhledný plast
vizualizace
kapalin, olejů atd.
HiTemp
průtoku
funkční
testování
při
vysokých
- vysoká pevnost teplotách
- odolnost proti mechanické
vlhkosti
vlastnosti
se
- modely pro větrné tunely
- použití pro nemění
v závislosti
na
- prototypy ovládacích prvků teploty
čase
- vysoce odolné modely do 130°C
- tvarová stálost
s dlouhou životností
- snadná údržba
materiálu
MAX Plastic
- vlastnosti a
vzhled odolného
vstřikovaného
- modely pro zaformování do plastu
- odolává běžným
silikonových forem
teplotám
za
výjimečná
neměnné tvarové
- odolné sestavy vhodné pro trvanlivost
a
stálosti
testování
odolnost
- teplotní stálost
60°C
234
silikonových forem
- průhledný materiál
PC
Polykarbonát
- použití v odvětví spotřební
průhledný, možnost
elektroniky
pevný a přesný vizualizace
- odolné funkční prototypy
materiál
vnitřních detailů
využití
modelů
v marketingu
- použití pro osvětlovací
techniku a v lékařství
PP
Polypropylen
vysoká
pružnost
a
silikonových forem
tvarová
použitelný paměťová
v automobilovém průmyslu, schopnost
v elektrotechnice
i
pro
vysoká
výrobu hraček
přesnost
modely
pro
marketingové
účely
- přesné a funkční
prototypy
Prášková
metoda
barevné
modely
protoPRINT
Plaster
prezentační
- velká odolnost
- výroba hraček a obalových možnost
možnost materiálů
barevného tisku
dalšího
architektonické
a opracování
koncepční modely
Technologie
vosku
VisiJet®
Plastický
- široké užití pro komerční hladký
a - materiál vhodný
účely
detailní povrch
pro vrtání, lepení,
- modely pro zaformování velká
míra pokovování,
235
i voskový
do silikonových forem
detailů
pískování
materiál
Tab. 18.2. Plasty použitelné pro tisk na 3D tiskárnách
Budoucnost 3D tiskáren se bude určitě rozvíjet. Materiály pro výrobu prototypů
budou vystřídány stále vyspělejšími. Také 3D tisk bude jistě nacházet snadnější a
dostupnější cesty ke svým potencionálním zákazníkům, aby se tato výjimečná
technologie dokázala prosadit nejen v podnikové sféře, ale aby se stala běžnou
potřebou domácího využití.
Další zdroje
[1.]
[2.]
[3.]
[4.]
SAMOHÝL, Lukáš. Aplikace moderních technologií pro výrobu předního dílu
upínacího systému horolezecké mačky, bakalářská práce. Vysoké učení
technické v Brně, Fakulta podnikatelská, Ústav managementu [online]. Brno
2013-05-31
[cit.
2014-05-15].
Dostupné
z:
https://dspace.vutbr.cz/xmlui/bitstream/handle/11012/27432/Bakalářská%20pr
áce%20veřejná.pdf?sequence=1
2014-05-15].
Dostupné
z
100,bs.1,d.ZGU
Future3D. Internetová stránka zaměřená na 3D technologie. Materiál pro 3D
tisk
[online].
Kunratice
[cit.
2014-05-15].
Dostupné
z
http://www.futur3d.net/materialy-pro-3d-tisk
236
19 Základy technického kreslení
19.1. Technická normalizace
Výrobci složitějších výrobků se nemohou obejít bez normalizace jednotlivých dílů
složitějších sestav. Každý podnik nebo jeho dílčí jednotka se soustředí na výrobu
konkrétní části. Pokud bychom následně jednotlivé díly zkompletovali, nemusely by
některé z nich v lepším případě plnit správnou funkci. V horším případě by takový
výrobek nebyl v žádném případě použitelný.
Z hlediska normalizace mluvíme také o záměnnosti jednotlivých výrobků. Příkladem
jsou například spotřební náhradní díly pro automobily. Představme si situaci, kdy
jeden podnik ukončí z jakékoliv příčiny svou činnost a přestane vyrábět díly, které je
třeba v pravidelných intervalech měnit, například různé filtry. Jednalo by se o zboží,
které je ve velkém obratu. Zásoby by byly rovněž brzy vyprodány. V této chvíli
bychom museli přestat výrobek (auto) používat. Existují však podniky, které se
zabývají výrobou náhradních dílů stejných rozměrů. Pokud by však nedodržovaly
stanovené normy pro výrobu daného dílu, byl by nepoužitelný, mohl by při provozu
způsobit jisté potíže nebo zapříčinit následnou závadu.
Technická normalizace tedy předpokládá jistou úroveň konkrétního výrobku. K tomu
účelu byly stanoveny technické normy. V České republice se jedná o normu ČSN –
Česká státní norma. Normy pod touto značkou jsou platné na území celého státu.
Spadají pod ně oborové normy (ON) a podnikové normy. Tyto normy jsou podřízeny
normě ČSN, nesmí být s ní v rozporu. Některé normy mají širší působnost. Jedná se
o normu EN – Evropská norma a mezinárodní nebo ISO – mezinárodní organizace
pro standardizaci. Technické normy, které vznikaly v našem státě, však přestaly být
v mnoha ohledech dostačujícími. Z tohoto důvodu Úřad pro státní normalizaci,
metrologii a státní zkušebnictví (ÚNMZ) přistoupil na přejímání některých technických
norem. Tyto normy jsou označovány ČSN EN nebo ČSN EN ISO. ÚNMZ zastřešuje
všechny systémy týkající se technické normalizace, metrologie a státního
zkušebnictví v rovině technologické, terminologické a právní. Zabezpečuje také
mezinárodní vztahy zabývající se normalizací a ostatními zastřešenými systémy.
Internetové stránky ÚNMZ zabezpečují prohledávání norem podle zadaných
parametrů „jsou normy, předpisy a pravidla definující určité standardy, které:
o usnadňují sériovou, hromadnou výrobu, a tím ji zrychlují a zlevňují,
o urychlují vývoj a zrychlují práci konstruktéra,
o zlevňují výrobu, a tím snižují ceny výrobků,
o umožňují vzájemnou zaměnitelnost normalizovaných dílů,
237
o umožňují na mezinárodní úrovni budovat vztahy v oblasti vývoje, výroby a
kontroly.“
o Při prodeji výrobkům také nutné doložit příslušné dokumenty – normy,
pravidla, technické vzory, konstrukční výkresy apod., které byly při výrobě
užity.
19.2. Technické výkresy
Technický výkres je základním dokumentem, který vzniká při tvorbě nového návrhu.
Výkres vyjadřuje grafickou formou ztvárnění budoucího výrobku. Vzniká za pomocí
daného technického vybavení. Tím může být počítač nebo kreslicí deska a jejich
nezbytné příslušenství. Výkres musí být zpracován podle daných zásad. Především
se jedná o dodržování norem. Řídit bychom se však měli i různými poučkami a
zlepšovacími návrhy, které jsou při tvorbě výkresů nepostradatelným ulehčením
práce a zvýšením efektivity práce.
Výkresy se ve strojírenství dělí podle:
o návrhové – zobrazují se na nich součásti ve vzájemné poloze pouze se
základním zobrazením parametrů výrobku, slouží jako finální řešení,
o součástí (výrobní) – slouží jako podklad pro výrobu, obsahují kompletní údaje
obsahující veškeré rozměry, tolerance, popisy, opracování aj. a potřebné
pohledy na výrobek,
o výkresy sestav a podsestav – jsou použity při průběžné a finální montáži
výrobku. Jsou v nich vyznačeny pouze hlavní rozměry udávající souvislosti
mezi jednotlivými díly. Soupis dílů je uspořádán v tzv. soupisce dílů neboli
kusovníku.
Formáty výkresů
Formáty výkresů stanovuje norma ČSN EN ISO 5457. Tato technická norma je česká
verze evropské normy EN ISO 5457:1999. Stanovuje rozměry a úpravu předtisků
výkresových listů v odvětvích průmyslu tj. elektrotechniky, stavebnictví, strojírenství
aj. včetně výkresů zpracovávaných počítačově.
Norma definuje tři formátové řady výkresů:
o ISO-A – tento formát se používá jako formát základní výkresové řady.
Popisové pole se umísťují do pravého dolního rohu výkresu. Formáty výkresů
A0 – A3 je možné používat pouze v horizontální rovině.
o Prodloužené formáty – používají se u složitějších nákresů, u kterých je nutné
zachovat určitou míru detailů. Není možné je zmenšit. Jedná se o
238
několikanásobné formáty základní. Většinou jsou to 3, 4 a 5násobky základní
šířky, délky nebo kombinace obou např. A4 x 3 (297 x 630), A3 x 3.
o Zvlášť prodloužené formáty – jedná se o stejný princip, jako v minulé
formátové řadě. Jsou to formáty zvlášť velkých rozměrů (A4 x 6 – 297 x 1261).
Formáty výkresů udávají jejich rozměry v milimetrech. Rozměry jsou zaznamenány v
Chyba! Nenalezen zdroj odkazů..
ISO-A
Prodloužené formáty Zvlášť prodloužené formáty
A0 841 x 1189
A1
A2
A3
A4
594 x 841
420 x 594
297 x 420
210 x 297
A0 x 2
1189 x 1682
A0 x 3
1189 x 2523
A1 x 3
841 x 1783
A1 x 4
841 x 2378
A2 x 3
594 x 1261
A2 x 4
594 x 1682
A2 x 5
594 x 2102
A3 x 3
420 x 891
A3 x 5
420 x 1486
A3 x 4
420 x 1189
A3 x 6
420 x 1783
A3 x 7
420 x 2080
A4 x 3
297 x 630
A4 x 6
297 x 1261
A4 x 4
297 x 841
A4 x 7
297 x 1471
A4 x 5
297 x 1051
A4 x 8
297 x 1682
A4 x 9
297 x 1892
Tab. 19.1.Rozměry výkresových formátů
Prodloužené formáty se skládají tak, aby vždy na viditelném vrchním skladu bylo
čitelné razítko. To v praxi platí pro kopie výkresové dokumentace. Originály by měly
239
být smotány a uloženy ve speciální skříni. Pro rýsování na počítači však zpravidla
není nutné uchovávat jiné než elektronické předlohy. Zde je samozřejmě nutné
myslet na zálohování dat a soubory ukládat na více místech.
Druhy a použití čar
Na výkrese je čára základním prvkem pro tvorbu grafických celků. Každý typ čáry má
svůj význam. Typy čar dělíme podle tloušťky a typu. Každý typ čáry má svůj význam.
Ve strojírenských výkresech jsou tenkými čerchovanými čarami značeny soustředné
osy. Tenké nepřerušované čáry slouží pro zakreslení kót a pro šrafování řezů. Tlusté
plné čáry se používají pro obrysy tvarů a přerušované pro skryté hrany. Délka
krátkých čárek v čerchované čáře má být rovna nejvýše trojnásobku její tloušťky.
Tloušťky čar by měly být v poměru 1 : 2 : 4, tedy například 0,13 mm : 0,25 mm : 0,5
mm.
V CAD programech si obvykle tyto normy hlídá program sám. Vždy bychom však
měli pamatovat na základní poučky:
o pokud se čáry ve výkrese protínají, průsečík musí být na úrovni delších čar,
o pokud spojujeme přerušované čáry v rohu, musí být rohové spojení na úrovni
čar, nikdy čára – mezera
o u přerušovaných čar se nesmí blízko sebe umístěné čáry krýt, měly by být
posunuty
Zobrazování ve výkresech
Se zobrazením předmětů ve strojírenských výkresech se budeme setkávat v celé
praktické části práce. Z hlediska základního zobrazení je dělíme na plošné (2D) a
prostorové (3D). Tímto se také liší kreslicí programy. Zobrazení tělesa v jeho
pohledech z více stran se nazývá promítání. Představit si je můžeme jako při
promítání objektu na filmu s použitím promítačky. Promítání může být rovnoběžné –
promítací přímky jsou vzájemně rovnoběžné, kosoúhlé – promítací rovina je
rovnoběžná s čelní stěnou a další souřadnou rovinou, středové – promítací přímky
vycházejí ze středu promítání. Axonometrické promítání vystihuje názornou
představu o reálném tvaru předmětu. Ve strojírenských výkresech je však
nejrozšířenějším promítáním pravoúhlé. Zobrazovaný předmět je promítán
rovnoběžnými promítacími přímkami svírající vzájemně úhel 90°. Tento typ promítání
se však dále dělí na dva systémy. Jedná se o promítání v prvním kvadrantu, dříve
evropské (ISO-E) viz. u nás je používané promítání podle normy iso-e.
a promítání ve 3. kvadrantu, dříve značené jako americké promítání ISO-A,
objasňuje níže uvedený obrázek. Pohledy jsou mezi těmito systémy promítnuty na
opačné strany. Při rýsování v konstrukčních programech je tedy nutné dbát na
240
nastavení aplikace v součinnosti s jednotlivými normami. U nás je používané
promítání podle normy ISO-E.
Obr. 19.1. Metoda promítání v 1. kvadrantu - ISO-E
241
Obr. 19.2. Metoda promítání ve 3. Kvadrantu - ISO-A
19.3. Kótování
Kóty jsou důležité pro určení všech rozměrů součástky. Kótovací i pomocné čáry
kreslíme tenkou plnou čárou v podobě úseček vně nebo i uvnitř kótovaného objektu
a také kótovacích oblouků. Úhlové kóty se používají v případě kótování úhlů
odlišných od rovinných úhlů (45°). Tyto úhly se kótují pomocí dvou souběžných
kótovacích čar a kóta je označena jako např. 1 x 45°.
Při kótování je nutné dodržovat daná pravidla.
o kóta je číslo, které udává skutečnou nebo požadovanou velikost rozměru nebo
polohu předmětu (jeho části). Není bráno v potaz měřítko, které je pro kreslení
předmětu určeno. V případě, že je předmět nakreslený v jiném měřítku, měla
by mu odpovídat udávaná hodnota.
o rozměry délek se kótují ve stejných jednotkách (zpravidla to bývají mm),
o rovinné úhly se kótují v úhlových stupních, minutách a vteřinách,
o jiné než délkové rozměry se musí uvádět,
242
o každý prvek se kótuje pouze jedenkrát,
o kóty se umísťují tak, aby bylo zřejmé, k jakému prvku mají vazbu,
o všechny informace o rozměrech se uvádí přímo na výkrese, případně
v přiloženém dokumentu (popisové pole, seznam položek),
o kótovací čáry se kreslí rovnoběžně s kótovací rovinou nebo obloukem ve
středu úhlu,
o pomocné čáry se prodlužují 1 – 2 mm za kótovací čáru,
o kóta se nemá protínat žádnou čarou a nesmí být rozdělena osou
o Příklad kótování s názvoslovím kótovacích čar je uveden na následujícím
obrázku.
Obr. 19.3. Popis kótovacích čar
Podle typu kótovací soustavy při kótování více délkových rozměrů, které mají
společný vrchol, je dělíme na:

řetězcové kótování

kótování od společné základny
243

smíšené kótování

souřadnicové kótování
Pro kótování podobných geometrických prvků, lišících se pouze v rozměrech,
používáme kótování tabulkové. Namísto rozměrů kót se uvedou nad kótovací čáry
velká písmena latinky. Jednotlivým písmenům se přidělí rozměry v tabulce, která je
součástí výkresové dokumentace.
19.4. Tolerance v technickém výkresu
Rozměry, které jsou udávány výkresovou dokumentací nelze vždy z různých důvodů
vyrobit s nulovou odchylkou. Odchylky mohou být způsobeny několika příčinami.
Mezi nejčastější patří vzniklé nepřesnosti z důvodu špatné volby technologie výroby,
jejími postupy a také zaviněním lidského faktoru. Funkční rozměry mají tedy
předepsány určité meze, které musí splnit, aby byl výrobek posouzen jako
nezmetkový. Odchylky od původní hodnoty se nazývají tolerance. Rozměry, pro
které neexistuje tolerance, musí splňovat parametry podle normy ČSN ISO 2768-1.
Podle této normy jsou odchylky rozměrů rozděleny do čtyř skupin přesnosti. V těchto
skupinách jsou uvedeny tolerance pro přesah parametrů délkových rozměrů, zkosení
a zaoblení hran a úhlových rozměrů. Na technických výkresech se standardně
zapisují toleranční značky. Úchylky mohou záviset také na drsnosti obou do sebe
zapadajících povrchů dílů. Poloha tolerančního pole je doplněna tolerančním
stupněm IT. Stupně se dělí na tři skupiny – A, B a C. Stupně A, B je na výkresech
nutné předepisovat, dodržování stupně C musí samozřejmé. V soustavě ISO se
určují úchylky kruhovitosti, rovinnosti, válcovitosti, rovnoběžnosti, souososti,
různoběžnosti a obvodového a čelního házení předmětů. Úchylky se určují podle
tolerančních tabulek.
Tolerancemi se řídí i vzájemný posun hřídele a díry, které do sebe zapadají.
Tolerance pro díry jsou uváděny velkými písmeny latinky, pro hřídele malými
písmeny.
Na níže uvedeném obrázku je nakreslený díl, uvádějící toleranční rozměr pro otvor i
pro hřídel. Jsou zde uvedeny dva rozměry a to ø 70 H8 a ø 90 n6. H8 je toleranční
stupeň pro díru a n6 pro hřídel. Toleranční stupně od 01 do 5 se užívají pro výrobu
kalibrů, pro 6 – 11 pro výrobky přesného strojírenského průmyslu a pro 12 – 18 pro
výrobu polotovarů.
244
Obr. 19.4. Tolerance děr a hřídelů
Toleranční pole je plocha obdélníku, jehož vodorovné strany náleží horní a dolní
úchylce a výška udává velikost tolerance. Poloha tohoto pole je udávána vzhledem
k nulové čáře. Tímto způsobem je určena základní úchylka.
245
Obr. 19.5. Poloha tolerančních polí hřídelů a děr
19.5. Operační systémy počítačů a CAD software
V souvislosti s používáním konstrukčních programů se můžeme setkat s problémem
jeho funkcionality na různých operačních systémech. Společnosti, které CAD
software vyvíjejí, se samozřejmě orientují na zákazníka a zisk z prodeje svých
výrobků. Většina uživatelů osobních počítačů používá systém Windows.
Oboustranně je tedy výhodné přizpůsobit konstrukční programy pro operační systém
Windows. Velký boom nastal před několika lety, kdy k uživatelům začal stále více
pronikat operační systém MAC OS. Některé konstrukční programy, jedná se zejména
o software, který je vyvíjen pod volnou licencí, podporuje právě zmíněný operační
systém MAC OS. Obdobně si stojí operační systém Linux. Jedná se o volně šiřitelný
systém, který vyvíjí mnoho dobrovolníků.
Operační systémy podporované ze strany výrobců CAD softwaru:
o Windows – operační systém, který má velkou podporu u výrobců CAD
software.
o Linux – operační systém, který podporují zejména dobrovolníci vyvíjející
programy pro tento operační systém. Na systému Linux vznikal také oblíbený
246
volně šiřitelný modelovací CAD program Wings 3D (více v kapitole o 3D
modelářích).
o Mac OS – operační systém, který podporují někteří výrobci CAD software
(Google SketchUp)
o Android – tento operační systém začíná pronikat prostřednictvím mobilních
zařízení i do domény CAD softwaru. Společnost Autodesk vychází vstříc svým
zákazníkům a uvádí program AutoCAD WS, který je možné provozovat na OS
Android. Software umožňuje prohlížet a také editovat výkresy s příponou
souboru *.dwg, *.dwf a *.dxf. Dalším podporovaným programem na OS
Android, je program Droid 2CAD.
19.6. Licencování softwaru
o OSS - tento software je možné používat svobodně. Je šířen s otevřeným
kódem. To znamená, že je možné ho dále upravovat podle vlastních potřeb.
Na tomto softwaru je například vyvinutý 3D grafický program Blender. OSS
není vlastně ani licence softwaru.
o GPL – jedná se o svobodný software. Používá termínu copyleft k ochraně
práv uživatele, i v případě změny softwaru.
o BSD – jedná se o svobodný software. Umožňuje volné šíření obsahu za
podmínky uvedení autora, informace o licenci a upozornění na zřeknutí se
odpovědnosti za dílo. „Software licencovaný pod BSD licencí lze začlenit do
díla pod GPL (avšak opačně to neplatí: dílo pod GNU GPL nelze zveřejnit pod
licencí BSD).“
o Freeware – software, který je k dispozici bezplatně. Jeho používání se však
liší licenční smlouvou, která je u každého softwaru specifická.
o Demo – software, který je omezený svou funkcionalitou pouze na dané úkony
nebo po omezenou dobu.
o Shareware – software chráněný autorským zákonem. Typicky je ho možné
bezplatně používat po určitou dobu. Po této době je nutné software
zaregistrovat nebo zakoupit. V licenčních podmínkách softwaru je uvedeno, za
jakých podmínek je ho možné nadále využívat.
o Abandonware – software, který je více než 10 let starý nebo se více než 5 let
nepoužívá. Tento software není výdělečný nebo již není perspektivní pro další
vývoj. Je tedy uvolněn pro volné použití – stává se z něho freeware s tím
rozdílem, že se jedná o nechráněný software.
o Licence STD – jedná se o používání programu v souladu s jeho licenčními
podmínkami pro studijní účely. Do zaregistrování programu je funkční pouze
247
na omezenou dobu (30 dnů). Po registraci ho může student nebo učitel
využívat po danou dobu například 150 dnů v případě programu SolidWorks ®.
Používání softwaru se podle našich platných zákonů musí řídit podmínkami
autorského zákona 121/2000 Sb., o právu autorském, právech souvisejících s
právem autorským a o změně některých zákonů. Neoprávněným používáním
softwaru nese jeho uživatel právní následky z porušení tohoto autorského zákona a
hrozí mu peněžitý trest nebo odnětí svobody.
Další zdroje
[1.]
2014-05-15].
Dostupné
z
100,bs.1,d.ZGU
248
20 CAD programy
Zkratka CAD jsou první písmena anglického významu Computer Aided Design.
Česky bychom mohli zkratku přeložit jako počítačem podporované konstruování.
S nástupem informačních technologií (IT) v podobě nasazení počítačů do oblastí,
kde byly dříve využívány konvenční technologie, došlo také k rozvoji softwaru pro
návrhy výkresové dokumentace. V dnešní době se již tedy můžeme jen zřídkakdy
setkat s klasickým konstruováním výkresů pomocí rýsovací desky s pravítky.
V odborné literatuře je klasické rýsování považováno za archaické.
20.1. Srovnání rýsovacích desek a CAD programů
Rýsovací desky, které používali konstruktéři a návrháři ještě donedávna, (v
některých podnicích je ještě můžeme spatřit dodnes) měly své kouzlo. Dnes v nich
můžeme spatřovat několik nesporných nevýhod:
o rozměrově neskladná plocha – dřevěná deska vyráběná ve velikostech pro
formát papíru A0 – největší běžně užívaný rozměr, potřeba velké plochy pro
celý přístroj
o složitý mechanismus pravítek, který byl s rozvojem rýsovacích desek částečně
zredukován
o nutnost dvojího kreslení výkresu – nejdříve nejlépe na milimetrový papír
s použitím tužky tvrdosti HB a následné překreslení na průsvitku
o nesnadná variabilita možností konstrukce (verzí návrhu)
o při chybě při překreslování na průsvitku nutnost použití např. holicí čepele a
následně plastové pryže pro odstranění chyby kreslení
Naopak u CAD programů spatřuji nesporné výhody:
o vyšší produktivita práce
o rychlé vytvoření více variant
o jednoduché úpravy výsledného nákresu
o možnost tvorby výkresů nejen ve 2D, ale i ve 3D
o jednodušší nasazení výrobku do výroby
o snadná prezentace návrhu pomocí simulované vizualizace
20.2. Přehled, zařazení a rozdělení CAD softwaru
V současné době je v nabídce CAD programů mnoho produktů, které se liší účelem
použití. CAD programy můžeme využívat jako obecné, pro širší využití, je však
249
mnoho programů přizpůsobených pro použití v určité specializaci podle odvětví
činnosti. CAD programy tedy můžeme dělit na použití v odvětvích:
o strojírenství - CAM a CAE
o stavebnictví a architektuře - AEC, BIM, CAAD
o územním plánování - GIS
o elektrotechnice - PCB, EDA
o správě nemovitostí - FM
Z pohledu budování a vývoje CA programů bychom mohli odvodit, že se jedná o
software, jehož vývoj je ovlivněn mnoha předpoklady. Programování CA software je
závislé na několika faktorech, které dávají vzniknout novému programu. Závislosti
CA programů jsou znázorněny na následujícím obrázku.
Obr. 20.1. Prostředky ovlivňující budování CA systémů
Rozebírá zde myšlenku, že lze pomocí dílčích systémů do určité míry napodobit
myšlenkové pochody lidí a začlenit je do CA programů. Speciálně naprogramovaný
software umožní částečné nahrazení lidského uvažování. V současných programech
se s tímto jevem setkáváme poměrně často. Konstrukční program dokáže předvídat
pomocí svých algoritmů, co uživatel zamýšlí a nabídne možné řešení. Příkladem
inteligentního konstrukčního softwaru je rozdělení čtverce na dvě poloviny. Jestliže
ukážeme myší na jednu stranu čtverce, program sám určí středový bod této strany.
Chytrý konstrukční software dokáže opakující úlohy automatizovat. Šetří tak čas
250
strávený kreslením. Program vlastně nedělá nic jiného, nežli vyhodnotí entity objektu
a nabídne naprogramovanou variantu.
Jako u každého počítačového programu, můžeme spatřovat u různých CAD
programů rozdílné výhody a nevýhody. Vývoj jakéhokoliv programu není nikterak
jednoduchý. Na jeho výrobě pracují mnohdy týmy specialistů. Po dokončení
programu nastává chvíle testování. Zde musí být vyladěny všechny chyby, na které
se doposud nepřišlo.
vývoj
konstrukční
příprava
technologická a
plánovací
příprava
výroba
montáž
kontrola
kvality
CAD
CAM
CAPP
CAA
CAR
CAQ
CAE
CIM
„CAD (Computer Aided Design) Počítačem podporované konstruování
CAM (Computer Aided Manufacturing) Počítačem podporovaná výroba
CAPP (Computer Aided Process Planning) Počítačem podporované plánování a řízení
CAA (Computer Aided Assembling) Počítačem podporovaná montáž
CAR (Computer Aided Robotic) Počítačem podporovaná robotika
CAQ (Computer Aided Quality) Počítačem podporovaná kontrola kvality
CAE (Computer Aided Engineering) Počítačem podporované inženýrské činnosti
CIM (Computer Integrated Manufacturing) Počítačem podporované řízení výroby“
Tab. 20.1. Začlenění systémů počítačové podpory v etapách výroby
251
trh
užití
Z předchozí tabulky vyplývá, že CAD software hraje významnou roli při vývoji,
konstrukci i technologické přípravě.
CAD programy můžeme dále dělit na 2D a 3D programy. Ve strojírenství se můžeme
setkat s různými typy programů. Při výběru programu musíme určit, pro jaké účely ho
budeme využívat. Rozhodujícím faktorem může být cena, doporučení, složitost práce
s programem aj. Většinou je na prvním místě cena programu, která často dosahuje i
několika desítek až stovek tisíc Kč. Některé však můžeme používat zcela zdarma.
Cena je samozřejmě závislá na rozsahu licence. Nejdražší programy ve své ceně
zahrnují několik hledisek, které zvyšují efektivitu pracovních výkonů. Podle těchto
předpokladů je staví jejich použitelnost a srozumitelnost na dobré pozice tržního
hospodářství. Propracovanost jednotlivých nástrojů či komponent, které jsou vlastní
danému typu programu, je staví na výhodné pozice mezi špičku ve svém oboru.
Velkou roli zde hraje reklama, která vytváří odbyt na nových trzích. Do ceny
programu jsou samozřejmě zahrnuty prostředky, které do nich byly vloženy
v průběhu vývoje, ale i jeho propagace, mezd a dalších nákladů.
Na druhou stranu je možné se v praxi setkat s pozitivním přístupem ze strany
vývojářů CAD software. Spočívá v uvolňování starších verzí programů pro volné
použití zdarma. Z profesionální stránky již starší verze nemusí být dostačující pro
všechny činnosti, které si vyžaduje rozvoj IT, může ještě ale dobře posloužit pro
začátečníky. V mnoha případech se jedná o verze, které mají aktivní pouze některé
funkce nebo jsou opatřeny jiným omezením. Tyto verze bývají pro získání schopností
práce s konstrukčním programem postačující.
Před samotným pořízením programu je vždy vhodné ověřit jeho dostupné funkce. Při
výběru je tedy nutné zaměřit se na faktory, které jsou pro nás důležité v následné
součinnosti s používáním programu. Před pořízením programu se musíme ujistit o
vhodnosti programu pro daný operační systém a nárocích na hardwarové vybavení.
Tyto informace by měly být uvedeny v jeho specifikaci.
Zejména se jedná o jazykové mutace, které program nabízí. V dnešní době však již
programy nabízejí jak popis textový, tak vždy konkrétní systém ikon. Symbolika ikon
by měla být vymyšlena v souladu správné asociace uživatele daného nástroje a tím
zjednodušil použití programu. Ve složitějších programech se často označení
textovými popisky nevyhneme. Software, který je dobře naprogramován by měl mít
velkou přednost v rychlém osvojení jeho funkcí uživateli. Také by měl obsahovat
přesnou a výstižnou nápovědou. Noví uživatelé často hledají pomoc již při
základních operacích s programem. Nové uživatele je třeba rychle a výstižně
instruovat o možnostech jednotlivých funkcí programu.
Některé CAD programy je možné rozšířit o takzvané pluginy. Pomocí nich získává
následně program dodatečné funkce. Ty však uživatel musí umět využít a zohlednit
252
je při konstruování v programu. Dostupné bývají i katalogy součástí, které poskytují
normalizované díly. Uživatel si tak ulehčí práci. Může si je jednoduše nahrát
z databáze dostupné například na internetu nebo prostřednictvím jiného média.
Příkladem je internetová databáze 3D modelů navržených pro prostředí 3D modeláře
Google SketchUp. Obsahuje modely, které vytvořili uživatelé tohoto programu a
poskytli je k dispozici dalším zájemcům pro jejich inspiraci nebo pro následné úpravy.
V současnosti je k dispozici velké množství CAD programů. Některé programy
ukončují vývoj, vznikají nové a propracovanější. Podniky také disponují CAD
softwarem, který jsou pro ně vyvíjeny se specifickými funkcemi nebo pro stroje, se
kterými pomocí tohoto softwaru dále pracují.
V literatuře, která se zabývá CAD programy, nalezneme jejich obecné rozdělení na
tři skupiny. Toto dělení uvádí:
a) malý CAD software
b) střední CAD software
c) velký CAD software
V případě malých programů se jedná o software, který nejsou určeny pro detailnější
kreslení. Používají se pro skicování, tedy vytvoření zjednodušeného náčrtku, který
bude podkladem pro kreslení ve středním a velkém softwaru. Požadavky na takové
programy jsou pouze základní, nedosahují tedy ani na 2D programy.
Středním CAD softwarem rozumíme rýsování v 2D prostoru. Jsme s nimi tedy
schopni kreslit úsečky, oblouky, kružnice, obdélníky, mnohoúhelníky s možností
jejich editace pomocí nástrojů zkosení, zaoblení, ořezání, prodloužení aj. Obsahují
také hladiny, nástroje pro kótování, pracují s barvami a umožňují také vkládání textu.
Velký CAD software představuje kreslení neboli modelování ve 3D prostoru. Je
v nich možné modelovat v drátových, plošných nebo objemových perspektivách,
v případě modelování v plošném modeláři zobrazuje skryté hrany, pomocí
následného skicování je možné vytvářet složitější modely. Některé programy mezi
těmito pohledy umožňují přepínat. Příkladem je program Wings3D, který je
představen dále. Velký software tedy obsahuje velmi sofistikované funkce.
V závislosti na propracovanosti CAD softwaru je stanovena jeho cena. Malý software
je možné získat zpravidla zdarma. U středního cena roste, také v závislosti na
možnostech programu. Nejvyšší pořizovací cenu stojí logicky velký CAD software.
Tato cenová pravidla ale neplatí vždy. Výjimky můžeme zaznamenat například u
programů SketchUp nebo Wings3D. Lehce můžeme odvodit, že první jmenovaný je
produkt velké firmy Google, která si tímto stanovuje cenovou politiku. Pokud budete
s programem spokojeni, zakoupíte verzi profesionální, která disponuje rozsáhlejšími
253
možnostmi. Program Wings3D je naopak příkladem úplného užití zdarma. Na vývoji
se podílí dobrovolníci, kteří neočekávají žádnou odměnu za svou práci na jeho
vývoji. V závěru je nutné zdůraznit skutečnost, že čím je program lepší,
propracovanější a výkonnější, tím rostou i nároky na hardwarové vybavení počítačů
jeho uživatelů.
V souvislosti s CAD programy se také můžeme setkat s pojmy inteligentní
uchopení, parametrizace a asociativita. Inteligentní uchopení znamená zvýraznění
dané entity jinou barvou při jejím výběru za pomocí myši.
20.3. CAD a IS
Při spolupráci s ostatními systémy je třeba zajistit nejen bezpečné ukládání
dat, ale také jejich přenositelnost mezi jednotlivými systémy. Právě
přenositelnost dat nebylo v době minulé příliš jednoduché. Data byla do
informačního systému (IS) podniku, nebo mezi jednotlivými pracovními
stanicemi, přenášena pomocí disket. Tento způsob nebyl z více pohledů
výhodný. Později se tedy podařilo vyřešit propojení CAD programů a IS pomocí
nadstaveb ze strany IS, nebo ze strany CAD programů. Data byla od této chvíle
ukládána do sdílené databáze ve formě tabulek, čímž byla zvýšena jejich
přístupnost z různých míst.
20.4. Programy pro skicování
Návrhem skici formujeme první návrh budoucího výrobku. Je ji možné kreslit na
papíře, ale také ji můžeme vytvořit pomocí počítačového programu, který slouží pro
tvorbu kresby nebo designu. Skicou ztvárňujeme první zápisky budoucího výrobku.
Pro další práci v programech CAD je prvotní vytvoření předběžné skici důležité. Pro
programy určené ke skicování je důležitá jejich jednoduchost a práce v nich musí být
rychlá. Při vývoji nového výrobku je také mnohdy potřebné vytvořit několik variant
nákresů, zejména pokud se jedná o náčrty nového designu. Ve skice je ztvárněn její
hrubý tvar, slouží pro získání představy o budoucím vzhledu výrobku a pro předlohu
pro konstrukci ve 2D nebo 3D programu.
Creo Sketch 2D v 1.0
Produkt pod názvem Creo Sketch 2D uvedla na trh firma PTC. Creo Sketch
disponuje celou řadou produktů od skicování přes 2D kreslení po 3D řešení. Je
dostupné pro operační systémy Windows XP a Windows 7. Doporučení firmy pro
kreslení v tomto programu je s použitím tabletu. Program je kompletně v angličtině.
Obsahuje základní standardní funkce, tj. kreslení křivek, čar, obdélníků, kruhů a
zakřivení. Kromě těchto standardních kreslicích nástrojů, disponuje možnostmi úprav
jednotlivých bodů nakreslených objektů. Umožňuje použít nástroj pro změnu tvrdosti
tuhy. Pracuje s hladinami, texturami a samozřejmé jsou i funkce klonování, ořezu,
254
výplně, efektů rozmazání, ostření, změně jasu a kontrastu a také práce s použitím
barev. Umožňuje přepínat vyplňování objektů vně nebo uvnitř. Při práci je možné
zapnout rast,který lze volitelně nastavit. Pro uložení kresby se nabízí interní formát
*.csk, kromě něho však obsahuje všechny nejpoužívanější obrazové formáty (*.tiff,
*.jpg, *.gif, *.png, *.jpg). Výsledný návrh lze také samozřejmě poslat k vytištění na
připojenou tiskárnu.
Obr. 20.2. . Vzhled programu Creo Sketch 2D
Po vyzkoušení programu mohu říci, že program vyniká svou jednoduchostí, obsahuje
však i některé pokročilé funkce. Program je možné stáhnout a používat ze stránek
výrobce zcela zdarma.
Inkscape
Program Inkscape je grafický vektorový, který má široké využití. Lze ho elegantně
využít pro kreslení skic v technickém kreslení. Primárně pracuje s formátem
s příponou *.png. Program je dostupný pro operační systémy Windows, Linux a Mac
OS X a je zdarma a je dostupný v české verzi. V jiném ohledu nejsou nutné žádné
speciální požadavky na vybavení počítače. Nutno ještě podotknout, že ho není nutné
instalovat. Lze ho tedy spouštět i z přenosného disku. V současné době jeho vývoj
pokračuje, protože některé standardy ještě nejsou plně implementovány. V budoucnu
by měl umět také vytvářet animace. Lidé, kteří byli u jeho vzniku, se snaží zachovat
program otevřený jak svým uživatelům, tak ostatním vývojářům. Uživatelé mohou
navrhovat nové funkce, které by rádi používali. Dobrovolní vývojáři pak, díky
otevřenému kódu, program rozšiřují o další funkce.
255
Obr. 20.3. Prostředí programu Inscape
Po spuštění programu se otevře jeho okno s přehledně seřazenými funkcemi.
V horní liště jsou přehledně uspořádány jednotlivé funkce a vlevo se nachází grafické
menu s nejpoužívanějšími nástroji. Pro skicování lze použít kreslení od ruky, nástroj
pro kreslení křivek (úsečky, pravoúhlé úsečky, vlnovky, beziérovy křivky), kreslení
obdélníků, mnohoúhelníků, tvorbu kružnic, spirál, guma, vyplňování barvou, vkládání
textu aj. Tvary lze následně spojovat, rozdělovat, ořezávat, kombinovat, měnit jejich
velikost atd. program umožňuje práci s vrstvami, které lze samozřejmě vypínat.
20.5. 2D modeláři
2D CAD programy se používají ke kreslení výkresové dokumentace
v kartézském souřadnicovém systému x a y. V této skupině programů je možné
kreslit podobně jako při použití programu při skicování tj. můžeme používat čar,
křivek, kružnic, zaoblení, zkosení. Navíc jsou programy vyvinuty tak, aby v nich
mohly být kresleny technické výkresy, tedy k zakreslování v osových souměrnostech,
zakreslování kót aj. 2D kreslení je v dnešní době stále velmi používanou metodou
zobrazení. Výkres nahlíží na přední pohled součástky. Pro pohled z jiné strany
používá další nákres, který je pravoúhle promítnut na další část výkresu.
A9CAD
A9CAD je produkt firmy A9Tech, umožňující kreslení ve 2D. Je to jednoduchý kreslicí
2D program s anglickým jazykovým prostředím, který je určen pro operační systém
(dále OS) Windows. Slouží ke kreslení čar, křivek, oblouků, kružnic, elips, umožňuje
kótování a vkládání textu. Podporuje souborový formát *.dwg a *.dxf Pro uložení
256
výkresu do obrazových formátů (*.bmp, *.jpg, *.png, *.tif) je nutné nainstalovat
převodník A9Converter. program funguje na operačních systémech Windows 98 a
novějších.
Obr. 20.4. Vzhled programu A9CAD
Program obsahuje všechny základní nástroje (čára, obdélník, kružnice, elipsa),
umožňuje také dále s vytvořenou grafikou pracovat (výběr a úpravy grafiky, ořez,
rozdělení a mazání čar, zkosení, kótování, zrcadlení, kopírování, rotaci, posun),
obsahuje také funkci rastru a pravoúhlého kreslení čar. Práce s programem však
není příliš intuitivní a také práce s ním vyžaduje lepší schopnosti a zručnost. Za
zmínku stojí také nápověda, která obsahuje pouze povrchní informace a nelze se
podle ní naučit používat konkrétní nástroj.
Radan radraft
Jedná se o nástroj, který slouží k návrhům součástek z plechu. Vyniká svou
jednoduchostí i pro začínající projektanty. Program je výhodný při nasazení ve
výrobě, kde automaticky naskládá součásti potřebné k výrobě na danou plochu
plechu, čímž šetří materiálem. Sám dokáže vybrat vhodný plech k výrobě dané
součástky. Ovládá funkce navrhování, děrování, ohýbání, profilování a také
nadstandardní rozmístěním dílů na plechovou tabuli. Program se také dokáže spojit
s jiným CAD programem a předávat mu data potřebná k výrobě. Program lze
257
instalovat na OS Windows XP Professional a novější. Minimální systémové
požadavky jsou 2GHz procesor, 2GB RAM, 20GB volného místa na disku, grafická
karta 1024x768px. Pro komunikaci s dalšími systémy používá sériový port RS232.
Solid Edge 2D Drafting ST4
Jedná se o jeden z mála programů, který může zdarma užívat bez jakéhokoli
časového omezení, jakýkoliv potencionální zájemce. Dostupná je i verze
s možnostmi modelování ve 3D, která je již však placená. Program v bezplatné verzi
je dostupný na stránkách firmy Siemens, která zároveň software distribuuje. Licence
není časově omezena, dokonce není třeba aktivovat licenci studentskou. Před
stažením programu z Internetu, pouze je nutné vyplnit registrační formulář a vyplnit
v něm mimo jiné email, na který jsou následně doručeny informace o členství do
diskusního fóra Solid Edge 2D Drafting. V něm je možné sledovat a vyměňovat
dotazy a návody. Po odeslání formuláře jste přesměrování na stránku se stažením
instalačních balíčků. Nabízí se deset jazykových mutací, včetně angličtiny. Ze stejné
stránky je možné stáhnout i balíček s českou lokalizací. Ten se aplikuje po instalaci
cizojazyčné verze do stejného adresáře. Pro instalaci a fungování tohoto softwaru je
nutné mít nainstalován program Net Framework 2.0, který se v případě jeho absence
nainstaluje z Internetu.
Po spuštění programu se zobrazí úvodní obrazovka, kde je možné, mimo jiné, založit
nový projekt. Program obsahuje hlavní nabídku s možnostmi práce se souborem
(otevření, uložení, tisk, nastavením kreslicího plátna), dále nastavení samotného
programu. Výkres lze uložit ve formátu *.dgn, *.dwg a *.dxf. Poslední dva jmenované
formáty jsou formáty programu AutoCAD. Je tím zjednodušen přechod na program
Solid Edge 2D Drafting z konkurenčního softwaru. Je možné vytvářet množství
jednotlivých listů výkresů. Výstupy z programu lze také převést do obrazového
formátu s příponami *.bmp, *.jpg *.tif. S převodem na tyto formáty se můžeme
standardně setkat s velkým množstvím programů.
Přehledně je také rozdělena nabídka nástrojů. V menu nalezneme několik záložek,
v nichž jsou soustředěny a přehledně rozděleny nástroje pro kreslení (čáry, oblouky,
kružnice, obdélníky a nástroje pro následný ořez, rozdělení, zrcadlení, zobrazení
mřížky, kreslení výplní a další). Dále nalezneme potřebné nástroje pro vazby,
úchopové body, kóty, poznámky pro vložení dodatečných informací k výkresu (osy,
značky, popisy, odkazy aj.) a vložení externích objektů. Další karty aplikace obsahují
tvorbu tabulek, kontrolu zakreslených objektů, dodatkové nástroje a zobrazení.
Usnadnění práce v aplikaci zajišťuje pomocná kontextová nabídka, která má vzhled
kruhové výseče. Nabídku je možné vyvolat dvousekundovým přidržením pravého
tlačítka myši na volné ploše výkresu. Výhodou je možnost přizpůsobení a změny
nástrojů, které se v ní nacházejí.
258
Obr. 20.5. Solid Edge 2D Drafting ST4
Při rýsování v programu Solid Edge 2D Drafting ST4 je možné zadávat rozměry
několika způsoby. Prvním je vybrání nástroje například obdélníka a zadáním rozměrů
přímo v pomocném řádku nástroje – ve výběrovém okně. Druhou možností je
kreslení od ruky s následnou editací rozměrů pomocí vybrání objektu nebo jeho
části. Tento postup je vhodný při následných úpravách již narýsovaných objektů.
Třetí možností je úprava velikosti při kótování. Zde je možné rozměry objektu měnit
přímo při s editací kóty. Pokud nejsou konkrétní body uzamčeny, je možné měnit
všechny parametry proporcionálně.
Program umí pracovat s knihovnami součástek. Kreslit je možné v nadefinovaných
hladinách, které lze samozřejmě vypínat a zobrazovat podle aktuálních potřeb.
S programem se pracuje velmi intuitivně, obsahuje všechny základní funkce, které
jsou přehledně seřazeny v postupném sledu. Rýsování může být tedy snadné i pro
začátečníky. Z tohoto důvodu ho jistě lze doporučit pro výuku ve školách. Druhým
důvodem je také skutečnost, že program je možné využívat zdarma. Příjemně také
působí grafické rozhraní, vizuálně připomínající aplikaci MS Word 2007. Uživatelé
této kancelářské aplikace mají menší výhodu s naučením se rozvržení nástrojů a
přizpůsobení programu. Možnosti aplikace jsou dobře nastavitelné a opět je není,
vzhledem ke shodnému umístění s MS Word 2007, nutno dlouho hledat.
259
Minimální systémové požadavky na provoz softwaru: Windows XP Professional,
512MB RAM, rozlišení grafické karty minimálně 1024x768px, 1,4GB volného místa
na pevném disku.
20.6. 3D modeláři
3D CAD programy slouží, jak již samotný název napovídá, k tvorbě trojrozměrných
obrazů (modelů). Ve dvojrozměrných programech je možné zakreslovat objekty
v osách x a y. V trojrozměrných programech pak modelujeme v osách x, y a z.
V CAD programech mluvíme tedy o modelování, protože v nich vytváříme objekty
přímo v trojrozměrném provedení, případně vytváříme tvary, z nichž modelujeme
celé objekty (nebo jejich části). 3D modeláře využíváme zejména při kreslení
složitějších součástí nebo pro názornou vizualizaci předmětů. Využití je vhodné
zejména k vytváření prototypů, které lze následně zadat do výroby nebo třeba
vytisknout na 3D tiskárně. Modelování v programech CAD má také velký význam
v dalších průmyslových odvětvích, např. stavebnictví, architektuře elektrotechnice,
kde programy pomáhají za pomoci CAM softwaru při tvorbě různých objektů, maket a
nových designů.
Creo parametric
Program Creo Parametric pochází ze stejné vývojové dílny, jako Creo Sketch
2D. Umožňuje však kreslit v pokročilých funkcích 3D. Jedná se o parametrický
program. Znamená to, že si program pamatuje každý krok, který vykonáme a
ukládá si ho do historické posloupnosti. Tím se samozřejmě zvětšuje výpočetní
výkon počítače. Podporuje mnoho grafických formátů viz. Následující tabulka.
Výhodou je kontrola chyb a možnost vrácení se ke konkrétnímu stavu
učiněnému v předchozích krocích. Firma PTC neopomíjí ani podporu pro
začínající návrháře. Na stránce http://communities.ptc.com je dostupná
nápověda (v některých případech i v češtině).
Systémové požadavky na software vycházejí z následujících předpokladů.
Operační systém Windows XP Professional, 3GB operační paměti, rozlišení
grafické karty minimálně 1280 x 1024px. V případě instalace na Windows 7
nebo Windows server 2008 je vyžadována operační paměť 4GB. Operační
systém Windows Vista podporován není. Nároky na grafickou kartu jsou
podmíněny pouze výrobcem hardwaru. Podporovány jsou Dell, Fujitsu, HP a
Lenovo.
32-bitové
Import/Export verze
Windows
XP a
260
64-bitové
verze
Windows
XP a
Windows 7
Windows 7
Podporované obrazové formáty
BMP
*.bmp
I/E
Ano
Ano
EPS
*.eps
E
Ano
Ano
GIF
*.gif
I
Ano
Ano
HDR
*.hdr
I
Ano
Ano
JPEG
*.jpg
I/E
Ano
Ano
PDF
*.pdf
E
Ano
Ano
Picture
*.pic
E
Ano
Ano
PNG
*.png
I/E
Ano
Ano
PTC Bumpmap
*.tx1
I/E
Ano
Ano
PTC Color
Texture
*.tx4
I/E
Ano
Ano
PTC Decal
*.tx3
I/E
Ano
Ano
PTC Image
*.imf
I/E
Ano
Ano
RGB
*.rgb
I/E
Ano
Ano
RLA
*.rla
I/E
Ano
Ano
Session Texture *.mem
I
Ano
Ano
Shaded Image
*.shd
I/E
Ano
Ano
SHIMA-SEIKI
*.pic
I/E
Ano
Ano
TGA
*.tga
I/E
Ano
Ano
TIFF
*.tif
I/E
Ano
Ano
261
2D formáty
Adobe Illustrator *.ai
I
Ano
Ano
CGM
*.cgm
I/E
Ano
Ano
DWG
*.dwg
I/E
Ano
Ano
DXF
*.dxf
I/E
Ano
Ano
IGES
*.igs
I/E
Ano
Ano
Medusa
*.s, *.she, *.asc
I/E
Ano
Ano
PDF
*.pdf
E
Ano
Ano
ProductView
*.ed
E
Ano
Ano
*.plt
*.edz
*.pvs
*.pvz
SET
*.set
E
Ano
Ano
STEP
*.stp
I/E
Ano
Ano
*.step
I
*.tsh
I/E
Ano
Ano
Stheno
3D formáty
ACIS
*.acs
I/E
Ano
Ano
Autodesk
Inventor
*.iam, *.ipt
I
Ano
Ano
CATIA V4
*.model
I/E
Ano
Ne
Nutno instalovat
program Autodesk
Inventor
262
CATIA V5
*.exp
I
*.CATPart
I/E
Ano
Ano
*.CATProduct
*.cgr
DWG
*.dwg
I
Ano
Ano
DXF
*.dxf
I
Ano
Ano
Granite
*.g
I/E
Ano
Ano
JT
*.jt
I/E
Ano
Ano
IBL
*.ibl
I
Ano
Ano
ICEM
*.icm
I
Ano
Ano
IGES
*.igs
I/E
Ano
Ano
*.iges
I
Neutral
*.neu
I/E
Ano
Ano
Optegra
visualize
*.gbf
E
Ano
Ano
Parasolid 3D
*.xmt, *.xmt_txt,
*.x_t, *.xmt_neu,
*.x_n *.xmt_bin,
*.x_b – (import)
I/E
Ano
Ano
I/E
*.x_t – (export)
PDF
*.pdf – Direct
model export
E
Ano
Ano
Points
*.pts
I
Ano
Ano
Pro/DESKTOP
*.des
I
Ano
Ano
*.pdt
263
Creo
Elements/View
& Creo View
*.ed (struktura) &
*.ol (modely)
I/E
Ano
Ano
*.edz
*.pvs (struktura)
*.ol (modely)
*.pvz
Render
*.slp – Facet Only
E
Ano
Ano
Rhino
*.3dm
I
Ano
Ano
SET
*.set
I/E
Ano
Ano
SolidWorks
*.sldprt, *.sldasm
I
Ano
Ano
*.stp
I/E
Ano
Ano
*.step
I
STL
*.stl
I/E
Ano
Ano
U3D
*.u3d
E
Ano
Ano
Unigraphics
*.prt
I/E
Ano
Ano
Pro převod je
nutné mít
nainstalován
program
SolidWorks a mít
jeho platnou
licenci.
STEP
Nutná instalace a
licence UG
VDA
*.vda
I/E
Ano
Ano
VRML
*.wrl – Facet Only
I/E
Ano
Ano
Wavefront
*.obj
I
Ano
Ano
264
ECAD Formats
Allegro
*.mdb
I/E
Ano
Ano
I/E
Ano
Ano
*.mdc
*.mdf
DAZIX
*.edn
*.edp
EDMD
*.idx
I/E
Ano
Ne
IDF
*.emn
I/E
Ano
Ano
*.emp
I
Neutral
*.nwf
I/E
Ano
Ano
eXtensible
Markup
Language
*.xml
I
Ano
Ano
Visula
*.evs
I/E
Ano
Ano
Tab. 20.2. Podporované formáty v Creo parametric
Google SketchUp
Program Google SketchUp je jedním z nejvíce používaných modelovacích 3D
programů. Důvodem není jen skutečnost, že je distribuován zdarma, ale i to, že je
práce s ním velmi intuitivní. Mimo verze zdarma existuje také placená verze Pro.
Verze zdarma je ochuzena o některé jeho funkce, kterými je například ukládání do
formátů *.dwg a *.dxf nebo export do dalších podporovaných formátů (export do 2D
grafiky – *.png, *.jpg, *.tif a *.png je v neplacené verzi možný). Placenou verzi je
možné zakoupit za 13368Kč. Program byl původně vyvinut pro modelování
koncepčních návrhů. Postupně se však rozšířil do všech technických odvětví, ve
kterých lidé pracují s CAD 3D programy. Úspěšný se stal ale také proto, že je
dostupný v asi 12 jazykových mutacích včetně české. Program je možné instalovat
na operační systémy Windows (od verze 2000) a Mac OS X.
265
Obr. 20.6. Vzhled programu Google SketchUp 8.0
Po spuštění programu se otevře jeho okno, kde nalezneme základní nástroje.
Vhodné je pomocí menu „Zobrazit / View“ aktivovat zobrazení nástrojů rozšířených.
Kreslicí plocha má klasický vzhled se souřadnicemi x, y a z. Samotná nástrojová lišta
obsahuje nástroj pro kreslení od ruky a nástroj elips, ale také kreslení čtverců,
obdélníků, trojúhelníků a kruhů, nástroje guma, výplně atd. Kreslíme tedy
dvojrozměrné tvary. Pro trojrozměrné kreslení následně využíváme nástroj vytažení.
Mezi další nástroje, které v programu skvěle fungují, je „orotování tvaru / follow me“,
sloužící pro zkosení hran, ale také nástroje měření, otáčení, kótování, vkládání textu
aj. Pomocí kontextového menu pak můžeme s nakresleným objektem uskutečňovat
další akce, např. skrývat, mazat, zamknout a slučovat objekty, otáčet je podle os. Jak
jsem se již zmínil o možnostech stažení hotového 3D objektu z databáze objektů, je
tato možnost integrována v menu programu. Při ukládání projektu se také SketchUp
zeptá, zda chcete svůj projekt do této databáze vložit, aby ho mohli využívat další
uživatelé.
ProgeCAD
Firma SoliCAD uvádí na trh řadu produktů pro konstruování na počítači. Program
ProgeCAD je stěžejním produktem, který je firmou srovnáván jako alternativa velmi
266
používaného programu AutoCAD. Jedná se o program pro 2D ale i 3D kreslení.
Zákazník si může vybrat z několika variant produktů verze Professional CZ 2011
s bezplatnou aktualizací na verzi 2012, která bude již brzy dostupná. K dispozici je
buď samostatná verze v ceně 8220Kč, USB verze za cenu 11868 Kč nebo verze
síťová za cenu 11580 Kč. Dále na svých webových stránkách firma nabízí starší
produkty za poměrně nižší ceny a také verzi ProgeCAD Smart! zdarma. Tato verze
má bohužel jednu nevýhodu. Lze ji nainstalovat pouze na operační systém Windows
XP Professional a Windows Vista. Novější verze Windows není podporována. Nutno
podotknout, že se jedná o verzi, která obsahuje většinu funkcí verze Professional.
Použití je omezeno pouze pro domácí a nekomerční účely. ProgeCAD je také možné
získat zdarma, v případě že se jedná o licenci pro studenta nebo učitele. Získat je ji
možné po vyplnění kontaktního formuláře školy, prostřednictvím internetových
stránek, kde je následně vygenerována oficiální žádost. Tu je vytisknout na
hlavičkový papír školy a odeslat firmě SoliCAD s.r.o. Další podmínkou získání licence
je umístění reklamního banneru na webové stránky školy. Všechny verze programů
je také možné vyzkoušet ve lhůtě 30 dní zdarma.
Program podporuje formát souborů *.dwg a *.dwf, umožňuje převod PDF souborů do
těchto formátů, podporuje export do *.jpg a tisk do *.pdf. Výhodou je přímé otevření
souborů uložených v programech AutoCAD®, AutoCAD LT® a AutoCAD® 2012 bez
ztráty nebo poškození dat.
Není zapomínáno ani na oblíbený operační systém MAC OS. Verzi iCADMac, jak ji
firma označuje, je možné zakoupit za cenu 26399Kč. Systémové požadavky jsou
Apple® Mac® Pro, MacBook® Pro, iMac®, Mac® mini, MacBook Air®, MacBook®,
Mac OS X v10.5.8 nebo vyšší, 1 GB RAM (minimum), 2 GB RAM paměti
(doporučeno), 2.0 GB volného místa na disku pro stažení a instalaci, (doporučeno 3
GB), všechny grafické karty podporované na hardwaru, rozlišení minimálně 1024 x
768 bodů s barevnou paletou true color, Mac OS X kompatibilní tiskárna.
Radan 3D
Jedná se program, s jehož pomocí lze sestavovat plechové konstrukce nebo tvářet
plechy v trojrozměrné rovině. Program obsahuje jádro ACIS. ACIS je 3D modelovací
jádro (technologie) dříve používané AutoCADem a dalšími CAD aplikacemi. Z jádra
ACIS vychází i geometrické 3D jádro Autodesk Shape Manager používané v
aplikacích Autodesku pro objemové a plošné modelování. Umožňuje import mnoha
formátů včetně SolidWorks, Inventor, Catia V4 & V5, SAT, IGES a Parasolid.
Program lze instalovat na OS Windows XP Professional a novější. Minimální
systémové požadavky jsou 2GHz procesor, 2GB RAM, 20GB volného místa na
disku, grafická karta 1024x768px, pro komunikaci používá sériový port RS232. Firma
PTC, která je původcem tohoto softwaru, nabízí také školení na jejich CAD
267
programy. Na českých stránkách této firmy je několik kursů stručně představeno,
anglické stránky k nim doplňují i ceny. Dvoudenní kurs podle nich stojí $700, třídenní
kurs $1050 a internetový kurs, který sestává ze tří lekcí po dvou hodinách $795.
Program používají přední tuzemští výrobci kotlů a jiných plynových spotřebičů např.
firma Thermona nebo Mora a také výrobce protipožárních dveří Vipax.
SolidWorks
Tento profesionální program je na velmi vysoké úrovni. Jeho využití nenachází
uplatnění pouze ve sféře firemní, velmi často se s ním setkáváme také na středních
školách zaměřených na technické obory. Podobně jako software Creo paramteric
spadá do programů parametrických. Je to tedy program parametrický, objemový i
plošný. „SolidWorks má technologie pro práci s rozsáhlými sestavami, včetně
automatického generování výkresové dokumentace. To vše spolu s nadstavbami pro
simulace, animace, včatně vizualizací, dělá ze softwaru SolidWorks vynikající nástroj
pro projektanty a konstruktéry v nejrůznějších odvětvích dnešního průmyslu a
designu.“ Pro práci s ním je zapotřebí určitá zručnost a také čas potřebný k naučení
se jeho funkcím, které jsou opravdu velmi důsledné a nepřeberné.
Po spuštění programu se objeví na obrazovce základní okno programu nabízející
otevření dokumentu nebo různé možnosti nápovědy. Pokud vybereme volbu „Nový
dokument“, následně musíme vybrat jednu z možností, se kterou budeme ve výkrese
pracovat. Nabízí se možnosti díl, sestava a výkres. V případě výběru volby dílu se
jedná o tvorbu trojrozměrné součástky. Stejně je tomu i při výběru sestavy. Poslední
možnost nabízí tvorbu výkresu, tedy technické dokumentace součástek, které jsme
nakreslili pomocí předchozích voleb. V otevřené aplikaci je možné další nové
součástky nebo výkresy zakládat pomocí volby „nový“. Důležité je, abychom si
uvědomili, že program pracuje s rovinami. Na to nesmíme při kreslení zapomínat,
vždy je nutné danou rovinu vybrat. Začínáme vždy kreslením skici, jejímž ukončením
se přepínáme do okna kreslení třetího rozměru. Pro přidávání další grafiky se
přepínáme opět na skicu.
268
Obr. 20.7. Vzhled programu SolidWorks
Ve výkresu můžeme použít nástroje čára, křivka, oblouk, kružnice, elipsa, obdélník,
mnohoúhelník, vkládat text, kótovat za pomocí inteligentního kótování. Pro přepnutí
do práce s prvky můžeme použít nástroje přidání nebo ubrání vysunutím, přidávání
rotací, tažením po křivce, spojování profilů, zaoblení, zkosení, zrcadlení, kopule,
žebro, skořepina a mnoho dalších, které nalezneme také pomocím menu – vložit.
Program obsahuje knihovnu dílů, součástek a vzhledů, kterou lze aktualizovat
z databáze součástek umístěnou na svých internetových stránkách. Disponuje také
pokročilými funkcemi pro výpočet zatížení.
Kromě formátů souborů *.dwg a *.dxf, disponuje dalšími téměř třiceti podporovanými
souborovými formáty. Také bych chtěl upozornit na možnost přímého tisku součástky
na místní 3D tiskárně.
Systémové požadavky jsou podmíněny operačním systémem Windows XP
Professional a vyšším, procesorem Intel Pentium, Xeon, Core nebo AMD Athlon,
operon, Turion, operační pamětí minimálně 1GB, mechanikou DVD. Použití daného
typu grafické karty závisí pouze na jejím výkonu. Podporované typy si mohou
uživatelé programu ověřit na stránkách www.solidworks.com/graphicscards.
TopSolid
TopSolid je 3D modelář s řadou pokročilých funkcí pro tvorbu sestav a celků ale také
kinetiky a renderování. Obsahuje všechny potřebné funkce jako křivky, čáry,
obdélníky, kružnice a nástroje pro jejich následné úpravy. Program také obsahuje
knihovnu standardních dílů od předních výrobců dílců. Je možné požadovat
269
frézování až do pěti os v oblasti kovu i dřeva nebo jiných materiálů, soustružení,
kombinaci soustružení a frézování v pěti osách pro obráběcí centra, výrobu elektrod,
řezání drátem, prostřihování/vysekávání, řezání laserem, ohýbání plechů apod.
Software generovat výkresové dokumentace, což by mělo být u obdobných CAD
programů samozřejmé. Minimální požadavky na hardwarovou konfiguraci počítače
jsou následující: požadován je procesor minimálně 2GHz, paměť 1GB, grafická karta
alespoň 256MB, HDD 200GB, monitor minimálně 17" 1280x1024. Operační systém,
na který lze program nainstalovat je Windows, verze XP SP3 nebo novější.
Doporučený OS je Windows 7 64 bitové verze, RAM 4GB, grafická karta minimálně
512MB, volné místo na pevném disku alespoň 1TB.
Wings 3D
Systémové požadavky umožňují použití programu na operačních systémech
Windows 2000 a novějších, systému Mac OS X a novějších a také na operačním
systému Linux. Velice často se můžeme setkat s grafickými programy, které jsou
primárně vytvořeny pro operační systém Linux. Kreslicí program Wings 3D je právě
jeden z nich.
Program Wings 3D slouží pro volné modelování objektů v trojrozměrném prostoru.
Po jeho spuštění se otevře okno s jednoduchým, ala funkčně přehledným grafickým
rozhraním. V horní příkazové liště nalezneme položky menu přehledně rozděleny
(soubor, úpravy, zobrazení, výběr, nástroje, okno, nápověda). Většina z těchto
položek lze ovládat prostřednictvím klávesových zkratek, které je možno předem
nadefinovat. Samotné kreslení objektů probíhá po kliknutí pravým tlačítkem myši na
ploše programu, což je mírně netradiční způsob kreslení. Také další úpravy objektu
(přesun, otočení, změna velikosti, vytažení, zkosení, připojení, zrcadlení, vyhlazení
aj.) probíhají vybráním nástroje prostřednictvím kontextového menu. Další úpravy
pak probíhají klasicky s použitím levého tlačítka myši nebo kolečka. Veškeré úpravy
lze realizovat v několika režimech – v režimu úpravy bodů, úpravách hran a úpravách
ploch. Poslední zmíněná volba je nejpoužívanější pro úpravy větších ploch,
předchozí dvě pro dokreslení detailů. K dokončení a vyhlazení objektu pak slouží
nástroj pro vyhlazení hran.
20.7. Konvertory a prohlížeče
Konvertory neboli nástroje, které slouží pro převod dat mezi jednotlivými formáty,
jsou z praktického hlediska velmi důležité. Každý kreslicí program disponuje často
svým souborovým formátem. Ve většině případů se setkáváme s formáty, které jsou
již zavedené a standardizované. Při vývoji daného dvojrozměrného nebo
trojrozměrného kreslicího programu programátoři v minulosti neřešili možnost
převodu mezi jednotlivými souborovými formáty. Někdy úmyslně možnost převodu
z jednoho formátu na druhý ve svém programu záměrně neumožnili. Důvodem pak
270
mohlo být znesnadnění přechodu uživatele na konkurenční program. Následně tedy
začaly vznikat programy, které řešily nedostatky v absenci exportu dat mezi různými
formáty. Můžeme se také setkat s tím, že nám někdo předá soubor v některém
z formátu pro CAD. Pokud nepotřebujeme soubor dále editovat, můžeme využít
pouze prohlížeč pro daný formát. Několik konvertorů a prohlížečů CAD souborů si
nyní představíme.
3D Object Converter V4.20
Jedná se o program, který se vymyká ostatním co do funkčnosti, tak i ceny. Dokáže
pracovat s velkým počtem formátů souborů, zdarma ho ale bohužel můžete používat
pouze po dobu 30 dnů. Pokud ho chcete i nad8le používat, musíte zaregistrovat a
zaplatit 45€. Program podporuje velké množství nejen CAD formátů.
A9Converter 1.0.4
Tento program je určen pro obousměrný převod souborů *. dwg a *.dxf. Program
slouží pro import mport formátů AutoCAD R2.5, R2.6, R9, R10, R13, R14, 2000,
2002, 2004, 2005 a 2006 a export z programů AutoCAD R10, R13, R14, 2000, 2002,
2004, 2005 a 2006. Právě AutoCAD je významným představitelem kreslicích CAD
programů. Umožňuje dávkovou konverzi souborů. Novější verze bohužel program
z důvodu ukončení jeho vývoje nepodporuje.
Autodesk Design Review 2009
Program slouží k převodu mezi formáty *.dwf, *.dwg, *.dxf. Podporuje plné prohlížení
souborů, tisku a také vytváření komentářů ve výkresech. Výhodou programu je, úže
komentáře ke změnám dokáže ukládat v časovém sledu. Požadavky na softwarové
vybavení počítače: minimálně Windows XP SP2.
ProgeCAD DWG Viewer 2008
Jedná se o program pro prohlížení souborů ve formátu *.dwg. Umožňuje tisk
z formátů *.dwg a *.dxf. Umožňuje vkládání komentářů, zvýrazňování a obsahuje
nástroje pro měření. Program disponuje anglickým jazykovým prostředím. Po 30
dnech používání je nutné zakoupit licenci za 2148Kč.
Radan DTM
Radan DTM je aplikace, která umožňuje převod mezi jinými CAD formáty. Použít ho
lze také ke konverzi dat do ostatních programů Radan, které se používají pro
komunikaci s výrobními stroji. Radan DTM umožňuje převod mezi těmito CAD
systémy:

Autodesk Inventor (4 a pozdější, ale v Inventor 4 jsou určité omezení)
271

Solidworks (2001 a pozdější)

Mechanical Desktop (4 a pozdější)

AutoCAD (R2000 a pozdější)

TopSolid (6.5)

Solid Edge

a další
Další zdroje
[1.]
[2.]
2014-05-15].
Dostupné
z
100,bs.1,d.ZGU
HORÁK, Bohumil, ml. Realizace 3D modelů v prostředí Invertor. Vysoká škola
báňská – Technická univerzita Ostrava, Fakulta elektrotechniky a informatiky,
Katedra kybernetiky a biomedicínského inženýrství. 2013 [cit. 2014-05-15].
Interní document prototypové laboratoře SAZE.
272
21 Metodika tvorby výkresů v CAD programech
Vytvořením náčrtu tvaru výrobku získáme představu o jeho výsledném vzhledu.
Následuje doplnění kót do zakreslených rozměrů taktéž v programu Inkscape.
V další kapitole se budu věnovat rýsováním skutečných rozměrů ve 2D programu
Solid Edge 2D Drafting ST4. Zde také vytvořím příslušnou výkresovou dokumentaci.
Získám tedy i podklad pro následné vytvoření modelu ve 3D programu SolidWorks,
která zakončí celou metodiku práce v kreslicích programech. Kapitoly jsou složeny
z jednotlivých celků. Získané poznatky a zkušenosti je možné ověřit pomocí příkladů
k procvičování. Pomocí nich může žák ověřit a procvičit osvojené znalosti z probrané
problematiky. Zároveň je u žáků podporována představivost a posílení
senzomotorických dovedností. Při rýsování výkresů v kreslicích programech je
většinou možné dosáhnout dílčího cíle různými postupy. Zjednodušením pro
používání programů je užití klávesových zkratek. V metodice použití programů je
budu uvádět, stejně jako označení dané klávesy, v hranatých závorkách.
Je nutné, aby byl předem zvolený postup tvorby výkresové dokumentace. Při
rýsování můžeme začít jednodušším softwarem, který nedokáže samostatně
předvídat všechny uživatelovy myšlenkové pochody. Není to však omezující při
naučení se základním postupům.
21.1. Metodika přípravy – skicování
Program Inkscape je vhodný nejen pro tvorbu různých grafických prvků nebo tvorbu
letáků, výborně poslouží i pro skicování, nevyjímaje strojírenské obory. Existuje
mnoho grafických programů, které bychom mohli využít v technickém kreslení. Na
paměti musíme mít základní předpoklad, který je podstatný pro následné kreslení.
Vybrat program, který umí pracovat ve vektorové grafice. Z bezplatně použitelných
rozšířených programů bychom mohli jmenovat právě Inkscape nebo například
OpenOffice.org Draw. Tyto programy pracují s formáty souborů SVG, dále pak
dalšími vnitřními formáty jednotlivých programů.
Grafické formáty jsou děleny na dvě skupiny. Těmi je grafika rastrová a vektorová.
Rastrová grafika je definována jednotlivými pixely, které jsou skládány do mřížky.
Každý bod (pixel) daného objektu má stanovenou barvu v daném sloupci a řádku.
Vektorová grafika není dána body v mřížce, ale pomocí křivek (vektorů). Spojením
křivek vznikají tvary, které je možné vyplnit zvolenou barvou. Na první pohled nemusí
být zřejmý rozdíl. Pokud však kresbu zvětšíme, rozdíl mezi rastrovou a vektorovou
grafikou bude zřejmý. Rastrová grafika zviditelní jednotlivé body složené v rastr.
Velice markantní rozdíl je znatelný na vykreslení kružnice při pětinásobném zvětšení.
Z tohoto pohledu je zřejmé, že pro kreslení výkresů je vhodný vektorový grafický
formát.
273
Obr. 21.1. Porovnání rastrové a vektorové grafiky
Vzhledem k tomu, že se jedná pouze o první náčrt, není třeba znázorňovat podrobné
detaily, pokud to přímo nevyžaduje vyšší složitost výrobku. Musíme si však uvědomit,
že bude skica sloužit jako podklad pro další zpracování. Nesmíme tedy zapomínat na
znázornění správných proporcí.
Výhodou, kterou spatřuji v programu Inkscape spatřuji v jednoduchosti ovládání,
možnosti použití vrstev. Grafické rozhraní programu znázorňuje následující obrázek.
Vrstvy je možné podle aktuální potřeby zobrazit
nebo skrýt
(viz následující
obrázek → na spodní liště – část vrstev) nebo pomocí zkratky [Shift+Ctrl+L]. Výhoda
je také v jednoduchém nadefinování kreslicích nástrojů. Tato, ale i mnohá další
zjednodušení přispívají k efektivnímu využití času při práci s programem.
274
Panel
s ovládacími
nástroje
Panel
nástrojů
Vrstvy
prvky
Panel
příkazů
Zapínání
detekce
úchopových
bodů
Pozice nástroje
výkresu
a
zvětšení
Obr. 21.2. Grafické rozhraní programu Inkscape
Po spuštění programu a nadefinování velikosti výkresu (definování výkresu je možné
prostřednictvím menu Soubor → Vlastnosti dokumentu [Shift+Ctrl+D]. Zde
nesmíme zapomenout nastavit formát jednotek v milimetrech. Pro definování
kreslených tvarů budeme často využívat panelu Výplň a obrys [Shift+Ctrl+F],
dostupného také z hlavního menu Objekt.
275
Obr. 21.3. Vzhled oken „Výplň a obrys“
Pro zjednodušení práce při kreslení může být výhodné nastavit zobrazení mřížky.
Formátu kreslicího plátna jsme již nastavili jednotky v milimetrech, stejně tak musíme
ještě jednou nastavit jednotky v mm i pro mřížku.
Abychom mohli objekt nadefinovat, je nutné nejdříve daný nástroj zvolit a zakreslit.
Definování objektu využijeme poměrně často. Pro zjednodušení práce můžeme
v nastavení Inkscape [Shift+Ctrl+P] nadefinovat vzhled pro každý tvar samostatně.
Také můžeme použít volbu vzhledu použitého naposledy. Nelze však pro každou
vrstvu nadefinovat jiný vzhled nástroje. U čar nelze bohužel nadefinovat jejich
tloušťka, barva, spojitost atd. Proto je vhodné kreslit postupně od nárysu, os a kresbu
zakončit kótami. Určené pořadí udává řád ve skice. Můžeme se takto vyhnout
častým změnám parametrů čar.
Postupy, jak konstruovat s daným softwarem konkrétní výkres nejsou pevně dány, je
však potřeba, abychom zachovávali stanovená pravidla a normy.
Dříve, než začneme kreslit, vytvoříme vrstvy. Při volbě čar pak nezapomínejme na
pravidlo poměru jejich tloušťky – „tenká čára : tlustá čára : velmi tlustá čára = 1 : 2 :
4“. Vzhledem ke skutečnosti nemožnosti nadefinování tloušťky čar, můžeme
zredukovat vrstvy na tyto skupiny:
Obrys – jméno vrstvy obrys, typ čáry nepřerušovaná, barva černá, tloušťka čáry 0,25
mm
Kóty – jméno vrstvy koty, typ čáry nepřerušovaná, barva zelená, tloušťka čáry 0,13
mm
Osy – jméno vrstvy osy, typ čáry nepřerušovaná, barva fialová, tloušťka čáry 0,13
mm
276
Písmo – velikost 14 bodů
Výhodu v použití vrstev v tomto programu spatřuji zejména v závěru. Pro výukové
účely můžeme zobrazit jen některé vrstvy. Ve výuce to má své opodstatnění
například v hodinách, kdy se učí žáci kótovat, zobrazíme pouze tvar součástky.
Můžeme také vrstvy uzamknout. Takto se vyhneme například nechtěné editaci již
nakresleného výkresu.
Při kreslení prvotního výkresu není jednoduché sestavit celý výrobek z hlavy.
Předlohou může být výkres, který je promítán pomocí počítače, projektoru a plátna
nebo. Velice dobře poslouží i různé náčrty a technické výkresy sloužící k výrobě
součástek.

Skica příložky z duralu
Dříve než začneme skicovat součástku, vytvoříme vrstvy, ve kterých budeme
následně kreslit jednotlivé části výkresu. Vhodné je také zapnout zobrazení pomocné
mřížky v menu Zobrazení → Mřížka [#]. Mřížku využijeme při kreslení. Užitečná je
pro zjednodušení přichycení skicovaných objektů.
1. Postup úlohy číslo 1:

Nastavíme vrstvu obrysu. Skicování začneme výběrem nástroje beziérovy křivky
a přímé čáry [Shift+F6]
. V ovládacích prvcích nástroje zvolíme sekvenční
kreslení. Pro kolmé a svislé čáry v ohledu na osy x a y použijeme pravoúhlé
kreslení čar
pro čáry v úhlech jiných než 90
stupňů, vybereme v nástrojích volbu pro kresbu navazujících čar.

Určíme počátek výkresu, a sledujeme aktuální pozici nástroje v souřadnicích x a
y. Kliknutím levého tlačítka myši vytváříme zalomení čáry. Počáteční bod je
indikován malým čtverečkem, což při uzavírání rýsovaného tvaru zjednodušuje
dokončení smyčky. U této součástky jsou nezbytné dva pohledy. Pro rýsování je
jednodušší začít pohledem zprava v řezu.

Při skicování začínáme svislou čarou o délce 73 mm, kterou vedeme směrem
shora dolů. Bez přerušení pokračujeme směrem vlevo o 9 mm, nahoru 25 mm,
vlevo 20,5 mm.

Správnou polohu úhlu zajistíme současným stisknutím kláves [Ctrl]+[Shift]+T.
Odměříme od nulového bodu úhel a pokračujeme v kreslení šikmé plochy.

Vrchní volné koncové body propojíme.

Naskicujeme znázornění otvorů pro šrouby. Jejich délka bude 8mm.
277

Změníme styl čáry pro rýsování os. Naskicujeme osy, které zvýrazní správné
proporce budoucího nárysu.

pomocí nástroje kresba beziérových křivek a přímých čar naskicujeme
obdélníkový tvar s výškou 73 mm a šířkou 16 mm a doplníme hranu znázorňující
výstupek.

Zvolíme nástroj pro tvorbu kružnic, elips oblouků
a k osám znázorňující
otvory zakreslíme kružnice. Při rýsování jednotlivých skupin se nezapomínáme
přepínat mezi vrstvami. Pokud měníme styl čar, nesmíme zapomenout na
změnu jejich typu. Vhodné je mít nástroj pro změnu stylu čar stále zapnutý
.
Jednotlivé
kroky
jsou
vyobrazeny
na
níže
uvedeném obrázku.
Obr. 21.4. Postup kreslení tvaru příložky v programu Inkscape

V pravém pohledu v řezu musíme ještě doplnit šrafování. Použijeme tedy opět
funkci transformace a otočíme celý díl o 50 stupňů doprava. S použitím kresby
přímých čar v režimu pravoúhlého kreslení obtáhneme pomocné linky
nacházející se uvnitř řezu tvaru. Čáry se nejlépe skicují, pokud je daný objekt
určený pro šrafování přiblížen pomocí funkce zoom. Přiblížení působí i na
zjemnění rastru. S použitím detekce úchopových bodů zajistíme přesnější
rýsování šrafovacích čar. Z hlavního textového menu klikneme na položku
Objekt → Transformace [Shift+Ctrl+M]. Detail nákresu v rozpracované fázi je
vyobrazen na dále uvedeném obrázku.

Po zakreslení šraf opět celý objekt obrátíme do výchozí polohy pomocí
opětovného použití funkce transformace. Z hlavního textového menu klikneme
na položku Objekt → Transformace [Shift+Ctrl+M]. Dále vybereme záložku
rotace, nastavíme v ní příslušný úhel zkosení a potvrdíme tlačítkem [Použít].
278
Obr. 21.5. Detail šrafování v programu Inkscape

Přepneme se do vrstvy kóty, nastavíme typ čáry na nepřerušovanou, barvu čáry
zelenou a její tloušťku 0,13 mm a zakreslíme kótovací čáry. Dodržujeme dané
normy.

Kótu, která má kruhový tvar, vytvoříme rovněž pomocí nástroje pro kreslení
přímých čar, ale s volbou nástroje beziérových křivek. Klikneme na hranu
kótovací čáry. Dalším kliknutím levého tlačítka myši na druhé kótovací čáře
vytvoříme úsečku. Tlačítko myši držíme stále stisknuté a současně pohybujeme
myší kolmo dolů. Po vytvoření žádoucího tvaru uvolníme tlačítko myši a
potvrdíme klávesou [Enter].
Obr. 21.6. Zakreslení kruhové kóty v programu Inkscape

Do takto vytvořené výseče kružnice doplníme kótovací šipky. Vývojáři
programu prozíravě mysleli i na možnost vytvoření tvarů pomocí čar. Není
tedy nutné vymýšlet a kopírovat složité tvary. V rozbalovacím poli ovládacího
prvku nástroje vybereme volbu triangle out. Klikneme mezi spojnice
kótovacích čar a poté v dostatečné vzdálenosti od ní. Takto určíme délku
šipky. Šipku dokončíme stisknutím klávesy [Enter].
279
Obr. 21.7. Volba tvaru čáry v programu Inkscape

Nyní doplníme popis kót. Nastavíme hladinu písma, a v panelu ovládacích
prvků zvolíme jeho velikost na 14 bodů. Upravíme směr šikmých popisů kót
v obrázku tak, aby pata písma u šikmých kót byla kolmá na kótovací čáry.
Použijeme tedy opět funkci transformace.

Pomocí klávesy [Shift] vybereme číselné popisy kót. Z hlavního textového menu
klikneme na položku Objekt
→ Transformace (klávesová zkratka
[Shift+Ctrl+M]).

Vybereme záložku rotace, nastavíme v ní příslušný úhel zkosení a potvrdíme
tlačítkem [Použít].

Přemístíme popisy, které se v předchozím kroku posunuly na správná místa nad
kótovací čarou.
Názorné zobrazení výsledné skici si můžeme prohlédnout na níže uvedeném
obrázku. Rozměry jsou uváděny v mm. Do výkresu se zapisují pouze jednotky jiné
než milimetry.
Obr. 21.8. Kótování příložky v programu Inkscape
Skicu můžeme také vytisknout pomocí menu Soubor → Tisk. Vytištěný podklad nám
zároveň bude sloužit pro rýsování v 2D konstrukčním programu. Pro zrychlení práce
280
s programem je vhodné využívat klávesové zkratky, které jsou mnohdy prospěšnější,
než použití samostatné myši. Zvětšení a zmenšení výkresu je možné stisknutím
kláves [+] a [-]. Stejného efektu dosáhneme také plynule pomocí klávesy [Ctrl] a
kolečka myši. Stisknutím klávesy [Shift] se současným použitím kolečka myši
rolujeme výkresem vpravo a vlevo.
21.2. Metodika přípravy – kreslení ve 2D
Při skicování je nutné dodržovat určité zásady a řídit se podle norem pro tvorbu
výkresové dokumentace. Do této chvíle jsme si ukázali možnosti, které skýtá
program kreslicí, použitelný pro různé druhy činností. Program ale nebyl primárně
určen pro kreslení technických výkresů. V některých činnostech bylo tedy nutné
zapojit občas fantazii a někdy i experimentovat. Kreslicí programy již v dnešní době
disponují mnoha funkcemi, které práci usnadní, automatizují různé postupy a ušetří
tak projektantovi drahocenný čas.
Nyní si objasníme práci s opravdovým 2D kreslicím programem. Kreslení ve 2D nebo
3D programu je nyní pro praxi v tvorbě výkresové dokumentace nezbytností. V této
kapitole se tedy budeme zabývat objasnění metodiky pro tvorbu výkresové
dokumentace v programu Solid Edge 2D Drating ST4. Po spuštění programu se
otevře okno aplikace vzhledem připomínající nové verze MS Office. Jeho ovládání je
možné pomocí intuitivních ikon na pásu karet. Pro rychlejší přepínání mezi nástroji je
možné vložit zkratky nejpoužívanějších funkcí na lištu rychlého přístupu nebo radiální
nabídky, která je dostupná pomocí pravého tlačítka myši přímo na kreslicí ploše.
281
Obr. 21.9. Vzhled programu Solid Edge 2D Drating ST
Před začátkem kreslení musíme nadefinovat chování programu podle daných norem.
Zvolíme tedy normy pro výkres ISO v jednotlivých záložkách v nabídce „Možnosti
Solid Edge“. Přístup k nabídce je zajištěn pomocí velké kruhové ikony v levém
horním rohu programu. Nastavení pro formát normy ISO je nutné nastavit
v záložkách „Kótovací styl“ a „Styl výkresového pohledu“. Vhodné je také nastavit
automatické ukládání rozpracovaného výkresu na kartách „Ukládání“ a „Umístění
souboru“. Před rýsováním výkresu nastavíme v menu „Tlačítko aplikace“ →
„Vlastnosti“ → „Správce vlastností“ ve sloupci název výkresu.

Návrh příložky z duralu
V tomto příkladu narýsujeme příložku, kterou jsme předtím skicovali v programu
Inkscape. Nejdříve v nastavení listu zvolíme formát výkresu a pozadí listu na A4, zde
je také možné určit měřítko (ponecháme je na výchozí hodnotě 1:1). V tomto okně
nastavíme také název výkresu. Definici tloušťky, barvy a stylu čar nemusíme
nastavovat. Jejich parametry byly definovány při výběru dané normy, v našem
případě ISO.
Postup:
282
1. Prvním krokem je vytvoření hladin, jejichž funkci jsme si již osvětlili. Vysvětlení
označení různých stavů hladin je patrné z úvodního obrázku této kapitoly.
Vytvoříme hladiny obrys, kóty a osy.

Vybereme hladinu „obrys“ a v pásu karet zvolíme ze skupiny „kreslit“ nástroj
„čára“. Vpravo vedle panelu vazeb se nachází panel s možnostmi využití
úchopových bodů ve skice. Zde také nalezneme nástroje, s jejichž použitím
zjednodušíme kreslení. Je to zejména vodorovnosti a svislosti čar k osám x a y,
detekce kolmosti čar k jiné čáře, kružnici nebo oblouku, středu kružnic, konce
bodů objektů, jejich polovin, průsečíky, rovnoběžnosti a tečnám ke kružnici. Tyto
nástroje tedy jeden po druhém zapneme.

Při rýsování lišta aktivního nástroje po celou dobu zobrazuje aktuální rozměr.
Vybereme počáteční bod a pomocí klávesnice zadáme první rozměr (73 mm).
Ten zapíšeme do lišty aktivního nástroje Chyba! Nenalezen zdroj
dkazů.písmeno h). Potvrdíme klávesou [Enter] a pokračujeme v požadovaném
směru. Další délkou bude rozměr 16 mm. Operace se stále opakují.

Celý obdélník uzavřeme. Stačí se přiblížit ke koncovému bodu. Tečkovanou
čarou budeme upozorněni na počáteční bod kresby. Ikona u obrázku písmena c)
udává detekci koncového bodu.Chyba! Nenalezen zdroj odkazů.a) – c) tedy
obrazují postup rýsování nárysu základního tvaru. Malé čárky, které protínají
kresbu, znázorňují vzájemné vazby. Vazby je možné (de)aktivovat v pásu karet
vazeb pod ikonou zobrazení vazeb. S jejich pomocí můžeme zapínat zobrazení
a udržování podle dalších předvoleb (svislosti, kolmosti, rovnoběžnosti,
shodnosti, symetričnosti všech kreslicích nástrojů a soustřednosti při tvorbě
kružnic). Pokud bychom při kreslení chtěli vazby dočasně zrušit, přidržíme levou
klávesu [Alt].

Čára, kterou zkreslujeme hranu uvnitř tvaru, vytvoříme v přibližné vzdálenosti od
jejího určení. V pásu karet zvolíme nástroj „Chytrá kóta“, postupně označíme
právě zakreslenou vnitřní hranu a koncovou hranu příložky a kótu vytáhneme
vně objektu. Do kontextového okna zadáme požadovaný rozměr (16 mm). Čára
změní svou pozici podle zadaného rozměru jak je vidět na obrázku písmen d) –
f).

Pokud kótu nepotřebujeme, můžeme ji nyní vymazat pomocí nástroje „Vybrat“
umístěného na pásu karet a stisknutí klávesy [Delete]. Stejným postupem
zakreslíme otvory pomocí nástroje kružnic a kóty. Nakreslené kruhové otvory
jsou patrné z obrázku písmena g). Kóty rozměrů horních děr ponecháme.
283
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
Obr. 21.10. Rýsování příložky v Solid Edge

Nyní v hladině „osy“ zakreslíme osy protažené vlevo od nárysu. Budeme je
potřebovat pro zakreslení bokorysu v řezu.

Doplníme také osové kříže v nárysu. Oba kótovací kroky lze učinit pomocí
nástroje poznámky v pásu karet pomocí nástrojů „Osa“ a „Osový kříž“.
V příslušné hladině zakreslíme tvar pravého nárysu. Pomocí nástroje „Čára“
vytvoříme v součinnosti nástroje rozeznávání koncových bodů celý pravý pohled
vyjma šikmých otvorů.
284
Obr. 21.11. Tvorba bokorysu příložky v programu Solid Edge

Přepneme se do hladiny „obrys“ a pomocí nástroje čára začneme kreslit šikmé
otvory v příložce. Během kreslení používáme detekci úchopových bodů.
Začneme kreslit od osy a zadané rozměry vždy potvrdíme klávesou [Enter].

Nyní doplníme osy souměrnosti. V liště aktivního nástroje použijeme volbu
rozbalovacího menu „Podle dvou čar“
.
Úsečky označíme. Mezi ně bude automaticky vložena osa s potřebnou délkou.

Nyní ještě doplníme náznak vrtaného otvoru. Postup zopakujeme i na druhém
otvoru.
Se zapnutým zobrazením vazeb naznačíme zakreslení závitu. Zapnuté vazby jsou
důležité pro kontrolu rovnoběžnosti kreslených čar. Se zapnutým nástrojem
„Rovnoběžně“ úsečky označíme. Zajistíme tak jejich rovnoběžnost. Celý postup je
zakreslen na následujícím obrázku.
[Delete
]
Podle dvou čar
285
Obr. 21.12. Postup kreslení otvoru v šikmině v Solid Edge

Výkres okótujeme v hladině kóty. S nástrojem „Rychlá kóta“ lze okótovat výkres
velice rychle. Vybereme úsečku nebo jinou grafickou část a vytáhneme kótu vně
kresby. Pomocí kót lze řídit rozměry nebo objekty k ní vztažené. Kóty jsou při
zapnutém nástroji pro udržování vazeb vkládány uzamčené. To znamená, že
v případě nutnosti změnit danou velikost ve výkrese změníme pouze rozměr
kóty. Tyto kóty se nazývají parametrické. Rozměr prvku se aktualizuje
automaticky tak, aby odpovídal skutečně udanému rozměru, nebo naopak podle
nastaveného rozměru se změní i popis kóty.
Za některých podmínek není uzamčení realizovatelné. Uzamknout je nelze, pokud se
jedná o:
kóty vložené v pohledech součástí, ty jsou vždy odemknuté,
kóty na výkresovém listu vložené mezi objekt a 2D pohled mohou být jen odemknuté.
Uzamknutou kótu signalizuje ikona zámečku v okně pro editaci kóty
.
Naopak odemknutá kóta je ovládána pomocí změn parametru, ke kterému se
vztahuje. Taková kóta se nazývá referenční. Nemůžeme pomocí ní měnit celkový
vzhled kresby. Označena je odemknutým symbolem zámku
při její
editaci. Odemknuté a zamknuté kóty lze lépe asociovat s rýsovaným objektem, není
tedy třeba při jeho změně kóty mazat a znovu vytvářet nové.
Pomocí položky „Vyplnit“ v menu „Kreslit“ doplníme šrafování v pravém pohledu.
Šrafování oblasti je velmi jednoduché, stačí pouze kliknout na plochu v dané oblasti
a šrafování se vloží. Styly šraf jsou definovány normou. Pokud bychom tedy na
začátku kreslení nevybrali normu ISO, šrafování by mohlo být odlišné od zvyklostí,
na které jsme zvyklí. Dodatečně je můžeme nastavit v liště aktivního nástroje
v rozbalovacím poli
výkres je patrný z následujícího obrázku.
.
286
Výsledný
Obr. 21.13. Konečný výkres příložky v programu Solid Edge
21.3. Metodika přípravy – 3D program SolidWorks
Modelování v programech 3D je v dnešní době velmi oblíbené. Trojrozměrné
programy jsou v mnohých případech upřednostňovány před konstruováním
dvourozměrném souřadnicovém systému. Některé programy (modelovací) používají
pouze technologii 3D. Jiné používají kombinaci 3D modelování a 2D skicovních
technik. Jak je uvedeno v teoretické části popisu programu SolidWorks, tento
program využívá kombinované techniky. Nejdříve je třeba vytvořit skicu hlavního
tvaru v dvojrozměrném prostoru. Poté se přepneme do prostoru zvaného „prvky“ a
zde ze skici vytvoříme pomocí nástrojů vysunutí, odebírání, rotování, zaoblení a
jiných technik trojrozměrný objekt. Pro modelování dalších částí a detailů se
přepínáme zpět do příkazů v záložce „skica“ a po jejich vytvoření je dokončujeme
opět v trojrozměrném prostrou. Součástky kótujeme při skicování. Tato technika
zajišťuje jejich správné umístění a také automatické vytvoření kót ve výkresové
dokumentaci.
Po vytvoření celé součástky nebo sestavy dílů vytvoříme technický výkres. Výkres
sestává z jednotlivých pohledů. Ty vložíme z tabulky náhledů jejich konkrétní
prostorové orientace. Efektivní funkcí je i vkládání pohledů součástky, které jsou
vzájemně automaticky přizpůsobeny aktuální pozici ve výkresové dokumentaci
287
vzhledem k přeuspořádání výkresu. Současně s vložením pohledu můžeme
automaticky vložit do výkresu kóty. Tímto způsobem zajistíme automatické kótování
součástky. Kóty lze také definovat a upravovat i ve výkresovém prostředí. Vzhled
programu SolidWorks je přehledný, uspořádání jednotlivých nástrojů je podle jejich
frekvence použití vhodně seřazena. Velmi dobře je pojato i grafické znázornění
funkcí programu, které jsou vyjádřeny přehlednými ikonami doplněnými i textovým
popisem dané funkce. Roviny souřadnicového systému, bez kterých se při skicování
neobejdeme lze velmi jednoduše zobrazovat nebo skrývat podle aktuální potřeby.
V programu se naučíme pomocí tvorby jednoduchých úloh ovládat jeho
nejpoužívanější funkce.
Záložky
příkazů
PropertyManag
er
Roviny
souřadného
systému
Panel nástrojů
zobrazení
Paleta pohledů
Posuvník
historie
Strom
FeatureManage
ru
3D model
Orientace
souřadného
systému
Obr. 21.14. Vzhled programu SolidWorks
Obr. 21.15. Okno nástroje
Po spuštění programu SolidWorks se nejdříve otevře úvodní prostředí, kde zvolíme
založení nového výkresu kliknutím na ikonu
. Pomocí následného
výběru nového dokumentu zvolíme první z požadovaných voleb:
288
pro tvorbu jediné součásti návrhu,
pro tvorbu sestavy z již vytvořených dílů,
pro tvorbu dvojrozměrného technického výkresu z již vytvořených dílů.
Následně se otevře hlavní konstrukční okno programu viz. Chyba! Nenalezen zdroj
dkazů.. Pokud jsme již při instalaci programu nenastavili normu ISO, můžeme tak
učinit nyní pomocí ikony možnosti
a v záložce vlastnosti dokumentu zvolíme
normu skicování „ISO“. Vybráním konkrétního nástroje zahájíme práci v programu
vybráním roviny, ve které budeme skicovat.
Při tvorbě skici nebo prvku vždy existuje několik postupů.

Návrh příložky v programu SolidWorks
Při tvorbě skic můžeme například každou grafickou jednotku (čáru, kružnici,
obdélník, elipsu, mnohoúhelník atd.) zakreslit samostatně a ihned jí v okně vlastností
prvku přidělit požadované parametry (vazby, délku, úhel atd.). Dalším postupem je
zakreslení celého základního tvaru. Pomocí nástroje kótování lze přidělit jednotlivým
úsečkám tvořícím daný celek požadované parametry. Druhý postup je mnohem
rychlejší a také elegantnější. Nemůže se nám stát, že při skicování uzavřeného tvaru
změníme předchozí zadané hodnoty v závislosti na snaze programu parametricky
dopočítat velikost uzavřené smyčky.
Postup

Na záložce příkazů skica vybereme nástroj přímka. Klikneme na souřadnice
ikony začátku
, které budou při přiblížení se myší indikovány žlutým bodem.
Naskicujeme přibližný tvar příložky. Zlomy čar tvoříme kliknutím myši. Současně
sledujeme pomocné čáry, které udávají kolmost, svislost a vodorovnost vůči
osám x a y (z). V případě nutnosti přerušení tvaru stiskneme dvakrát po sobě
klávesu [Enter]. Po dokončení tvaru klikneme v panelu vlastností nástroje na
zelenou ikonu
. Tím bude skica dokončena.
289

Vybereme nástroj inteligentní kóta
a postupně klikneme na všechny
úsečky naskicovaného tvaru. Označíme kótovanou úsečku a vytáhneme kótu.
Dbáme přitom na její správné umístění dle zásad pro kótování. Po vytažení kóty
na žádané místo ji zakotvíme kliknutím myši na levé tlačítko. V tabulce úprav,
která se následně objeví
, zadáme z klávesnice požadovanou
velikost a ukončíme stisknutím klávesy [Enter] nebo zatržením zeleného
potvrzovacího tlačítka. Parametry šikmé části tvaru nastavíme kliknutím myši na
její úsečku. Ve vlastnostech čáry nastavíme její úhel sklonu a opět potvrdíme
pomocí tlačítka se zeleným háčkem. Můžeme také měnit umístění hraničních
šipek kóty, pokud klikneme na jeden modrý bod, kterými jsou vymezeny. Kóta
musí být aktivní (vybraná).
a)
b)
c)
Obr. 21.16. Postup skicování příložky

Skicu ukončíme pomocí ikony ukončení skicy
okna programu nebo z aktuální lišty nástroje skica.

Přepneme se na panel nástrojů prvky.
290
v pravém horním rohu

Nyní použijeme první nástroj zleva – přidání vysunutím
. Nástroj přidání
vysunutím nás vyzve k označení roviny, která má být vysunuta. Označíme tedy
jednu z hran, kde požadujeme tvar vysunout. Nástroj zobrazí možnosti vysunutí
a zobrazí náhled, jak bude tvar vypadat po změně, pro lepší představu uživatele
viz. přepneme se zpět do panelu skici a pomocí orientace souřadného systému
otočíme tvarem na žádanou polohu pro skicování kruhových otvorů pro šrouby
m4. otočení tvaru docílíme i podržením prostředního tlačítka myši a posunutím.

vybereme nástroj kružnice a po výběru zkosené plochy zakreslíme kružnici na
přibližném místě, kde by měla být.

pomocí nástroje inteligentní kóta určíme přesnou polohu kružnice určující vrchol
otvoru. stejným způsobem naskicujeme i druhý otvor a ukončíme skicu

.
přepneme se do panelu prvků a zvolíme nástroj. Z pole výběru vysunutí
můžeme vybírat z možností naslepo, k vrcholu, po plochu atd. a také směr
vysunutí a úkos. Vybereme pouze možnost vysunutí naslepo, zadáme rozměr
16 mm a potvrdíme zeleným OK.
Obr. 21.17. Vysunutí tvaru příložky

Přepneme se zpět do panelu skici a pomocí orientace souřadného systému
otočíme tvarem na žádanou polohu pro skicování kruhových otvorů pro šrouby
M4. Otočení tvaru docílíme i podržením prostředního tlačítka myši a posunutím.

Vybereme nástroj kružnice a po výběru zkosené plochy zakreslíme kružnici na
přibližném místě, kde by měla být.
291

Pomocí nástroje inteligentní kóta určíme přesnou polohu kružnice určující vrchol
otvoru. Stejným způsobem naskicujeme i druhý otvor a ukončíme skicu

.
Přepneme se do panelu prvků a zvolíme nástroj referenční geometrie – rovina.
Klikneme na část tvaru, kde chceme vytvořit novou rovinu. Pomocí předvoleb
nástroje zvolíme odstup odsazení 0 mm a potvrdíme zeleným OK.
Obr. 1.
a)
b)
Obr. 21.18. Vytvoření nové roviny

Po přepnutí do skici zakreslíme zbývající kruh pro otvor (postupujeme stejně
jako v bodech 6 – 8).

Přepneme se do záložky prvků a vybereme nástroj odebrání vysunutím
V nástroji vybereme z roletového menu volby „skrz vše“. Bude vytvořen otvor.

Vybereme nástroj průvodce dírami
. Z možností nástroje zvolíme vhodný
typ otvoru, délku závitu otvoru nastavíme na 8 mm naslepo. Program nás
požádá o výběr roviny, kde požadujeme vytvoření otvoru a zadání jeho středu.

Pro kontrolu zahloubení děr můžeme použít nástroj řez
řezu 6 mm byl vytvořen.
292
.
. Pomocí hloubky
a)
b)
c)
d)
Obr. 21.19. Tvorba otvorů

Pomocí hlavního menu – nový vytvoříme podklad pro výkres kliknutím na ikonu
. Před vytvořením výkresové dokumentace musíme model uložit.
V opačném případě nebude možné výkres vytvořit.

Zvolíme formát a velikost výkresu a pomocí ikony palety pohledů
vložíme
do výkresu požadovaný pohled přetažením myší na plochu výkresu viz. určíme
pomocí záchytných bodů střed a vedeme čáru svisle dolů přes celou výšku
nárysu. řez vysuneme vlevo.

vybereme nástroj přímka z panelu skica a nastavíme ji na konstrukční.
zakreslíme jí středy otvorů pro šrouby.

vymažeme přebytečné kóty a doplníme pomocí panelu popisu a inteligentní kóty
pro šrouby. výsledek je patrný z níže uvedeného obrázku. Společně s ním
budou automaticky vygenerovány a zobrazeny kóty. Pokud potřebujeme některé
doplnit, můžeme je v obrázku doplnit pomocí menu popis. Postupujeme stejně
jako při kótování ve skice.

Doplníme boční řez. Vybereme nástroj řez
ze záložky příkazů zobrazit
rozvržení. Na nárysu určíme pomocí záchytných bodů střed a vedeme čáru
svisle dolů přes celou výšku nárysu. Řez vysuneme vlevo.

Vybereme nástroj přímka z panelu skica a nastavíme ji na konstrukční.
Zakreslíme jí středy otvorů pro šrouby.
293

Vymažeme přebytečné kóty a doplníme pomocí panelu popisu a inteligentní kóty
pro šrouby. Výsledek je patrný z níže uvedeného obrázku.
a)
b)
Obr. 21.20. Tvorba výkresu
Obr. 21.21. Výsledný výřez výkresu
294
Další zdroje
[1.]
[2.]
2014-05-15].
Dostupné
z
100,bs.1,d.ZGU
HORÁK, Bohumil, ml. Realizace 3D modelů v prostředí Invertor. Vysoká škola
Katedra kybernetiky a biomedicínského inženýrství. 2013 [cit. 2014-05-15].
Interní document prototypové laboratoře SAZE.
295
22 Typy 3D tiskáren
22.1. Prusa i3
Open-source tiskárna od známého českého tvůrce 3D tiskáren Josefa Průši. Vznikla
v rámci světového projektu RepRap. První projekt, který se zabývá open-source
vytvářením tiskáren. Na této tiskárně si lze vytisknout jednotlivé díly, které později
budou sloužit k sestavení tiskárny jako celku. Součástky na tisk a s návodem jak jí
postavit jsou ke stažení zadarmo na stránkách RepRap. Závitové tyče se spojovacím
materiálem se koupí v železářství. Elektronika je cenově dostupnější v cizině.
Obr. 22.1. Prusa i3










Pracovní plocha: 200 x 200 x 200 mm
Velikost trysky: 0,4mm
Podporované materiály: ABS, PLA, PETT,
experimentálně Nylon, PC
Tryska vyrobená z potravinářských materiálů
Výška vrstvy: od 0,05mm
Vyhřívaná podložka: ANO
Maximální rychlost: 200 mm/s
Velikost kroku v X/Y ose: 0,1 mm
FDM technologie
Cena: 24 200kč
296
Laywood,
Laybrick
a
Jelikož tiskárna není zakrytovaná, je její provoz docela hlučný. Na druhou stranu lze
zase lehce sledovat její činnost a zasáhnout v případě nějakého problému. Tím je
např. zamotávání materiálu ze špulky, což je nejslabším článkem této tiskárny.
Špulka, na které je umístěn materiál se totiž neotáčí a materiál je odmotáván
způsobem, který způsobí jeho zakroucení, případně vytvoření smyčky. Z tohoto
důvodu dochází k nepředvídaným a neočekávaným výpadkům při tisku, protože
materiál se vlivem zauzlování nedostane do tiskové hlavy. Přítomnost obsluhy je
tudíž nepostradatelná, je nutné tento stav hlídat, předvídat a případně tisk pozastavit.
Na "rozřezání" modelu a pro vytvoření g-codu, který je nutný pro vytvoření modelu na
této tiskárně, se používá program Slic3r. Tento g-code je importován do programu
Pronterface, který vložená data zpracuje a podle toho již ovládá vlastní chod tiskárny.
Správné nastavení tiskárny je zdlouhavý proces. Aby byl tisk proveden dle
požadované kvality, nejvíce času zabere odladění g-code.
Při zakoupení tiskárny Prusa i3 obdrží uživatel zároveň i obsáhlé školení, ve kterém
jsou předvedeny základní instrukce a především pomoct při sestavování. Součástí
balení je špulka s ABS o váze 1,5 kg s možností výběru ze čtyř barev.
22.2. Easy3Dmaker
Tiskárna Easy3Dmaker je dobře dostupná v ČR i s českou podporou. Výrobu
tiskáren 3D Factories zajišťuje firma Aroja od roku 1995. Velký zájem je ze stran škol
a architektů. Pro osobní účely je nevhodná pro její vysokou pořizovací cenu.
Tiskárna funguje na stejném principu jako Prusa i3. Používá FDM technologii.
Easy3Dmaker oproti Prusa i3 je tiskárna, která je zakrytovaná a má řešený posuv v
ose "Z" zdviháním zahřívané desky. Je navržená pro jednoduché ovládání. Součástí
balení je potřebný software pro ovládání tiskárny.
297
Obr. 22.2. Easy3Dmaker














Tisková plocha: 200 x 200 mm
Maximální výška tisku: 230 mm
Podporované materiály: ABS, PLA
Vyhřívaná podložka: ANO
Celkový modelovací prostor: 9200 cm3
Rozlišení vrstvy: 0.08 / 0.125/ 0.25 mm
Rozměry: 400 x 400 x 500 mm
Hmotnost: 16 Kg
Rychlost tisku: 80 mm/s
Rychlost přejezdu: 230 mm/s
Napájení a příkon: 24 V / 180 W
Certifikace: CE / WEEE
FDM technologie
Cena: 48 279 Kč
Tisk na této tiskárně se hodí především na prototypovou výrobu. Je to dáno
technologií tisku. Výhodou je vyměnitelnost velikostí trysek. Výrobce tvrdí, že
tiskárna má dobrou tuhost. Ze zkušenosti vím, že to není pravda. Tiskárna má
vysoko těžiště a tím dochází ke chvění. Vznikající hluk z tiskárny a chvění je velice
nepříjemné. K tomu se přidává nepříjemný zápach při použití ABS materiálu.
298
Oproti tiskárně Prusa i3 má tato tiskárna vyřešen problém s podáváním materiálu. To
je vyřešeno pomocí otočného držáku špulky. Pokud je špulka plná, občas se stává,
že se materiál sesune pod otočný držák a tím dojde k zaseknutí. Tento problém by
vyřešil napínák odvíjení.
Příprava na "rozřezání" modelu je obdobné jako u tiskárny Prusa i3.
22.3. Up! mini
Tiskárna Up! Mini je jednoduchá na použití a cenově dostupná. Využívá aditivní
proces výroby a je vhodná pro profesionální i pro osobní 3d tisk. Tiskárna je
kompletně zakrytovaná a svou velikostí se hodí do každé kanceláře nebo pokoje. Po
rozbalení je sestavena tak, aby se dalo tisknout do 15min. Není potřeba zdlouhavého
nastavování, jako je to u jiných tiskáren.
Obr. 22.3. Up! Mini











Tisková plocha: 120 x 120 x 120 mm
Minimální tloušťka vrstvy (Rozlišení osy Z): 0,2 mm
Rychlost tisku: 1cm3/9 min
Hmotnost: 6 Kg
Software UP! pro Windows a Mac
Průměr trysky: 0,4 mm
Vnitřní osvětlení LED
Jednoduše vyměnitelná tisková hlava (magneticky "zacvakávací")
Uzavřená tisková komora
Maximální elektrický příkon 220 W¨
299


FDM technologie
Cena 29 990 Kč
Součástí balení je software, který umožňuje velké možnosti tisku. Především se
jedná o rozřezání velkého modelu, který by se nevešel do tiskárny. Rozřezané
modely se musí tisknout postupně a pak následně slepit acetonem. Software velmi
dobře řeší potřebné podpůrné konstrukce, které jsou nutné na převislé části modelu.
Do podpůrných konstrukcí je přidáváno méně materiálu, kvůli lepšímu odlamování po
tisku. Vše probíhá automaticky a nemusí se nic nastavovat. Stačí zmačknout tlačítko
„Tisk“ a už jenom počkat na výsledný model. Při koupi tiskárny je odborné školení
zdarma.
Tiskárna je vytvořená z ocelové konstrukce a kvalitních materiálů, aby nedocházelo k
velkému chvění, jako je to u ostatních tiskáren. Je navržena na 24 hodinový tisk.
Dobře a účelně je u této tiskárny vymyšlena výměna trysky, která je upevněna
pomocí silného magnetu a držáku.
Použitá technologie tisku u UP! Mini je FDM. Z materiálů je používán ABS a PLA.
22.4. Zprinter 450
Zprinter 450 využívá technologii Zcorp a to zaručuje velmi kvalitní a barevný tisk.
Využívá aditivní proces výroby a je vhodná na profesionální tisk. Tiskárna je za
$40.000, ale výsledek z pohledu vzhledu, kvality a barevného zpracování tvoří téměř
dokonalé modely. Tisk modelu je 5-10x rychlejší a kvalitnější. Oproti konkurenčnímu
tisku jsou náklady poloviční. Proto se velice často používá v architektuře, medicíně,
výuce a především v MCAD výrobě. Kvalitu zajišťuje tisková hlava, která dokáže
tisknout v rozlišení 450 dpi.
Obr. 22.4. Zprinter 450

Rozměry: 1222 x 790 x 1400 mm
300












Tisková rychlost: 2 – 4 vrstvy/minutu
Materiál: Práškový komposit
Technologie výroby: Binder Jetting (Zcorp)
Min. výška vrstvy: 0,090 mm
Výška vrstvy: 0,090 – 0,102 mm
Počet tiskových hlav: 2 (barevná, čistá)
Rozlišení tisku: 300 x 450 dpi
Příkon: 230V, 6,2A
Připojení: TCP/IP 100/10 base
Formát modelu: STL, VRML a PLY
Cena: $40.000
Výhodou tiskárny je automatizace, slouží ke zjednodušení a snížení času. Není
potřeba generování podpůrných konstrukcí, jako je to u jiných technologií. Vytváří jí
"nevypálený" prášek kolem modelu. Tímto procesem vzniká velké množství
nepoužitého materiálu, který se nezničí a může se použít k dalšímu tisku.
Po dokončení tisku se model zbavuje přebytečného materiálu pomocí vibrační desky
nebo příručního vysavače. Na jemnější odstraňování se používá vzduchová tryska.
Výsledný model je křehký a proto se musí napouštět do různých náplní. Z důvodu
pevnosti se nejčastěji používají pryskyřice nebo vosk.
Nevýhodou tiskárny kromě ceny je energetická náročnost a nutnost stálého vyhřívání
práškového materiálu.
22.5. Form 1
Form 1 vytvořila skupina talentových studentů Harvardské univerzity v USA. Projekt
přidali do Kickstarter, což je platforma pro drobné investory, kteří chtějí finančně
pomoct projektu. Na serveru Kickstarter to byl jeden z největších úspěchů, kdy
studenti získali neskutečných $3.000.000 od lidí. Dokonce mezi nimi byl
spoluzakladatel Google Eric Schmidt.
301
Obr. 22.5. Form 1










Materiál: Photopolymer
Technologie výroby: SLA
Min. výška vrstvy: 0,025 mm
Výška vrstvy: 0,3 mm
Příkon: 100-240V, 1,5A, 60W
Operační teplota: 18 – 28°C
Formát modelu: STL, FORM
Cena: $3.299
Form 1 je jedna z mála tiskáren, která dosahuje svou kvalitou tisku jako na
nejdražších tiskárnách na trhu z technologií tisku SLA. Označil bych jí za
přelomovou, protože cenou $3.299 změnila úplně pohled na 3D tisk. Je až
neskutečné za jak málo se dá vyrobit takový stroj. Dosavadní výrobci prodávají
tiskárny téhož typu za $100.000 a víc.
Přednost tiskárny spočívá ve vysokém rozlišení tisku a zmačknutí jednoho tlačítka.
Po vybalení tiskárny není žádná potřeba nastavování, stačí nahrát model, doplnit
materiál a pustit tlačítko "Start". Součástí tiskárny krom software je i potřebné nářadí
pro dokončovací operace.
302
Modely se nahrávají ve formátu STL. Materiál se používá tekoucí photopolymer,
který za pomoci UV laseru vytvrzuje. Cena tohoto materiálu je vysoká. Pohybuje se
kolem $149 za litr. Součástí je software, který disponuje jednoduchým ovládáním.
Výhodou je, že umí automaticky generovat podpůrné konstrukce, do kterých přidává
měně materiálů (kvůli spotřebě). Po dotištění modelů se musí tyto konstrukce
odstranit.
Další zdroje
[1.]
[2.]
MCAE, 3D digitální technologie. uPrint SE 3D Print Pack [online]. Kuřim 2014
cit. 2014-05-15]. Dostupné z: http://www.mcae.cz/novinka-uprint-se-3d-printpack-1329746500
303
23 3D tiskárny SAZE
23.1. uPrint SE
3D tiskárnu uPrint SE, která umožňuje 3D tisk modelů a dílů na profesionální úrovni
přímo na vašem stole. Vybavená osvědčenou technologií firmy Stratasys Fused
Deposition Modeling (FDM) staví přesné a funkční koncepční modely, prototypy a
díly z termoplastu ABSplus v barvě slonové kosti přímo z vašeho CAD souboru.
Zásobník je rozdělen na dvě části (jedna pro podpůrný a druhá pro stavěcí materiál).
Volitelně se dá pořídit a připojit druhý zásobník materiálu pro nepřetržitý provoz tisku.
1) 3D tiskárna, 2) zásobníky, 3) špulky a materiálem, 4) podložky, 5) myčka
Obr. 23.1. uPrint SE











Použitím druhé zásobníkové komory umožníte nepřetržitý provoz zařízení
Technologie rozpustných podpor (Soluble Support Technology - SST)
Pevné a netoxické ABS modely
Práce v kancelářských podmínkách
Vysoká spolehlivost modelování
Nízké provozní náklady
Jednoduchá obsluha
Jednoduchá instalace zařízení
Cenová dostupnost
Výkonnost
Nízká hmotnost zařízení
304
Cívky s modelovacím a podpůrným materiálem, které se snadno zasunou do
zásobníku. Plastová vlákna obou materiálů jsou přes podávací systém přivedena do
tiskové hlavy, kde jsou roztavena a po vrstvách nanášena na stavěcí podložku.
Recyklovatelné stavěcí podložky, na kterých se tisknou vaše modely. Jakmile je tisk
ukončen, vytáhnete podložku z tiskárny a svůj model odloupnete.
Čistící zařízení WaveWash umožňuje rychle odstranit podpůrný materiál bez dotyku
rukou. 3D tiskárna uPrint SE používá technologii rozpouštění podpor Soluble Support
Technology (SST). Po dokončení stavby a odstranění stavěcí podložky vložíte
postavený díl do zařízení WaveWash, ve kterém je udržována optimální teplota lázně
a podpory se efektivním způsobem rozpustí.
Postup nahrávání STL dat do 3D tiskárny
Aby bylo možné 3D modely vytisknout, je třeba je z grafického programu exportovat
do tzv. STL souborů, které se nahrají do programu pro 3D tiskárnu. V naše případě
se jedná o program CatalystEX určený pro 3D tiskárny uPrint SE.
Program se spustí standardním způsobem, po klikáním na ikonu umístěnou na
ploše. Po otevření se zobrazí hlavní okno programu s několika záložkami.
Nahrání výrobku se provedeme pomocí instrukce File →Open STL, ukázka je
zobrazena na následujících obrázcích.
Obr. 23.2. Hlavní okno programu CatalystEX
305
Obr. 23.3. Vložení souboru STL
Obr. 23.4. Vložený 3D díl do programu
V hlavním okně (General) je možno měnit typ kvality tisku a podpůrného materiálu.
306
Obr. 23.5. Okno záložky Orientation
V tomto okně je možno různě natočit model podle os X,Y a Z. Následně je nutné
vytvořit podkladové a podpůrné stěny. Tento proces se provede pomocí tlačítka
Proces STL.
Obr. 23.6. Vytvoření podpůrného materiálu
Po provedení a vymodelování podpůrného materiálu je nutné model přidat do Packu,
tato akce se provede pomocí Add to Pack.
307
Obr. 23.7. Uložení na tiskové podložce
Obr. 23.8. Tiskové okno programu
V tiskovém okně (Printer Status) se po odeslání dat do tiskárny pomocí (Printer)
zobrazí daný soubor dat s přibližnou délkou času tisku, potřebným materiálem a
dalšími doplňujícími informacemi.
23.2. RepRap
308
RepRap, jak již bylo vysvětleno výše, je praktická samo kopírovací 3D tiskárna, která
vrstvením plastového materiálu vytváří předměty. Lze udělat spoustu užitečných
věcí. Zajímavostí je, že takto se dá vyrobit většina vlastních dílů a tím i další 3D
tiskárna.
V rámci open-source licence a dle zásad volného software je možná další distribuce
RepRap stroje. Prvořadým cílem projektu je vytvořit další stroje, aby mohli další
majitelé levně a snadno využívat těchto výhod. Více hlav, více myšlenek na
zdokonalení a tím i rychlejší vývoj.
Reprap.org je komunitní projekt, to znamená, že jsou vítáni všichni při úpravě
většiny stránek na tomto webu, nebo ještě lépe, k vytvoření nové vlastní stránky.
Komunitní portál a nový vývoj stránek má více informací o tom, jak se zapojit. Pro
porovnání: tiskárna předního výrobce MakerBot Replicator 2 a 3D tiskárna Průša
Mendel od českého vývojáře Josefa Průši (viz obr 3). Josef Průša je asi nejznámější
představitel tohoto projektu u nás. Patří mezi přední vývojáře RepRap projektu.
Základem pro jeho tiskárnu byl model Mendel, který upravil a poskytl v rámci opensource dalším uživatelům.
Renomovaná firma MakerBot představila levnou tiskárnu Replikátor 2. Tato tiskárna
v současné době představuje špičku mezi levnými domácími tiskárnami.
Open-source
Open-source, volně přeloženo jako volný přístup, je způsob vývoje a distribuce, který
každému potencionálnímu zájemci umožňuje přístup ke zdrojovým datům daného
produktu.
Největší výhodou volného přístupu je možnost volně upravovat a vyvíjet daný
produkt v rámci komunity mnoha uživatelů. Vývoj je tak většinou mnohem rychlejší a
v podstatě nepřetržitý v porovnání s komerčně vyvíjenými produkty. Firmy totiž
nerady zadarmo uvolňují jakékoliv informace z vývoje.
Open-source taky znamená dodržovat distribuční podmínky. Musí splňovat určitá
kritéria s ním spojené. Licence nesmí být v žádném směru nějak omezena, jako
například poplatky, omezením v oblasti tvorby a distribuce díla, musí umožňovat
další poskytování v neomezeném zdrojovém kódu. Jedním ze základních principů je
nediskriminovat žádnou skupinu uživatelů. Licence má být technologicky neutrální,
nemá omezovat ani jinak být omezována šířenými programy. Nesmí omezovat jiný
software.
Nejčastěji se s tímto termínem pracuje v oblasti informačních technologií. Právě zde
je také k nalezení nejvíce open-source produktů - programů a aplikací (například
309
Mozilla Firefox či OpenOffice.org), jazyků (například Python, PHP) či operačních
systémů (pravděpodobně nejznámější je Linux či mobilní Android).
Software označený jako "free software" je chráněn autorským právem, ačkoliv rozdíly
oproti open-source jsou malé. Bývá definován licencemi, upravujícími vztah autor uživatel. Mezi nejčastější z nich patří Apache License, MIT License, GNU GPL (GNU
General Public License), či velmi liberální BSD.
Obr. 23.9. 3D tiskárna Průša Mendel
O pohyb tiskové hlavy se starají 4 krokové elektromotory (motor osy Z je zdvojený).
Další krokový elektromotor se stará o dávkování plastu.
Tyto motory jsou společně s nahříváním tiskové trysky a tiskové desky ovládány
pomocí řídící elektroniky založené na platformě Arduino a shieldu RAMPS v1.4.
Konstrukce tiskárny. (bez tiskové hlavy elektroniky a vyhřívané desky).
Tato elektronika je pomocí rozhraní USB propojena s počítačem, který zadává
jednotlivé sekvence pohybu tiskové hlavy, dávkovaní materiálu a nastavuje teploty
tiskové hlavy a desky.
O napájení se stará spínaný síťový zdroj 12V 25A.

Software
Sprinter
310
Jedná se o firmware nahraný přímo do Arduina. Tento Firmware přijímá data, která
mu předkládá počítač prostřednictvím sběrnice USB a ovládá jednotlivé drivery
krokových motorů a spínání chladících ventilátoru.
Taky je zde implementován PID regulátor teploty tiskové hlavy, díky kterému má i
během tisku při různém průtoku materiálu konstantní teplotu.
Printrun
Je software, který čte G-kód a posílá jej prostřednictvím rozhraní USB z počítače do
Arduina. Z tohoto software je také možno manuálně ovládat posuv tiskové hlavy
případně její kalibraci. Je zde také možnost manuálního nastavení teploty tiskové
hlavy a plotny a dávkovaní plastu.
Slic3r
Je software, který má za úkol přeložit 3D model (typicky ve formátu STL) na G-kód
což je soubor, který obsahuje posloupnost pohybu tiskové hlavy společně
z množstvím vytlačeného materiálu.
Zde můžeme nastavit průměr ABS struny, která slouží jako zdrojový materiál, průměr
tiskové trysky, teploty tiskové hlavy a podložky, průběh chlazení modelu, styl
vyplnění vnitřního objemu a mnohé další parametry.
Všechny tyto vlastnosti do značné míry ovlivní kvalitu tisku a jejich správné nastavení
je nejsložitější úkol z celého sestavení a oživení tiskárny
Další zdroje
[1.]
[2.]
[3.]
MCAE, 3D digitální technologie. uPrint SE 3D Print Pack [online]. Kuřim 2014
cit. 2014-05-15]. Dostupné z: http://www.mcae.cz/novinka-uprint-se-3d-printpack-1329746500
LUTER, Ladisla. Konstrukce a výroba tělesa chlazení pro open source FMD
tisk, bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního
inženýrství
[online].
Brno
2013[cit.
2014-05-15].
Dostupné
z
311
[4.]
https://dspace.vutbr.cz/bitstream/handle/11012/26688/Konstrukce%20a%20vý
roba%20tělesa%20chlazení%20pro%20open%20source%20FDM%20tisk.pdf
?sequence=1
GOLEMBIOVKÝ, Matěj. RepRap 3D printer – výukový text. Vysoká škola
Katedra kybernetiky a biomedicínského inženýrství. Ostrava 2013 [cit. 201405-17]. Interní dokument
312

pdf online - netfei

Transkript

Podobné dokumenty

Mach3Mill 1.84 CZ

3D-zobrazování - AIP Scholaris - Vysoká škola ekonomická v Praze

Automatizované řízení výrobních strojů - Střední škola

zde - SEMACH

dělení a spojování materiálů, for weld/for industry

Vyšší odborná škola, Střední škola, Centrum odborné přípravy

1. část - Nové evropské trendy do výuky

Nasávaná vláknina z Huhtamaki

Katalog nástrojů - STEP

Adobe PDF

EXPORT GERBER DAT ZE SYSTÉMU FORMICA