Témata
Reklama

Nové trendy v technologii výroby slévárenských forem

V současné době stojíme na historickém prahu změny jednoho z fundamentů slévárenské výroby, protože technologicky jsme schopni vyrábět odlitky bez nutnosti zhotovit modelové zařízení a každý odlitek tedy vyrobit jako originál.

Již dlouhodobě chybí českým slévárnám kvalifikovaní dělníci na pozici slévač-formíř, kteří by uměli číst model. To znamená na základě dodaného modelového zařízení stanovit technologický postup výroby formy, vyrobit jádra, stanovit postup pro zakládání jader, určit velikost a umístění chladítek, podpěrek, výztuh a dalších slévárenských pomůcek. Kvalifikovaný formíř musí také stanovit rozměry formovacích rámů, zhotovit vtokovou soustavu, odvzdušnit formu, popřípadě stanovit velikost nálitků a určit jejich umístění. K profesním znalostem formíře dále patří výběr vhodné formovací a jádrové směsi, správné zhutnění formovací a jádrové směsi, založení jader a složení poloforem tak, aby nedocházelo k vadám typu zadrobenina a přesazení, a řádné odlití. Absolutní nedostatek těchto kvalifikovaných pracovníků je způsoben tím, že poslední vyučený slévač opustil brány odborných učilišť již před mnoha desítkami let. Nedostatek slévačů však nebyl způsoben nedostatkem příležitostí vyučit se slévačem, ale převážně z důvodu absolutního nezájmu společnosti o tuto profesi. Výsledkem dané situace je, že slévárny jsou nuceny rušit pracoviště pro ruční výrobu kusových a malosériových odlitků. To má za následek nedostatek výrobních kapacit pro tento typ odlitků. Náhradním řešením, které technologové používají, je umísťovat malosériové a kusové odlitky na modelové desky. To však často vede ke zvyšování nákladů na modelová zařízení a tím ke zvyšování cen odlitků. Zároveň se zmenšuje konkurenceschopnost slévárny.

Reklama
Reklama
Reklama
Obr. 1. Příklad umístění výrobků ve výrobním boxu

Obdobná je situace u profese slévárenský technolog, která předpokládá studium na střední odborné škole slévárenského zaměření. Poslední Střední průmyslová škola slévárenská v Brně byla prakticky uzavřena před mnoha lety a v současné době chybí již skoro jedna generace technologů, kteří by byli schopni na základě výkresové dokumentace stanovit technologii odlitků. Technologů, kteří mj. stanoví teplotu lití, rozměry formovacích rámů atd. Je potřeba konstatovat, že nedostatek slévárenských středoškolsky vzdělaných odborníků je, obdobně jako v případě slévačů, způsoben nezájmem studentů o tento obor, protože práce technologa je málo atraktivní. Na technology je kladena velká zodpovědnost, protože jejich práce přímo ovlivňuje nákladovost a tím efektivitu slévárenské výroby. Nízká profesní zdatnost technologů a metalurgů ve svém důsledku vede jako v případě slévačů ke snižování konkurenceschopnosti českých sléváren a je také v mnoha případech jedním z rozhodujících důvodů při uzavření slévárny.

Obr. 2. Příklad možností při skládání formy

Technologie 3D tisku forem a jader

3D tiskárna na základě 3D dat zpracovaných slévárenským technologem vytiskne ve výrobním boxu „hrubé“ slévárenské formy a jádra. Formy a jádra jsou potřeba po vyjmutí z boxu očistit od ulpělého aktivovaného ostřiva, apretovat a dále, je-li to technologicky nutné, opatřit běžným slévárenským nátěrem.

Co přináší technologie 3D tisku revolučního?

Poprvé v historii slévárenství jsme schopni vyrábět odlitky bez nutnosti výroby modelového zařízení, a to do forem a jader, které využívají běžné a ve slévárenství hojně používané pojivové systémy na bázi fenolu, furanu nebo vodního skla – CO2. Jako ostřivo je používán tříděný a křemenný písek, který má velikost zrna 0,16, 0,19 nebo 0,25 mm. Tato technologie historicky poprvé umožňuje výrobu odlitků bez formovacích úkosů a bez nepravých jader. Odlitky s charakterem kusové a malosériové výroby je možné dodávat ve třídě přesnosti GTB 15 podle DIN 1683 až 1688. Formu nebo jádro lze vyrobit s přesností ±0,3 mm bez ohledu na jmenovitý rozměr.

Současný maximální rozměr výrobního boxu je 1 800 x 1 000 x 700 mm. V případě, že je forma nebo jádro větší než maximální rozměr výrobního boxu, je možné vyrábět části forem nebo jader a sestavit z nich formu pro požadovaný odlitek. Podmínkou je, že dělení forem a jader je provedeno tak, že umožňuje přístup k aktivním plochám z důvodu dokonalého očištění povrchu, případně jeho ošetření nátěrem. Aktivní plochy jsou plochy, kde se stýkají formovací směsi s tekutým kovem nebo dělicí roviny forem a jader.

Obr. 3. Dno pracovního boxu se v každém cyklu sníží o nastavenou hodnotu (0,28 – 0,5 mm).
Obr. 4. Tisková hlava dopraví pojivo na zrna, která mají být slepena. Proces se opakuje až do celkové výšky pracovního boxu.

Výrobní možnosti zařízení s výrobním boxem s maximálními rozměry se pohybují v rozmezí 60 až 110 litrů za hodinu v závislosti na tloušťce vrstvy nanesené tiskové plochy aktivovaného ostřiva, která se pohybuje v rozmezí 0,28–0,5 mm.

Princip technologie výroby

Ostřivo se v mísiči obalí vrstvičkou aktivátoru. Takto připravená formovací směs se pomocí šnekového dopravníku dostane do zásobníku nad tiskovou plochou pracovního boxu. V každém pracovním cyklu se dno pracovního boxu sníží o předem nastavenou vrstvu (0,28–0,5 mm). Tím se vytvoří nová vrstva aktivovaného ostřiva stejné tloušťky (obr. 3). Po nanesení vrstvy aktivovaného ostřiva v pracovním boxu přejede nad touto vrstvou tisková hlava, která pomocí soustavy trysek dopraví potřebné množství pojiva na zrna, která mají být slepena spolu dohromady, a dále ta, která mají být přilepena k podložní vrstvě vytvořené v minulém taktu (obr. 4). Pojivo po nanesení na zrna obalená aktivátorem s aktivátorem reaguje a vytvrdne. Tento proces se opakuje až do celkové výšky pracovního boxu. Po ukončení procesu tisku je vnitřní objem pracovního boxu složen z vytvrzené formovací směsi a nevytvrzeného aktivovaného ostřiva (obr. 5). Nevytvrzené aktivované ostřivo se pomocí průmyslového vysavače odsaje z prostoru pracovního boxu a pomocí pojiva slepená a aktivátorem vytvrzená směs se vyjme jako jádra nebo formy a předává k další apretaci (obr. 6).

Obr. 5. Vnitrní prostor boxu po ukoncení tisku. Vytvrzená vrstva aktivovaného ostriva je znázornena zelene, nevytvrzené aktivované ostrivo je béžové.
Obr. 6. Slepená a aktivátorem vytvrzená směs jako jádra nebo formy po odsátí zbylého nevytvrzeného ostriva

3D tiskárny a realita slévárenské výroby

Tato výrobní zařízení přinášejí zcela nové technologické možnosti ve slévárenské výrobě a mohla by zásadním způsobem v relativně krátké době zcela změnit požadavky na strukturu pracovního kolektivu slévárny, změnit energetickou náročnost výroby odlitků a jejich užitnou hodnotu. Pravděpodobně ovlivní kvalitu a konstrukci vyráběných odlitků a bude ovlivňovat i ekologickou zátěž. Technologie 3D tisku bude v zásadě smazávat výrobně-organizační rozdíl mezi kusovou malosériovou nebo sériovou výrobou, bude výrazně snižovat potřebu výrobních ploch na tunu vyráběných odlitků, odstraňovat náklady na skladování a údržbu modelových zařízení a veškerá výrobní dokumentace se bude archivovat formou 3D dat.

Co tedy očekávat?

Mezi hlavní nevýhody technologie 3D tisku forem a jader v současné době patří vysoká pořizovací cena pracoviště 3D formovny. Současná cena se pohybuje v řádu 800 000 až 1 100 000 eur za jedno pracoviště. Lze však reálně předpokládat, že se cena bude v následujících letech drasticky snižovat. Vysoká je také cena pojiva, ostřiva a čističe tiskové hlavy, relativně nízká je životnost tiskové hlavy (asi jeden rok) a relativně nízká je i produktivita na investovanou korunu, která se pravděpodobně bude významně měnit se snižováním ceny zařízení. Na druhou stranu 3D technologie výroby forem a jader řeší problém nedostatku kvalifikovaných slévačů. Pro výrobu forem a jader je nutné pouze bezpečně zvládat obsluhu všech zařízení na pracovišti 3D tiskárny. Obsluha nemusí mít znalosti v oboru slévárenství, a přesto bude vyrábět formy a jádra pro velmi náročné odlitky. Vliv lidského faktoru na výrobu se principem technologie výrazně snižuje.

Obr. 7. Příklad pracoviště 3D tiskárny se dvěma pracovními boxy o rozměru 1 800 x 1 000 x 700 mm. Na pracovišti jsou mimo vlastní 3D tiskárny schematicky znázorněna veškerá přídavná zařízení, která jsou nutná nebo vhodná pro bezporuchový chod tiskárny.

Stoupne společenská prestiž slévárenských profesí

Zcela se také změní požadavky na pozici slévárenský technolog. Technolog nově musí ovládat 3D modelování na počítači zároveň s teorií technologie slévání. Většinu času připravuje 3D data (soubor všech technologických údajů až po přípravu formy k lití) pro tiskárny, vede a spravuje archiv 3D dat, který v zásadě nahrazuje sklad modelů. Další významnou pozicí ve slévárně bude plánovač – mistr formovny, pracovník, který ovládá práci s 3D daty, vyzná se v archivu 3D dat, ovládá plánování výroby a sestavuje obsah jednotlivých výrobních boxů. Výkon práce na pozici slévárenský technik bude vyžadovat maximální využití výpočetní techniky. Bude požadováno, aby technik obsluhoval simulační a modelovací software pro dílce s nejvyšší složitostí tvarů. Dále po něm bude požadována také znalost slévárenské technologie.

3D tiskárny řeší problematiku malosériové a kusové výroby

V budoucnu budou přirozenou a vysoce efektivní náhradou ručních pracovišť a střásacích strojů s dolisováním. Řeší problém zvyšování konkurenceschopnosti slévárny, zvyšování užitné hodnoty odlitků a zvyšování jejich kvality. Pro malé komerční slévárny jsou 3D tiskárny vhodnou technologií pro jejich modernizaci. V současné době je adekvátní náhradou střásacích strojů s dolisováním automatická formovací linka. Ovšem ta má násobně větší kapacitu, ale pouze v jednom tvaru formy. Slévárna obvykle musí investovat značné prostředky do převodu modelových zařízení. Nová linka obvykle vyžaduje vyšší kapacitu přípravny formovacích směsí. Skokovému nárůstu ve výrobní kapacitě obvykle nestačí tavírna, jaderna ani čistírna. Řešení těchto disproporcí vyžaduje nemalé finanční prostředky a značnou dobu realizace a stavební zásahy do budov. Na rozdíl od výše popsaných problémů jsou 3D tiskárny ve většině případů technicky pokryty převodem většiny odlitků na novou technologii bez mimořádných nákladů na modelová zařízení. Mají vysokou flexibilitu výrobních možností – nejsou omezeny formovacím rámem. Umožňují postupné navyšování kapacity a nevyvolávají vedlejší finanční nároky. Pokud je nová 3D formovna v separátní hale, výrazně se snižují náklady na vytápění, odsávání a likvidaci slévárenských odpadů.


Obr. 8. Příklad praktického uspořádání pracoviště 3D tiskárny se dvěma pracovními boxy včetně nároků na plochy. Pro zvětšení klikněte na obrázek

01 – 3D tiskárna s vestavěným mísičem – mísí ostřivo a aktivátor
02 – Přesuvné zařízení – dopravuje pracovní box do stroje a vysouvá ven
03 – Pracovní box č. 1 rozměr 1800 x 1000 x 700 mm
04 – Zásobník nového ostřiva – ostřivo je dopravováno v obřích pytlech Big Bag a přesypáváno do zásobníku
05 – Průmyslový vysavač
06 – Pojízdný zásobník a separátor aktivovaného ostřiva
07 – Záložní zdroj UPS pro případ výpadku elektrické energie
08 – Cyklon vratné směsi – odlučuje vysavačem odsáté vratné aktivované ostřivo od vzduchu
09 – Vozíky pro uskladnění aktivátoru, pojiva a čistící kapaliny tiskové hlavy včetně uskladnění použitých obalů – maloobjemový
10 – Zásobník vratného aktivovaného ostřiva
11 – Přesuvné zařízení – dopravuje pracovní box do stroje a vysouvá ven
12 – Pracovní box č. 2, který zajíždí do 3D tiskárny

S největší pravděpodobností zavedením 3D technologií formování dojde ke snížení hmotnosti odlitků a nákladů na opracování. Důvodem je odstranění formovacích úkosů a vysoká přesnost forem a jader, zmenšení přídavků na opracování. Výrazně se také sníží energetická náročnost slévárenské výroby. Celkový instalovaný příkon jednoho pracoviště s výrobním boxem 1 800 x 1 000 x 700 mm je přibližně 15 kW. Toto pracoviště má charakter haly strojírenské výroby a řeší současně problematiku přípravy formovacích a jádrových směsí, svoz a rozvoz směsí, formování a výrobu jader. Z technologického hlediska se pravděpodobně výrazně zvýší technologické využití tekutého kovu vzhledem k tomu, že nálitky mohou být umístěny na optimálním místě odlitku a lze používat i kulové nálitky, které mají maximální modul při minimálním objemu.

Ing. Jan Šlajs

Metos

jan.slajs@metos.cz

www.metos.cz

Reklama
Vydání #6
Kód článku: 150645
Datum: 03. 06. 2015
Rubrika: Monotematická příloha / Slévárenství
Autor:
Firmy
Související články
Automatické formování

V polovině šedesátých let byl na výstavě GIFA v Německu poprvé vystaven průkopnický vertikální formovací stroj, schopný vyrábět daleko více vysoce kvalitních pískových forem za hodinu než do té doby výhradně používané tradiční horizontální stroje, a to při mnohem nižší spotřebě energie a v mnohem menším prostoru. Tehdy byl položen základ stroje, který dodnes představuje vysoké průmyslové standardy v kvalitě, přesnosti, rychlosti a efektivitě nákladů.

Dispečink na telefonu v dlani jedné ruky

Až čtyřicet pět procent z celkových nákladů na provoz slévárny tvoří spotřebovaná energie. Řešení, které umožňuje efektivně nastavovat využití energie v reálném čase podle potřeby jednotlivých zakázek, tak uspoří deset až patnáct procent její celkové spotřeby.

Přesně lité odlitky ze superslitin na bázi niklu a kobaltu

Článek se ve stručnosti zabývá historií slévárny v První brněnské strojírně ve Velké Bíteši, výrobním programem a užívanými materiály. Rovněž je uveden přehled výrobního zařízení pořízeného v rámci čtyř inovačních programů. Je zde i zmínka o úzké spolupráci s výzkumnými ústavy a vysokými školami.

Související články
Optimalizace výroby těžkých kovářských ingotů

Těžké kovářské ingoty jsou využívány zejména v těžkém strojírenství, např. pro výrobu zalomených klikových hřídelí pro lodní motory či speciálních dílů pro energetiku – jak pro klasickou, tak i jadernou (turbíny, výměníky, parogenerátory). Výroba těžkých kovářských ingotů je doprovázena výskytem segregací jednotlivých prvků ve struktuře oceli, které způsobují anizotropii mechanických vlastností. Ovšem v případě těchto strojírenských komponent musejí být tyto součásti prakticky bez vad, aby splnily nejnáročnější požadavky.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Unikátní technologie 3D tisku písku

3D tisk písku neboli sandprint je technologie, která byla vyvinuta primárně pro výrobu pískových forem pro odlévání kovů.

Odlitek nebo výkovek - vždy perfektně tryskaný

Rozmanitost slévárenských a kovárenských technologií vyrábějících díly nezná mezí. U výkovků a odlitků jsou nepostradatelnými pracovními procesy odstranění okují, písku a jader a tryskání pro sjednocení povrchu. Zvláště pro tyto průmyslové účely byly vyvinuty různé koncepty tryskacích zařízení na míru – včetně automatizace.

Technologie pro zpracování druhotného odpadu

Tváří v tvář současným náročným ekonomickým podmínkám závody na zpracování hliníku napříč celou Evropou hledají lepší a efektivnější způsoby, jak zpracovat druhotný kovový odpad. Z finančního hlediska je to logické, ale přináší to kromě zajímavých možností také komplikace.

Slévárna navýší kapacitu výroby

Uplynulý rok 2015 byl ve slévárně Kovosvitu MAS obdobím řady důležitých změn a rozhodnutí.

Slévárna, která exportuje také na západní trhy

Díky téměř stomilionové investici a včasné diverzifikaci výroby jsou nyní pro slévárnu Kovosvitu MAS hlavními exportními partnery Německo, Švýcarsko a Anglie.

Vysoce přesné odlitky pro energetiku

V dnešní době je kladen důraz na dodávky přesných odlitků vyráběných metodou vytavitelného modelu, u kterých nebude nutné provádět již další operace obrábění. Za posledních pět až sedm let se požadavky na relativní přesnost odlitků zvedly několikanásobně.

Keramická jádra v technologii lití hliníkových slitin na vytavitelný model

Používání keramických jader pro odlitky lité na vytavitelný model je běžná praxe u odlitků ze superslitin a ocelí, zvláště pak u odlitků pro náročné aplikace v leteckém a energetickém průmyslu. Tato jádra jsou vyráběna technologií vstřikolisování směsi keramických komponent a vosků do kovových forem. Jádra se následně pálí v zásypu v keramických pouzdrech. Během výpalu dochází k vyhořívání vosku a ke vzniku keramické vazby.

Technologie DMLS - 3D tisk kovů

Moderní technologie vyrábějící 3D objekty přímo z 3D CAD modelů zažívají v posledních letech obrovský rozmach, který svědčí o tom, že se podařilo výrobcům 3D tiskáren dosáhnout kvality a efektivity procesů tak vysoké, že dnes již směle konkurují dlouhodobě zavedeným konvenčním výrobním postupům a mnohdy je dokonce předstihují. Uvedená skutečnost platí dvojnásob pro 3D tisk kovů, který je široce uplatňován v rozmanitých oborech výroby od průmyslu až po zdravotnictví.

Ocelové město a CO2

Co Jules Verne nemohl tušit… Nebo mohl? Zlého profesora nechává umřít na zadušení kysličníkem uhličitým…

Fórum výrobních manažerů

Jak se odráží ve vaší výrobě stále přetrvávající nedostatek materiálových vstupů? Jak to ovlivňuje chod vaší firmy, plánování průchodu zakázky výrobou? Navýšení cen surovin musíte pravděpodobně promítnout do výsledných cen vašich produktů. Jak na to reagují odběratelé?

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit