16 Principem technologie LMD je natavování povrchu součásti p i současném p ivád ní prášku pomocí trysky. Podobn jako u technologie LBM je roztavený kov chrán n p ed oxidací ochrannou atmosférou argonu nebo hélia.
B hem procesu LBM se nanáší tenká vrstva prášku v tlouš ce 20–100 m. Prášek je p ivád n pomocí násypky nebo ze zásobníku, který se umíst n vedle stavební komory a k tavení se používá laserový paprsek s výkonem mezi 20 a 1000 W. Mezi procesy LBM se adí Selective Laser Melting (SLM), Direct Metal Laser Sintering (DMLS), LaserCUSING nebo Laser Metal Fusion (LMF) [10].
Dále se tato práce v nuje pouze technologiím, které fungují na principu LBM a podrobn ji popisuje ty, které byly použity p i výrob metalurgického ná adí ve ŠKODA AUTO a.s.
1.3.1 SLM - Selective laser melting
Technologie SLM využívá k tavení kovového prášku vysokou energii laseru, která umož uje vytvo it homogenní strukturu dílu. Na rozdíl od technologie DMLS, kde dochází pouze ke spékání prášku, má tedy výsledný produkt menší množství pór a také v tší pevnost. Výrobek se musí stejn jako u technologie DMLS tepeln zpracovávat. P i procesu SLM se totiž využívá velkého množství energie, které je p íčinou vnit ního pnutí v materiálu.
VÝROBNÍ PROCES
Začátek výrobního procesu je u všech technologií LBM obdobný. Nejprve je pot eba v p íslušném software naimportovat STL (STereoLithography) model s požadovanou
sm r Obrázek 3 - Schéma procesu LMD [2]
17 geometrií. Dle zvolené orientace dílu se nadefinují podp rné struktury p evislých částí.
Nakonec se provede pomocí postprocesoru generování kódu pro daný stroj.
Vlastní 3D tisk se provádí v uzav ené komo e. Tato komora je zapln na ochrannou atmosférou, která brání oxidaci kovu p i vysokých teplotách. V závislosti na použitém materiálu je využit dusík nebo argon, který tvo í ochrannou atmosféru uvnit stavební komory. Hodnota kyslíku by se m la pohybovat do 0,1 %, tak aby se minimalizovala oxidace povrchu [13]. B hem samotného procesu je pr b žn p ivád n nový plyn a na opačné stran komory zase odsáván spolu se spalinami do filtračního systému. V závislosti na použitém materiálu musí být stavební komora p edeh ívána, což se realizuje obvykle prost ednictvím oh evu základové stavební desky.
Samotný proces 3D tisku se skládá z n kolika následujících krok . Na základovou desku se nanese tenká vrstva kovového prášku, která je tavena vysokou energií laseru. Na tuto vrstvu je nanesena další vrstva prášku a celý proces se opakuje, dokud není zhotoven požadovaný díl. Tlouš ka vrstvy se pohybuje mezi 20 a 100 m, tak aby bylo dosaženo požadované drsnosti, p esnosti, dobrého pokrytí práškem a p edevším vyhovující vnit ní struktury.
D ležitá je také vhodná volba frakce prášku, což je procentuální zastoupení jednotlivých velikostí zrn prášku použitého pro tisk. Zatímco velká zrna negativn ovliv ují p esnost, malá zrna mají tendenci se vzhledem k Van der Waalsovým silám shlukovat, což má za následek špatné pokrývání a nanášení prášku. Když je díl vyroben, je očišt n od zbylého prášku [23]. Následn je díl tepeln zpracován. Obvykle se používá normalizační žíhání, které slouží k odstran ní nerovnosti struktury a zjemn ní zrn. Nebo žíhání ke snížení pnutí, které výrazn sníží pnutí v materiálu vzniklé b hem výrobního procesu [24].
laser optika
Obrázek 4 - Schéma procesu SLM [14]
18 Po tepelném zpracování se odstraní podp rné struktury a díl se odd lí od základové desky.
Pro finalizaci výrobk se používají p evážn konvenční technologie jako je tryskání, omílání či pískování, pomocí nichž se zlepší vlastnosti povrchu vytišt ného dílu. Pro p ípadné následné opracování se využívá p esného t ískového obráb ní.
PROCESNÍ PARAMETRY
P i procesu SLM je velmi d ležité nastavení procesních parametr a to tak, aby se jednotlivá zrna kovového prášku roztavila a zárove sloučila se sousedními zrny i s p edchozí vrstvou.
Mezi základní procesní parametry pat í: výkon laseru P [W], rychlost skenování v [mm/s], vzdálenost mezi dv ma sousedními drahami laseru s [mm] a tlouš ka vrstvy t [mm] [20].
E = [J/mm3] (1)
Z t chto parametr lze poté vypočítat výslednou hustotu energie laseru E [J/mm3] Ě1ě, která p sobí v míst kontaktu laseru s materiálem. Toto množství energie musí mít takovou optimální velikost, aby došlo k roztavení prášku a zárove bylo dosaženo požadované struktury tišt ného dílu.
Pokud je výkon laseru p íliš nízký, rychlost skenování vysoká nebo je tlouš ka vrstvy p íliš velká, pak není k dispozici dostatečné množství energie k roztavení prášku. To má za
Obrázek 5 - Procesní parametry [23]
19 špatné smáčivosti roztaveného materiálu vzhledem k p edchozí vrstv vytvá í z prášku kuličky. To se projeví p edevším zhoršenou kvalitou povrchu. Vzniklé kuličky mohou ovlivnit kvalitu i dalších vrstev, jelikož se nov nanesený prášek dostane do mezer mezi kuličkami a po dalším natavení vznikne nerovnom rná vrstva [5]. Tomuto jevu lze p edejít zvýšením intenzity síly laserového paprsku, snížením jeho rychlosti nebo snížením množství kyslíku v pracovní komo e. Zoxidovaná vrstva totiž brání p ilnavosti další vrstvy roztaveného prášku.
Pokud ale použijeme p íliš vysoký výkon nebo p íliš malou rychlost laseru, m že naopak docházet k vypa ování materiálu a vzniku tzv. Keyhole efektu [13]. Následn m že docházet ke kondenzaci odpa eného materiálu na laseru a tím p erušení dodávání jeho energie [5].
B hem procesu SLM dochází také ke vzniku zbytkových nap tí v materiálu, které je zp sobeno teplotním kolísáním b hem tisku. Vlivem teplotního spádu m že docházet k vytvá ení trhlin a odd lování jednotlivých vrstev. Zbytková nap tí lze ze součásti odstranit následným tepelným zpracováním. Také tomu lze p edejít p edeh átím stavebního prostoru nebo zp sobem skenování laseru [23].
Zp sob skenování závisí na mnoha parametrech. Je nutné určit, zda se jedná o tenkou st nu či v tší blok materiálu a zda se pod nebo nad touto vrstvou nachází vrstva či ne. Zp sob skenování laseru ovliv uje mikrostrukturu, pórovitost, drsnost a množství tepla akumulovaného v materiálu. Existují 3 základní vzory používané pro skenování: pruhy, ostrovy a šachovnice, viz obrázek 7. Všechny jsou definovány velikostí daného vzoru a velikostí p ekrytí jednotlivých obrazc . P i využití šachovnice jsou nejprve vytišt ny bílé čtverce a následn ty černé. U ostrov se skenují čtverce stejn jako u šachovnice, ne však sm r nože nanášejícího prášek
podklad Balling v jev prášek zhoršení Ballingova jevu zablokování pohybu nože
20 postupn , ale v definovaném po adí dle určitého algoritmu. Navíc mohou být dráhy laseru u všech čtverc jak kolmé tak rovnob žné [18].
Je tedy nezbytné všechny parametry výrobní procesu nastavit skutečn tak, aby byly vytvo eny optimální podmínky pro tavení.
1.3.2 DMLS – Direct Metal Laser Sintering
Na rozdíl od technologie SLM dochází b hem procesu pouze ke spékání prášku. Toho je dosaženo nižší energií laseru, v tší tlouš kou spékaných vrstev nebo vyšší rychlostí skenování. Stejn jako u technologie SLM je nutné správné nastavení procesních parametr pro dosažení požadované hustoty energie laseru.
Laser pak vyvíjí takové množství tepla, aby se p i tavení částic vytvá ela na hranicích zrn kapalná fáze. Materiál se tak nachází v tzv. „Mushy zone“. Jedná se o polotuhou fázi mezi likvidem a solidem, kdy kapalná fáze proudí mezi zrny a smáčí je. Následn dojde k p eskupení zrn a ke zhušt ní struktury materiálu, viz obrázek 8b. Tento proces se nazývá Supersolidus liquid phase sintering (SLPS). Použitím menší energie laseru není kovový prášek zcela roztaven jako u SLM. To vede k tomu, že není vytvo ena homogenní, ale heterogenní struktura výsledného produktu. K dosažení požadovaných mechanických vlastností je t eba provést tepelné zpracování. [6].
po adí
Obrázek 7 - Zp sob skenování laseru: aě pruhy, bě šachovnice, cě ostrovy [18]
21 póry
zrna tekutá fáze
zhušt ní prášek p ed
sintrováním likvid
solid
teplota
složení Mushy zone
„kašovitá oblast“
TL
TLS
TS
TL …teplota likvidu TS …teplota solidu
a) b)
Obrázek 8 - aě Graf závislosti teploty na složení materiálu, bě Proces SLPS [6]
22
2 ŠKODA AUTO a.s.
Výroba ná adí a p ípravk
Závod na výrobu ná adí a p ípravk se zabývá konstrukcí, technologickou p ípravou, výrobou a servisem ná adí pro výrobu automobil . Cílem je zajistit hospodárnou a ekologicky šetrnou výrobu ná adí a p ípravk v požadované kvalit a termínech, jak pro interní zákazníky v rámci Škoda Auto, tak i externí firmy koncernu VW.
2.1 PSW- F Výroba metalurgického ná adí
Útvar PSW-F se zabývá konstrukcí a výrobou forem pro tlakové lití hliníkových slitin (bloky motor , sk ín spojek a p evodovekě a kovacích zápustek Ěklikový h ídel, ozubená kolaě pro hutní provozy ve ŠKODA AUTO a.s. Toto odd lení využívá p i výrob n kterých díl technologie 3D tisku kovu. Vlastní 3D tiskárnou pro zpracování kovových prášk zatím nedisponuje, z toho d vodu si nechává tišt né díly zhotovit u externích dodavatel .
P ehled díl vyrobených pomocí technologie aditivní výroby:
- Vložka vtoku - chlazený protikužel - Jádro
- Vložka vodní pumpy - Vložka chlazení
23
2.2 Vložka vtok u - c hlazený protikužel
Chlazený protikužel slouží ve form k tomu, aby sm oval proud taveniny hliníku do dutiny formy a zárove chladil technologický p ebytek taveniny ve form tablety. Tento protikužel se používá ve form č. 31 – 49K 300299, která slouží pro výrobu sk ín spojky MQ 200.
2.2.1 Konvenční výroba
KONVENČNÍ PROTIKUŽEL
P i klasické výrob se používá nástrojová ocel 1.2343 a protikužel se vyrábí z jednoho celého kusu. B hem lití je tento díl velmi teplotn namáhán a je pot eba ho chladit.
K tomu se používají chladící kanály uvnit protikužele.
Jejich tvar je ale omezen používanými technologiemi t ískového obráb ní, jako je vrtání a frézování.
KONVENČNÍ D LENÝ PROTIKUŽEL
Krom p edchozího provedení se používá také d lený protikužel, který je vyroben ze dvou díl , což umož uje vyrobit složit jší a tedy i účin jší tvar chladících kanál . Aby se dosáhlo ješt intenzivn jšího chlazení, byla pro výrobu protikužele použita technologie aditivní výroby.
Hlavním požadavkem u tohoto dílu bylo p edevším snížení doby taktu p i odlévání, a to práv pomocí intenzivn jšího chlazení taveniny v oblasti protikužele
Obrázek 9 - Konvenčn vyrobený protikužel
Obrázek 10 - Konvenčn vyrobený d lený protikužel
24
2.2.2 3D tisk - technologie DMLS - I. verze
U první tišt né verze protikužele byla základní báze vyrobena konvenčním zp sobem z materiálu 1.2343, který se používá i p i klasické výrob dílu.
Na tuto část se následn pomocí aditivní technologie DMLS zhotovila zbývající část kužele s chladícími kanály, viz obrázek 11. Pro tisk vrchní části se použil materiál 1.2709. Protikužel byl zhotoven ve firm INNOMIA v Jarom i pomocí za ízení EOS M270, které využívá 200 W laser a ochrannou atmosféru dusíku. Tlouš ka tišt né vrstvy se pohybovala kolem 40 m.
2.2.3 3D tisk – technologie DMLS - II. verze
Na rozdíl od I. verze tišt ného protikužele byla pomocí aditivní technologie vyrobena v tší část kužele. Základní báze i tišt ná část byly tentokrát zhotoveny ze stejného materiálu, a to 1.2709. Pro tisk byla použita op t technologie DMLS ve firm INNOMIA Jarom . Tentokrát ale bylo použito za ízení EOS M290, které na rozdíl od p edchozí verze M270 používá laser o výkonu 400 W.
Ochranná atmosféra ve stavební komo e byla vytvo ena pomocí dusíku a tlouš ka tišt né vrstvy se pohybovala okolo 50 m.
2.2.4 Porovnání jednotlivých protikužel
Pro lepší p edstavu o účinnosti jednotlivých protikužel byla v softwaru ProCAST vytvo ena simulace tuhnutí. Na obrázku 13 jsou zobrazeny teplotní snímky ze simulace zachycující začátek tuhnutí p ebytku taveniny. Pro jednotlivé typy protikužel se čas začátku tuhnutí liší (a = 46 s, b = 41 s, c = 41 s, d = 38 s).
Protikužele jsou zobrazeny v ezu a v popisku jsou uvedeny celkové doby tuhnutí p ebytku taveniny. Z uvedených čas jasn vyplývá, že aditivní technologií bylo dosaženo
25 intenzivn jšího chlazení, což umož uje zkrátit takt ve výrob , jak bylo požadováno. Jedná se však pouze o teoretické ov ení, zda ke zkrácení skutečn došlo, je nutné ov it ješt v praxi.
Velkou nevýhodou aditivní výroby však z stávají náklady na zhotovení. U první verze protikužele jsou náklady oproti konvenční výrob dvojnásobné. Zatímco u druhé verze jsou náklady dokonce trojnásobné.
2.2.5 Sledování dílu ve form
I. VERZE PROTIKUŽELE
Životnost konvenčn vyrobeného protikužele se obvykle vyrovná životnosti celé formy. Ta se udává v počtu odlitých kus a v tomto p ípad Ěforma pro odlitek sk ín spojky MQ 200ě se pohybuje kolem 90 000 ks odlitk . V p ípad aditivn vyrobeného protikužele se odlilo pouze 2640 kus sk íní spojek, tedy ani necelá 3 procenta p edpokládané životnosti formy.
Protikužel byl totiž b hem lití poškozen nárazem licího pístu. P i užití tlakové licí formy došlo k chyb stroje, licí píst p ejel nastavenou koncovou polohu a narazil do tišt ného
a) b)
c) d)
Obrázek 13 - Simulace tuhnutí:
aě Konvenční protikužel Ědoba tuhnutí: 63 sě, bě Konvenční protikužel d lený Ědoba tuhnutí: 60 sě, c) DMLS – I. Verze (doba tuhnutí: 58 s), d) DMLS – II. Verze Ědoba tuhnutí: 57 s)
26 protikužele. Ten pak vlivem prudkého nárazu praskl, trhlinou unikala chladící voda a nebylo možné protikužel opravit.
U konvenčních protikužel b žn nedochází p i takovém nárazu k poškození v bec nebo pouze k ulomení tvarové části. Na základ výsledk zkoušky užití tišt ného protikužele lze tedy konstatovat, že tišt né díly jsou mnohem k ehčí a h e odolávají náraz m. Je však možné, že kdyby nedošlo k poškození nárazem pístu, dosáhla by životnost aditivn vyrobeného dílu očekávaných 90 000 odlitých kus .
II. VERZE PROTIKUŽELE
Po dobu ešení této bakalá ské práce nebylo možné vysledovat celou životnost dílu. Ta, jak již bylo uvedeno výše, odpovídá životnosti celé formy a udává se kolem 90 000 odlitých kus . Po montáži chlazeného protikužele do formy bylo odlito doposud 3752 odlitk a zatím se nevyskytly žádné komplikace.
Hlavním cílem využití aditivní výroby u tohoto dílu bylo zkrácení doby taktu výroby, který se pohybuje kolem 100 sekund. Závisí však na mnoha faktorech: typu licího stroje, dob mazání formy, dob tuhnutí, typu použitého robota vyjímajícího odlitek nebo množství taveniny. Takt by se mohl zkrátit tím, že by protikužel rychleji ochladil p ebytek taveniny ve form tablety. Ta tuhne ve form nejdéle.
Dle výsledk počítačové simulace bylo zkrácení taktu možné, nebo se pomocí aditivn vyrobeného protikužele zkrátila doba tuhnutí odlitku. P i reálné aplikaci však tableta nestačila dostatečn ztuhnout tak, aby bylo možné robotem vyjmout díl z formy. Sice došlo k nepatrnému zlepšení účinnosti chlazení v míst protikužele, nestačilo to však ke zkrácení doby tuhnutí. Takt výroby p i použití aditivn vyrobeného protikužele tedy musel z stat stejný jako p i sériovém provedení.
27
2.3 Jádro
Jádro je část formy, která slouží k výrob dutiny v odlitku. Jádro, které bylo sledováno v této práci, se používá ve form č. 31-49K 300068, která slouží k odlévání blok motoru.
Konkrétn se jedná o motor EA111 – 1,2 L TSi – 4válec.
2.3.1 Konvenční výroba
V ná a ovn se vyrábí jádro ve t ech variantách: nechlazené, s konvenčním chlazením a s chlazením Jet-Cooling. Pro výrobu jader se používá nástrojová ocel 1.2343.
Pro menší pr m ry otvor se používají p edevším nechlazená jádra, jejichž výhodou je
Vlivem rozdílné teploty špičky a zbývající chlazené části m že docházet k prasknutí jádra.
Další nevýhodou je, že se nečistoty v chladící vod mohou usazovat uvnit trubičky a časem m že tedy dojít k jejímu ucpání. Navíc se p i tomto zp sobu chlazení používá tlak do 5 bar, který n kdy kolísá. To zp sobí, že jádro není v danou chvíli dostatečn chlazené. Výhodou však z stává pom rn nízká cena jádra a používané chladící vody.
Tam, kde je pot eba intenzivn chladit taveninu, se obvykle používá chlazení Jet-cooling.
Jedná se o vysokotlaký chladič jader o malých pr m rech. K chlazení dochází prost ednictvím ízení a ovládání p estupu tepla v pr b hu tuhnutí za pomoci chladič v jádrech, tzv. jet coolers. D vodem, proč je chlazení tak účinné je, že b hem proud ní vody uvnit jádra dochází k její skupenské p em n , p i které se odvádí v tší množství tepla.
Pomocí Jet-coolingu lze chladit otvory s pr m rem už od 2 mm, podmínkou však je p esn vyvrtaný otvor.
P ístroj se skládá z elektrického motoru, vysokotlakého čerpadla, ovládací sk ín a dalších kontrolních prvk . Výhodou je, že lze k za ízení p ipojit až 20 jet-cooler a u jednotlivých jader nastavit odlišné doby chlazení. Jet-cooling využívá systému uzav eného okruhu vody.
Ob hové čerpadlo saje vodu ze sb rné nádrže a dále ji p ivádí k čerpadlu. Voda postupuje dále p es p emos ovací ventil regulující tlak do vysokotlakého magnetického ventilu, kde
28 dochází k rozd lení proudu do jednotlivých obvod . Vn p ístroje je pak voda p ivád na do rozd lovače a odtud k jednotlivým jádr m p i tlaku 20 bar. Poté se vrací p es rozd lovače zp t do nádrže.
Rychlost proud ní vody je kolem 4m/s. Pro chlazení se používá demineralizovaná a deionizovaná voda, aby nedocházelo k ucpání jet-cooleru nečistotami. Tomu se také p edchází profukováním jádra vzduchem po každém cyklu. Doba chlazení jádra závisí na velikosti a teplot jádra b hem tuhnutí, obvykle se udržuje na 150 °C. Po ukončení chlazení je do jádra p iveden vzduch, který vytlačí zbývající vodu v jád e a zárove zkontroluje t snost jádra [12].
Obrázek 14 - Schéma zapojení za ízení Jet-Cooling [12]
forma za ízení
Jet-cooling voda
vzduch
elektrické p ipojení
rozd lovač
Jet-cooler
jádro voda + vzduch
29 Hlavním problémem t chto jader bývá špatná kvalita odlitku v okolí jádra. Materiál je v blízkosti jádra porézní, jak lze vid t na obrázku 15b.
Porezita je u hliníkových odlitk velmi častou vadou. V blízkosti nedostatečn chlazeného jádra je teplota taveniny vysoká a odlitek zde tedy tuhne až jako poslední. V tomto p ípad je tedy porezita zp sobena vysokou teplotou taveniny, p i které dochází ke zvýšení obsahu plynu v tavenin a tedy i bublin.
Pro optimalizaci kvality odlitku v oblasti jádra byla tedy pro výrobu dílu použita aditivní technologie, která umož uje vyrobit chlazení komplikovan jšího tvaru a zm nit teplotní parametry p i lití.
2.3.2 3D tisk – technologie SLM
Tišt né jádro bylo zhotoveno technologií SLM u firmy Texer v Itálii. K tisku bylo použito za ízení Concept Laser M1 s laserem o výkonu 200 W. Ochrannou atmosféru uvnit stavební komory tvo il dusík. Tlouš ka tišt né vrstvy se pohybovala kolem 30 m.
Základní bázi jádra tvo il materiál 1.2343 a tišt ná část byla vyrobena z kovového prášku CL50, který odpovídá materiálu 1.2709. Pomocí aditivní technologie bylo možné po celé délce jádra zhotovit chlazení ve tvaru šroubovice, které by se pomocí konvenčních technologií nedalo zhotovit. P edpokládalo se, že tento tvar umožní mnohem intenzivn jší chlazení taveniny a tedy dosažení optimální kvality odlitku.
Obrázek 15 - aě Oblast se zvýšenou pórovitostí odlitku, bě detail odlitku
Konvenční
30
2.3.3 Porovnání jednotlivých jader
Pro všechny typy jader, jak konvenčn , tak aditivn vyrobené, byla vytvo ena simulace tuhnutí taveniny v softwaru ProCAST. Na obrázku 17 jsou zobrazena jádra v čase 25 sekund od začátku tuhnutí a v popisku jsou uvedeny pr m rné teploty jader. Z teplotní mapy lze vid t, že chlazení pomocí Jet-Coolingu je ze všech možností jednoznačn nejúčinn jší.
Tišt né jádro m lo sice chladící kanál ve tvaru šroubovice, u kterého se p edpokládala vyšší účinnost. Nebylo však možné u n j využít za ízení Jet-Coolingu, které pracuje za vyššího tlaku kapaliny. P i chlazení by tedy nedocházelo ke zm n skupenství uvnit jádra, jak je toho u Jet-coolingu a chladicí kapalina by následn neodvád la tak velké množství tepla.
2.3.4 Sledování dílu ve form
Jak již bylo uvedeno v p edchozí kapitole, účinnost chlazení aditivn vyrobeného jádra se nevyrovnala jádru využívajícího chlazení Jet-cooling. Nebyl tedy d vod, aby se tišt né jádro používalo namísto konvenčn vyrobených jader, jak se p vodn p edpokládalo. A to jak z hlediska účinnosti, tak i z cenového hlediska. Náklady na výrobu tišt ného jádra jsou totiž desetinásobn vyšší než náklady na zhotovení konvenčního jádra.
Jádro tedy nebylo nasazeno do formy. Nebyla tak možnost sledovat ho p ímo v praxi a zjistit jeho životnost.
b) c) d)
a)
Obrázek 17 - Simulace tuhnutí odlitku v oblasti jádra:
Obrázek 17 - Simulace tuhnutí odlitku v oblasti jádra: