ADITIVNÍ V ÝROBA
R . Z a j í č e k 3 D t i s k v e s l é v á r e n s t v í v Če s ké a S l o v e n s ké r e p u b l i c e
3D tiskárny dnes nacházejí uplatnění snad ve všech odvětvích průmyslu a slévárenství není výjimkou. Naopak, tvarová složitost a strukturální charakter odlitků nahrávají aditivním technologiím. Jednou z výhod je nízká citlivost na tvarovou složitost dílu ve vztahu k jeho vyrobitelnosti. Tělesa o stejném opsaném objemu budou mít obdobné výrobní náklady bez ohledu na jejich složitost. Aditivní technologie nejen urychluje a zlevňuje prototypování, ale umožňuje vyrobit i dříve nevyrobitelné. Příkladem je hliníkový závěs kola na obr. 2, který byl optimalizován pomocí únavové analýzy tak, že při zachování jeho hmotnosti se tuhost zvýšila 3–5×. Plastový model se složitou strukturou byl vytištěn na 3D tiskárně voxeljet, která díky své produktivitě umožňuje i sériovou výrobu. Plastový model byl následně použit pro výrobu keramické formy a přesného odlitku. V současnosti se aditivní technologie velmi využívají u lití do písku, a to v podobě přímého tisku forem nebo tisku modelového zařízení z pevného plastu. Dále je hojně využíván tisk modelů nahrazujících voskové modely pro lití na vytavitelný model. Tradiční uplatnění aditivních technologií je při prototypování nových dílů, před zahájením sériové výroby nebo při rekonstrukci starých součástek. To je dáno zejména cenou. V současné době se vzhledem ke zvýšené dostupnosti aditivních technologií a kontinuálního snižování cen dá 3D tisk využít i pro zajištění malosériové výroby. V České republice i v zahraničí existuje několik servisních kanceláří s velkou výrobní kapacitou, které v krátkých dodacích lhůtách dokáží odborně poradit a zajistit prakticky jakoukoliv velikost poptávky. Pí s kové f o r my Tisk modelového zařízení Metoda, která se jako první nabízí, je využití 3D tiskáren v modelárnách. Zde se hlavně uplatňuje technologie Fused Deposition Modeling (FDM) díky její dostupnosti, dobrým mechanickým vlastnostem modelů a jejich časové stálosti. Další rozšířenou technologií je PolyJet (PJ), kdy modely dosahují výborných povrchových vlastností a lze je často použít bez nutnosti povrchových úprav po tisku. Mezi hlavní výhody oproti tradiční výrobě dřevěných modelů patří rychlost, minimální nároky na zkušenosti obsluhy a jednoduchá výroba tvarově složitých dílů. Jako možné omezení může být pořizovací cena zařízení, případně velikost modelů. Z časového hlediska je však využití tisku nedocenitelné. 3D tiskem může být ve slévárnách řešena i výroba jednodušších součástek, jako jsou modely vtokových soustav nebo různé přípravky. Pro tento účel se dá s výhodou nízké ceny využít levných poloprofesionálních/hobby tiskáren, kterými je v současnosti trh zaplaven. Pořizovací ceny takových tiskáren mohou začínat již na 20 000 Kč. Použití 3D tištěných modelů v praxi ve slévárně Motor Jikov ukazuje obr. 3. Na tiskárně Objet30 od firmy Stratasys byla technologií PolyJet (PJ) vytištěna sada dvou modelových zařízení (modely 3 a 4). Modely byly reprodukovány metodou odlévání do pryskyřice (modely 1 a 2) a dále přímo umístěny na modelovou desku, čímž bylo dosaženo několikatýdenní úspory času. Tento postup je tedy výhodný u projektů, které jsou časově limitované, případně při náhlém zjištění problému se stávajícím modelovým zařízením. Přímý tisk z písku Další možností je přímé vytištění pískové formy, do které je možné odlévat. Tisk probíhá na principu technologie Binder
82
S l é vá re ns t v í . L X V . b ř eze n – d u b e n 2017 . 3 – 4
Jetting (BJ). V současné době jsou na trhu dva hlavní dodavatelé těchto zařízení – voxeljet a ExOne. Největší zařízení s touto technologií od firmy voxeljet tiskne díly až o velikosti 4 m. Servisní středisko firmy voxeljet je pro Českou republiku příhodně umístěno v Augsburgu. Výhodou tisku pískových forem a jader je nejen rychlost, ale i zjednodušení celé technické přípravy výroby. Není nutné řešit úkosy, je možné tvořit velmi komplikované formy. U složitých dílů lze výrazně snížit počet jader nebo jádra přímo začlenit do formy. Tím je docíleno zvýšení přesnosti. Formy jsou nejčastěji tištěny z křemenného písku, kdy pojivem je buď furanová, nebo fenolová pryskyřice. Jedná se o energeticky šetrný studený proces. Pro výrazněji namáhané formy je možností využít tisk z Kerphalitu. Zajímavým projektem je výroba prototypového dílu segmentu fontány, která bude umístěna na nádvoří Pražského hradu (obr. 4). Ve spolupráci firem MCAE Systems, Slévárna Kuřim a voxeljet byla navržena technologie, pomocí které byl odlit prototypový segment. Forma byla z důvodů velikosti segmentu (1500 × 450 × 80 mm) navržena jako trojdílná bez vtokové soustavy, pouze se zářezy a otvory pro výfuky. Tak bylo docíleno snížení nákladů na dopravu a výrobu formy. Ve Slévárně Kuřim pak byla vtoková soustava doformována tradičním způsobem (obr. 5). Forma a odlitý finální segment jsou zachyceny na obr. 6. Ke ra m i c ké f o r my v y r o b e n é m e t o d o u n a z t ra c e ný m o d e l Časově nejnáročnější fází při výrobě keramických forem je výroba master modelu, jelikož je nutné navrhnout a obrobit kovovou vstřikovací formu pro vosk. Celkem úspěšně se v současnosti slévárnám daří nahrazovat tradiční voskové modely modely ze speciálních plastů. V dnešní době jsou nejpoužívanější master modely využívající technologii od firmy voxeljet tištěné z prášku PMMA (všeobecně známý jako plexisklo) a následně z důvodu kvality povrchu potažené voskem (obr. 7). Druhou možností je využití modelů z tiskáren pracujících na principu FDM, kde se využívá především ABS plast. Použití modelů z PMMA Průkopníkem ve vývoji a použití 3D tištěných modelů ve slévárnách přesného lití je firma voxeljet. Ta využila znalosti a zařízení, původně vyvinuté pro tisk pískových forem, na tisk modelů z plastu. Proces výroby modelů je postaven na principu Binder Jetting (BJ). Materiál i pojivo jsou již od počátku voleny tak, aby bylo docíleno vlastností co nejvíce podobných tradičním voskovým modelům. Díky tomu lze s modely zacházet obdobně jako s modely voskovými. Hlavním rozdílem je odstranění master modelu ze skořepiny. Je důležité si uvědomit, že i přes všechny podobnosti s tradičními modely se stále jedná o plast a nedochází tedy k úplnému zkapalnění, jak je tomu u vosků. Klíčovým procesem v jejich kompletním odstranění je tedy spalování. Princip vypálení/vytavení PMMA modelů Formy s modely z PMMA lze jako u tradiční metody vložit do autoklávu. Zde dochází k vytavení veškerého vosku vtokové soustavy i k odtavení velké části modelů. Velkou výhodou je, že modely vykazují záporný koeficient tepelné roztažnosti, čímž je riziko prasknutí formy v důsledku pnutí sníženo na minimum. U jednodušších dílů je pak možné poslat formy rovnou na žíhání před litím, kde dochází k vypálení zbytků modelu a je možné odlévat. Pro vypálení se doporučuje obo-