Fraunhofer ILT ve MacLean-Fogg, birlikte karmaşık bir döküm kalıp içi lazer toz yatak füzyonu (PBF-LB/M) üretti. Özel olarak geliştirilen L-40 kalıp çeliği, ilk kez yüksek yük altında çalışan büyük hacimli kalıpların eklemeli üretimini mümkün kılıyor ve böylece kontur yakın soğutmanın uygulanmasını sağlıyor. Toyota'nın zaten seri üretimde kullandığı daha küçük kalıplar için elde edilen ilk sonuçlar, eklemeli olarak üretilen kalıpların belirgin şekilde uzatılmış bir kullanım ömrüne sahip olduğunu gösteriyor. Mevcut projede, Toyota Yaris Hybrid'in şanzıman kasası için hibrit, büyük hacimli bir kalıp oluşturuldu. Geleneksel ön şekil ile eklemeli olarak üretilen yapıların kombinasyonu, üretim süresini kısaltıyor, maliyetleri düşürüyor ve ortak bir kalıp platformunda yüksek varyasyon çeşitliliğine olanak tanıyor.
Otomotiv endüstrisi derin bir dönüşümün ortasında. Maliyet baskısı ve elektrikli mobiliteye geçiş, birçok üreticiyi araç mimarilerini ve üretim süreçlerini köklü bir şekilde gözden geçirmeye zorlamaktadır. Birçok üretici şu anda bireysel pres parçalarının sayısını azaltmakta ve mümkün olduğunca az ama yüksek karmaşıklıkta yapı bileşenleri hedeflemektedir. Özellikle büyük alüminyum bileşenlerde, örneğin şasi veya şanzıman bileşenlerinde, aletler üzerindeki talepler de artmaktadır: Termal olarak yüksek yük taşıyabilmeli, çeşitlilik sunabilmeli ve mümkün olan en kısa sürede yeni geometrilere uyum sağlayabilmelidir.
Bu dönüşüm yeni zorluklar getiriyor: Bunun için gerekli döküm kalıpları, sadece daha büyük olmamalı, aynı zamanda karmaşık geometriler ve daha kısa geliştirme süreleri ile birlikte daha dayanıklı olmalıdır. İşte bu noktada, Fraunhofer Lazer Teknolojisi Enstitüsü ILT'nin, L-40 toz üreticisi MacLean-Fogg ve son kullanıcı Toyota ile birlikte yürüttüğü bir proje devreye giriyor.
Fraunhofer ILT tarafından geliştirilen gantry tabanlı PBF-LB/M makinesi ve MacLean-Fogg tarafından eklemeli üretim için geliştirilen alet çeliği kullanılarak, ilk kez kontur yakın soğutma ile çok büyük döküm kalıpları eklemeli olarak üretildi - büyük hacimli yüksek basınçlı döküm (HPDC) bileşenleri için uygun.
Büyük geometriler, PBF-LB/M'de iç gerilimler ve kritik kusurlara yol açtı.
Büyük döküm yöntemlerinin giderek daha fazla benimsenmesiyle birlikte, HPDC'de kullanılan aletler üzerindeki gereksinimler de artmaktadır. Kalıplar, çok yüksek adetlerde hassas, tekrarlanabilir parça kalitesi sağlamalı ve aşırı mekanik ve termal yüklemelere dayanabilmelidir. Alet içi soğutma yapılarının yeterli bir ömür sağlamak için karmaşık, iç yapılar olması zorunludur ve bunlar geleneksel üretim yöntemleriyle gerçekleştirilemez. Şu ana kadar, bu büyük boyutlu döküm kalıplarının eklemeli üretimini sınırlayan iki temel sorun vardır: Birincisi, klasik PBF-LB/M makinelerinin mevcut yapı hacmi, 600 x 600 mm² veya daha büyük kalıp içi parçaları tek parça halinde üretmek için çok küçüktür. İkincisi, şimdiye kadar kullanılan alet çelikleri - özellikle H11 (1.2343), H13 (1.2344) veya M300 - bu boyutlarda (>20.000 cm³) güvenilir bir şekilde işlenememektedir. Optimal parametrelerde bile, çatlak oluşumu, termal deformasyon ve yetersiz mekanik özellikler riski bulunmaktadır.
Bu, hem lazer tabanlı yapı sırasında hem de sonraki ısıl işlemde geçerlidir. Risk, üretim süreci sırasında parçanın içindeki sıcaklık gradyanları ne kadar güçlü olursa o kadar artar - bu etki, büyük hacimli iş parçalarında özellikle belirgindir. "Bu sınırlamayı aşmak için, büyük boyutlu HPDC aletlerinin gereksinimlerine özel olarak uyarlanmış yeni bir makine ve malzeme nesline ihtiyaç var," diyor Fraunhofer ILT'de LPBF süreç teknolojisi grup lideri Niklas Prätzsch. "Tam olarak bu kombinasyon, şimdi gerçekleştirilen gelişmelerin konusuydu."
"Yeni malzeme ve makine teknolojisi, ilk kez büyük hacimli aletlerin serbest şekillendirilmiş soğutma yapısıyla üretilmesine olanak tanıyor. Bu sayede, döküm sürecindeki yerel sıcaklık zirvelerini hedefli bir şekilde düşürmekle kalmayıp, aynı zamanda yüksek ömürle birlikte çeşitlilik de artıyor. Böylece, her seferinde yeni aletler üretmek zorunda kalmadan bir alet platformunda farklı bileşenler üretmek mümkün oluyor."
Ölçülebilir LPBF üretimi için çatlak içermeyen büyük parçalar
Bu amaçla, Fraunhofer ILT tarafından geliştirilen Gantry tabanlı 5-lazer PBF-LB/M makinesi, şu anda 1.000 x 800 x 350 mm³ olan bir yapı hacmi ile daha da geliştirilmiştir. Geleneksel sistemlerin aksine, hareket edebilen bir işleme kafasına ve yerel koruyucu gaz yönlendirmesine sahiptir, böylece yapı hacmi aynı işlem sınır koşulları (koruyucu gaz akış hızı, lazer ışını sapma açısı vb.) altında makine eksenleri boyunca lineer olarak ölçeklenebilir. Böylece, bu projede incelenen 20.000 cm³'den fazla bir hacme ve 515 x 485 x 206 mm³ boyutlarına sahip bir alet içi ile karşılaştırıldığında, daha büyük aletlerin eklemeli olarak üretilmesi de perspektifte mümkündür.
Büyük hacimli aletlerde kritik sıcaklık gradyanlarını minimize etmek için ek olarak ısıtılabilir bir substrat modülü geliştirilmiştir. Yapı platformu artık 200 °C sıcaklığa ulaşmakta, bu sayede her yeni katman oda sıcaklığına değil, yalnızca önceden tanımlanmış bir termal plato seviyesine soğumaktadır. Bu yaklaşım, termal olarak indüklenen gerilimleri ve inşa süreci sırasında çatlak oluşma riskini azaltmaktadır. Geniş yapı alanı, yüksek süreç stabilitesi ve aktif ön ısıtma kombinasyonu, bu tesisi dünya genelinde ekonomik olarak kullanım amaçlı döküm kalıplarının üretimi için Mega veya Giga Döküm'e de uygun olan ilk LPBF sistemlerinden biri yapmaktadır.
"Başarıya giden anahtar, PBF-LB/M gereksinimlerine göre uyarlanmış MacLean-Fogg'un L-40 malzemesindedir," diye yorumladı Prätzsch. Bu çelik, hem üretim sırasında hem de ısıl işlemde, konvansiyonel alet çeliklerine kıyasla belirgin şekilde azaltılmış çatlama eğilimi ile karakterizedir. L-40, as-built durumunda bile yüksek boyutsal doğruluk, sertlikte (48 HRC), çekme dayanımında (1420 MPa) ve darbe dayanımında (>60 J) olağanüstü özellikler sunmaktadır. Kapsamlı araştırmalarda, yeni makine konseptine parametre aktarımı ve karmaşık geometrilerdeki performans başarıyla doğrulanmıştır - örneğin yuvarlak veya sarkık soğutma kanallarında.
Toplamda, ölçeklenebilir PBF-LB/M makinesi ve özel olarak geliştirilmiş malzeme kombinasyonu, ilk kez kontur yakın soğutma ile büyük boyutlu döküm kalıplarının ekonomik ve tekrarlanabilir üretimini mümkün kılmaktadır. İlk uygulamalar, bu şekilde üretilen aletlerin ömrünün geleneksel kalıplara kıyasla belirgin şekilde uzatılabileceğini göstermektedir.
Seri aletler için hibrit üretim
Proje kapsamında, ortaklar Toyota'nın halihazırda kullandığı bir şanzıman muhafazası için eklemeli olarak üretilmiş bir alet parçası ürettiler. Döküm kalıp parçası, kontur yakın soğutma kanallarından oluşan karmaşık bir ağ içermektedir; bu, geleneksel işleme ile gerçekleştirilemeyecek açık bir eklemeli üretim avantajıdır. Proje ekibi, eklemeli alet yapısı için, zaten dikey soğutma kanallarına sahip özel bir ön form üzerinde hibrit bir süreç seçmiştir. Her iki bileşenin hassas konumlandırılması ve süreç güvenilir bağlantısı, makine kalibrasyonu, hassasiyeti ve süreç yönetimi açısından yüksek gereksinimler ortaya koymuştur. Bu tür hibrit yapılar, maliyetli PBF-LB/M yönteminin yalnızca geleneksel olarak gerçekleştirilemeyen bu bileşen alanlarında kullanılması nedeniyle inşaat süresini ve maliyetleri daha da azaltma potansiyeline sahiptir.
Araştırmacılar, karmaşık soğutma yapısını, kalıbın kritik bölgelerinin döküm sırasında etkili bir şekilde ısıtılmasını sağlayacak şekilde tasarlamıştır. Bu, termal yükü azaltır ve aletin ömrünü belirgin şekilde uzatır. Önceki projelerde, karşılaştırılabilir bir eklemeli alet ile geleneksel H13 aletine kıyasla dört kat daha uzun bir ömür elde edilmiştir.
HPDC kalıbının inşasından sonra, endüstriyel tipte bir ısıl işlem, gerilme azaltma ve sertleştirme ile birlikte işlevsel yüzeylerin geleneksel freze işlemesi takip edilmiştir. Eklemeli temel yapının yüksek ölçü doğruluğu, yalnızca ek malzeme harcamadan hassas bir son işleme gerektirmiştir.
Otomotiv endüstrisinde verimli ve dayanıklı döküm kalıplarının öncüsü
Büyük boyutlu döküm kalıplarının eklemeli yöntemlerle üretilmesi, özellikle elektrikli mobiliteye dönüşüm bağlamında, günümüz otomobil üretiminin birkaç merkezi zorluğunu ele almaktadır. Önemli bir avantaj, 3D baskı ile ilk kez serbestçe tasarlanabilen kontur yakın soğutmadadır. Soğutma kanalları, aletin termal olarak yüksek yük taşıyan bölgelerine optimal şekilde uyarlanabilir. Bu, yerel olarak sıcaklık zirvelerini düşürür, termomekanik aşınmayı azaltır ve kalıbın ömrünü önemli ölçüde uzatır.
Aynı zamanda, eklemeli üretim, döngü sürelerini önemli ölçüde kısaltma imkanı sunar. Birden fazla alet bileşeninin karmaşık işlenmesi ve montajı yerine, konsolide edilmiş, sürekli eklemeli bir yapı yeterlidir. Toyota için döküm kalıbı, tüm hazırlık adımları dahil olmak üzere on günden daha kısa sürede üretilmiştir. OEM'ler için bu, daha kısa geliştirme döngüleri ve yeni araç platformlarının daha hızlı pazara sunulması anlamına gelir.
Büyük hacimli aletlerin hibrit olarak inşa edilmesi, ek esneklik sağlar. Tanımlı arayüzlere sahip bileşenler, tüm bileşeni yeniden üretmeden etkili bir şekilde eklemeli olarak tamamlanabilir ve işlevsel olarak optimize edilebilir. Bu, hem malzeme kullanımını hem de alet başına maliyetleri azaltır.
»L-40 ile, genel olarak sıcak ve soğuk şekillendirme aletleri için eklemeli üretim sınırlarını aşmayı ve özellikle döküm aletleri için bunu başarmayı hedefledik. Bu proje, büyük, karmaşık ve aynı zamanda yüksek yük taşıyan parçaların üretilmesinin mümkün olduğunu kanıtlamakta ve ekonomik olarak çekici olabilmek için net kilometre taşları sunmaktadır. Eklemeli üretim, endüstriyel ölçekte gerçek zorluklarla yüzleşmeye hazır. OEM'ler için bu, daha kısa geliştirme süreleri, daha uzun alet ömrü ve alet tasarımında daha fazla esneklik anlamına geliyor«, diyor MacLean-Fogg Bileşen Çözümleri Ürün Yönetimi Direktörü Harald Lemke.
Daha az parça ve daha karmaşık yapılar kullanan otomobil üreticileri için, bu gelişmeler alet stratejisinde yeni fırsatlar sunmaktadır: Alet üretiminde daha az çaba, daha uzun çalışma süreleri ve yalnızca bir alet ile birden fazla varyantı gerçekleştirme imkanı.
Üretilen parça, geliştirilen süreç zincirinin - büyük boyutlu LPBF tesisinden, yenilikçi malzemeden ve hibrit üretimden oluşan - gerçek endüstriyel uygulamaların gereksinimlerini Giga Casting ortamında bile karşıladığını etkileyici bir şekilde göstermektedir.
Potansiyel, tek bir durumun ötesine geçmektedir: Geliştirilen süreç zinciri yalnızca büyük alüminyum HPDC alet parçaları için değil, aynı zamanda çoğu diğer sıcak ve soğuk şekillendirme aletleri ve parçaları için de uygundur; örneğin, delme, diş açma veya enjeksiyon kalıbı parçaları. Yüksek yük taşıyan aletlerin karmaşık soğutma ve sınırlı parti boyutları gerektirdiği her yerde, eklemeli üretim belirgin avantajlar sunabilir.
İletişim:
