tit300Technológia odlievania pod tlakom patrí medzi najčastejšie požívané výrobné postupy na výrobu kovových a plastových dielov, pretože počas jedného cyklu je možné vyrobiť tvarovo zložité súčiastky s úzkymi toleranciami.


V súčasnosti je trend integrovať viac dielov do jedného celku, čo robí návrh formy zložitejším. Pomocou simulačných programov určených pre túto technológiu výroby je možné odhaliť prípadné problémy v konštrukcii formy alebo dielu už vo fáze návrhu, čím sa šetria finančné náklady spojené s nutnosťou prípadných úprav formy.
Formy na odlievanie sa skladajú z niekoľkých funkčných časti zabezpečujúcich ich správne fungovanie. [1] Patria sem: vtokový systém, tvarové časti formy, chladiaci systém, odvzdušňovací a vyhadzovací systém. Tento príspevok je zameraný práve na chladiaci systém, ktorému sa pri návrhu formy často nevenuje dostatok pozornosti. Konvenčné chladiace systémy nedokážu spoľahlivo odvádzať teplo z dutiny formy, čo ma za následok nerovnomerné chladnutie v jednotlivých častiach formy a následný vznik deformácií.
Problém je čiastočne možné odstrániť dlhším cyklami chladenia, ktoré však predlžujú celý proces a vnášajú do finálneho komponentu zvyškové napätie. Možným riešením týchto problémov je použitie foriem s konformným chladením, vyrobených pomocou technológie Direct Metal Laser Sintering. [2]

DMLS (Direct Metal Laser Sintering)
Technológia je založená na princípe postupného tavenia veľmi jemných vrstiev kovového prášku pomocou laserového lúča. Umožňuje veľmi rýchlu výrobu plne funkčných kovových dielov priamo za použitia 3D CAD dát, čím sa znižujú investície do výrobných nástrojov a technológií. Technológia bola vyvinutá v roku 1995 nemeckou firmou Electro Optical Systems (EOS) v spolupráci s Rapid Product Innovations (RPI). V tej dobe to bola prvá metóda zo súboru technológií RP, ktorá bola schopná vyrobiť kovový diel v jednom procese.
V súčasnosti DMLS umožňuje výrobu niekoľko tvarovo odlišných dielov zároveň pričom ponúka širokú škálu vlastností a to od riadenia porozity až po výrobu plne homogénnych štruktúr, ktoré môžu dosahovať vyššej pevnosti ako odliatky alebo výkovky. Na obrázku 1 sú zobrazené súčiastky vyrobené pomocou metódy DMLS. [1, 3]

obr1
Obr. 1: Komponenty vyrobené technológiou DMLS

 

Výroba dielu začína v etape preprocessingu, keď sú do obslužného softvéru importované 3D CAD dáta vyrábaného dielu. Uprednostňovaným formátom je formát *.stl. Neoddeliteľnou súčasťou tejto etapy je aj kontrola modelu z dôvodu uzavretia objemu súčasti pomocou siete rovinných trojuholníkových plôch. Následne je navrhnutá optimálna výrobná pozícia dielu a vhodná hrúbka spekaných vrstiev. [4] Hrúbka zvolenej vrstvy je dôležitým faktorom, ktorý má vplyv najmä na presnosť a rýchlosť výroby.
To v praxi znamená, že nastavenie nižšej hodnoty vrstvy zvyšuje presnosť, ale predlžuje dobu potrebnú na vytvorenie modelu. Podľa vybraného materiálu následne softvér rozdelí model na jednotlivé vrstvy. Spracované dáta sú odoslané do DMLS zariadenia, kde sa uskutočňuje samotná výroba, ktorej postup je zobrazený na obrázku 2. [5]

obr2
Obr. 2: Princíp činnosti technológie DMLS

 

Spektrum využitia DMLS technológie je veľmi široké, od prototypových dielov cez malosériové výroby až po finálne výrobky. Výhody procesu DMLS technológie rastú spoločne s tvarovou rozmanitosťou modelu; čím tvarovo zložitejšia a detailne rozmanitejšia je súčiastka, tým je výroba ekonomicky efektívnejšia v porovnaní s konvenčným spôsobom výroby. Práve táto možnosť priamej výroby zložitých súčastí prináša reálne zníženie nákladov na výrobu, skrátenie výrobných časov a taktiež znižuje ekologickú stopu, keďže nepoužitý prášok sa vráti späť do výroby, čím sa minimalizuje množstvo vytvoreného odpadu. [3, 5]

Aplikácia DMLS pri výrobe foriem
Metódy rýchlej výroby nástrojov a foriem tvoria jednu z dôležitých oblastí využitia technológie DMLS. Najmä pri zhotovení foriem je hlavnou výhodou, že výrobný čas nie je príliš ovplyvnený zložitosťou geometrie dutiny formy, na rozdiel od výroby konvenčnými technológiami. V prípade prototypových či malosériových foriem sa bežne používa výroba tvarových vložiek do univerzálnych rámov; ako materiál formy sa väčšinou volia zliatina bronzu (Direct Metal 20) s ohľadom na rýchlosť stavby a ľahké dokončenie povrchu dutiny.
Životnosť tohto typu foriem závisí od druhu odlievaného materiálu, ale približne sa pohybuje do 2 000 ks. Veľkou výhodou metódy DMLS je možnosť kombinácie s tradičnými výrobnými postupmi, potom hovoríme o tzv. „hybridnej koncepcii“ (obr. 3). [2, 6]

obr3
Obr. 3: Forma vyrobená hybridnou koncepciou


Typickým príkladom tejto koncepcie je forma, kde jedna jej polovica je tvarovo jednoduchšia (väčšinou pohľadová strana) a druhá časť formy obsahuje tvarovo zložitejšie geometriu ako rebrá, zaisťovacie prvky atď. V takomto prípade býva ekonomicky výhodné použiť konvenčné obrábacie metódy pre výrobu pohľadovej strany, a na výrobu jadra využiť DMLS. V mnohých prípadoch sa zložito obrábateľná geometria týka iba relatívne plošne malých oblastí v dutine formy – potom je výhodné vyrobiť iba malé vložky, ktoré sú vsadené do vyfrézovaných v dutín formy. [2, 7]
Vývoj technológie DMLS postúpil natoľko, že umožňuje výrobu sériových foriem s tvarovými chladiacimi kanálmi, ako sú zobrazené na obr. 4. Dostupnosť nových materiálov výrazne predlžuje životnosť foriem, ktorá môže dosahovať milióny kusov pri plastových výliskoch a tisíce kusov v prípade tlakového liatia kovu.
Chladenie foriem je jednou z najdynamickejšie sa rozvíjajúcich oblastí aplikácie metódy DMLS. V prípade odlievacích foriem sa bežne používajú vŕtané chladiace kanály, ktorých účinnosť nie je úplne ideálna. Zabezpečenie optimálneho chladenia dutiny formy je mnohokrát veľmi ťažké nielen s ohľadom na tvarovú zložitosť, ale často sa v priestore potrebnom na vedenie chladiacich kanálov nachádzajú aj vyhadzovače a výsuvné vložky, ktorým sa musí dráha chladiacich kanálov vyhnúť. Chladiaca sústava riešená klasickými metódami je teda kombináciou priamych vŕtaných kanálov, kde často nie je možné sledovať tvarové zakrivenie dutiny formy. [1, 5]

obr4
Obr. 4: Rez modelom formy s konformným chladením

 

Metóda DMLS ponúka široké spektrum možností pri návrhu chladiacej sústavy z hľadiska tvaru i umiestnenia kanálov. Ak chladiace kanály sledujú tvar dutiny formy, hovoríme o tzv. konformnom chladení (Conformal Cooling). Takto vyrobené chladiace kanály poskytujú rovnomernejšie rozloženie teploty a rýchlejšie chladenie v dutine formy. Zároveň sa zvyšuje rozmerová a tvarová presnosť výliskov a odliatkov. Samozrejme, najväčším prínosom je skrátenie výrobného cyklu, a to až o 40 %, čo má v konečnom dôsledku pozitívny vplyv aj na finálnu cenu.
Odformovanie mnohokrát závisí na dochladení konkrétneho miesta vo forme, ktoré je z rôznych dôvodov pomalšie chladené. Tieto miesta je možné s predstihom odhaliť pomocou simulačnej analýzy. [2, 6] Konštruktér potom môže navrhnúť vhodné riešenie chladenia, môže optimalizovať veľkosť, tvar a prierez chladiacich kanálov a tým dosiahnuť maximálny chladiaci efekt.
DMLS metóda umožňuje priebežne meniť prierez kanála z kruhového tvaru do podoby sledujúcej povrch dutiny formy a späť, čo je možné s výhodou využiť napríklad pri chladení rôznych vystúpených tvarov a rebier. Ako materiál na výrobu foriem sa najčastejšie používa nástrojová oceľ MS1 a zliatina bronzu DM20 – záleží na tom, či ide o malosériovú alebo sériovú výrobu.
Konvenčné chladiace kanály sú obrábané s priamou geometriou. Táto metóda vedie k nekonzistentným výsledkom, pretože konvenčné chladenie nemôže zaručiť spoľahlivé chladenie v celej dutine formy. Nerovnomerné chladenie naprieč jej časťami vedie k dlhším dobám cyklu, nerovnomernému chladeniu, deformáciám a k produkcii nepodarkov.
Konformný chladiaci kanál (CCC) ukazuje potenciálnu alternatívu. Konformné chladenie využíva chladiaci kanál kopírujúci tvar formy. Obr. 5 znázorňuje rovno vŕtané (konvenčné) a konformné (nekonvenčné) chladiace kanály. Hlavnou výhodou CCC je, že skracuje čas chladenia a zabezpečuje rovnomerné chladenie v dutine formy. CCC bolo preukázané ako efektívnejšie v porovnaní s konvenčnými chladiacimi kanálmi z hľadiska rýchlosti výroby a presnosti lisovaných dielov. [8]

obr5
Obr. 5: Porovnanie konformného a konvenčného chladenia

 

Záver
Predkladaný príspevok predstavuje teoretický úvod do riešenej problematiky okolo súboru technológií rýchleho prototypovania a jeho využitia pri konštrukcii foriem. Tieto technológie patria medzi takzvané aditívne spôsoby výroby, keď materiál nie je odoberaný, ale naopak, pridávaný v tenkých vrstvách, ktoré sú následne vytvrdzované. Bližšie rozobraná je technológia DMLS a jej aplikácia, ktorá prináša potenciálne využitie pri konštrukcii foriem. Konkrétne pre konformné chladiace systémy, ktorých výroba konvenčnými metódami obrábania je nemožná alebo finančne a časovo veľmi náročná. Konformné chladenie využíva zložité geometrie, ktoré kopírujú tvar budúceho výrobku a zabezpečujú rovnomerné chladenie v celej dutine formy.

Príspevok bol spracovaný s podporou projektu VEGA 1/0041/16.

Literatúra
[1] CHUA, C. K, Rapid Prototyping: Principles and applications, 2nd ed. Hackensack: World Scientific, 2005, 420 s. ISBN 981-238-120-1.
[2] GEBHARDT, A. Rapid Prototyping, CARL HANSER VERLAG, 2003, 377s. ISBN 3-446-21259-0.
[3] PLANCAK, M.: Rapid Prototyping and Rapid Tooling. FTN, Novi Sad, 2009, 164 p., ISBN 97886-7892-232-9
[4] PÍŠKA, M. a kolektiv, Speciální technologie obrábění, Akademické nakladatelství CERM, s. r. o., Brno 2009, 246 s., ISBN 978-80-214-4025-8.
[5] SEDLÁK, J.; PÍŠA, Z.: Rapid Prototyping master modelů pomocí CAD/CAM systémů. In Mezinárodní vědecká konference 2005. Ostrava: VŠB TU Ostrava, Fakulta strojní, 30s., ISBN: 80-248-0895-1.
[6] ROZKOŠNÝ, L.: Konformní chlazení vstřikolisových forem. [online]. Dostupné na World Wide Web: http://www.techtydenik.cz/detail. php?action=show&id=5101&mark
[7] Direct Metal Laser Sintering. [online]. Dostupné na World Wide Web: http://www.custompartnet.com/wu/direct-metal-laser-sintering
[8] MM PRŮMYSLOVÉ SPEKTRUM. Rapid Prototyping pro každého. [online]. Dostupné na World Wide Web: http://www.mmspektrum.com/ clanek/rapid-prototyping-prokazdeho

TEXT/FOTO: Štefan GAŠPAR, Tomáš CORANIČ, Technická univerzita v Košiciach, Fakulta výrobných technológií
Recenzent/Reviewer: Ing. Stanislav Kotšmíd, PhD.