Řezné nástroje: trendy a výzvy v průmyslu

Řezný nástroj přestává být samostatnou komponentou. Stává se prvkem komplexního systému, který spojuje celý řetězec: stroj, upnutí obrobku, obráběcí strategie, data, software, automatizaci a v neposlední řadě i ekologii a dostupnost surovin. Všechny články tohoto řetězce mají několik společných jmenovatelů: je jimi tlak na produktivitu, stabilita procesu a jeho sledovatelnost, flexibilita výroby, jakož i snižování ekologických dopadů, třebaže požadavky na nástroje a na způsob jejich použití se mohou pro různé segmenty průmyslu lišit.

Letecký průmysl obecně patří mezi průkopníky náročného obrábění. Produktivní obrábění těžkoobrobitelných slitin a vláknových kompozitů je stále velké téma. Tlak je v tomto odvětví kladen na procesní stabilitu a efektivitu například při obrábění titanu a niklových superslitin. V letectví jsou dílce často složité: tenkostěnné, monolitické nosné díly či lopatky bohužel více inklinují k vibracím. Kvůli požadavkům na vyšší účinnost motorů se přechází na těžko obrobitelné materiály a výrobci nástrojů na to reagují například high feed frézami optimalizovanými pro titan (jako jsou například frézy MaxiMill od firmy Ceratizit s keramickými destičkami pro vysoké řezné rychlosti) a ultratvrdými (UHT) nástroji s velmi specifickou (mikro)geometrií nebo nástroji s tlumenými nástrojovými držáky. Pak je možné dosáhnout vyšších objemů odebíraného materiálu při omezení nežádoucích projevů obrábění.

Automobilový průmysl se proměňuje. Zvýšení pobídek na elektromobilitu má dopad na tradičně velké odbytiště obráběcích operací, kterých je nyní méně a jejichž charakter je odlišný. Typickým materiálem je hliník a jeho slitiny, často obráběné osovými nástroji. Důraz je kladen hlavně na flexibilitu. To je ale v silném kontrastu k tlaku na zkracování taktů výroby. Z pohledu nástrojů jsou na vzestupu UHT nástroje na obrábění hliníku a mědi a také modulární nástrojové systémy, sdružující více operací do jednoho nástroje. Oblast automotive se tak posouvá od masové výroby jednoho typu k „masové individualizaci“. Vývoj nástrojů na to přirozeně reaguje.

S elektromobilitou přímo souvisí elektrotechnický průmysl. Rozmach mikročipů, výkonové elektroniky a bateriových systémů znamená dramatický nárůst obrábění mědi, jejích slitin a kompozitů. Nezřídka se uplatňuje technologie mikroobrábění, například u tištěných spojů. Požadavky na spolehlivost a na opakovatelnost kladou nároky na vysoký stupeň automatizace, stabilitu procesu a nasazení speciálních strojů. Často se setkáváme i s požadavky na eliminaci sekundárních operací (obrábění bez nutného následného odjehlování). Procesy jsou často integrovány přímo do automatizovaných linek – a nástroje musí fungovat spolehlivě v režimu 24/7 s minimálním lidským zásahem.

Energetika je svébytnou oblastí průmyslu a přináší zcela jiný svět obrábění. Vyskytují se zde větší rotační dílce, dále lopatky turbín, ale i skříňové či tenkostěnné součásti. Dílce jsou vyráběny nezřídka kombinací soustružení, frézování, hlubokého vrtání a broušení. Z nástrojů zde dominují systémy pro hluboké vrtání a pro vrtání velkých průměrů. Z ekonomických důvodů jsou užívány nástroje s vyměnitelnými břitovými destičkami. Větší pozornosti se dostává i hybridním procesům (3D tisk spojený s obráběním), např. při výrobě turbínových lopatek a skříňových segmentů. Cíl je zřejmý: zkrátit výrobní časy, udržet kvalitu i spolehlivost a snížit náklady.

Obranný průmysl je typický velkým rozptylem výroby. Od unikátních prototypů až po velkosériovou výrobu integruje nejpokročilejší metody výroby jednotlivých dílců. Spojuje ho však několik silných trendů. Důraz je zde kladen na robustnost a jednoduchost řešení. V dnešní geopolitické situaci je důležitým aspektem maximalizace produktivity a zkracování dodacích lhůt, rychlá reakce výroby a menší závislost na dodavatelském řetězci. V obrábění se prosazují víceúčelové nástroje pro houževnaté materiály a uplatňují se modulární nástrojové soustavy. U velkých a těžkých dílů (např. dělových hlavní) je automatizace sice náročná kvůli hmotnosti a přesnosti, zato u menších komponent (např. dílů pro drony, kompozitních dílců) se automatizace prosazuje mnohem snáz.

V obrábění pro medicínský průmysl se nároky na extrémní přesnost spojují s nároky na přísnou regulaci. Implantáty jsou stále složitější a mají stále vyšší nároky na přesnost a strukturu obrobeného povrchu. Povrch musí vhodně interagovat s lidskou tkání, aby urychloval hojení. Ve výrobě se uplatňují mikronástroje a přesné nástroje pro obtížně obrobitelné materiály, jako jsou např. kobaltochromové nebo titanové slitiny, přičemž je kladen důraz na velmi nízké řezné síly. Zcela zásadní je digitální evidence nástrojů. Každá změna, výměna či seřízení musí být dohledatelné. Pouze takový přístup může vést k vyšší a opakovatelné kvalitě implantátů, snazší certifikaci a nižšímu riziku selhání v aplikaci, kdy jde doslova o život.

Každý segment výrobního průmyslu si žádá speciální či specializované nástroje. Požadavky technologů však narážejí na limity standardní výroby nástrojů. Pro dosažení kýžených parametrů různých nástrojů je pak nutné sáhnout k nekonvenčním metodám výroby, jako je např. 3D tisk z kovových materiálů. Tento způsob aditivní výroby skýtá možnosti návrhu neobvyklých a jinými metodami nevyrobitelných tvarů nástrojů. Pomocí topologické optimalizace lze pak navrhnout nástroj, který se pro danou výrobní operaci tvarově přesně hodí – například může zahrnovat chladicí kanálky pro optimální průtok řezné kapaliny. Na druhé straně je pak poměrně vysoká cena a rychlost produkce (vstupní cena kovového prášku, tisk po vrstvách a následné opracování funkčních ploch). 3D tisk je jedním z velmi viditelných trendů posledních let. Jen čas však ukáže, jestli tato technologie bude nabývat na významu, nebo zůstane spíše technologií pro speciální nástroje.

Napříč segmenty výroby můžeme sledovat i ekologický trend. Nemalé množství západních výrobců nástrojů má svou strategii pro zvyšování ekologičnosti výroby a pro snižování uhlíkové stopy svých produktů. Větší výrobci si mohou dovolit sledovat uhlíkovou stopu svých výrobků už od prvotních surovin a promítnout tak do svých výrobků i ekologickou zátěž samotné těžby kovů, jejich dopravu či skladování a samozřejmě zpravování těchto kovů a následnou výrobu produktu. Každý produkt pak získá svůj certifikát o uhlíkové stopě. To může pomoct i obrobnám kalkulovat CO₂ stopu svých výrobků s využitím specializovaných kalkulátorů. Na základě těchto informací je možné navrhovat zefektivnění výrobních procesů z pohledu ekologie napříč celým výrobním řetězcem, nemluvě o možnosti zodpovědnějšího vykazování v rámci v dnešní době mírně upozaděného, ale společensky významného ESG reportingu. Silní evropští producenti navíc tento trend postupně přelévají do svých výrob na asijském kontinentu.

Dalším ekologickým tématem je recyklace materiálu, hlavně slinutého karbidu. Recyklace je sice energeticky i ekonomicky náročná, ale má menší ekologický dopad než samotná těžba. Druhým důvodem pro recyklaci je – kvůli prozatímní nerovnováze moci nad primárními zdroji – narůstající cena těch surovin, které jsou pro výrobu slinutých karbidů nepostradatelné. Zde je totiž možné na státní úrovni silně ovlivňovat trh na základě vlastních průmyslových potřeb a geopolitických ambicí a nepříznivě tak ovlivnit cenu vstupní suroviny pro výrobu slinutého karbidu, ze kterého se dnes vyrábí až 50 % všech řezných nástrojů pro strojírenství. Recyklace tak není jen „zelené PR“, ale také způsob, jak vůbec zajistit dostupnost surovin. Přidanou hodnotou jsou nižší provozní náklady, menší uhlíková stopa a vyšší efektivita výroby.

V neposlední řadě je třeba zmínit i význam digitalizace řezných operací a jejich monitoringu. Na základě chování řezného procesu je možné určit včasnou výměnu řezných nástrojů a nespoléhat na odhad životnosti nástrojů, který pro bezporuchové řízení výrobního procesu pracuje se značnou mírou bezpečnosti. Ta vede k často předčasné výměně nástroje, a tím podporuje plýtvání. Senzorické nástroje a držáky dokážou zaznamenávat silové a vibrační projevy procesu, ze kterých lze odvodit správný okamžik výměny nástroje. Do těchto aplikací jsou hojně integrovány modely strojového učení (AI). Zcela zásadní je pak propojení informací o spotřebě nástrojů na dílně s podnikovými informačními systémy (ERP, MES), aby bylo možné operativně řídit a optimalizovat objednávání nových nástrojů. Výsledkem je méně neplánovaných výměn, stabilnější kvalita a lepší využití strojního času.

Efektivní výroba dnes vyžaduje řešit celý řetězec: nástroj – upnutí – strategie obrábění – data – (AI) – obráběcí stroj. Je nutné zaměřit se na flexibilitu výroby (rychlá změna aplikací, integrační procesy v oboru automatizace). Pro konkrétní materiál obrobku je nutné řešit vhodnou geometrii nástroje a důraz je kladen i na efektivitu a ekologii (životnost, recyklace, suché/MQL/kryogenní chlazení při obrábění, 3D tisk).

Pro strojírenské firmy to znamená zásadní změnu uvažování. Kdo se dívá na frézu nebo vrták jen jako na „spotřební materiál“, začíná zaostávat. Konkurenceschopnost se bude stále víc odvíjet od toho, jak šikovně dokážeme spojit nástroj, stroj, software, data a lidi do jednoho funkčního, flexibilního a udržitelného systému.