Vrtáky QTD s tvrdokovovými destičkami vyrobené aditivní technologií

Vrták Mapal QTD s vyměnitelnou destičkou je vyroben z kovového prášku pomocí systému tavení laserem od Concept Laseru, což umožňuje aplikovat novou konstrukci. QTD vrták byl dříve k dispozici v průměrech 13 mm a více. Jedním z důvodů byl přívod chladicí kapaliny v tělese nástroje. Čím menší je nástrojové těleso, tím větší je nežádoucí účinek standardního středového přívodu chladicí kapaliny na výkon nástroje. Centrální přívod chladicí kapaliny oslabuje jádro vrtáku a dělá ho nestabilním. Kromě toho musejí být chladicí kanály vždy menší. To snižuje průtok chladicí kapaliny do vložky. Nové konstrukční řešení tělesa vrtáku z nástrojové oceli se spirálovými chladicími kanálky se obvykle nepoužívá pro malé průměry. Nový design nyní umožňuje, že i jednolité vrtáky mohou být vyráběny v rozsahu průměrů 8 mm až 12 mm.

Hybridní výroba dílu, kdy stopka nástroje je vyrobena a obrobena konvenčně a vlastní vrták je zhotoven metodou aditivního tavení kovového prášku laserem, činí výrobní proces značně hospodárnější. Bezobslužná výroba bez výměn nástrojů a jednoduchý postprocesing jsou další aspekty, které zlepšují ekonomiku. Avšak největší výhodou přechodu z konvenčního výrobního procesu na aditivní výrobu bylo to, že dovoluje použít zcela nové geometrie a zvýšení výkonnosti nástrojů. Dr. Dirk Sellmer: „Změna konceptu chlazení zlepšuje výkon chlazení vrtáku. V porovnání s předchozím centrálním přívodem chladicí kapaliny s jeho rozvětvením Y zvyšuje spirální přívod chladiva průtok chladicí kapaliny o 100 %. Současně se zvyšuje pevnost jádra vrtáku tím, že chladicí kanálky jsou umístěny paralelně s drážkami pro odvod třísek. V rámci vývoje jsme navrhli i nové profily chladicích kanálů. Ty se odchylují od obvyklého kruhového tvaru mírně trojúhelníkovým tvarem. To optimalizuje modul setrvačnosti průřezu a zlepšuje průtok. V testech jsme zjistili, že průtok v této podobě se zvyšuje o 30 %. Takový profil nemůže být vyroben konvenčním způsobem. Kapalina proudí vrtákem při tlaku 1,6 až 3 bary.“

Nová koncepce chlazení znamená, že lépe chlazené vrtáky jsou vhodné pro delší vrtací práce. To také umožňuje rozšířit řadu vrtáků o menší průměry. Používá se nástrojová ocel 1.2709. Podle Dr. Sellmera je požadavek na prášek počítán z efektivní konstrukční hmotnosti plus 10 % a nevyužitý materiál je snadno recyklován. Pro rotující nástroje Mapal je vnitřní pnutí kritické. U konvenčně vyráběných dílů musí být vzhledem k velikým silám, kterým jsou vystaveny, pnutí odstraněno. To není případ LaserCUSING. Neustále se měnící místa exponované geometrie pomáhají během procesu stavby z vnitřní části napětí odstranit.

Nasazeny jsou dva systémy Concept Laser M1 cusing s centrálním materiálovým kontejnerem. Středně výkonné systémy mají stavební ohraničení 250 x 250 x 250 mm. QTD vrtáky jsou rozloženy po 10x10 nebo 11x11 na stavební paletě. Sto až sto dvacet jedna vrtáků je vyráběno najednou. Stavební výkon 400 W laserů se pohybuje mezi 6 a 18 cm³.h-1. Aby se zabránilo kontaminaci, pracuje M1 cusing pod ochrannou atmosférou dusíku, jak je obvyklé. V průběhu zpracování se práškový materiál předehřívá na 60–70 °C. Tepelná expanze v procesu stavby musí být vzata v úvahu již při konstrukci. Po počátečních úspěších s řadou výrobků stoupá poptávka po výrobních kapacitách. I díky dobré organizaci může výroba probíhat 24 hodin, 7 dní v týdnu s bezobslužným provozem. Podle Dr. Dirka Sellmera jsou možnosti pro další rozšíření kapacity také ve využití více laserů v systému. V roce 2014 zmínil Dr. Kress, majitel Mapalu, potřebu alespoň pěti systémů ve střednědobém horizontu.

Zeptáte-li se Matthiase Schneidera, zaměstnance oddělení výzkumu a vývoje Dr. Sellmera, pak podle něj byly hlavním důvodem pro výběr Concept Laseru snadná ovladatelnost, přístupnost a uživatelská přívětivost. Matthias Schneider také zmiňuje jako přednost Concept Laseru otevřený přístup k parametrům pro nastavení procesů. Proměnné parametry jsou obzvláště významné při zkouškách a zhotovování nových výrobků pro optimalizaci procesu. Systémy Concept Laseru vynikají díky jejich stochastickému řízení polohování segmentů řezu (jinak též „ostrovy“), které jsou zpracovávány postupně. Tato expoziční strategie způsobuje nejnižší napětí v součásti.

Změny v designu jsou patrné i v jiných oblastech u Mapalu. Váhově optimalizované, laserem stavěné externí výstružníky společnosti se sídlem v Aalenu jsou rovněž nové. Čím lehčí jsou výstružníky, tím lépe fungují. To platí zejména pro obrábění hřídelí malého průměru. Konvenčně vyráběné 8,5mm velké ocelové výstružníky už váží 400 gramů. Tato hmotnost a výsledné setrvačnosti přísně omezují maximální rychlosti. Aditivní výroba umožňuje stavět lehké vnější výstružníky s integrovaným vyvažovacím potenciálem. Dr. Dirk Sellmer: „Rozložení hmotností voštinové struktury výstružníků je jako vyvážení kol. Vnitřní dutiny označujeme jako vyvažovací profily. Vyvažovací profily nám umožní dosáhnout téměř dokonalé soustřednosti rotujících nástrojů.“ Žebrovaná struktura, speciálně navržená pro tyto aplikace, která byla zapsána na patentové žádosti, sníží hmotnost „nového“ 8,5mm vnějšího výstružníku na 172 gramů. To je úspora hmotnosti 57 %, s následkem lepšího výkonu této rotující součásti. Obrábění je rychlejší a přesnost je větší.

Aditivní výrobní strategie prokázaly, že vedou ke zvýšení konkurenceschopnosti, zlepšení ekonomiky a zvýšení přidané hodnoty. „V nejširším slova smyslu můžeme říci, že součásti budoucnosti jsou inteligentnější nebo komplexnější a samozřejmě nabízejí lepší výkon,“ pokračuje Dirk Sellmer a dodává: „Dávají nám také nové možnosti v konstrukci, která vyústí v nových geometriích s novými funkčními vlastnostmi. Obecně platí, že aditivní výroby usnadňují nová produktová řešení, která by byla nemyslitelná s konvenčními metodami. Každý realizovaný projekt je vzdělávací zkušenost. Tyto znalosti jsou pak použity v nových, budoucích projektech.“ Kromě optimalizace kvality upřednostňuje Mapal řízení procesů, aby bylo možné aditivně vyrábět lepší povrchy blíže k přesné součásti. Kryogenní odebírání třísky a požadavky na uzavřené chladicí okruhy a vnitřní komory vytvářejí nové technologické požadavky.

Zpracováno redakcí.Hedvika Hendrichová

hendrichova@misan.cz

www.misan.cz