Aditivní výroba míří k sériové výrobě

Aditivní výroba je na vzestupu s celosvětovým prodejem navýšeným o zhruba 30 % v roce 2016 na více než sedm miliard dolarů. Jedním z průkopníků oboru je firma Concept Laser z Lichtenfelsu v Německu. Společnost pokračuje v pozici lídra realizací své vize „Aditivní výroba – továrna zítřka“.

Studie provedená mezinárodní poradenskou společností Bain & Company odhaduje, že meziroční tempo růstu o více než 30 % bude pokračovat i nadále a obrat vzroste zhruba na 12 miliard dolarů v roce 2018.

Aditivní výroba (AM) bude vždy tím správným řešením, pokud aditivně postavená součást bude objektivně lepší – tužší, lehčí, bude rychleji k dispozici a bude levnější. Z průmyslového hlediska je stěžejním úkolem najít optimální parametry generování nového dílu. Pokud jde o posuzování ekonomické efektivnosti, pak je hlavním parametrem rychlost procesu stavby. Limity těchto parametrů se neustále mění – zvyšují – díky technologickému pokroku.

Intenzivní rozvoj současné fáze nasazování aditivních metod je prvním krokem směrem k aditivní průmyslové sériové výrobě. Geometrická konstrukční svoboda a potenciál pro odlehčené konstrukce, funkční integrace, možnosti kusové výroby podle specifických požadavků, úspory času a nákladů a úvahy o trvale udržitelné výrobě ve vztahu k šetření se zdroji – to všechno hraje v této etapě významnou roli.

Jaké odpovědi na hlavní výzvy současnosti nabízejí stroje pro spékání práškových kovů, respektive jejich vývojáři ve střednědobém horizontu?

Větší stavební prostory? Průmyslový stroj typu X line 2000R se dvěma lasery o výkonu 2x 1 000 W je v současné době největším světovým stavebním prostorem na bázi laserového spékání kovů (800 x 400 x 500 mm). Ještě větší stavební rozměry jsou ovšem technicky reálné.

Silnější laserové zdroje? To je chtěným očekáváním, ale ukazuje se, že technický pokrok povede jinudy. Tato cesta sama o sobě s největší pravděpodobností nebude preferovanou volbou.

Vyšší stavební parametry strojů pro AM? To je určitě jeden z přístupů, který lze realizovat relativně rychle. Klíčovým konceptem je multilaser technologie. Použití více laserových zdrojů najednou musí být aplikováno uvážlivě, tak aby nemohlo dojít k nejistotě se zaručením kvality výroby.

Výkon laseru na čtvereční metr stavební plochy se za posledních několik let zvýšil sedminásobně. Dr. Florian Bechmann, vedoucí oddělení výzkumu a vývoje u Concept Laser, říká: „Stavební kapacita se zvyšovala enormně díky multilaserové technologii. Rychle rostou i velikosti stavebních prostor. Nyní jsme již představili modulárně integrovaný koncept stroje s novou architekturou, která má implementovány zásady Průmyslu 4.0 a může výrazně přispět k povýšení aditivní výroby na výrobní strategii budoucna. Potenciál pro zvýšení přidané hodnoty a aplikaci v sériové výrobě rozhodně má.“

Současné stroje a zařízení pro AM jsou „soběstačnými komplety jednotek“. Ty fungují jako samostatná seskupení potřebných technologií, aniž by skutečně byly integrovány do tradičního výrobního prostředí. Zařízení nejsou navzájem propojena a nerespektují kritická místa procesů. Mohou komunikovat pouze v omezeném rozsahu, a to výhradně v řetězci digitálních procesů zahrnujících konstrukční zpracování, externí přípravu výroby a přenos dat do výrobního zařízení. V takovémto provedení nejsou vhodné pro průmyslovou sériovou výrobu budoucnosti. Důsledná automatizace časově a v některých případech i bezpečnostně náročných manuálních procesů stále chybí, ale postupně se hledá a rozvíjí způsob, jak zajistit dosažení cílů Průmyslu 4.0 v podobě chytré továrny pro AM.

Problémy, které sériové výrobě způsobuje stávající koncepce autonomních strojů pro práci s kovovými prášky, řeší Concept Laser novou strojní architekturou. Oddělitelné moduly výrobních a manipulačních procesů umožňují plné využití zařízení dvou časově nesrovnatelných procesů. Kromě toho automatizované řízení práškového hospodářství i automatizace dalších procesů, dříve pouze ručních, umožňují redukování prostojů jednotlivých procesů na minimum.

Nová koncepce strojů pro aditivní výrobu z kovů se vyznačuje v podstatě oddělením „předvýrobních“, „výrobních“ a „následných“ procesů. Cílem je kompletovat procesní moduly vybavené univerzálními rozhraními a zvýšit pružnost takto sestavovaného aditivního výrobního systému. Důsledné modulární konstrukce manipulačních stanic stejně jako procesních výrobních jednotek, z hlediska jejich kombinací a propojení, zajišťuje podstatně větší flexibilitu i jejich lepší cenovou dostupnost. Důležitým aspektem je také možnost budoucího rozšiřování celé konfigurace s ohledem na předpokládané rozšiřování aditivní výroby.

Základní výrobní jednotka má stavební kapacitu o rozměrech 400 x 400 x 400 mm. Laserové zdroje, řízení procesů ochranných plynů a filtrační technologie jsou integrovány do modulu. Tloušťky vrstev při vlastní stavbě zůstávají v obvyklém rozsahu.

Konvenčně byly jednotka výchozího materiálu, procesní jednotka a sběrná jednotka přebytečného materiálu pevně spojeny dohromady. Vedlo to například k nutnosti přerušit aditivní proces v případě nutnosti doplnění dalšího prášku a ztrátě kapacity nejdůležitějšího procesu. Nový přístup nyní předpokládá rozdělit tyto tři úseky do jednotlivých, nezávisle a individuálně ovládaných modulů. Moduly mohou být přesunuty prostřednictvím systému tunelů uvnitř procesu nebo pomocí manipulačních ručních či robotizovaných stanic. Vyprázdněný práškový modul může být vyměněn za plný, aniž by proces stavby musel být přerušen. Obdobně i dokončený díl může být nyní také vyjmut ze stroje prostřednictvím samostatného modulu a nahrazen nově připraveným modulem tak, aby výrobní činnost mohla být znovu ihned obnovena.

Nová softwarová architektura navržená Concept laserem zajišťuje kontrolu a sledování dat stavby součásti a celkového toku dat. Kombinuje MDL (Machine Data Logging – ukládání strojních dat) s ODA (Operating Data Acquisition – sběr provozních dat) a zároveň zajišťuje tok dat v uzavřeném digitálním procesu. Obsluhující personál tak má prostředek ke snadnému monitorování procesů, aktivní úpravě procesu i oprávnění vstupu do dalších automatizovaných činností najednou. Softwarový modul CL WRX 3.0 nabízí rozhraní pro příchozí CLS data, automatizační úlohy a připojení na ERP systém společnosti.

Softwarová platforma CL WRX 3.0 umožňuje obslužně zaměřené, přehledné řízení a monitorování všech procesních úkonů. Jedná se o systém s otevřenou strukturou, s rozhraními pro CLS, ERP, strojní technologie a automatizační techniku. Záměrem rovněž bylo, aby systém umožnil integrovat dálkovou diagnostiku, monitorování služeb a později i dedikované diagnostické přístroje. Dalším velmi důležitým faktorem je široká škála připojení různých výstupních médií, jako jsou ovládací panely, osobní počítače, notebooky a chytré telefony tak, aby obsluha mohla použít i běžné osobní vybavení.

Nová koncepce AM strojů umožňuje pružně propojovat moduly dohromady ve výrobní celky, automatizace pak poskytuje značné úspory ve výrobních časech a nákladech. Obojí je nasměrováno na zajištění potřebné úrovně produktivity, kvality a ekonomické efektivnosti zejména při sériové výrobě.

Hlavním cílem tohoto přístupu není další zvyšování počtu laserových zdrojů nebo dokonce použití silnějších laserů, ale řešení automatizace a propojení strojů, které dosud chyběly.

AM Factory of Tomorrow – aditivní továrna zítřka je připravena fungovat jako efektivní výrobní provoz ve smyslu základní myšlenky konceptu Průmyslu 4.0 a umožní sériovou výrobu kovových dílů aditivními technologiemi ekonomicky životaschopným způsobem.

Misan

Ondřej Svoboda

o.svoboda@misan.cz

www.misan.cz