Alternativa či doplněk ke konvenční výrobě

Současný 3D tisk z kovového prášku má své přednosti a nezpochybnitelné místo na trhu. Dnes jsou aditivní technologie velmi rozšířené v dentální a medicínské oblasti, v automobilovém průmyslu nebo v letectví. Společnost Trumpf úspěšně instalovala ve světě více jak 100 tiskáren pro metalický 3D tisk pod názvem TruPrint.

Na místě je uvést, že použití 3D tisku bude závislé na tom, jaké další jiné výrobní operace dokáže konstruktér díky tištěnému dílu optimalizovat či nahradit. Znamená to udělat díl více funkční, konstrukčně náročnější, odlehčený a především levnější. Nepopiratelnou výhodou je, že díky této technologii je možné vyrobit jakékoliv díly přesně podle představ konstruktéra, a to úspěšně již od prvního prototypu. Na druhou stranu ovšem je nutné si uvědomit, že průmyslově řízený výrobní proces sériové povahy je stále ještě relativně pomalý a pro firmy, které potřebují vyrábět za směnu stovky nebo tisíce kusů, je využití 3D tisku za takových podmínek neefektivní.

V listopadu 2017 na odborném veletrhu Formnext pro aditivní technologie ve Frankfurtu nad Mohanem představila společnost Trumpf komplexní procesní řetězec od programování, přípravy dat k tiskové úloze pro stroj, až po vytištění kovových dílů technologií laserového tavení v práškovém loži (Laser Metal Fusion, LMF) na svých 3D tiskárnách TruPrint 1000 s opcí Multilaser, TruPrint 3000 a TruPrint 5000. Ukázala také řadu aplikací, které vyrobila na výše zmíněných strojích ve své laboratoři v Ditzingenu a mimo jiné také inteligentní softwarové a monitorovací řešení včetně globální sítě služeb. Na stroji TruPrint 1000 lze vyrábět různé aplikace nejmenších struktur max. do průměru 100 mm a výšky 100 mm. Pokud si zákazník přeje vyrábět malé precizní průmyslové kusové i malosériové díly, potom se nabízí ke stroji TruPrint 1000 opce Multilaser, která umožní zrychlit výrobu až o 80 %. Pro větší, robustnější díly nebo pro sériovou výrobu až do průměru 300 mm a výšky 400 mm jsou vhodné stroje TruPrint 3000 a TruPrint 5000.

V tomto případě se již jedná o výkonné stroje středního formátu s propracovanou koncepcí výměny procesních válců a managementu prášku za účelem vysoce efektivní průmyslové sériové výroby dílů 3D tiskem. Stroje nabízejí také chytrá řešení v podobě TruConnect a monitorování laserového tavení v práškovém loži, což bude dále rozvedeno.

Díky inteligentní výměně válců jsou redukovány prostoje stroje a lze rychle zahájit další tiskovou zakázku. Ke strojům TruPrint je k dispozici ucelený procesní řetězec pro aditivní výrobu: od přípravy dat pro 3D design a vytvoření výrobního programu až po nahrání dat do „Trumpf Build procesoru“ a následně do stroje, nastavení parametrů stroje na HMI panelu, vytisknutí dílu, vybalení, očištění a následné zpracování. Všechny procesní kroky aditivní výroby jsou tak plně pokryty. Uživatelé mohou během tisku sledovat parametry a výkon stroje, a především monitorovat samotné laserové tavení, a to i přes vzdálený přístup. Tyto a jim podobné produkty, které slouží k propojení výroby, lidí a informací, jsou sdruženy v rámci digitální platformy pod názvem TruConnect.

Stroje TruPrint 3000 i TruPrint 5000 mohou být použity k výrobě robustních kovových dílů, a to z materiálů jako ocel (různé druhy), slitiny na bázi niklu, chromkobaltu, titanu, hliníku, bronzu nebo drahých kovů v práškové formě. Vzhledem k faktu, že oba stroje jsou vybaveny dvěma zásobními válci o celkové kapacitě až 57 litrů prášku, což je dvojnásobek maximálního možného objemu v procesní komoře, disponují stroje dostatkem prášku pro každou libovolnou tiskovou zakázku bez nutnosti jejího přerušení za účelem doplnění prášku. I za předpokladu, že by v jednom z válců nebyl dostatek prášku, inteligentní koncepce dvou zásobních válců umožňuje vybrání druhého válce k pokračování tiskové zakázky, a to opět bez přerušení výrobního procesu. Dochází ke snížení prostojů a zvyšuje se produktivita a procesní bezpečnost 3D tiskárny.

Mezitím co stroj vyrábí, může být přídavný zásobní válec naplněn novým nebo prosetým práškem a druhý výrobní válec je paralelně umístěn do vybalovací stanice, kde je vybalen vytisknutý díl. Nespotřebovaný prášek je během tiskové zakázky následně odsán pomocí vakuového dopravníku do prosévací stanice pro opětovné použití nebo je uložen do zásobníku na prášek k následnému uskladnění. Záleží na koncovém uživateli, pro jakou variantu se rozhodne.

Za účelem nezávislé výroby na stroji TruPrint a vysoké produktivity byla zkonstruována vlastní vybalovací stanice, která je plně integrována do procesního řetězce. Není ovšem vždy nutné, aby byl vytištěný díl přesunut z procesní komory do vybalovací stanice. Díl je možné očistit a vybalit také přímo ve stroji pomocí rukavicového boxu a poté odšroubovat stavební desku se stavbou a nakonec jednoduše vyjmout ze stroje. Pokud je výrobek příliš těžký, jsou k dispozici dva držáky k uchycení a manuálnímu vyjmutí stavební desky, čímž je manipulace výrazně usnadněna. Následuje další následné zpracování podle potřeb zákazníka. Instalace nové desky funguje na jednoduchém principu, kde díky bajonetovému uzávěru ve stroji dojde k upevnění a následnému přišroubování stavební desky včetně kruhového těsnění. Následně stačí vyčistit procesní komoru od zbytkového prášku a po dokončení procesu inertizace a předehřevu stavební desky lze začít s novou tiskovou zakázkou.
Pro zvýšení bezpečnosti mají výrobní a zásobní válce dva uzávěry (víka): víko s větším průměrem slouží k uzavření pracovní komory stroje, aby prášek nevnikl dovnitř stroje a aby nedošlo ke ztrátě ochranné atmosféry. Druhé víko, s menším průměrem, je použito k uzavření samotného válce, který je následně vyjmut ze stroje a transportován pomocí manipulačního vozíku do vybalovací stanice. Vše probíhá paralelně mimo stroj bez ovlivnění aktuální tiskové zakázky.

Vlastní koncepce managementu prášku s důrazem na jeho uzavřený cyklus mezi strojem a centrálními komponenty (prosévací a vybalovací stanice, zásobník na prášek) a bezkontaktní manipulaci spočívá především v bezpečnosti operátora. Pro opětovnou recyklaci prášku efektivně slouží prosévací stanice, která je schopná automatizovaně prosévat až několik stovek kilogramů prášku každou hodinu, čímž zajišťuje jeho konzistentní kvalitu. Jakmile je výrobní proces dokončen, obrobky jsou vyjmuty ze stroje, očištěny a odříznuty ze stavební desky. Díky rukavicovému boxu a ochraně očí se uživatelé během procesu vybalování a čištění nedostanou do kontaktu s práškem. Přebytečný prášek skončí zpět v prosévací stanici, čímž je zajištěna bezpečná a uzavřená cirkulace managementu prášku.

Pracovníci vývoje nastavují a řídí optimální parametry pro jednotlivé prášky, definují výkon laseru a optimalizují procesní rychlost nanášení prášku v závislosti na jeho vlastnostech. Procesní rychlost je maximalizována tak, že nanášecí systém se po každé nanesené vrstvě prášku nevrací do nulové polohy, ale automaticky přihrne prášek pro další vrstvu co nejblíže k okraji stavební desky a tímto způsobem jsou minimalizovány vedlejší neproduktivní časy. Jakost prášku je velmi důležitá pro procesní bezpečnost a kvalitu výrobku, proto než je prášek dodán zákazníkovi, projde v laboratoři firmy Trumpf interní kontrolu s cílem zajištění všech požadavků na kvalitu.

Vysoká procesní bezpečnost a kvalita spočívají mimo jiné v monitorování laserového tavení v práškovém loži. Pomocí monitorovacího softwaru může zákazník sledovat klíčová kritéria, jako ochrannou atmosféru (koncentrace kyslíku, vlhkost v procesní komoře, rychlost proudění inertního plynu), teplotu stavební desky, stav filtrů, osy stroje nebo teplotu vody k chlazení. Status stroje se stále nachází na monitorovacím HMI panelu a díky tomu může uživatel vizuálně vidět snímaná data. Klíčovým úkolem monitoringu je dokumentace relevantních dat o kvalitě tištěného dílu formou pořízení fotografie pro každou nanesenou vrstvu prášku, včasná detekce chyb ve smyslu upozornění uživatele na telefonu, tabletu nebo e-mailem nebo přerušení tiskové zakázky a individuální zobrazení s konfigurovatelnými náhledy. Zákazník má po dokončení každé tiskové zakázky možnost zpětné kontroly dat a je na základě nich schopen analyzovat, kdy, kde a co způsobilo případný defekt na obrobku.

Firma Trumpf si je vědoma, že 3D tiskové systémy mají velký potenciál. Značně investuje do výzkumu a vývoje 3D metalického tisku a klade si za cíl získat rozhodující podíly na trhu v oblasti aditivních technologií. Firmu k tomu předurčuje to, že s aditivními technologiemi má dnes už devatenáctileté zkušenosti – v letech 2003-2006 byl představen první stroj TrumaForm LF250, ale tehdy trh ještě nebyl plně připraven na tuto průkopnic¬kou technologii. V roce 2014 se vrátila k vývoji a rozvoji aditivních technologií a logicky zúročila své dříve nabyté zkušenosti. Za účelem industrializace aditivní výroby vyvinula a postavila novou generaci strojů TruPrint a nyní nabízí zákazníkům kompletní řešení pro individuální i sériovou výrobu včetně cenného know-how, servisu a digitalizace.

Trumpf

Miroslav Ivanko

miroslav.ivanko@cz.trumpf.com

www.cz.trumpf.com