Kombinace technologií slévání a 3D tisku

Technologická strojírenská firma Trumpf nabízí slévárnám možnost získat technologický náskok před konkurencí ve výrobě přesných odlitků prostřednictvím vlastního know-how v oboru aditivních technologií, a to díky strojům na 3D tisk z kovových prášků. Tyto tiskárny na kovy s označením TruPrint malého nebo velkého formátu splňují nejnáročnější požadavky pracovníků ve slévárnách. Firma Trumpf vyvíjí a vyrábí vlastní stroje pro průmyslovou aditivní výrobu včetně laserových zdrojů a nabízí řešení ve dvou technologiích: Laser Metal Fusion (laserové tavení v práškovém loži) a Laser Metal Deposition (laserové navařování prášku). Malý formát stroje s názvem TruPrint 1000 disponuje pracovním prostorem s kruhovou základnou o průměru 100 mm, výškou 100 mm a objemem necelého litru zásobního prášku. V segmentu středního formátu je k dispozici stroj TruPrint 3000: pracovní prostor má kruhovou základnu o průměru 300 mm a výšku 400 mm. Objem prášku ve dvou zásobních válcích činí u tohoto stroje přes 56 litrů. Pro industrializaci 3D tisku z kovového prášku nabízí firma Trumpf kompletní řešení skládající se z digitalizace, služeb a systémů aditivní výroby. Jako průkopník v oblasti aditivní technologie se zhruba dvacetiletou praxí je schopna předat zákazníkovi know-how, aby mohl profitovat z robustních, spolehlivých a na obsluhu a údržbu nenáročných laserových 3D tiskáren pro sériovou výrobu různých průmyslových aplikací.

Slévárny dnes zjišťují, že 3D tiskárny na kovy jim výrazně usnadní práci a zefektivní jejich výrobní program. Bez nástrojů, pouze s optimalizovaným softwarem, připraví konstruktéři a modeláři 3D data, která následně modifikují a přizpůsobí pro tiskové zakázky a výstupní data nahrají do tiskárny. Potom operátorovi stačí tiskárnu manuálně připravit pro budoucí zakázku, zavřít procesní komoru, napustit ji ochranným plynem a spustit. Po několika hodinách nebo dnech je stavba hotová.
Pro slévárny nemá smysl tisknout z kovových materiálů její konečné produkty – odlitky –, od toho tady aditivní technologie nejsou, aby nahrazovaly po několik desetiletí osvědčený výrobní program sléváren. 3D tisk umožňuje vytisknout nevyrobitelné díly konvenčními technologiemi a tvarově komplikované tvary v minimálním čase, což v konečném důsledku pomůže slévárnám uspořit výrobní náklady a čas na technickou přípravu výroby složitého odlitku. Jedná se zejména o tisk, respektive dotisk formy, jádra nebo vložky do forem s konformním chlazením a tyto aplikace jsou použitelné pro všechny běžné slévárenské slitiny, jako jsou slitiny hliníku, korozivzdorné oceli, mosaz, litiny atd. Tímto způsobem lze rychle a efektivně získat reálný díl z certifikovaného kovového prášku a následně ho použít ve výrobě k testování.

Aditivní technologie nejsou vhodné plošně pro všechny slévárny, ale největší potenciál mají ty, kde jsou hlavním portfoliem geometricky složité a přesné dílce vyráběné metodou vytavitelného modelu neboli také lost wax či investment casting. Úspěšně lze využít aditivní technologie i pro výrobu modelových zařízení.
Metoda výroby kovových součástí odléváním roztaveného kovu do trojrozměrných forem umožňuje odlití ostrých kontur s vysokou kvalitou povrchu a dnes zastává klíčovou pozici na poli moderních technologií přesného lití kovů. I když se jedná o metodu tisíce let starou, byla během let stále zdokonalována, aby se minimalizovalo množství použitého kovu a omezila se potřeba rozsáhlého obrábění odlitků a úprav jejich povrchu. Dnes je možné vyrobit tvarově složitý dílec s minimální nebo vůbec žádnou potřebou dalšího obrábění.

Metodou vytavitelného modelu lze odlévat několik součástí najednou, kdy je využit tzv. stromeček. To znamená, že do tvaru stromečku se sestaví několik voskových modelů s pečlivě propojenou vtokovou soustavou. Poté se opakovaně namáčí do tzv. keramické směsi, která při vysušení ztuhne. První vrstva je vždy velmi jemná, takže následuje ještě několik obalení hrubší směsí. Po dosažení několika vrstev keramiky se stromečky nechají ztuhnout. Zahřátím stromečků a modelů na něm se vosk vytaví. Z každého stromečku vyteče i vosk ve vtokové soustavě, a tím se vytvoří kanály, jimiž bude proudit roztavený kov, aby došlo ke kompletnímu vyplnění dutiny formy. Do vyprázdněné formy se následně nalije roztavený kov a nechá se ztuhnout. Jednorázová keramická forma se pak rozbije a odstraní, aby bylo možné odlitky vyjmout. Následuje proces oddělování odlitků od vtokové soustavy, kalibrace a broušení vtoků a další dokončovací operace, které se v různých slévárnách liší. Kvalita odlitků je zajištěna kontrolou rozměrů a homogenity.

Metodou vytavitelného modelu lze vyrobit tenkostěnné díly a je možné se dostat na nejtenčí stěnu odlitku přibližně v rozmezí 1–2 mm a dosáhnout rozměrové tolerance odlitku přibližně 0,25 mm. S aditivními technologiemi je možné v závislosti na materiálu vytisknout díl s ještě menší tloušťkou stěny, přibližně 0,5 mm a s přesností v rozmezí 0,1-0,2 mm. Dalším parametrem je kvalita povrchu: U technologie přesného lití na vytavitelný model lze dosáhnout lepší drsnosti povrchu oproti aditivní výrobě, která se pohybuje v závislosti na druhu použitého materiálu v rozmezí Ra 1,5–6,3 µm. U aditivně vyrobených dílů je tento parametr opět v závislosti na druhu použitého materiálu vyšší, v rozmezí Ra 6,0 až 13,9 µm. Pokud je potřeba dosahovat ještě nižších hodnot, je nutné odlitky nebo vytištěné díly dodatečně povrchově upravit, například elektrolytickým leštěním, omíláním nebo tryskáním.

V následném zpracování dílů vyrobených oběma technologiemi nejsou žádná omezení. Smyslem aditivní výroby není nahradit osvědčenou technologii přesného lití na vytavitelný model, jak bylo řečeno výše, ale koexistence obou technologií, čímž lze v konečném důsledku šetřit čas i náklady. Kovový 3D tisk je vhodné zvolit, když výrobce potřebuje mechanické vlastnosti podobné vlastnostem litých dílů, odlehčené kovové díly, kratší výrobní cykly, ekonomickou a rychlou výrobu individuálních topologicky optimalizovaných dílů. Jinými slovy, aditivní výroba přináší tyto hlavní výhody, které přímo souvisejí a jsou v souladu s koncepcí Průmyslu 4.0:

• zkrácení technologických časů výroby modelových zařízení tiskem forem a maket pro odlévání plastových modelů a jaderníků;
• zkracování technologicky nutných časů pro výrobu odlitků, prototypů nebo variant odlitků v cenových relacích blízkých sériové výrobě;
• zvyšování přesnosti dodávaných odlitků;
• snižování hmotnosti odlitků odstraněním formovacích úkosů a přídavků (offset) na opracování;
• zvyšování užitné hodnoty odlitků s konstrukční svobodou.

Do budoucna je velmi pravděpodobné, že slévárny budou produkovat a dodávat odlitky, které budou z hlediska dodacích termínů, kvality, rozměrové přesnosti a geometrií odlitků vyrobitelné pouze aditivními technologiemi. Cílem firmy Trumpf je stát se strategickým partnerem sléváren a umožnit jim snadný přístup k ověření svých záměrů prostřednictvím reálných prototypů a podpořit je v zefektivnění jejich výrobního programu pomocí 3D tiskáren TruPrint. Firma neusiluje pouze o to, aby si od ní zákazníci stroje kupovali či si je pronajímali, ale záleží jí také na tom, aby zákazníci ze své výroby profitovali, vyvíjeli se, dařilo se jim a celkově byli spokojeni se servisem a profesionálním přístupem ze strany dodavatele technologicky špičkových strojů TruPrint.

Miroslav Ivanko

Firma: Trumpf

miroslav.ivanko@trumpf.com

www.cz.trumpf.com