Aditivně s nadzvukovou rychlostí

MM: Můžete prosím našim čtenářům představit stroj Hermle, který dokáže aditivně vyrábět kovové díly?

P. Němeček: Je to výkonné a přesné obráběcí centrum MPA 42. Tento stroj však není na prodej. Pokud jde o aditivní výrobu, je Hermle pouze poskytovatelem služeb. Víme, co výrobci forem, kteří nejvíce profitují z této technologie, chtějí (zejména krátké doby cyklu a vysokou kvalitu dílů) a jak toho dosáhnout. Tak jako u jiných aditivních technologií i ze zařízení MPA 42 opouštějí polotovary pracovní prostor stroje s větší, a ne s menší hmotností. Navíc již obrobené na požadovaný tvar. Výhoda je zejména v tom, že stále dosahujeme tisícinových přesností dílů, neboť stroj je zároveň přesným pětiosým centrem.

MM: Jak dlouho je technologie na trhu dostupná? A jak je to s těmi službami?

P. Němeček: Společnost Hermle uvedla stroj na trh poprvé zhruba před sedmi lety. S novou generací strojů dnes proces generativní výroby získává podstatně vyšší přesnost a rychlost. Zařízení MPA 42 se nachází v naší dceřiné firmě Hermle Maschinenbau v Ottobrunnu, jež se v průběhu let vyvinula v poskytovatele služeb pro aditivní výrobu.

MM: Jak tedy proces probíhá? A jak vypadá samotný stroj?

P. Němeček: To prozrazuje zkratka MPA – Metall Pulver Auftrag: nanášení kovového prášku. Stroj mají v Ottoburnu za dveřmi zvukotěsného krytu. Je to speciálně upravené pětiosé obráběcí centrum typu C 42 U. Do pracovního prostoru stroje vedle vřetena vyčnívá tryska, ale není zde žádná stříkací jednotka chladicího maziva. Lavalova tryska urychluje prášek a nastřeluje jej cíleně na upnutý kovový polotovar. K tomu, aby prášek dosáhl nadzvukové rychlosti a v důsledku deformace při nárazu se spojil s polotovarem, hrají důležitou roli vedle geometrie trysky také přehřátá vodní pára a dusík. V zadní části zařízení je umístěn vyvíječ páry a pět dopravníků prášku. Všechny nanášené materiály a polotovary mají stejnou tažnost. Nanášení je založeno na plastické deformaci. Proto musí být tvárný také povrch polotovarů.

MM: To zní neuvěřitelně! Jaké materiály lze nejlépe využívat? Zmiňuješ, že stroj disponuje až pěti dopravníky kovového prášku…

P. Němeček: Kromě ocelí pro obrábění za tepla a za studena s vysokým obsahem uhlíku, běžných pro výrobu nástrojů, se zpravidla používá také měď a měděná slitina ampcoloy. Měď odvádí teplo mnohem rychleji než nástrojové oceli. Pro konstrukci např. vstřikovacích forem má proto rozhodující výhodu kombinace materiálů oceli a mědi. Touto technologií můžeme dostat měď do částí forem, kde není místo pro chladicí kanálky. Při vstřikování pak měděné jádro odvádí teplo do nejbližšího chladicího kanálku mnohem rychleji než ocel. Uživatel tak ušetří cenné sekundy při chlazení a zlepší se kvalita povrchu plastových dílů.

Pět os obráběcího centra umožňuje téměř jakoukoli orientaci paprsku prášku na vyráběný díl a zajišťuje tak maximálně svobodné uspořádání. Chladicí kanálky mohou být vytvářeny i přímo na zakřivených površích polotovaru. Tímto způsobem získají i větší vstřikovací formy chlazení v blízkosti obrysů, aniž by se aditivně vyráběl celý díl. Jediným limitem je pracovní prostor stroje C 42 U. I když i ten je oproti jiným aditivním zařízením poměrně veliký. V závislosti na geometrii je limit velikosti pro aditivní proces 600 m do délky a do šířky. Díly jsou však zpravidla menší. Stroj je také obzvláště vhodný pro výrobu válcových nebo kónických dílů, jako například chladicích trysek apod. Nanášením materiálu na rotující díl se účinně vyplňují kapsy a kanálky, které se pak uzavírají nástrojovou ocelí.

MM: Lze tedy říci, že nejčastější využití najde tato technologie při optimalizaci chladicích systémů vstřikovacích forem. Kde jinde ji lze také s výhodou použít?

P. Němeček: Kromě realizace efektivního chlazení nabízí metoda MPA ještě další zajímavé možnosti použití. Mnoho materiálů se přídavkem tak zhutní, že lze povrch dílů bez problémů vyleštit do vysokého lesku. Ale to se stále bavíme o vstřikovacích formách. Pomocí metody MPA mohou být do oceli nebo mědi zabudovány a tím do nástroje integrovány funkční prvky, jako topné dráty nebo senzory pro monitorování teploty dutiny – ideální pro variotermní vedení teploty. Možnosti technologie MPA se však vyplatí i jinde než při vstřikování. V trysce na lepidlo vybavené například integrovanými topnými prvky si lepidla udržují ideální teplotu pro zpracování po celé šířce trysky. Senzor v nástroji umožňuje skutečnou regulaci.

Silnou stránkou odborníků z Ottobrunnu jsou znalosti toho, kde jsou účinné jaké kombinace materiálů, jak co nejlépe rozmístit chladicí kanálky a funkční prvky a jak vyrábět jednodílné tvářecí nástroje. V tom je celá naše filozofie – neprodáváme stroje, prodáváme know-how. Dokážeme poradit konstruktérům vstřikovacích nástrojů, jaký chladicí kanálek, funkční prvek nebo kombinaci několika materiálů použít k optimalizaci vstřikovaných dílů, které se později vyrábějí tímto nástrojem. Jinými technologiemi by bylo jen obtížně možné dosáhnout kratší doby cyklu a vyšší kvality dílů.

MM: Výsledný díl tedy dokáže podstatně zkrátit dobu výrobního cyklu např. vstřikovaných plastových dílů. Ale jak náročná je výroba v zařízení MPA? Naprogramovat celý výrobní proces musí být oříšek. Jaké systémy na to používáte?

P. Němeček: Aplikační inženýři generují kód pro řízení stroje pomocí vlastního CAM softwaru. Ten obsahuje nejen pohyby po dráze, ale také množství prášku, určité teploty a změnu mezi metodou nanášení materiálu a frézováním. Vzhledem k tomu, že žádný výrobce CAD/CAM nedokázal naprogramovat speciální střídavý proces – frézování, nanášení, frézování –, napsali jsme si software sami. To znamená, že můžeme kdykoli reagovat na speciální požadavky zákazníků.

V praxi to potom funguje tak, že po dokončení přípravných prací odešle zákazník svůj polotovar do společnosti Hermle Maschinenbau v Ottobrunnu. Až 95 % práce je založeno na polotovaru, který si zákazník může sám připravit na své frézce. Díly přicházejí s vyfrézovanými chladicími kanálky nebo kapsami pro nanášení mědi. Tým zkontroluje přesnost rozměrů polotovaru a to, zda byly dodrženy specifikace konstrukce. Na kapsách nesmí být například žádné zkosené hrany. Pro nanášení prášku jsou potřeba ostré hrany.

Před zahájením procesu přichází díl do topné stanice a zahřívá se na teplotu asi 300 °C. Protože i když se materiál nesvařuje, nejde to úplně bez teploty: pro lepší tažnost je nutné zahřát substrát i kovový prášek. Energie k urychlení prášku se čerpá z vodní páry. Když obě komponenty projdou tryskou, prášek dosáhne potřebné nadzvukové rychlosti. Aby teplota zůstala konstantní i během obrábění, MPA 42 ohřívá díl až do úběru poslední třísky. Tímto způsobem se zabrání teplotním gradientům, které způsobují napětí, praskliny nebo deformace.

Při výrobním procesu se materiál střídavě nanáší a třískově obrábí. Po nanesení prášku se do nového materiálu vyfrézují detaily, jako jemná žebra, chladicí kanálky se naplní kovovým materiálem rozpustným ve vodě a nanášením metodou MPA se zase uzavřou vrstvou oceli. Výplňový materiál můžeme později vypláchnout ve vodní lázni a získat tak požadované dutiny. Rychlost nanášení prášku na díl je 200 až 400 cm³.h^–1, u mědi je to téměř tisíc.

MM: To je opravdu impozantní. Bude tato služba dostupná také pro české uživatele?

P. Němeček: Určitě ji mohou využít i čeští zákazníci. Všechny procesy od poradenství, optimalizace a testování proveditelnosti až po analýzu materiálu a závěrečnou kontrolu kvality jsou však realizovány interně ve společnosti Hermle Maschinenbau v Ottobrunnu. Pouze tak je zabezpečena agilita a ochrana vlastního know-how i know-how zákazníků. Rozsáhlé výrobní kapacity poblíž Mnichova nabízíme již několik let a exkluzivně pro zákazníky Hermle touto patentovanou metodou vyrábíme velkoobjemové díly.

MM: Děkuji za rozhovor.