Hybrydowa technologia w centrach obróbkowych

Postęp w budowie wieloosiowych maszyn CNC do obróbki skrawaniem oraz postęp w budowie urządzeń technologii przyrostowej z zastosowaniem laserów dużej mocy umożliwił stworzenie technologii hybrydowej w jednej maszynie, w jednym zamocowaniu przedmiotu obrabianego. Oprócz obróbki skrawaniem, wykorzystano druk 3D z proszku metalu stapianego promieniem lasera bezpośrednio na powierzchni przedmiotu obrabianego.

Nowe możliwości technologii przyrostowych

Technologia hybrydowa (zgodna z koncepcją Done-in-One) integruje wszystkie procesy obróbki od zamocowania surowego materiału do obróbki wykańczającej w jednej tylko maszynie. Efektem jest skrócenie czasu realizacji zamówień, zwiększenie dokładności obróbki, zmniejszenie powierzchni produkcyjnej, zmniejszenie kosztu materiału. Ponadto metoda ta nie tylko zwiększa wydajność produkcji, ale także pomaga doskonalić zarządzanie. Eliminuje konieczność zakupu i instalowania maszyn przeznaczonych wyłącznie do technologii przyrostowej.

Hybrydowa technologia w centrach obróbkowych może być realizowana na dwa sposoby. W pierwszym przypadku przedmiot w całości kształtowany jest w procesie drukowania 3D z wykorzystaniem proszku metalu stapianego promieniem lasera (mikro-spawania laserowego), a następnie poddany jest obróbce skrawaniem. W drugim przypadku przedmiot częściowo wykonany jest z materiału pełnego w procesie obróbki skrawaniem, po czym jest uzupełniany przez dodrukowanie brakujących brył, a następnie poddawany ponownej obróbce skrawaniem. Przedmiot może być tworzony od początku do końca z jednego materiału, albo materiał może być zmieniony w trakcie tworzenia jego bryły.

Hybrydowa technologia może być stosowana do produkcji części, ich regeneracji, powierzchniowego powlekania innym materiałem itp.

Zaletą użycia lasera dużej mocy jest mała strefa wpływu cieplnego na materiał, na którym osadzane są elementy drukowane.

Opisana technologia przeznaczona jest do wykonywania małych serii złożonych i precyzyjnych części na potrzeby techniki lotniczej, kosmicznej, energetycznej i medycznej, głównie do:

• przedmiotów cienkościennych,
• przedmiotów składających się z przenikających się wielu brył,
• obudów z króćcami przyłączenio­wymi,
• przedmiotów zbudowanych z dwóch materiałów,
• przedmiotów powlekanych.

Zdecydowanymi liderami w dziedzinie budowy obrabiarek przeznaczonych do technologii hybrydowej są firma DMG Mori oraz firma Mazak, które od kilku lat oferują centra obróbkowe z przyrostowym budowaniem geometrii przedmiotu obrabianego.

Centrum obróbkowe DMG Mori LASERTEC 65 3D

Firma DMG Mori produkująca tokarki CNC, frezarki CNC i centra obróbkowe oferuje centrum LASERTEC 65 3D (zdjęcie centrum z widoczną głowicą laserową na sąsiedniej stronie) pracujące w technologii hybrydowej z zastosowaniem głowic do laserowego druku 3D.

Centrum obróbkowe LASERTEC 65 3D wyposażone jest we wrzeciona tokarskie i frezarskie umożliwiające obróbkę skrawaniem w pięciu osiach, automatyczny magazyn narzędzi na standardowo 30 pozycji, oraz w głowice laserowe o mocy 2000 W do nakładania proszku metalu, który doprowadzany jest dyszami na powierzchnie przedmiotu obrabianego, a następnie podgrzewany do temperatury topnienia za pomocą promienia laserowego o mocy 2000 W. Po napyleniu metalu przedmiot poddawany jest obróbce skrawaniem. Dzięki temu cały proces technologiczny przebiega w jednym zamocowaniu.

Centrum LASERTEC 65 3D zapewnia:

• najlepszą jakość obrobionych powierzchni,
• nawet 10-krotne skrócenie procesu wytwarzania,
• obróbkę kompletną na gotowo z automatyczną zmianą trybu pomiędzy frezowaniem i obróbką laserową,
• hybrydowy moduł oprogramowani CAD/CAM do tworzenia struktur i ścieżek obróbki,
• adaptacyjną kontrolę procesu automatycznie dopasowaną do wydajności drukowania laserowego,
• spawanie laserowe różnorodnych materiałów, między innymi stali nierdzewnej, stopów metali kolorowych, inconelu, stellitu.

Na fot. 5, 6, 7, 8 i 9* widoczne są kolejne etapy hybrydowej obróbki korpusu turbiny, a na fot. 10 przedstawiono stan wirnika po kolejnych etapach obróbki hybrydowej.

Centrum obróbkowe Mazak INTEGREX i-400 AM

Firma Mazak jest znanym producentem obrabiarek laserowych i centrów obróbkowych. W jej ofercie znajduje się przeznaczone do technologii hybrydowej pięcioosiowe centrum obróbkowe INTEGREX i-400 AM (fot. 1). Wyposażone jest ono w dwie głowice laserowe światłowodowe (fot. 2, 3, 4), przechowywane w 36-pozycyjnym magazynie narzędzi i ładowane do wrzeciona frezarskiego przez standardowy zmieniacz narzędzi. Jedna głowica pracuje z dużą szybkością, dozując większe porcje metalu, a druga głowica wysokiej dokładności dozuje mniejsze porcje metalu. Proszek metalu doprowadzany jest dyszami na powierzchnię przedmiotu obrabianego, a następnie spiekany za pomocą promienia lasera światłowodowego. Po napyleniu detalu metalem odbywa się obróbka skrawaniem całego przedmiotu.

Ocena wytrzymałości wyrobu

Podczas stosowania technologii hybrydowej, ze względu na złożoność produkcji, niezbędny jest dostęp do zaplecza umożliwiającego przeprowadzanie badań wytrzymałościowych, metalograficznych i innych wskazanych do pełnej oceny otrzymanego wyrobu. Dotyczy to zwłaszcza przedmiotów zbudowanych z różnych materiałów.

Podsumowanie

Technologia hybrydowa jest nowością ostatnich kilku lat. Opisane przykłady maszyn, nawet bez wykorzystania technologii przyrostowej, są uniwersalnymi obrabiarkami najwyższej jakości. Dodatkowo zainstalowane w nich laserowe systemy drukujące, w połączeniu z odpowiednim oprogramowaniem, praktycznie zmieniają dotychczasowe zasady projektowania procesów technologicznych w małoseryjnej produkcji złożonych części w przemyśle lotniczym, kosmicznym, energetycznym i medycznym.

Odpowiada to najnowszym tendencjom obserwowanym w całym przemyśle obrabiarkowym, bowiem wszystkie wiodące firmy tej branży już produkują seryjnie centra obróbkowe, zgodnie z wymaganiami wyznaczanymi przez koncepcję Przemysł 4.0. oraz ideę Smart Factory.

Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP
tel. 22 874 01 94, 22 874 04 42, fax 22 874 02 16
www.piap.pl

*Grafiki dostępne w drukowanej i elektronicznej wersji Miesięcznika Automatyka 

źródło: Automatyka 10/2016