Velké díly – velké výzvy

Jako první tuto technologii s úspěchem zavedla automobilka Tesla. Nyní se cestou gigacastingu či megacastingu začínají vydávat i další automobilky, například Volvo. Technologie spočívá v tom, že se velké konstrukce, jako např. podvozky automobilů, už nesvářejí, nelepí nebo nesešroubovávají z jednotlivých dílů, nýbrž odlévají v kuse. To vede k radikální redukci počtu vyráběných konstrukčních dílů a k obrovskému zjednodušení výrobních procesů, které již nevyžadují prakticky žádné spojovací operace. V celém výrobním řetězci tak vzniká prostor k úsporám. Velké odlitky mají navíc potenciál ke snížení hmotnosti automobilu, což je zejména v oblasti elektrické mobility velmi žádaným aspektem: lehčí elektromobily mají vyšší energetickou účinnost, a tím i delší dojezd.

Na výrobu to však klade vysoké nároky, od využití obřích forem a jejich temperování přes samotný proces tlakového lití až po následné chlazení a deformace odlitků.

„Avšak i další zpracování hotových gigaodlitků je náročné,“ upozorňuje Michael Kreuzberger, produktový manažer firmy Schwäbische Werkzeugmaschinen (SW). „Diskuze na téma gigacastingu se zatím točily především kolem samotného procesu tlakového lití. Jenže tím gigacasting ještě zdaleka nekončí. I obrábění velkých odlitků má totiž svá úskalí, která je nutno zohlednit.“

Zatímco si některé podniky pro tlakové odlévání již vyvinuly vlastní speciální velké stroje jako např. Tesla svůj gigalis, tak následné obrábění v tomto směru zatím výrazně pokulhává. Často se ještě pracuje s portálovými frézkami na klasické velké díly.

„Odlitky z gigacastingu jsou na běžná CNC obráběcí centra jednoduše příliš velké, stroje na ně velikostně nestačí,“ vysvětluje Kreuzberger. „Technologie na obrábění klasických velkých dílů jsou na druhou stranu de facto až příliš velké, a hlavně nepružné: na těchto jednovřetenových portálových frézkách se dá jen stěží obrábět opravdu efektivně, obrábění trvá neúměrně dlouho, nakládka a vykládka jsou příliš časově náročné.“

Podniky tak stojí před otázkou, jak vyřešit nároky na prostor: jen stroje na gigacasting mají velikost rodinného domku, k tomu obrovská portálová frézka, to většina výrobních hal jen tak nepojme. A jen málokterý podnik si může na zelené louce postavit halu novou jako Tesla.

Dejme tomu, že se ve výrobní hale i na velkou portálovou frézku místo najde. Pak však vyvstane problém s obráběcími časy strojů tohoto typu, na které bude tempo automobilové výroby příliš rychlé, protože jsou vybaveny zpravidla kuličkovými pohony.

Kreuzberger vysvětluje: „Při obrábění hliníku jsou vedlejší časy obecně podstatně delší než čisté pracovní časy. Čím větší obrobek je, tím delší dráhy musí posuvové osy absolvovat, a o to delší jsou pak vedlejší časy, například při výměně nástroje. Kuličkové pohony mají menší zrychlení a dosahují menších rychlostí, čímž se vedlejší časy dále prodlužují.“

Stručně řečeno, stroje z oblasti výroby velkých dílů nejsou zpravidla schopné pracovat v takovém tempu, které je v náročném automobilovém odvětví potřeba. A právě v tom spočívá jedna z velkých výzev: zrychlit obrábění gigadílů natolik, aby udrželo krok s obvyklým tempem výroby v automobilovém průmyslu.

Další výzvou je choulostivost konstrukčních dílů: tlakovým litím totiž v obrobcích vzniká pnutí, takže jsou velkoobjemové odlitky náchylné k deformacím. S ohledem na snahu o redukci hmotnosti automobilu jsou u konstrukčních dílů do elektromobilů navíc prioritou pokud možno co nejtenčí stěny. Takové obrobky však mají větší sklony k deformaci.

„Problém není v přesnosti obrábění. V požadované kvalitě umí spolehlivě vyrábět jak velké portálové frézky, tak i menší obráběcí centra,“ vysvětluje Kreuzberger. „Daleko důležitější je, aby potřebám obrobku vyhovoval upínací přípravek v obráběcím centru a uchopovací technika v automatickém manipulačním zařízení, tak aby během obrábění nedocházelo k deformacím.“

Řešení otázky choulostivosti obráběných gigadílů může podle slov Michaela Kreuzbergera vypadat například takto: „Upínací přípravek ušitý obráběnému konstrukčním dílu přesně na míru. Zde hraje velkou roli kvalitní poradenství a těsná spolupráce s výrobcem. U nás v SW máme oddělení, které se soustřeďuje výhradně na koordinaci celého procesu vývoje optimálního upínacího přípravku s odběratelem.“

S požadovaným tempem už to tak jednoduché není. Stroj na obrábění gigadílů musí být totiž nejen dynamický, ale i dostatečně prostorný. V každém případě by však provozovatelé měli sázet na technologie s lineárními motory: lineární motor je přímým typem pohonu bez mechanického přenosu kinematických sil. Je tak schopen maximálně rychle zrychlovat a dosahovat nejvyšších pojezdových rychlostí, a to s minimálním opotřebením.

„Ty nejrychlejší CNC stroje na trhu mají všechny lineární nebo momentové motory, stejně jako většina strojů naší výroby,“ doplňuje Michael Kreuzberger. „Kromě toho dbáme na optimální hmotnostní charakteristiku nástavby, čímž dále zkracujeme vedlejší časy a zrychlujeme takt: naše obráběcí centra dosahují zrychlení přes dvě g a v rychlém chodu rychlosti 120 m.min^-1.“

Větší obrobky je touto rychlostí možno obrábět již od roku 2021, kdy SW uvedla na trh zařízení BA space3. Tento stroj nabízí kombinaci rychlého taktu s prostorem na velké odlitky. Větší rychlosti provozovatelům skýtají již jen vícevřetenové stroje.

Vícevřetenových strojů na velké odlitky je na trhu zatím ještě poskrovnu. Schwäbische Werkzeugmaschinen však již pracuje na novém dvouvřetenovém stroji konstrukční řady space.

„Oproti ostatním vícevřetenovým strojům bude mít jednu zvláštnost: obě vřetena budou pracovat naprosto nezávisle na sobě,“ říká Kreuzberger. „Stroj bude vybaven dvěma autonomními tříosovými jednotkami, tak aby skýtal maximální možnou flexibilitu obrábění nejrůznějších konstrukčních dílů.“

Konstrukční díly střední velikosti bude možno obrábět standardně vždy po dvou, paralelně oběma vřeteny. V případě velkých konstrukčních dílů, které stroj po dvou nepojme, se bude jeden obrobek obrábět současně oběma vřeteny, která si budou nezávisle na sobě měnit nástroje. Takt se podařilo zkrátit také zakládáním v hlavním čase dvojitým otočným nosníkem. Gigadíly, jako je například zadní část podvozku do Tesly, tak lze obrobit za pouhých 1,5 minuty – tedy téměř dvakrát rychleji než na strojích s jedním vřetenem.

„Gigacasting bude v příštích letech spolu s razantním vývojem elektrické mobility nabývat dále na významu,“ uzavírá Kreuzberger. „Výhody a nevýhody používání velkých odlitků nyní zvažují i další výrobci automobilů. Především asijské automobilky nebo výrobci originálního vybavení (OEM) již na gigacasting ve větší míře sázejí a velké odlitky úspěšně montují. My bychom rádi svým dílem přispěli k tomu, aby výhody této technologie převážily a aby se našly odpovědi na všechny výzvy i v oblasti třískového obrábění.“