Výzkum pro praxi:
Vývoj v oblasti Hybrid Manufacturing

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.“

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.