Témata

Průmyslová hybridní výroba a aditivní technologie

Tento článek se zabývá aktuálním vývojem v průmyslové hybridní výrobě a aditivních technologiích pro zpracování kovů. Rovněž je v textu prezentován výzkum a vývoj pro praxi v této oblasti, který v současné době probíhá v České republice.

Jan Smolík

Je klíčovou osobou na Ústavu výrobních strojů a zařízení Fakulty strojní ČVUT v Praze. Společně s prof. Houšou zde spoluzakládal Výzkumné centrum pro strojírenskou výrobní techniku a technologii (RCMT). Následně zde vedl Centrum kompetence a nyní Národní centrum kompetence, jehož je ústav spoluřešitelem. Jeho specializací jsou obráběcí stroje, se zaměřením na nové konstrukce a byznys modely.

Reklama

Abychom mohli nahlížet trendy a změny vývoje a nabídky průmyslových aditivních technologií kovových materiálů v čase, srovnáváme přehled za posledních 10 let.

Poslední dekáda ve vývoji průmyslových AM a HM technologií pro zpracování kovů

Výkladní skříní nabídky průmyslových aditivních technologií jsou evropské veletrhy a výstavy Euromold a FormNext. V roce 2013 a následujících několika letech byly na výstavě Euromold z oblasti kovových aditivních technologií prezentovány zejména systémy kovového tisku na principu DLMS (výběrové spékání kovového prášku v práškovém loži), které se staly dnes již standardní skupinou strojů průmyslově využívaných pro 3D tisk. V tomto období byly aditivní systémy využívající technologii DED (Directed Energy Deposition) prezentovány a nabízeny ve výrazně menší míře a kvalita jejich výstupů byla řádově horší než v případě systémů založených na bázi sintrování v práškovém loži. Aditivní systémy na bázi DED využívají techniky přidávání materiálu, kdy je nejčastěji kovový prášek nebo drát taven elektrickým obloukem nebo laserem (někdy také elektronovým paprskem) a tuhnoucí tavenina vytváří návar přidávaného materiálu. Často je tato technika uplatňována na strojích nebo robotech umožňujících řízení v pěti osách. Hlavní uživatelskou odlišností od skupiny technik na bázi DLMS je možnost navařování na libovolně geometricky složitý základ, kdy nejsme omezeni nutností navařovat, resp. „tisknout“ v rovinách práškového lože. V období let 2013–2015 byly prezentovány a nabízeny zejména systémy DED na bázi laserového paprsku a také unikátní a velmi výkonný americký systém využívající paprsku elektronového.

Co je Hybrid Manufacturing

HM technologie (Hybrid Manufacturing technology) v jednom pracovním prostoru kombinuje dvě zcela odlišné technologie. Nejčastěji jsou takto označovány výrobní procesy a stroje, které kombinují schopnost materiál odebírat (subtraktivní technologie, tj. obrábění) a schopnost materiál přidávat (aditivní technologie).

Jako základ pro hybridní stroj je vhodné volit frézovací nebo soustružnické centrum, které umožňuje obrábět obecně jakékoli dílčí návary, obrábět celé navařené struktury, popřípadě využít rotačního kartáče k očištění povrchu od strusky, která může vznikat při aditivní technologii. Pokud je třeba navařovat na válcové plochy, je vhodné vycházet u frézovacích strojů z provedení, které má k dispozici soustružnickou variantu otočného a sklopného stolu, a umožňuje tak výrazně zvýšit produktivitu při formátování rotačního povrchu dílce.

Stroje pro hybridní výrobu užívají aditivní technologie sintrování kovového prášku pomocí laserového paprsku (DLMS), technologie navařování pomocí elektrického oblouku z drátu nebo navařování pomocí laserového svazku z drátu či prášku. Každá z užívaných aditivních technologií má své výhody a nevýhody, které limitují její použití, a tím i vhodnost nasazení pro konkrétní potřebu v průmyslu.

Nástup technologie WAAM

Od roku 2016 převzala prvenství ve významnosti prezentace a nabídky aditivních technologií výstava a veletrh FormNext ve Frankfurtu. V tomto roce byla patrná výrazná změna v nabídce DED aditivních systémů, kdy jednoznačně převládla prezentace nelaserových technologií s navařováním pomocí elektrického oblouku, ale spíše na úrovni vývojové a výzkumné. Celkem 11 vystavovatelů představovalo své systémy s vytvářením kovových struktur pomocí tavení drátu elektrickým obloukem, dnes již pod zavedeným názvem technologie WAAM (Wire and Arc Additive Manufacture). Jde o technologii, která využívá přídavného materiálu ve formě svařovacího drátu, běžně dostupného v 15kg cívkách, ale i větších baleních. Významnou výhodou této techniky vytváření kovových struktur je využívání běžných a zavedených svařovacích a navařovacích drátů, ochranných plynů i agregátů pro obloukové svařování metodou MIG/MAG. Velkou předností užití této aditivní metody je to, že renomovaní výrobci drátů vystavují certifikaci o daném materiálu a jeho podrobné charakteristiky. Pro řadu materiálů je pak také dostupné doporučení ochranné atmosféry a výchozího nastavení parametrů svařovacího agregátu. Technologie WAAM ve srovnání s DLMS neumožňuje tisk s vysokým rozlišením detailů (rozlišení je limitováno velikostí návarových housenek a návarových bodů), ale je naopak snadno uplatnitelná pro díly velkých rozměrů a vychází ze zavedených polotovarů a postupů pro obloukové svařování.

Svařování pomocí studeného návaru

Od roku 2017 byla jediným vystavovatelem komplexního řešení pro průmyslové užití metody WAAM v podobě nabídky plnohodnotných strojů firma Gefertec. K ní se postupně přidávaly další společnosti, které nabízejí řešení již dotažená do podoby průmyslových zařízení, resp. strojů. V roce 2022 už technologii WAAM prezentovalo ve svých aditivních strojích devět vystavovatelů. Všichni shodně využívají svařovací agregáty od firmy Fronius se speciální metodou CMT (Cold Metal Transfer), což ve volném překladu znamená svařování pomocí studeného návaru. Tento návar je skutečně oproti standardní technologii MIG/MAG studenější, ale přirozeně stále musí docházet k plnému tavení kovového materiálu drátu. Nejde o trvalé zkratové svařování, kde by byl zkrat mezi elektrodou (drátem) a dílcem, ale většinu času elektrický oblouk hoří blíže elektrodě a dále od dílce. Tím dochází k výrazně menšímu teplotnímu ovlivnění okolí svaru nebo při užití pro aditivní technologie v okolí návaru. Tato technologie byla firmou Fronius původně vyvinuta pro svařování tenkých plechů, ale velmi dobře se hodí pro 3D tisk kovových výrobků. Ve svém stroji pro aditivní a hybridní výrobu WeldPrint ji od roku 2014 využívá také česká společnost Kovosvit MAS Machine Tools, která představila jeden z prvních profesionálních průmyslových strojů s užitím techniky WAAM na světě.

Obr. 1. Navařování pomocí plazmatu od firmy WAAMmat. (Zdroj: WAAMmat)

Kromě uvedených strojů využívajících pro tavení drátu pomocí elektrického oblouku metodu MIG/MAG byl představen jeden systém pracující se svařovací technikou TIG. Firma WAMMmat (spin-off společnost univerzity v anglickém Cranfieldu), která patří k lídrům ve výzkumu navařování metodami DED, představila aditivní stroj s technologií navařování pomocí plazmatu (obr. 1). Jde o zajímavý postup, který teoreticky umožňuje docílit velkého objemového výkonu navařování s vysokou homogenitou materiálu. Nevýhodou této techniky je nutnost navařovat jen v pozici shora dolů a také to, že s ohledem na velké rozměry navařovací hlavy je vyžadován dostatečný prostor, aby se zamezilo kolizím.

Reklama
Reklama
Reklama

Výhodou standardního řešení technologie navařování metodou MIG/MAG je velmi kompaktní velikost a štíhlý tvar navařovacího hořáku, lze navařovat v libovolných polohách, a tak je možné metodu s výhodou využít i při velmi členitém a tvarově náročném aditivně vytvářeném dílci. Výchozí polotovar pro techniku WAAM na bázi MIG/MAG tak nemusí být jen rovná deska, ale může jít o libovolný polotovar jako např. odlitek, výkovek nebo nakupovaný profil se značnou tvarovou složitostí.

Paralelní kinematika na bázi hexapodu

Zajímavé a kompaktní zařízení představila firma Mobile Smart Factory (obr. 2). Jde o mobilní hybridní stroj instalovaný do jednoho standardního lodního kontejneru. Stroj využívá pro dráhové řízení polohy hořáku paralelní kinematiku na bázi hexapodu, jak jsme se s ní mohli před lety setkat u řady konceptů obráběcích strojů. Tato kinematika se s ohledem na limity v parametrech statické tuhosti a absolutní přesnosti v oblasti obráběcích strojů neujala, ale pro techniku navařování, bez silové interakce mezi navařovacím hořákem a dílcem, může být s ohledem na vysokou pohyblivost a potenciál rychlých úhlových změn polohy perspektivní, a třeba se dočkáme v aditivních technologiích renesance využití této pohybové struktury.

Obr. 2. Hybridní stroj firmy Mobile Smart Factory. (Zdroj: RCMT)

Čistě aditivní stroj

Konkurencí zavedené německé společnosti Gefertec, která nabízí ucelenou řadu strojů pro aditivní výrobu pomocí technologie WAAM MIG/MAG, může být nově představená nabídka turecké firmy MetalWorm. Společnost MetalWorm je dcerou společnosti Intecro Robotik, která se dlouhodobě věnuje průmyslovému svařování a navařování s velmi rozsáhlým portfoliem techniky a řešení. Společnost MetalWorm představila čistě aditivní stroj MHTTN1000 (obr. 3), připomínající z vnějšího pohledu kompaktní obráběcí stroj. Kinematickou strukturu zajišťuje dvouosé polohovadlo a průmyslový robot ABB, a v podstatě se jedná o standardní konfiguraci svařovacího pracoviště. Přidanou hodnotou je široká nabídka senzoriky, umožňující sledovat proces a řídit jej. Na vystavovaném stroji byla navařovací hlava vybavena termokamerou, několika laserovými dálkoměry a optickou kamerou, což dnes není běžné. V katalogu firmy můžeme najít celkem 11 velikostních řad a nabídku 15 senzorů a měřicích zařízení pro možnou instalaci do pracovního prostoru stroje.

Obr. 3. Stroj MHTTN1000 od společnosti MetalWorm a příklady dílců vyrobených na tomto stroji. (Zdroj: RCMT)

Praktické laserové technologie

Vedle nepřehlédnutelně velké prezentace technologií WAAM MIG/MAG byla velmi zajímavá expozice firem Meltio a Oskar, zaměřená na laserové technologie. Obě tyto firmy představovaly „levné“ laserové technologie s využitím šesti malých lokálních LED zdrojů s výkonem 200 W. Celkový výkon 1 200 W je plně dostatečný pro navařování kovových dílců. Podobně jako již popisované stroje na bázi MIG/MAG využívají tyto laserové stroje jako navařovaný materiál svařovací drát v cívkách. Toto řešení představuje velkou ekonomickou a praktickou výhodu. Není potřeba drahý kovový prášek s velkými nároky na práci s ním a nepotřebujete výkonný zdroj laseru, z nějž je třeba laserový paprsek optickým vláknem dopravit k procesní hlavě. Vše je již integrováno ve velmi kompaktní hlavě (obr. 4).

Obr. 4. Laserová hlava od firmy Oscar (Zdroj: Oscar) a příklad výrobku vytvořeného pomocí této hlavy. (Zdroj: RCMT)

Firma Meltio šla koncepčně dál a její procesní hlava má ve standardu dva podavače drátu. Řešení neumožňuje navařovat oběma dráty naráz, ale můžeme si v každé vrstvě návaru vybrat, který materiál použijeme, což umožňuje tisknout bimetalové výrobky. Velký potenciál se nabízí v případě výroby speciálních armatur, kde potřebujeme, aby vnitřek odolával agresivním kapalinám, kyselinám či vysokým teplotám, a zbytek armatury již může být z levnějšího pevnostního materiálu.

Obr. 5. Procesní hlava firmy Meltio na robotu. (Zdroj: RCMT)

Laserové procesní hlavy od obou uvedených firem (Meltio i Oskar), je možné nainstalovat do vlastního aditivního stroje nebo pracoviště. Uživatel tedy může jako nosič hlavy použít robot nebo obráběcí stroj, a tak vytvořit stroj hybridní.

Obr. 6. Procesní hlava CoaxQuattro od Fraunhofer IWS. (Zdroj: RCMT)

Další zajímavostí v oboru laserového navařování je procesní hlava CoaxQuattro od Fraunhofer IWS. Tato procesní hlava je vybavena čtyřmi přívody prášku a čtyřmi přívody drátu. To umožňuje multimateriálové návary při použití výkonu až 20 kW. Tento výkon je základem pro dosažení vysokého objemového výkonu navařování. Myšlenka a řešení hlavy otevírá novou možnost přímo během navařovacího procesu vytvářet slitiny kombinované až ze čtyř základních materiálů drátu a jednoho materiálu v práškové podobě. Druhou možností je uplatnit ve všech vstupech stejný materiál, a tím zvětšit produktivitu procesu. Podobnou funkci, s níž je možné provádět mix vstupních kovových prášků, nabízí již delší dobu hybridní stroj LaserTec 65 DED od společnosti DMG Mori, který je například používán ve společnosti Škoda Auto v Mladé Boleslavi. Kromě uvedených společností Kovosvit MAS Machine Tools a DMG Mori nabízejí hybridní stroje s možností aditivní výroby na bázi obráběcího stroje také firmy Mazak, Okuma, Matsuura, Sodick, WFL a další.

Obr. 7. DMG Mori LaserTec 65 DED Hybrid. (Zdroj: DMG Mori)

Výzkum a vývoj WAAM a hybridní technologie v ČR

V ČR se výzkumem a vývojem vlastní technologie WAAM zabývá od roku 2015 ČVUT v Praze, Fakulta strojní. Na ústavu výrobních strojů a zařízení je zkoumána a optimalizována samotná technologie navařování a její možnosti a limity, a rovněž je zde vyvíjen CAM systém pro tuto technologii. Tým ČVUT od počátku úzce spolupracuje se společností Kovosvit MAS Machine Tools a od roku 2019 také se společností TOS Varnsdorf. Zkoumány byly možnosti navařování a vytváření objemových dílců, využití v opravárenství při navařování na obecný polotovar a také řešení dovaření tvarově komplikované části na větší základní dílec. Materiálové testy jsou vždy zaměřeny na zjišťování homogenity, porozity a pevnosti navařených dílů, průběhů složení materiálu a jeho struktury.

Reklama

V posledních letech se tým zaměřil na oblast tvorby vnitřních dutin a kanálů, které slouží například k výrobě částí vstřikovacích forem s komfortním chlazením (obr. 8). Na obrázcích je možné vidět systém vnitřních kanálů, které slouží k vychlazování vstříknutého plastu do formy. Pomocí takto upraveného insertu je možné zkrátit dobu výroby vstřikovaného dílce o desítky procent na jednom vstřikovacím taktu stroje.

Obr. 8. Insert do formy pro tlakové vstřikování plastů s vnitřním chlazením. (Zdroj: RCMT)

Další podobnou aplikací s integrovanými chladicími kanály v bezprostřední blízkosti zdroje tepla je tubus uložení ložisek, kde je cílem odvádět ztrátové teplo vysoce namáhaných ložiskových skupin a umožnit stabilní práci při vyšší zátěži. Takto vychlazované součásti umožňují zvýšit přenesený výkon, případně eliminovat deformaci součásti, a tím dosáhnout vyšší geometrické přesnosti. Jako příklad uvádíme dílec pro uložení přední ložiskové skupiny frézovacího vřetene s výkonem 30–40 kW, kde chlazení umožňuje posunout limity otáček a zatížení (obr. 9).

Obr. 9. Tubus pro uložení přední ložiskové skupiny frézovacího vřetene. (Zdroj: RCMT)
Obr. 10. Tubus pro uložení přední ložiskové skupiny frézovacího vřetene po navaření s mezioperačním obráběním – příklad hybridní výroby, kdy při jednom upnutí v jednom pracovním prostoru kombinujeme jak odebírání, tak přidávání materiálu. (Zdroj: RCMT)
Související články
3D technologie letem světem

Vývoj 3D technologií dnes již zasahuje téměř do všech oblastí výroby. Uplatnění nachází u kusové výroby, ale dokáže si najít své místo i v sériové a dokonce velkosériové výrobě, kde nemusí jít nutně o samotné výrobky, ale např. o výrobu nástrojů nebo přípravků.

EMO zrcadlem pokroku a inovací

Při příležitosti prezentace veletrhu EMO 2017 Hannover před evropskou novinářskou obcí se uskutečnilo i pražské zastavení. Zastoupení Deutsche Messe pro ČR zorganizovalo tiskovou konferenci, které se vedle generálního ředitele EMO Hannover Christopha Millera účastnil i tiskový mluvčí hannoverského veletržního komplexu Hartwig von Sass spolu s ředitelem českého svazu SST Ing. Paclíkem a předsedou Společnosti pro obráběcí stroje doktorem Smolíkem.

Aktuální trendy v oboru obráběcích strojů

Obor obráběcích strojů prochází velkými změnami, které pravděpodobně nejsou na první pohled tak zřetelné. Požadavky na stroje se mění v důsledku postupných proměn světa okolo nás a výrobci strojů na to reagují, aby si zajistili potřebnou konkurenceschopnost.

Související články
Hlavní trendy EMO Hannover 2017 očima výzkumníků

Hannoverský veletrh EMO je právem považován za výkladní skříň toho nejlepšího, co inovační týmy světových leaderů i jejich následovníků navrhli a v prototypech či již sériově nabízejí. Sektor výrobních strojů bývá na špici technického pokroku v oblasti strojírenství a udává směr dalším oborům, které jej následují. U nás má velkou tradici a není proto s podivem, že letos do Hannoveru zavítalo na 2 200 českých návštěvníků.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Výzkum progresivních laserových technologií

Technologie s využitím paprsku laseru jsou stále dynamicky se rozvíjejícími oblastmi. Aktuálně se rozšiřuje využití laseru v mnoha oborech: od aplikací v medicíně, mikroelektronice, optice a měřicí technice až po průmyslové realizace se základem v úběru a ovlivňování vlastností kovových i nekovových materiálů. Právě tyto aplikace umožňují využít laser pro rychlé a efektivní řezání, svařování, gravírování, kalení, texturování, značení nebo leštění.

Pod dvou letech opět na EMO do Hannoveru

Od 16. do 21. září 2019 se uskuteční 22. ročník největšího světového veletrhu zpracování kovů EMO. Megaakce se koná opět v Německu, které je po Číně a USA třetím největším trhem obráběcích strojů na světě. Veletrhu se účastní téměř 2 100 vystavovatelů ze 47 zemí světa. Z České republiky se očekává účast 28 firem na ploše necelých 1 700 m2. Na minulý veletrh v roce 2017 přijelo do Hannoveru z České republiky přes 2 200 odborníků.

CIMT Peking, Část 1. Obecný pohled

V předvelikonočním týdnu se v Pekingu uskutečnil veletrh obráběcích strojů CIMT 2019. V asijském regionu se jedná o obdobu veletrhu EMO Hannover. A stejně jako EMO je velkou měrou národní výstava německé výrobní techniky, tak CIMT je převážně čínský. V tomto prvním vstupu se podíváme na letošní ročník trochu s odstupem, aniž bychom se zaměřili na konkrétní exponáty.

Veletržní válka světů

Redakce MM Průmyslového spektra věnovala šanghajskému veletrhu obráběcích strojů CCMT 2018 nemalou pozornost ve zpravodajství, které bylo uveřejňováno na webových stránkách v rubrice Očima redakce. V tomto článku a na přiložených obrázcích jsou zaznamenány veletržní postřehy, čínský kolorit, veletržní statistiky i holá fakta z oblasti čínského průmyslu. Něco málo o čínské výrobní technice a technologiích, které byly prezentovány na CCMT 2018, i pár dalších postřehů, jsme připravili do tohoto vydání.

Strojírenské fórum 2018: Zaměřeno na nové technologie a materiály

Příběh pátého ročníku Strojírenského fóra se začal psát 10. května 2018 na půdě Fakulty strojního inženýrství VUT v Brně konferencí na téma moderní výrobní technologie a materiály s důrazem na aditivní výrobu z velké části kovových materiálů a na inovativní aplikace kompozitních materiálů. Na sto účastníků z řad výrobní a akademické sféry vyslechlo na 13 přednášek a následně v pozdních odpoledních hodinách se větší část z nich odebrala na exkurzi po šesti VaV pracovišťích zaměřených na nové technologie. Plný den poznání a nových setkání. Pojďme se k němu vrátit fotoreportáží.

Perspektivy čínského draka

Již několik let vám pravidelně v tomto čase přinášíme reportáže ze dvou klíčových strojírenských veletrhů celého asijského kontinentu, které jsou určitým barometrem srovnání postupného vývoje čínských výrobců obráběcích strojů a komponent, ale i pohledem na zvolené marketingové strategie nadnárodních společností při jejich penetraci na zdejší čínský trh – největší a nejprogresivněji rostoucí na světě. V lichých letech se v Pekingu v dubnu koná veletrh CIMT (China International Machine Tool Show), v sudých přibližně ve shodné době pak v Šanghaji veletrh CCMT (China CNC Machine Tool Fair). Aktuální postřehy z každého dne veletrhu jsme přinášeli prostřednictvím redakčního portálu mmspekturm.com a sociální sítě facebook, s tradičním komplexnějším pohledem na veletrh a čínský komoditní trh jako takový přicházíme nyní.

Technologie roku 2018

Další z řady odborných seminářů společnosti Misan v jejím sídle v Lysé nad Labem s názvem Technologie roku 2018 se uskutečnil v únoru ve spolupráci se společností Tungaloy. Hlavními tématy byly automatizace výrobních procesů, monitorování a propojování výrobních strojů a systémů a představení nových výrobních zařízení, nástrojů a technologií, které pak byly následně předvedeny v praktické části semináře při ukázkách obrábění. Bonusem na semináři byla přítomnost chairmana a CEO Okuma Europe a Okuma America Corporation Takeshiho Yamamota a senior manažera z oddělení obchodu Okuma Europe Ralfa Baumanna, kteří poskytli MM Průmyslovému spektru exkluzivní rozhovor.

Desatero pro export - Marketingový průzkum poprvé

V dnešním díle našeho exportního seriálu se budeme věnovat marketingovému průzkumu. Ten je základním nástrojem pro posuzování jednotlivých vývozních teritorií a sestavování individuálních exportních plánů. Cílem je vytvořit profily potenciálních trhů, které zahrnou jejich charakteristiky, očekávání a preference. Na základě těchto profilů chceme sestavit klasifikaci atraktivity trhů podle předem určených kritérií. Dalšími cíli jsou analýza konkurence na vybraných trzích, identifikace hrozeb a příležitostí a určení právního rámce a systému autorského práva.

Cena MM Award na EMO

Ocenění MM Award od našich německých kolegů z časopisu MM MaschinenMarkt je specialitou veletrhů pořádaných nejen v Evropě, ale po celém světě. Nejinak tomu bylo i na letošním hannoverském EMO, kde proběhlo slavnostní předání exponátům, které odbornou porotu zaujaly. Ceny jsou udělovány ve spolupráci se svazem VDW. Protože se jedná o jediné oficiální ceny udělované na veletrhu EMO a značky MM, VDW a EMO jsou dobře známé v oboru výrobní techniky, věnujeme jim svoji pozornost v retrospektivě veletrhu.

Obrábění těžkoobrobitelných materiálů

Stále rostoucí požadavky výrobců proudových motorů vyžadují kontinuální vývoj žárupevných materiálů. Klasické metody obrábění jsou zde na hranici svých možností, efektivní alternativou je elektroerozivní řezání drátovou elektrodou.

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