Témata
Zdroj: RCMT

Výzkum pro praxi:
Vývoj v oblasti Hybrid Manufacturing

Spolupráce s praxí je jedním ze strategických cílů aktivit Ústavu výrobních strojů a zařízení a Výzkumného centra RCMT při FS ČVUT v Praze. Vizi 2030 Fakulty strojní naplňuje RCMT podporou konkurenceschopnosti tuzemských firem. Podněty z praxe jsou motivací výzkumu, jehož výsledky jsou uplatňovány v produktech a službách firem i v modernizaci oborové výuky. Postupně představujeme několik klíčových projektů, které byly ve spolupráci RCMT a konkrétních průmyslových firem v praxi v nedávné době řešeny. Dnes se zaměříme na vývoj v oblasti aditivních technologií.

Tento článek je součástí seriálu:
Výzkum pro praxi
Díly
Reklama

V minulých letech byla ve spolupráci Kovosvit MAS Machine Tools a RCMT vyvinuta první i druhá generace hybridního stroje. Druhá generace je postavena na základě moderního multifunkčního pětiosého obráběcího stroje MCU 450V-5X. Stroj vyniká vysokými rychlostmi a zrychlením v polohování kolébky, což je pro kvalitní pětiosé navařování zásadní. Stroj je vybaven moderním agregátem pomocí elektrického oblouku metodou MIG/MAG se speciální funkcí CMT „Cold Metal Transfer“ od firmy Fronius. Procesní parametry navařování jsou odladěny, takže obsluha stroje do svařovacího procesu nemusí nijak zasahovat. Není tedy nutné oproti běžné obsluze pětiosého stroje mít nějaké hluboké znalosti o svařování. Velkou výhodou je dostupnost navařovacího materiálu, který vychází z cívek drátu o průměru 1 mm nebo 1,2 mm z klasického CO2 svařování v ochranné atmosféře.

Stroj WeldPrint MCU 450V-5X, který umožňuje pětiosé obrábění i navařování, přičemž změna technologie obrábění a navařování netrvá ani dvě sekundy. (Zdroj: Kovosvit MAS)

Výzkum vlastností navařených materiálů

Základní výzkum navařených materiálů byl zaměřen na ověření procesních parametrů, zjištění technologických možností a zjištění míry vlivu na výsledné materiálové vlastnosti.

Bylo prováděno široké spektrum mechanických zkoušek, hodnocení pórovitosti, testy homogenity pomocí tomografu, metalografický výbrus, měření tvrdosti návaru a jeho okolí, spektrální analýza SEM, zkouška otěruvzdornosti navařeného materiálu, spektrální analýza měření materiálového složení v jednotlivých vrstvách návaru. Zvláště důležitá je analýza při navařování ušlechtilých materiálů, kde může docházet k difuzi nebo odpaření legur. Vysoké vrstvy návaru pak ztrácejí např. svoji tvrdost.

Reklama
Reklama

Takto získané komplexní informace lze využívat při výběru aditivní technologie (WAAM, DED) pro konkrétní účely v oblasti tvorby nových komponent nebo oprav strojních dílů a lisovacích, vstřikovacích forem. Pro budoucí zákazníky může tento soubor výsledků poskytnout cenné informace při výběru dané aditivní technologie. Výběr bude ovlivňovat zejména typ matriálu a jeho kvalita po navaření, celkový čas realizace návaru a ekonomie celého procesu.

Koncept metalografického vyhodnocení vícevrstvého návaru. (Zdroj: RCMT)

Výzkum v oblasti vychlazovaných těles

Nové, resp. hybridní způsoby výroby jsou dnes prostředkem pro hledání efektivnějších řešení z pohledu funkce, produktivity a ceny. Jedním z nich je i kombinace aditivního procesu (navařování) a třískového obrábění v jednom pracovním prostoru stroje. To umožňuje mimo jiné návrh a výrobu tvarově složitých dílců. Je však také nutno dbát na efektivitu výroby. Aditivně lze vytvořit téměř cokoliv. Jde ale o praktický a ekonomický význam. Jako ekonomicky efektivní se tedy jeví hybridní výroba dílců, jejichž konvenční výroba je obtížná a nákladná. Jedná se například o dílce s vnitřními, resp. uzavřenými strukturami chladicích kanálů.

Typickým představitelem využití komfortního chlazení jsou formy pro vstřikování plastů, kde se dociluje formami s chlazením kratších vedlejších časů, a tím vyšší rychlosti výroby vstřikovaných výrobků. Dalšími vhodnými kandidáty jsou různá ložisková tělesa, která se během provozu zahřívají, a tím vznikají parazitní teplotní deformace, což způsobuje zadření nebo zásadní snížení parametrů provozovaného zařízení. Ekonomicky je vhodné celý dílec vyrobit konvenčním způsobem a aditivně pouze provést krycí vrstvu, jak je patrné z obrázku níže.

Chladicí kanály aplikované v upínacím stole. Stůl je součástí pětiosého navařovacího pracoviště a je teplotně stabilizován. (Zdroj: RCMT)

Strojní dílce s chladicími kanály
Jedním směrem výzkumu v oblasti tvorby chladicích kanálů je hledání vhodných parametrů pro tvorbu přemostění tak, aby nedocházelo k nerovnostem na finálním povrchu, které následně ovlivňují navařování krycích vrstev. Při výskytu těchto nerovností je nutné povrch formátovat pomocí frézování (použitý stroj WeldPrint MCV 5AX neumožňuje soustružit). Při vložení tohoto technologického kroku dochází k odebrání již navařeného materiálu a prodloužení celkového času výroby dílce.

Detail tvorby přemostění chladicího kanálu. (Zdroj: RCMT)

Přechodem na modernější agregát od firmy Fronius TPSi CMT s funkcí Cycle Step byla upgradována stávající aditivní technologie. Tento agregát obsahuje nové technologické možnosti, pomocí kterých by bylo možné tvořit objemové dílce rychleji a efektivněji, což se projeví na ceně finálního dílce. Pro stanovení limitů nových technologií je nutné těmto strategiím porozumět a pomocí mechanických zkoušek ověřit výslednou jakost takto vzniklých dílů.

Reklama

Formy s komfortním chlazením
Další oblastí zájmu je vývoj technologických kroků umožňující efektivně vyrábět formy s komfortním chlazením. Základním krokem je ověření limitů homogenního růstu a možností přemostění požadovaných dutin ve formě. Důležitou oblastí výzkumu je hledání vhodných materiálů, které zajistí požadované mechanické vlastnosti v celém objemu navařeného dílce.

Vložka pro vstřikování plastů s vnitřními chladicími kanály. (Zdroj: RCMT)

Vývoj HM nadstavby
V současné době se vyvíjí nadstavba pro CAD/CAM software NX Siemens PLM. Toto prostředí je plně integrované do prostředí NX, takže uživatel se bude pohybovat v tom, co zná. Otevřenost tohoto modulu umožňuje uzpůsobit funkcionalitu požadavkům nově vyvíjených technologických kroků. Zároveň se vyvíjí znalostní databáze, která obsahuje konkrétní nastavení pro tvorbu tenkostěnných nebo objemových dílců z různých typů materiálů.

Prostředí CAM systému Siemens NX s vlastním softwarovým modulem pro hybridní pětiosou technologii. (Zdroj: Siemens)

Přínos spolupráce pro výrobní firmu

Společné řešení projektu hybridní technologie podpořilo dlouhodobou spolupráci v oblasti vývoje strojů a technologií mezi Kovosvit MAS Machine Tools a výzkumným centrem RCMT na Fakultě strojní ČVUT v Praze. Spolupráce svým odborným zaměřením nebyla v tomto případě tradiční, neboť dosavadních 20 let se realizovala v jiných tématech, a to ve vazbě na konstrukci a provoz obráběcích strojů. Cílem tohoto projektu bylo se připravit na budoucí možnost nabízet zákazníkům nejen stroje obráběcí, ale i stroje s možností aditivní výroby. Technický ředitel Kovosvit MAS Machine Tools Ing. Petr Heinrich hodnotí výsledek spolupráce: „Stručně řečeno, nyní jsme schopni a připraveni navrhnout a postavit jakýkoli CNC hybridní stroj s integrovanou technologií navařování WAAM a dodat jej včetně technologie a potřebného softwaru.“ K samotné technologii doplňuje: „Zvolili jsme technologii na bázi navařování pomocí elektrického oblouku a na rozdíl od konkurence cílíme nejen na pokročilé materiály, ale i na ty standardní. Uplatnění vidíme u dílců s tvarovou složitostí, kde si místo odebírání velkého objemu materiálu můžeme pomoci navařením nebo spojením některých částí. Tím můžeme uspořit materiál nebo čas obrábění, případně vyrobit něco, co jinou technologií vyrobit nejde, či jen velmi draze a obtížně. Jako perspektivní se jeví dílce s integrovanými chladicími kanály a dále díly, které kombinují odlišné materiály.“ Možnosti komerční uplatnitelnosti technologie jsou z jeho pohledu následující: „Trh pro tuto technologii ještě není připravený a je spíš konzervativní, ale i přesto se objevuje několikrát za rok poptávka inovativních firem na stroje MCU 450 Weldprint. Někteří zákazníci poptávají stroj bez konkrétní technologie a spíše sondují cenu, aby si sami zvážili ekonomiku provozu. Jiní zákazníci se na nás obracejí přímo s konkrétním dílcem, pro který navrhujeme technologii i konfiguraci stroje.“

Experimentální prototyp hybridního stroje Weldprint MCV 5AX získal na MSV v Brně v roce 2017 zlatou medaili v kategorii Inovace prokazatelně vzniklá ve smluvní spolupráci firem s výzkumnými organizacemi. (Foto: Jiří Ryszawy)

Přínos spolupráce pro výzkumnou organizaci

Pracoviště RCMT Fakulty strojní ČVUT v Praze řešilo takto rozsáhlý projekt, který je mimo oblast obrábění a obráběcích strojů patrně poprvé. Jednalo se o projekt, který v prvních letech nebyl podporován žádnými dotačními granty a financování stálo pouze na firmě. Do společného projektu RCMT přišlo s vkladem nefinančním, a sice s nápadem na technologický postup a jeho provedení. Společně pak obě strany technologický postup i zařízení pro jeho realizaci dotvořily a formulovaly v patentu, u kterého probíhá mezinárodní podání. Začátky řešení spolupráce na hybridní technologii komentuje vedoucí projektu za RCMT Ing. Jan Smolík, Ph.D.: „Projekt byl výjimečný tím, jak byl rizikový a jak nejasný byl výsledek na jeho konci. Dodnes obdivuji odvahu vedení firmy, které takový projekt podpořilo. Toto se v ČR běžně nestává. Dnes, když hybridní stroje Kovosvit MAS krásně fungují, disponujeme funkčním vlastním CAM systémem, máme realizované výrobky – vše vypadá samozřejmě. Ale v době, kdy jsme začínali, neexistovalo nic, ani jistota, že v obráběcím stroji může bezpečně fungovat elektrická svářečka, ani neexistoval žádný konkurenční výrobce a stroj, který by přinášel alespoň ujištění, že technologii obrábění a navařování lze v jednom pracovním prostoru efektivně spojit.“ Z hlediska úspěšnosti projektu bylo potřeba vyvíjet paralelně tři výstupy: stroj, software a technologii. Softwarový vývoj CAM modulu pro hybridní technologii vedl a stále vede Ing. Tomáš Fornůsek, který reflektuje přínos projektu takto: „Díky tomu, že jsme se pustili do vývoje vlastní CAM nadstavby pro pětiosé navařování, získali jsme významnou znalost a dovednost v programování nad systémem Siemens NX, kterou nyní využíváme i pro oblast optimalizace obrábění. Dlouho jsme neúspěšně hledali a snažili se získat jakýkoli komerčně dostupný systém pro programování naší HM technologie, což nakonec vyústilo v nutnost vlastního softwarového vývoje. Bylo to neplánované a náročné, ale nastartovalo to v RCMT celou novou oblast rozvoje technologických možností.“ Pro RCMT bylo nové zabývat se technologií navařování, která je blízká technologii svařování elektrickým obloukem v ochranné atmosféře. Ing. Ivan Diviš, zabývající se návrhem a optimalizací procesních parametrů a materiálových vlastností navařovaných kovových struktur, uvádí následující: „I po sedmi letech, kdy se věnuji výzkumu a vývoji stabilních procesních parametrů pro navařování kovových materiálů, mě stále překvapuje, jak složitý a extrémně citlivý je elektrický oblouk a zpracovávaný materiál na jakékoli drobné změny ochranné atmosféry a procesní parametry průběhu proudu a napětí. Pokud chceme dosahovat návarů, které mají velmi vysokou homogenitu, tedy porezitu, na úrovni například odlitků nebo lepší, je návrh a optimalizace každého nového zpracovávaného materiálu velkou výzvou a nedá se odhadnout, jestli budeme mít hotovo za týden, nebo za rok.“

Část vývoje stroje byla spolufinancována z projektu veřejné podpory MPO ČR.


Příště představíme další spolupráci RCMT s průmyslovým partnerem.

Související články
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.

Výzkum pro praxi: Soustružnické stroje pro náročnou a přesnou výrobu

Spolupráce s praxí je jedním ze strategických cílů aktivit Ústavu výrobních strojů a zařízení a Výzkumného centra RCMT při FS ČVUT v Praze. Vizi 2030 Fakulty strojní naplňuje RCMT podporou konkurenceschopnosti tuzemských firem. Podněty z praxe jsou motivací výzkumu, jehož výsledky jsou uplatňovány v produktech a službách firem i v modernizaci oborové výuky. Postupně představujeme několik klíčových projektů, které byly ve spolupráci RCMT a konkrétních průmyslových firem v praxi v nedávné době řešeny. V tomto díle nahlédneme do oblasti přesné výroby a zaměříme se na vývoj soustružnického stroje KL 285 z produkce Kovosvit MAS.

Závěrečné oponentní řízení CK-SVT

V dubnu 2012 byl na půdě Fakulty strojní ČVUT v Praze oficiálně zahájen osmi letý projekt Centrum kompetence - Strojírenská výrobní technika v rámci dotačního programu Technologické agentury ČR. Projekt byl úspěšně ukončen ke konci roku 2019 a v červnu 2020 proběhlo Závěrečné oponentní řízení ve firmě TOS Varnsdorf, jednoho ze spoluřešitelů.

Související články
Jste připraveni na budoucnost? Zjistěte to...

Každý den se probouzíme do situace, kdy nekonečný boj o nové zákazníky o kousek přitvrdí, je stále náročnější a vyhraje ten, kdo se nejlépe a nejrychleji přizpůsobí. Jak řekl rakouský psychiatr Viktor Frankl, základní lidskou vlastností je svoboda rozhodnout se, i když její uplatnění nemusí být lehké. Člověk není svobodný ve vztahu k podmínkám, v nichž žije, ale má svobodu v tom, jaké k nim zaujme stanovisko. Jak se rozhodnete vy?

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Od vydavatelství po startupy

Jiří Hlavenka není pro mnoho lidí neznámou osobností. Jde o člověka, který stál u zrodu vydavatelství i nakladatelství Computer Press a později i u prvního interaktivního webu o počítačích a počítačových technologiích, kde se neznalci mnohdy dozvěděli i odpověď na svou otázku. Jiří Hlavenka se ale v současné době věnuje investování do projektů, které mají smysl, a tak jeho jméno figuruje především u webu Kiwi.com, který vám najde - třeba i na poslední chvíli - nejlepší a nejlevnější letecké spojení kamkoli. Někdy může let po více "mezidestinacích" sice trvat déle, ale vždy se můžete spolehnout na to, že doletíte tam, kam jste si vysnili nebo kam potřebujete dolétnout.

Fórum děkanů strojních fakult

Uveďte prosím stěžejní exponát, který bude vaše fakulta na MSV v Brně prezentovat a proč se škola rozhodla právě pro něj?

Firmy oceňují studentskou mezioborovou spolupráci

Už po patnácté se na Západočeské univerzitě v Plzni uskutečnil ojedinělý výukový projekt DESING, v němž studenti z několika zdejších fakult pracují v multioborových týmech na tématech zadaných průmyslovými podniky. Vyvrcholením jeho, již 15. ročníku, byl jubilejní 10. mezinárodní workshop, který proběhl začátkem dubna ve Vědeckotechnickém parku Plzeň. Čtyři nejúspěšnější plzeňské a dva bavorské studentské týmy tu v anglicky vedených prezentacích představily návrhy svých technických produktů.

Výzkum rozděluji pouze na dobrý a špatný, říká Libor Kraus

Prezident Asociace výzkumných organizací Libor Kraus se pohybuje v oblasti výzkumu a vývoje 30 let. Jaká vidí pozitiva, úskalí a rezervy v této důležité součásti našeho ekonomického růstu? Na to jsme se ho zeptali v rozhoru, který poskytl redakci MM Průmyslového spektra.

Praktický výzkum nám dělá svět lepším

Prof. Ing. Milan Gregor, PhD. se narodil v Prievidzi a dětství prožil v Necpaloch. Zde u příležitosti oslav 600. výročí první písemné zmínky byl v roce 2015 oceněn Cenou primátorky Prievidzy za mimořádné zásluhy v rozvoji hospodářství, vědy a techniky a šíření dobrého jména Slovenské republiky v zahraničí.

Budoucnost české výroby tkví v inovacích, Část 1. Změna konstrukčního přístupu

Česká republika je zemí s dlouhou vědeckotechnickou, průmyslovou a inovační tradicí, díky níž jsme se z provincie stali jednou ze předních ekonomik světa. Dnes ale nedokážeme plně využít inovační potenciál a zaostáváme za vyspělou Evropou. Co nás brzdí?
Seriál, který připravují odborníci společnosti Autodesk, se na příkladech dobré praxe bude snažit nastínit možné cesty, jak by firmy a jedinci mohli zvýšit svůj inovační potenciál a tížený efekt.

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.

Lesk a bída českých obráběcích strojů

Česká republika, resp. tehdejší Československo, mělo bohatou historii ve výrobě obráběcích strojů. Kde v období největší slávy byli ve svých inovačních počinech současní světoví lídři, když např. kovosviťácký konstruktér Ladislav Borkovec se již v roce 1977 začal zaobírat myšlenkou multifunkčního soustružnicko-frézovacího stroje? Přes dřevěný kinematický model, který si vytvořil doma v dílně, vedla dlouhá cesta až k prototypu prezentovanému  na EMO v Paříži v roce 1980. Po vyrobení 45 strojů řady MCSY, které nenazval nikdo jinak než „Boháro“, byla z ekonomických důvodů a nedostupnosti kvalitní řídicí elektroniky bohužel výroba v tehdejším Kovosvitu ukončena. Dva bývalé kovosviťáky, srdcem i duší, Jiřího Mindla a Vladislava Čítka, jsem díky jejich letitým zkušenostem celoživotního zasvěcení oboru obráběcích strojů požádal o rozpravu nad současným stavem tuzemského oboru výrobních strojů a nad tím, jaké jsou jeho případné perspektivy.

Soumrak strojírenských bohů

Až do nedávné doby, dalo by se říci před covidem, bylo jednání některých tradičních firem vyrábějících obráběcí stroje bez pokory, a někdy hraničilo až s arogancí. Jednání bez úcty nejen vůči zákazníkům (což zní přímo drze), ale také vůči partnerům dodávajícím subdodávky, vysokým školám a také spolupracujícím partnerům. Mají za sebou přeci tradici desítek let, kdo jim bude co radit, jak mají jednat a dělat. Nikdo přeci. A nyní? Padla kosa na kámen a otupila se, možná se i pokřivilo ostří.

Ujíždí nám vlak digitalizace?

Rozhovor s Martinem Peňázem ze společnosti Autodesk, nám dává možnost nahlédnout na současnou digitální transformaci optikou, jejichž rámec a obzory se vytvářely dalece před tím, než nás doba covidová naučila přemýšlet a konat jinak a pružněji, než bylo standardem.

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