Technológiai filozofálás az additív gyártásról: helyettesítő vagy kiegészítő?

A 3D nyomtatási technológiák fejlődésével és a 3D nyomtatásban használatos anyagok továbbfejlesztésével az additív gyártás számos alkatrész gyártásakor csúcstechnológiát jelent.

A 3D nyomtatás bevezetése a prototípus gyártásban lényegesen gyorsította a termékfejlesztést. Ennek eredményeképpen a 3D nyomtatás a CNC-megmunkálás komolyan vehető alternatívájává vált, napjainkra a gyártás kulcsfontosságú eleme. Sőt, az additív gyártási eljárásokra mára sok esetben a CNC-megmunkálás helyettesítőjeként tekintenek. Mennyire érvényes ez a megközelítés? Kiszoríthatja a 3D nyomtatás a forgácsolást a jövő „okosgyárából”?

A 3D nyomtatást övező felhajtás és a kedvező jövőképe ellenére nem képes teljesen átvenni a CNC-megmunkálás vezető helyét a fémmegmunkálás terén. Kétségtelen azonban, hogy az additív gyártás (AM) komoly hatást fejt ki a legtöbb gyártási eljárásra.

- Hirdetés -

Általánosságban elmondható, hogy mindkét technológia – a CNC-megmunkálás és a 3D nyomtatás – is rétegről rétegre haladva alakítja ki az alkatrész végleges formáját. Melyik közülük a hatékonyabb, és hogyan befolyásolja a termelést mindkét megoldás kombinációja?

A kérdés megválaszolása előtt tekintsük át a CNC-megmunkálás és a 3D nyomtatás főbb jellemzőit napjainkban.

Munkadarabok anyagai

CNC-megmunkálással legtöbbször fémes anyagokat munkálunk meg. 3D nyomtatás esetén – bár jelentős előrelépés történt a fémek részarányát tekintve – továbbra is a nemfémes anyagok a jellemzőek. Ugyanakkor a porkohászat fejlődése lehetővé tette a nehezen forgácsolható anyagok – mint például a nikkelbázisú szuperötvözetek – nyomtatását, amely új lehetőséget nyit meg az additív gyártás előtt.

Fizikai jellemzők

A fémek izotrópok, azaz a fizikai jellemzőik nem irányfüggőek. Ezzel szemben a 3D nyomtatással készült alkatrészek határozott anizotrópiával rendelkeznek. Például a szakítószilárdságuk vízszintes irányban nagyobb, mint függőleges irányban. A mérnöki tudomány, amely számos elméleti eszközzel és tapasztalattal rendelkezik az izotróp fémekből készült alkatrészek szerkezeti tulajdonságainak, merevségének meghatározásához, nehézségekbe ütközik, amikor 3D nyomtatással készült alkatrészeket kell vizsgálni. Így az additív gyártás bevezetése a fémalkatrészek gyártásába – érthető okokból – nehezen halad, a CNC-megmunkálás továbbra is vezető helyen van a kritikus alkatrészek gyártása esetén.

Létrehozott alakzatok

A CNC-megmunkálásnak számos korlátja van, leginkább a forgácsolószerszám korlátozott hozzáférése miatt a megmunkált felülethez, különösen belső felületek megmunkálásakor. A 3D nyomtatás ezzel szemben a legtöbb kötöttségtől mentes, lényegesen kiterjeszti az összetett alakzatok kialakításának lehetőségét.

Méretek

A CNC-forgácsolással végzett fémmegmunkálás széles mérettartományban teszi lehetővé alkatrészek gyártását. A 3D nyomtatás lehetőségei jóval korlátozottabbak. Elméletileg nagyméretű alkatrész is előállítható additív gyártási eljárásokkal, azért több részre kell osztani, majd a 3D nyomtatás végeztével össze kell állítani. Ez a művelet azonban jelentősen megnöveli a gyártás időszükségletét, és kérdéseket vet fel a szerkezet mechanikai szilárdságával kapcsolatban.

Forrás: Iscar

 

Pontosság, ismétlési pontosság, felületi érdesség

A 3D nyomtatók napjainkban 0.25 mm-es méretpontosságot tudnak tartani, ez sokkal rosszabb a CNC-forgácsolással szemben, amellyel két-háromszor kisebb tűréssel is meg lehet munkálni alkatrészeket. A CNC-forgácsolás ismétlési pontosság és a gyártott felület érdessége terén is felülmúlja az additív gyártást.

Gazdaságossági szempontok és fenntarthatóság

Bár a CNC-szerszámgépek és 3D nyomtatók széles választékban állnak rendelkezésre és az áruk a tulajdonságaik szerint változnak, a 3D nyomtatók beszerzési ára lényegesen alacsonyabb egy általános felhasználású CNC-szerszámgéphez képest.

A forgácsolás során forgács képződik, ez újrahasznosítható hulladék. A fenntartható, kevés hulladékkal járó 3D nyomtatás hatékonyabb anyagfelhasználású, ezért hatékonyabb energiafelhasználású.

Kisszériás gyártáskor, különösen prototípusok gyártásakor az additív gyártás nyilvánvalóan előnyösebb gazdasági szempontból. Nagyszériás gyártáskor azonban a CNC-megmunkálás sokkal gyorsabb és költséghatékonyabb. Folytathatjuk az összehasonlítást egyéb jellemzők alapján, mint például a szerkezeti hibák, az egységes hőeloszlás, beállítás, a szükséges alapterület, a rugalmasság, stb., azonban ezek alapján is ki lehet jelenteni, hogy a 3D fémnyomtatás belátható időn belül nem fogja leváltani a CNC-megmunkálást.

A fémmegmunkálás területén az additív gyártás egy hatékony és gyors eljárás precíz munkadarabok gyártásához, amelyek alakja közel áll a végleges geometriához, különösen összetett alkatrészek esetén. Az összetett alkatrészek CNC-megmunkálást igényelnek, amelyek a korszerű elveknek megfelelően minimális anyagleválasztással készülnek, és lényeges a pontosság és a jó felületminőség. A 3D nyomtatás gyors és pontos prototípus gyártást tesz lehetővé, csökkenti az optimális megoldás kereséséhez szükséges, értékes időt.

A 3D nyomtatási eljárások nem helyettesítik, hanem kiegészítik a CNC-megmunkálást. Továbbá, a leválasztási- és az additív gyártási eljárások egy modern szerszámgépben egyaránt integrálva vannak, a precíz, többtengelyes forgácsolás és a 3D nyomtatás kombinációja. Ha tehát egyetlen szóval szeretnénk jellemezni a 3D nyomtatás és a CNC-megmunkálás kapcsolatát, akkor az az “együtt” és nem a “helyette”.

Az alkatrészgyártásra szánt 3D nyomtatás terjedése befolyásolni fogja a forgácsolószerszámok világát is. Konkrétan az összetett alkatrészek megmunkálására szolgáló marókat érinti, mivel ezek megfelelnek a hatékonyság, a nagy pontosság és a megbízhatóság egyre szigorúbb követelményeinek. Úgy tűnik, mindhárom, szigorú elvárásoknak megfelelni kívánó jellemzőnek közös az előfeltétele, azonban a fejlett fémforgácsolási eljárások minimális anyagleválasztást lehetővé tévő technológiákat követelnek meg.

Ha kis forgácsolási ráhagyás van rajta, a nagy anyagleválasztási sebesség fenntartásához nagy előtolást és nagy forgácsolósebességet kell beállítani, ehhez pedig nagy sebességű forgácsolási (HSM) stratégiákat kell beállítani. A nagy fordulatszámmal forgó marószerszámokat precízen ki kell egyensúlyozni, hogy stabil megmunkálást lehessen végezni nagy centrifugális erők esetén is, és közben a fogásvételek számát is csökkenteni szeretnénk. Az ideális eredményt akkor kapjuk, ha a simítást egyetlen fogásban végezzük, amihez rendkívül pontos forgácsolószerszámok szükségesek. Megállapíthatjuk, hogy a tömörkeményfém ujjmarók, a cserélhető fejű, szerelt marószerszámok és a precíz, egylapkás profilmarók jelentik az elsődleges választást összetett geometriák precíz és termelékeny forgácsolásakor, minimális ráhagyás esetén.

Forrás: Iscar

 

A forgácsolószerszámok gyártói a termékpalettájuk kialakításakor és a költségmegtakarítások tervezésekor figyelembe veszik az additív gyártás adalékanyagait fémmegmunkáláskor. Az ISCAR kibővítette a többélű, tömörkeményfém ujjmarói termékpalettáját, kifejezetten a HSM követelményeinek megfelelően.

Az ISCAR legutóbbi, NEOLOGIQ kampánya komoly hangsúlyt fektet az “ívszegmensű” vagy “parabola” ujjmarókra, amelyek forgácsolóéle hordó- vagy lencse alakú. Ezek az ujjmarók a nagysebességű, 5-tengelyes marás követelményei szerint lettek kialakítva, összetett felületek megmunkálásához. Termelékeny simítási műveletekhez tökéletes választás. A “hordó” és “lencse” alakú forgácsolóéleket további fejlesztésként egyélű, lapkás marószerszámoknál is alkalmazzák, amely a nagyobb névleges átmérőket fedik le. Adja magát a megoldás, hogy ezt az íves forgácsolóélt az ISCAR MULTI-MASTER szerszámcsaládjára is adaptálták, amely cserélhető fejű, szerelt marószerszámokat tartalmaz, ezzel ötvözik a tömör és a lapkás szerszámkoncepciók előnyeit.

A szerszámok testreszabásakor van egy jó példa, amely bemutatja a 3D nyomtatás és a CNC-megmunkálás jól használható ötvözetét, ez a speciális lapkás bonyolult konfigurációjú marók gyártása. A korlátok ellenére, a nyomtatott alkatrészek anizotróp jellemzőinek is van előnye. Ezenkívül, a 3D nyomtatás előrelépést jelent a szerszámtervezésben, a szerszámtest optimalizálásában, különösen a forgácsolószerszám belső felületeinek és a hűtőcsatornáinak tervezésekor és gyártásakor, így pontosan meghatározott hűtő-kenő folyadék hozzávezetést kialakítva.

Az ISCAR fejlesztőmérnökei az additív gyártást hatékony eszköznek tartják a legjobb megoldás megtalálásakor speciális- és újonnan kifejlesztett termékek esetén egyaránt, a maximális fenntarthatóságot szem előtt tartva. A legfontosabb előrelépés a keményfém lapkák 3D nyomtatásához köthető. A lapkák prototípusait additív gyártási eljárásokkal készítették, ehhez pedig nem voltak szükségesek öntőminták, ezzel számos lapkavariációt lehetett megvizsgálni. Ez a módszer jelentősen csökkentette a fejlesztésre fordított időt, költségmegtakarítást, és a keletkező hulladék csökkentését egyaránt magával hozta.

Összefoglalva, napjainkban és a közeljövőben a 3D nyomtatás nem képes leváltani a CNC-megmunkálás, de a két technológia együttműködése a későbbiekben megjelenő, újfajta fémmegmunkálási eljárások jellemzője lesz.

A cikk a NEW technology magazin 3. számában jelent meg. Olvasd el Te is!

Iscar

Akár ez is tetszhet