Fraunhofer ILT in MacLean-Fogg sta skupaj izdelala kompleksno orodje za litje pod pritiskom z vgradnjo laserskega prahu (PBF-LB/M). Posebej razvito orodje L-40 prvič omogoča aditivno proizvodnjo močno obremenjenih, velikih orodij in tako uresničitev hlajenja v bližini konture. Prvi rezultati manjših orodij, ki jih Toyota že uporablja v serijski proizvodnji, kažejo na znatno podaljšano življenjsko dobo aditivno izdelanih orodij. V okviru trenutnega projekta je bilo izdelano hibridno, veliko orodje za ohišje menjalnika Toyota Yaris Hybrid. Kombinirani postopek s konvencionalnim predoblikovancem in aditivno izdelanimi strukturami skrajša čas proizvodnje, zniža stroške in omogoča veliko raznolikost na skupni orodni platformi.
Avtomobilska industrija se nahaja sredi globokih sprememb. Pritisk na stroške in prehod na električno mobilnost mnoge proizvajalce prisilita, da temeljito preučijo svojo arhitekturo vozil in proizvodne procese. Mnogi proizvajalci trenutno zmanjšujejo število posameznih stiskalnih delov in si prizadevajo za čim manj, a zelo kompleksnih strukturnih komponent. Še posebej pri velikih aluminijastih delih, kot so okvirji ali komponenti menjalnikov, se povečujejo tudi zahteve glede orodij: ta morajo biti termično zelo obremenljiva, omogočati različne variante in se čim hitreje prilagajati novim geometrijam.
Ta sprememba prinaša nove izzive: Litišča, potrebna za to, morajo biti ne le večja kot doslej, temveč tudi bolj odporna ob hkrati kompleksni geometriji in krajših razvojnem časih. Prav tu se osredotoča projekt na Fraunhoferjevem inštitutu za lasersko tehnologijo ILT v sodelovanju s proizvajalcem prahu L-40 MacLean-Fogg in Toyoto kot končnim uporabnikom.
Z uporabo na Fraunhofer ILT razvite gantry-bazirane PBF-LB/M naprave s prilagodljivim volumnom in orodnega jekla, ki ga je za aditivno proizvodnjo razvila MacLean-Fogg, so prvič uspešno aditivno izdelali zelo velike litinske kalupe s hladilnimi kanali v bližini kontur – primerni za velike komponente iz visokotlačnega litja (HPDC).
Masivne geometrije so v PBF-LB/M doslej povzročile notranje napetosti in kritične napake.
Z naraščajočo uveljavitev postopkov velikega litja se povečujejo tudi zahteve po orodjih, ki se uporabljajo pri HPDC. Oblike morajo omogočiti natančno, ponovljivo kakovost komponent pri zelo visokih količinah in hkrati zdržati ekstremne mehanske in toplotne obremenitve. Da bi zagotovili zadostno življenjsko dobo orodnih vložkov, so kompleksne notranje hladilne strukture nujne, ki jih s konvencionalnimi proizvodnimi postopki ni mogoče uresničiti. Dva osrednja problema sta doslej omejevala aditivno proizvodnjo takih velikih oblik za litje pod pritiskom: po eni strani je razpoložljiv volumen klasičnih PBF-LB/M strojev premajhen, da bi v enem kosu izdelali vložke velikosti 600 x 600 mm² ali več. Po drugi strani pa so doslej uporabljeni orodni jekli – zlasti H11 (1.2343), H13 (1.2344) ali M300 – v tej velikosti (>20.000 cm³) težko obdelovalni. Tudi pri optimalnih parametrih grozi nastanek razpok, toplotna deformacija in nezadostne mehanske lastnosti.
To velja tako med laserom podprtimi postopki kot tudi pri kasnejši toplotni obdelavi. Tveganje je večje, čim močnejši so temperaturni gradienti znotraj dela med proizvodnim procesom – učinek, ki je pri velikih obdelovancih še posebej izrazit. "Za premagovanje te omejitve potrebujemo novo generacijo strojev in materialov, ki so posebej prilagojeni zahtevam velikih HPDC orodij," pojasnjuje Niklas Prätzsch, vodja skupine LPBF procesne tehnologije na Fraunhofer ILT. "Natančno ta kombinacija je bila predmet zdaj realiziranih razvojnih projektov."
"Nova materialna in strojna tehnologija omogoča prvič tudi proizvodnjo velikih orodij s prosto oblikovano hladilno strukturo. S tem je mogoče ne le ciljno znižati lokalne temperaturne vrhove v procesu litja, temveč se povečuje tudi raznolikost variant ob hkrati visoki življenjski dobi. Tako je mogoče na eni orodni platformi proizvesti različne komponente, ne da bi bilo treba vsakič izdelovati nova orodja."
Skalabilna LPBF-proizvodnja za brezrazlične velike komponente
Za to je bila napredovana Gantry-bazirana 5-laserska PBF-LB/M naprava, razvita na Fraunhofer ILT, s trenutno prostornino 1.000 x 800 x 350 mm³. V nasprotju s tradicionalnimi sistemi ima pomični obdelovalni glavo in lokalno usmerjanje zaščitnega plina, kar omogoča linearno skaliranje prostornine pri enakih procesnih robnih pogojih (hitrost pretoka zaščitnega plina, kot odklona laserskega žarka itd.) vzdolž osi naprave. Tako je mogoče perspektivno proizvesti še večja orodja aditivno, kot je orodje, obravnavano v tem projektu, s prostornino več kot 20.000 cm³ in omejevalno škatlo 515 x 485 x 206 mm³.
Za zmanjšanje kritičnih temperaturnih gradientov pri velikih orodjih je bilo dodatno razvito ogrevano substratno modul. Gradbena platforma zdaj doseže temperaturo 200 °C, kar pomeni, da se vsaka nova plast ne ohladi na sobno temperaturo, temveč le na vnaprej določeno toplotno plato. Ta pristop zmanjšuje toplotno inducirane napetosti in nevarnost nastanka razpok med gradbenim procesom. Kombinacija velikega prostora za gradnjo, visoke procesne stabilnosti in aktivnega predgrevanja naredi to napravo eno prvih LPBF sistemov na svetu, ki je primerna za gospodarsko proizvodnjo orodij za litje pod pritiskom, tudi za mega ali giga litje.
»Ključ do uspeha leži v L-40 materialu podjetja MacLean-Fogg, ki je prilagojen zahtevam PBF-LB/M,« komentira Prätzsch. Ta jeklo se odlikuje z znatno zmanjšano nagnjenostjo k razpokam v primerjavi s konvencionalnimi orodnimi jekli – tako med proizvodnjo kot pri toplotni obdelavi. L-40 doseže že v stanju, kot je bilo zgrajeno, visoko natančnost, izjemne lastnosti pri trdoti (48 HRC), natezni trdnosti (1420 MPa) in žilavosti pri udarcu (>60 J). V obsežnih raziskavah so bili uspešno potrjeni tako prenos parametrov na nov koncept stroja kot tudi zmogljivost v kompleksnih geometrijah – na primer pri okroglih ali visečih hladilnih kanalih.
V skupnem se kombinacija skalabilne PBF-LB/M naprave in posebej razvitega materiala prvič omogoča gospodarsko, ponovljivo proizvodnjo velikih litih kalupov s konturami blizu hlajenja. Prve aplikacije kažejo, da se življenjska doba tako izdelanih orodij v primerjavi s konvencionalnimi kalupi znatno podaljša.
Hibridna proizvodnja za serijska orodja
V okviru projekta so partnerji izdelali aditivno proizveden vložek orodja za ohišje menjalnika, ki je že danes v uporabi pri Toyoti. Vložek za litje vključuje kompleksno omrežje hlajenja blizu kontur, kar je že jasna prednost aditivne proizvodnje, ki je s konvencionalnim obdelovanjem ni mogoče doseči. Projektna ekipa se je za aditivno gradnjo orodja odločila za hibridni proces na posebej izdelani predoblikovani komponenti, ki je že imela vertikalne hlajene kanale. Natančna pozicioniranje in procesno zanesljiva povezava obeh komponent sta postavila visoke zahteve glede kalibracije strojev, natančnosti in vodenja procesov. Takšne hibridne strukture ponujajo potencial za nadaljnje zmanjšanje časa gradnje in stroškov, saj se dražji postopek PBF-LB/M uporablja le na tistih področjih komponent, ki jih konvencionalno ni mogoče doseči.
Kompleksno strukturo hlajenja so raziskovalci zasnovali tako, da se kritične cone kalupa med litjem učinkovito temperirajo. S tem se zmanjša toplotna obremenitev, kar vodi do znatno daljše življenjske dobe orodja. V prejšnjih projektih je bilo z uporabo primerljivega aditivnega orodja doseženo do štirikrat daljšo življenjsko dobo v primerjavi s konvencionalnim H13 orodjem.
Po postavitvi HPDC kalupa je sledila industrijsko običajna toplotna obdelava z razbremenitvijo napetosti in kaljenjem ter konvencionalno obdelavo funkcionalnih površin. Visoka dimenzijska stabilnost aditivne osnovne komponente je zahtevala le natančno končno obdelavo brez dodatnih materialnih stroškov.
Pot do učinkovitih in trajnih litih kalupov v avtomobilski industriji
Proizvodnja velikih litih kalupov z aditivnimi postopki se ukvarja z več ključnimi izzivi današnje avtomobilske proizvodnje, zlasti v kontekstu preobrazbe v električno mobilnost. Ključna prednost je v hlajenju blizu kontur, ki ga 3D tisk prvič omogoča prosto oblikovati. Hladilni kanali se lahko optimalno prilagodijo termično močno obremenjenim območjem orodja. To lokalno znižuje temperaturne vrhove, zmanjšuje termomehansko obrabo in znatno podaljšuje življenjsko dobo kalupa.
Hkrati aditivna proizvodnja ponuja možnost drastičnega skrajšanja časovnih ciklov. Namesto zapletenega obdelovanja več komponent orodja in njihove montaže zadostuje konsolidirana, neprekinjena aditivna gradnja. Litje za Toyoto je bilo izdelano v manj kot desetih dneh, vključno z vsemi pripravljalnimi koraki. Za OEM to pomeni krajše razvojne cikle in hitrejšo uvedbo novih platform vozil na trg.
Možnost hibridne gradnje obsežnih orodij ustvarja dodatno fleksibilnost. Komponente z določenimi vmesniki je mogoče učinkovito aditivno dopolniti in funkcionalno optimizirati, ne da bi bilo treba celotno komponento ponovno izdelati. S tem se zmanjšata tako poraba materiala kot tudi stroški na orodje.
»Z L-40 smo si zadali cilj premagati meje aditivne proizvodnje za tople in hladne oblikovne naprave na splošno ter za litja orodij posebej. Ta projekt dokazuje, da je mogoče izdelati velike, kompleksne in hkrati visoko obremenljive vložke ter prinaša jasne mejnike, da bi bili tudi gospodarsko privlačni. Aditivna proizvodnja je pripravljena sprejeti prave izzive v industrijskem obsegu. Za OEM je to odločilna prednost: krajši razvojni časi, daljše življenjske dobe orodij in večja fleksibilnost pri oblikovanju orodij«, pravi Harald Lemke, direktor upravljanja izdelkov, MacLean-Fogg Component Solutions.
Za proizvajalce vozil, kot je Toyota, ki stavijo na manj delov in kompleksnejše strukture, te razvojne možnosti ponujajo nove možnosti v strategiji orodij: manj dela pri proizvodnji orodij, daljše življenjske dobe in možnost realizacije več različic z le enim orodjem.
Izdelana komponenta prepričljivo dokazuje, da razviti procesni sklop – sestavljen iz velike LPBF naprave, inovativnega materiala in hibridne proizvodnje – izpolnjuje zahteve realnih industrijskih aplikacij tudi v okolju Giga Casting.
Potencial sega daleč preko posameznega primera: razviti procesni sklop ni primeren le za velike aluminijaste HPDC vložke, temveč tudi za večino drugih toplih in hladnih oblikovnih orodij in vložkov, kot so vložki za stiskanje, navoje ali brizgalne vložke. Povsod, kjer so potrebna visoko obremenjena orodja s kompleksnim hlajenjem in omejenimi serijami, lahko aditivna proizvodnja ponudi znatne prednosti.
Kontakt:
