Nové koncepce nástrojů díky aditivní výrobě

Vysoký výkon, dlouhá životnost a rychlá výměna břitu jsou hlavními požadavky na moderní koncepce nástrojů. QTD vrták vyniká dobrým formováním třísky a spolehlivým odvodem třísek díky své geometrii. Hrot je zasazen ve stabilním prizmatickém uložení. Unikátní na těchto vrtácích je zejména technologie výroby a nová koncepce spirálového chlazení.

V minulém vydání MM 1, 2/160145 jsme popsali aditivní výrobu QTD vrtáků a výhody nové koncepce chlazení. Nyní přinášíme rozhovor s vedoucím výzkumu a vývoje ve společnosti Mapal Dr. Dirkem Sellmerem, který vysvětluje důvody, jež vedly k novému vývojovému úkolu a využití nové geometrické volnosti v konstrukci složitých dílů.
Označujete nové vrtáky s QTD vyměnitelnými břitovými destičkami jako první na světě. Čím jsou tak inovativní?

Dr. Sellmer: Inovace je založena na dvou aspektech: za prvé na užívání aditivní technologie ve výrobě vysoce přesných vrtáků, a za druhé na inovativním konceptu chlazení.

Co to znamená konkrétně?

Dr. Sellmer: U těchto vrtáků, které jsou vyrobeny laserovým generováním vrstev, můžeme použít spirálový chladicí systém. To zlepšuje chladicí výkon díky vyššímu průtoku chladicí kapaliny. Můžeme tak nabízet i menší vrtáky, tj. rozšířit produktovou řadu směrem dolů.

Popište, prosím, tento koncept chlazení.

Dr. Sellmer: Změna konceptu chlazení zlepšuje výkon chlazení. V porovnání s předchozím centrálním přívodem chladicí kapaliny s jeho rozvětvením Y zvyšuje spirální přívod chladiva průtok chladicí kapaliny o 100 %. Současně se zvyšuje pevnost jádra vrtáku tím, že chladicí kanály jsou umístěny paralelně s drážkami pro odvod třísek. V rámci vývoje jsme navrhli i nové profily chladicích kanálů. Ty se odchylují od obvyklého kruhového tvaru mírně trojúhelníkovým tvarem. V testech jsme zjistili, že průřez v této podobě se zvyšuje o 30 %. Průtok vrtákem je pak 1,6x až 2x větší než u konvenčně vrtaných nástrojů. Schopnost nabídnout vrtáky s menšími průměry byl jen vedlejší efekt.

Jaké jsou hlavní požadavky na přesné vrtáky?

Dr. Sellmer: Ideální vrták je velmi tvrdý na vnějším obvodu a poněkud pružný uvnitř. Laserové natavování vrstev umožňuje volit tloušťky vrstev a následně vytvrdit povrch tepelným zpracováním, a vytvořit buněčné nebo voštinové struktury uvnitř v případě potřeby. To vytváří možnosti pro realizaci odlehčených řešení a tvoření takzvaných e-modulů, což nelze vyrobit tradičním způsobem. Konečně, výroba založená na koncepci stavby trupu/jádra je pro nás neobyčejně důležitá. Za prvé, jádro těla je vytvářeno rovnou s chladicím systémem, který se dodělává u konvenčního provedení. Za druhé, při aditivní metodě se vnější obal trupu vytváří s větší hustotou. To je téměř ideální vrták – tvrdý na vnějším obvodu a měkčí uvnitř. Kombinujeme tvárnost s vysokou pevností v tahu s tvrdostí. Samozřejmě že hotová součást se následně kalí tepelným zpracováním. Používáme kalicí proces ve vakuové peci.

Mapal používá aditivní konstrukci i pro výstružníky. Jaké výhody to má v praxi?

Dr. Sellmer: Pro tyto rotující nástroje jsou výkonové charakteristiky jako hmotnost a nevyváženost dány momentem setrvačnosti průřezu. Externí výstružníky vyrobené aditivně mohou být zhruba o 50 % a více lehčí. Principiálně se dají vyrobit s dutinami, které označujeme jako vyvažovací profily. Snižujeme tak nevyváženost, zvyšujeme rychlost, zvýšíme i přesnost a zlepšíme ekonomiku. Toto je založeno na voštinové struktuře, která odlehčí vnitřní konstrukci a sníží potenciál k vyvažování. Obecně platí, a my to očekáváme, že i voštinovou strukturu můžeme dále optimalizovat bionicky. FEM analýzy nám umožňují optimalizování těchto voštinových struktur ke zvýšení rotačních schopností. Námi patentované řešení nám vytvořilo základ, který jsme potřebovali pro řešení úkolů, jako je tento. Ale to není konec příběhu. Procesně upravovaný design nám umožňuje realizovat nové nápady průběžně jako „rozpracovanou výrobu“.

Kdy jste začal používat aditivní výroby?

Dr. Sellmer: Nejprve jsme prozkoumali trh z hlediska nabídky a vyhodnotili různé koncepty pro naše aplikace. Brzy jsme zjistili, že všechny koncepty by nám umožnily změnit náš dosavadní systém obrábění. A za pouhých 12 měsíců po výběru technologie Concept Laser byly na jaře roku 2014 na stole hotové výrobky první série. Náš šéf Dr. Dieter Kress byl tak ohromen, že často předvádí aditivní součásti návštěvníkům jako malé zázraky.

Proč Concept Laser?

Dr. Sellmer: Při rozhodování, jako byl tento případ, bylo potřeba zásadně zvažovat a hodně přemýšlet. Všichni tři hlavní poskytovatelé nabízeli dobré hardwarové řešení. Nicméně existují určité odlišné přístupy v detailech, které jsou důležité. Brzy jsme zjistili, že Concept Laser má odlišný přístup k topologii. Při výběrových jednáních se Concept Laser mimo jiné soustředil na naše záměry a ukázal nám, jak řešil aditivní výrobu na jiných aplikacích. To znamenalo, že jsme brzy věděli vše, co uživatel potřebuje vědět. Concept Laser nabízí otevřený přístup k parametrům. To bylo pro nás v oddělení výzkumu a vývoje také důležitým bodem a umožnilo nám realizovat vlastní vývoj. Podle mého názoru je systém M1 Cusing zákaznicky orientován a je snadno ovladatelný. Není to „konfekční“ systém – je vysoce zákaznicky orientován s mnoha měkkými faktory.

Byla investice složitým rozhodnutím pro Mapal z hlediska ziskovosti?

Dr. Sellmer: Samozřejmě, to bylo předmětem interní debaty. A znamenalo to určité riziko od počátku. Dr. Kress, vlastník s velkým zájem o technologii, si také uvědomoval, že se děje něco zvláštního, je-li geometrie tvořena z prášku, jakoby magicky. Tento proces má zvláštní kouzlo, ačkoliv probíhá bezobslužně. Výroba běží 24 hodin denně, sedm dní v týdnu. Věděl také, že oddělení pro rozvoj se bude muset výrazně podílet na podnikatelském rozhodnutí svým vlastním vkladem a přínosem. To znamenalo, že 15 inženýrů a techniků, spolu s dalšími 10 asistenty, bylo odhodláno vytvořit nové obzory. Když jsme začali pracovat, definovali jsme konkrétní cíle a dostali velký rozsah volnosti. Při pohledu zpět bylo rozhodnutí majitele provedeno rychle, bez odkladů, a tím nám vytýčil cestu do budoucnosti. Jsem velmi rád, že jsme tyto kroky učinili tak brzy. Zkušenosti, které získáváme, nám přinášejí mnohé konkurenční výhody tam, kde jiní ještě stále hledají potřebnou odvahu. Rozhodnutí o počáteční investici tohoto rozsahu by nemělo být ponecháno jen na samotném analytickém oddělení. Alternativní výrobní možnosti, bezobslužná výroba a mnoho dalších faktorů aditivní strategie skutečně znamenají výrazný nárůst konkurenceschopnosti, ekonomičnosti a přidané hodnoty.

Myslíte si, že to bude trend?

Dr. Sellmer: Průmysl je všeobecně vysoce konzervativní, to mj. znamená, že inovace probíhají dlouhou dobu, než se uchytí. Ale jak asi vidíte, aditivní strategie posouvají pravidla konstruování k výrobkovým řešením, která byla dříve nepředstavitelná. Tyto produkty nabízejí zjevná pozitiva pro nás i pro naše zákazníky. Není jiné cesty, pokud chcete být v budoucnosti úspěšný. To platí jak pro nás, co se týče našich výrobních nákladů a výkonových parametrů našich výrobků, tak i pro naše zákazníky, pokud jde o kvalitu, dostupnost a cenu.

Bude titan jako materiál pro výstružníky alternativou ke klasickým strategiím?

Dr. Sellmer: Tradičně by to bylo jediné řešení. Stačí použít titan namísto oceli. To snižuje hmotnost o cca 35 %. Ale materiál je drahý. Je rovněž obtížně obrobitelný. Namísto titanu můžeme vystačit s nástrojovou ocelí 1.2709. Kromě toho může být hustota materiálu v tělese výstružníku rovnoměrně rozložena. Obrazně řečeno, změnou materiálu bychom přerušili inovační postup v půli cesty k cíli. Od určitého bodu nemá smysl optimalizovat staré strategie do maxima. Musíte zkusit něco nového.

Jaké další přístupy využíváte s aditivní výrobní strategií?

Dr. Sellmer: Nové produkty a nové možnosti: Vezměte například renovace. Nástroj ISO má určitý počet životních cyklů podle pracovního zatížení v uživatelských procesech. Takové opotřebení je normální. Nicméně dnes, vezmeme-li v úvahu udržitelnost a šetření zdrojů, jsme zjistili, že ISO nástroje nemusíte „vyzmetkovat“, pokud mají ještě potenciál pro renovaci. Stručně řečeno, aditivní struktury nabízejí mnoho způsobů, jak obnovit povrch nástroje ISO do kvality nového nástroje. Pokud je taková technologie k dispozici, prověřujeme samozřejmě všechny naše produkty a posuzujeme možnosti úprav designu. K dispozici bude řada nových produktů a přípravků.

Jaký vývoj očekáváte v budoucnosti?

Dr. Sellmer: Můžeme očekávat, že se významně zvýší výkonové parametry laserových tavicích systémů. Výkonné lasery nejsou nezbytně v horní části našeho seznamu přání, protože naše díly jsou obecně poměrně drobné. Ale věřím, že multilaserová technologie přinese zvýšení produktivity. To by umožnilo buď rychlejší, nebo více selektivní postupy, tj. změnou tloušťky a struktury vrstvy. Bude se rovněž zvyšovat úroveň kvality. Společně to přinese zlepšení ekonomiky provozu a zlepší parametry vyráběných dílů. Očekávám také rozšíření sortimentu dostupných materiálů, který nám umožní optimalizovat provedení komponentů s ohledem na použití, zejména pokud jde o výkon nebo životnost. Podstatnější je, že si umím představit výběr práškových materiálů tak, aby optimálně vyhovovaly procesu výroby i následné aplikaci výrobku. Mění se naše konstrukční možnosti. Nové geometrie povedou k novým výkonovým parametrům. Obecně lze říci, že aditivní výrobní možnosti vytvářejí nová výrobková řešení, která jsou nesrovnatelná s konvenčními metodami. Tento proces je bezpochyby ideální pro podněcování představivosti a tvořivosti.

Misan, Concept Laser

Hedvika Hendrichová

hendrichova@misan.cz

www.misan.cz