Využití technologie 3D tisku k výrob metalurgického ná adí
Bakalá ská práce
Studijní program: B2301 – Strojní inženýrství Studijní obor: 2301R000 – Strojní inženýrství Autor práce: Kristýna Kubíková
Vedoucí práce: Ing. Ji í Šafka, Ph.D.
Liberec 2016
Bachelor thesis
Study programme: B2301 – Mechanical Engineering Study branch: 2301R000 – Mechanical Engineering
Author: Kristýna Kubíková
Supervisor: Ing. Ji í Šafka, Ph.D.
Liberec 2016
Pod kování
Tímto bych cht la pod kovat svému vedoucímu bakalá ské práce Ing. Ji ímu Šafkovi Ph.D. a konzultantovi ve ŠKODA AUTO a.s. Ing. Petru Svobodovi za odborné konzultace, poskytnuté rady a p ipomínky p i psaní této záv rečné práce. Dále bych cht la pod kovat všem, kte í mi byli p i psaní této práce jakkoliv nápomocní.
Abstrakt
Tato bakalá ská práce se zabývá využitím technologie 3D tisku p i výrob metalurgického ná adí, konkrétn p i výrob tlakových licích forem pro slitiny hliníku ve ŠKODA AUTO a.s. V první části této práce je p edstavena problematika 3D tisku a jsou zmapovány aktuální výrobní technologie.
Druhá část se zabývá aplikováním aditivn vyrobených díl v praxi a porovnáním s konvenčním zp sobem výroby. Poslední část této práce se zabývá zkoumáním mechanických vlastností materiálu H13 v závislosti na zp sobu výroby. V záv ru jsou poté zhodnoceny p ínosy, efektivita a potenciál technologie 3D tisku pro ŠKODA AUTO a.s.
Klíčová slova:
3D tisk, aditivní výroba, SLM, selektivní tavení laserem, tlaková licí forma, materiál H13, nástrojová ocel, mechanické zkoušky
Abstract
This bachelor thesis deals with the use of 3D printing technology in production of metallurgical tools, namely in production of die casting molds for aluminum alloys in ŠKODA AUTO a.s. In the first part of this work are presented problems of 3D printing and mapped out current production technologies. The second part deals with the application of additive manufactured parts in practice and compares them with the conventional production method. The last part of this thesis deals with the examination of mechanical properties of H13 material depending on the method of production.
Finally are evaluated effectiveness and potential of 3D printing technology in ŠKODA AUTO a.s.
Key words:
3D printing, additive manufacturing, SLM, Selective Laser Melting, pressure casting mould, material H13, tool steel, mechanical tests
7
Obsah
1 3D tisk ... 13
1.1 3D tisk polymerních materiál ... 13
1.2 3D tisk písku ... 14
1.3 3D tisk kovu ... 15
1.3.1 SLM - Selective laser melting ... 16
1.3.2 DMLS – Direct Metal Laser Sintering ... 20
2 ŠKODA AUTO a.s. ... 22
2.1 PSW-F Výroba metalurgického ná adí ... 22
2.2 Vložka vtoku - chlazený protikužel ... 23
2.2.1 Konvenční výroba... 23
2.2.2 3D tisk - technologie DMLS - I. verze ... 24
2.2.3 3D tisk – technologie DMLS - II. verze ... 24
2.2.4 Porovnání jednotlivých protikužel ... 24
2.2.5 Sledování dílu ve form ... 25
2.3 Jádro ... 27
2.3.1 Konvenční výroba... 27
2.3.2 3D tisk – technologie SLM ... 29
2.3.3 Porovnání jednotlivých jader ... 30
2.3.4 Sledování dílu ve form ... 30
2.4 Vložka vodní pumpy ... 31
2.4.1 Konvenční výroba... 31
2.4.2 3D tisk – technologie SLM ... 31
2.4.3 Sledování dílu ve form ... 32
2.5 Vložka chlazení ... 34
2.5.1 Konvenční výroba... 34
2.5.2 3D tisk – technologie SLM – I. verze ... 34
8
2.5.3 3D tisk - technologie SLM – II. verze ... 35
2.5.4 P esnost rozm r vložky ... 35
2.5.5 Procesní časy výroby vložky chlazení ... 36
2.5.6 Sledování dílu ve form ... 37
3 Materiál H13 ... 40
3.1 Zkouška tahem ... 41
3.1.1 Zkušební t leso ... 41
3.1.2 Nam ené hodnoty a vyhodnocení ... 42
3.2 Zkouška rázem v ohybu (metoda Charpy) ... 43
3.2.1 Zkušební t leso ... 43
3.2.2 Nam ené hodnoty a vyhodnocení ... 44
3.3 Chemická analýza ... 47
3.3.1 Nam ené hodnoty a vyhodnocení ... 47
3.4 M ení tvrdosti materiálu H13 ... 49
3.4.1 Nam ené hodnoty a vyhodnocení ... 49
4 Záv r ... 50
Použitá literatura ... 52
P ílohy ... 55
9
Seznam obrázk
Obrázek 1 - Písková forma pro segment st ižného lisovacího stroje [19] ... 14
Obrázek 2 - Schéma procesu EBM [7] ... 15
Obrázek 3 - Schéma procesu LMD [2] ... 16
Obrázek 4 - Schéma procesu SLM [14] ... 17
Obrázek 5 - Procesní parametry [23] ... 18
Obrázek 6 - Balling v jev [5] ... 19
Obrázek 7 - Zp sob skenování laseru: aě pruhy, bě šachovnice, cě ostrovy [18] ... 20
Obrázek 8 - aě Graf závislosti teploty na složení materiálu, bě Proces SLPS [6] ... 21
Obrázek 9 - Konvenčn vyrobený protikužel ... 23
Obrázek 10 - Konvenčn vyrobený d lený protikužel ... 23
Obrázek 11 - Model I. verze tišt ného protikužele ... 24
Obrázek 12 - Model II. verze tišt ného protikužele ... 24
Obrázek 13 - Simulace tuhnutí: ... 25
Obrázek 14 - Schéma zapojení za ízení Jet-Cooling [12] ... 28
Obrázek 15 - aě Oblast se zvýšenou pórovitostí odlitku, bě detail odlitku ... 29
Obrázek 16 - Jádro vyrobené technologií SLM... 29
Obrázek 17 - Simulace tuhnutí odlitku v oblasti jádra: ... 30
Obrázek 18 - Umíst ní vložky na odlitku Ěblok motoruě ... 31
Obrázek 19 - Konvenčn vyrobená vložka... 31
Obrázek 20 - Model aditivn vyrobené vložky vodní pumpy ... 31
Obrázek 21 - Stav odlitku p ed a po použití tišt ného dílu ... 32
Obrázek 22 - Snímky z termovizní kamery: ... 33
Obrázek 23 - Umíst ní vložky chlazení v odlitku Ěblok motoruě ... 34
Obrázek 24 - Model konvenčn vyrobené vložky chlazení ... 34
Obrázek 25 - I. verze tišt né vložky ... 34
Obrázek 26 - II. verze tišt né vložky ... 35
Obrázek 27 - Trhlina na aditivn vyrobené vložce chlazení ... 38
Obrázek 28 - Stav trhliny na vložce chlazení: ... 39
Obrázek 29 - aě Umíst ní trhlin na vložce chlazení, bě detail trhlin... 39
Obrázek 30 - Výkres zkušebního t lesa pro tahovou zkoušku [19] ... 41
Obrázek 31 - Zkušební t leso pro rázovou zkoušku: ... 43
Obrázek 32 - RTG snímky zkušebního t lesa: ... 44
Obrázek 33 - Vzhled lomové plochy u jednotlivých vzork : ... 44
10
Obrázek 34 - Snímky lomové plochy zkušebního t lesa pro vrubovou zkoušku: ... 45
Seznam tabulek
Tabulka 1 - Maximální hodnoty odchylek vložky chlazení ... 36Tabulka 2 - Procesní časy výroby vložky chlazení ... 36
Tabulka 3 - Výsledné hodnoty tahové zkoušky ... 42
Tabulka 4 - Výsledky rázové zkoušky ... 46
Tabulka 5 - Chemické složení vzork pro rázovou zkoušku - katalogové hodnoty [1] ... 47
Tabulka 6 - Chemické složení vzork pro rázovou zkoušku - nam ené hodnoty ... 47
Tabulka 7 - Nam ené hodnoty tvrdostí oceli H13 Ě1.2344ě ... 49
11
Seznam použitých zkratek a symbol
AISI American Iron and Steel Institute AM Additive manufacturing, aditivní výroba
CAD Computer-aided design, počítačem podporované projektování CAM Computer-aided manufacturing, počítačem podporované obráb ní
CNC Computer numeric control, číslicové ízení počítačem DMLS Direct metal laser sintering
EBM Electron beam melting EDS Energiov disperzní spektrum
EN Evropská norma
FDM Fused Deposition Modeling FFF Fused Filament Fabrication
H13 AISI označení pro nástrojovou ocel 1.2344 LBM Laser beam melting
LMD Laser metal deposition LMF Laser metal fusion
ProCAST Software pro simulace v oblasti slévárenství SEM Skenovací elektronová mikroskopie
SLA/SL Stereolithography, stereolitografie SLM Selective laser melting
SLPS Supersolidus liquid phase sintering STL STereoLithography, Ěformát souboruě 1.2343 Značení nástrojové oceli dle EN 1.2344 Značení nástrojové oceli dle EN 1.2709 Značení nástrojové oceli dle EN
3D 3-dimensional
12
Úv od
Technologie 3D tisku je mladá a dynamicky se rozvíjející technologie. Umož uje využívat nové materiály a postupy, které spolu p ináší nové možnosti ve stále více odv tvích. Tisknout lze tém cokoliv, p es kloubní náhrady, jídlo, živé tkán , až po celé domy či automobily.
Hlavní p edností 3D tisku je oproti konvenčnímu zp sobu výroby možnost vytvá et tvarov složité výrobky nebo odlehčené konstrukce, které b žným zp sobem nelze zhotovit. Krom výroby prototyp se začíná uplat ovat také p i výrob pln funkčních díl , které zárove spl ují vysoké nároky na mechanické vlastnosti.
Cílem této bakalá ské práce je zhodnotit p ínos 3D tisku v technické praxi a zárove provést porovnání s klasickými konvenčními technologiemi.
V úvodní části této práce jsou p edstaveny jednotlivé zp soby 3D tisku. Dále jsou podrobn ji popsány ty technologie 3D tisku, které byly použity p i výrob díl metalurgického ná adí ve ŠKODA AUTO a.s. Jedná se o díly, které jsou součástí slévárenských forem pro tlakové lití hliníkových slitin. V praktické části této práce jsou pak tyto díly použity, sledovány a testovány p ímo ve výrob .
Krom komplexního vyhodnocení konkrétních tišt ných díl se tato záv rečná práce zabývá mechanickými a materiálovými vlastnostmi nástrojové oceli H13 v závislosti na zp sobu jejího zpracování.
13
1 3D tisk
3D tisk je výrobní technologie, p i které lze p ímo z počítačového modelu vytvo it požadovaný trojrozm rný objekt. Není tedy pot eba využívat pomocné CAM software ani CNC stroje a nástroje pro obráb ní dílu. N kdy se také pro tuto technologii používá označení
„aditivní výroba“, jejíž název pln vystihuje postupné p idávání stavebního materiálu.
Vstupní materiál se m že nacházet ve skupenství kapalném Ěfotopolymer, prysky iceě nebo pevném Ětermoplastický materiál, kovový prášek, plastový prášek či slévárenský písek).
Princip technologie spočívá v postupném nanášení stavebního a p ípadn i podp rného materiálu v tenkých vrstvách. V p ípad termoplastu je materiál ve form drátu odvíjen z cívky do místa tavení. V p ípad prášku je rovnom rn nanášen pomocí pohyblivého zásobníku nebo lišty. Poté dochází k vytvrzení, tavení nebo spékání jednotlivých vrstev pomocí laseru či jiného zdroje zá ení. Tímto postupem vzniká výsledný produkt [6].
1.1 3D tisk polyme rních materiál
3D tisk z r zných polymerních materiál pat í v dnešní dob mezi nejrozší en jší aditivní zp soby výroby. Existuje tedy celá ada používaných technologií. Mezi nejstarší a nejznám jší pat í Stereolitografie (SLA), kde je p sobením ultrafialového laserového paprsku vytvrzována tekutá fotopolymerická prysky ice. Další velmi rozší enou technologií je PolyJet. Zde je polymerní materiál nanášený pomocí speciální tiskové hlavy vytvrzován pomocí UV sv tla. Nov jší je pak technologie PolyJet Matrix, která se velmi podobá Polyjet, s tím rozdílem, že lze v zásobníku osadit dva či více r zných fotopolymerních materiál [15].
Další variantou je technologie Fused Deposition Modeling (FDM), zde se využívá termoplastický polymerní materiál ve form vlákna, které je nanášeno p es extrudační trysku na základovou desku. Vše je ízeno vlastním počítačem. Její princip je podobný technologii Polyjet s tím rozdílem, že polymer není po nanesení vrstvy vytvrzován UV sv tlem. V dnešní dob se jedná o nejrozší en jší zpracování termoplastického materiálu.
Velký rozvoj 3D tiskáren pro polymerní materiály umožnil projekt Replicating Rapid Prototyper, také nazývaný RepRap. Jedná se o samoreplikovatelné za ízení pro výrobu prototyp . Projekt RepRap je založen na technologii Fused Filament Fabrication (FFF).
Tato technologie je stejná jako FDM, ale s tím rozdílem, že FDM je registrovaná známka firmy Stratasys. Podstatou projektu je možnost vytisknout si v tšinu součástí tiskárny z plastových díl a počet kovových součástek omezit na minimum. Navíc je nutné, aby
14 kovové součástky, které nelze vytisknout, jako nap íklad motor nebo jiné elektronické součástky, byly levné a dostupné. Hlavní výhodou RepRap je, že jsou všechny projekty a návody p ístupné ve ejnosti. Lidé si mohou tedy tiskárnu sestavit nebo vylepšit sami [17].
1.2 3D tisk písku
Technologie 3D tisku s využitím slévárenského písku se obecn nazývá Sandprint. Využívá se p edevším p i výrob slévárenských forem. Principem této technologie je postupné nanášení vrstvy slévárenského písku, které se následn spojují pomocí furanové prysky ice.
Ta se používá i p i konvenčním zp sobu výroby pískových forem, kde je následn vytvrzována p sobením kyselého katalyzátoru. Obdobný princip výroby je i u technologie Sandprintu, kdy je písek nejprve smíchán s aktivátorem a následn rovnom rn nanesen v podob tenké vrstvy. Trysková hlava poté p ivádí pot ebné množství prysky ice, která reaguje s aktivátorem a dochází k samovolné chemické reakci celé sm si. Následn se provede nanesení další vrstvy písku a celý proces se opakuje, dokud se nevytvo í požadovaný tvar.
Technologie Sandprintu na rozdíl od klasického formování sebou p ináší mnoho výhod.
Sandprint je oproti konvenčnímu zp sobu výroby formy mnohem p esn jší. Za ízení totiž tiskne s p esnosti 0,3 mm, což umož uje zmenšit p ídavky na obráb ní výsledného odlitku p ibližn o 50 %. Navíc se nemusí zhotovovat polystyrenový model odlitku a vtokové soustavy. Díky tomu se nejen zkrátí doba výroby, ale i zlepší kvalita odlitku. Pokud totiž forma obsahuje polystyrenový model, uvol uje se p i odlévání jeho spalováním plyn, který zp sobuje pórovitost odlitku a zárove má i negativní vliv na životní prost edí. Další velkou výhodou je, že se nemusí ešit skládání formy z více díl nebo použití jader. Lze vytisknout velmi komplikované tvary z jednoho kusu a navíc lze navrhnout libovoln složité odv trávání formy či vtokové soustavy [21].
Obrázek 1 - Písková forma pro segment st ižného lisovacího stroje [19]
15
1.3 3D tisk kovu
Tato technologie se používá k výrob prototyp , ale i finálních produkt . Své uplatn ní našla ve zdravotnictví, ve šperka ství, v automobilovém pr myslu, ale i v aerospace. Rozlišujeme t i základní technologie aditivní výroby díl : Electron Beam Melting (EBM), Laser Metal Deposition (LMD) a Laser Beam Melting (LBM).
Technologie EBM používá k tavení elektronový paprsek. Ten se generuje v elektronové trysce, poté je urychlován nap tím 60 kV a následn usm r ován pomocí elektromagnetických čoček a magnetické cívky do požadovaného místa [10]. Tato technologie má však oproti technologiím LBM a LMD, využívající laserového paprsku, velkou nevýhodu. P i dopadu elektron na povrch prášku dochází k nahromad ní elektrického náboje a elektrostatickému vymršt ní částic, tento jev je znám jako „smoking“
[18]. Tento problém lze minimalizovat tím, že je vrstva prášku nejd íve p edeh áta pomocí nezaost eného paprsku, který n kolikrát naskenuje povrch prášku a následn je prášek za použití vysokého toku paprsku teprve slinován [10]. Lze tomu také p edcházet tím, že se p i tavení vst ikuje malé množství hélia, které rozptyluje náboj na povrchu taveniny [18].
zaost ovací a
vychylova žhaven
é
tepelný štít zásobník prášku zaost ovací a vychylovací
čočky elektronový
paprsek žhavené
vlákno
tepelný štít
stavební platforma
vakuová komora prášek
díl
stavební nádrž
Obrázek 2 - Schéma procesu EBM [7]
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 natavování prášku tok
roztavený materiál laserový paprsek
ovlivn ná oblast materiálu
p idaný materiál
ochranný plyn
díl 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
n ž pro nanášení vrstvy prášku
zásobník s
práškem platforma
s posuvným stolem prášek tišt ný díl
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 následek vznik tzv. Ballingova jevu viz obrázek 6, kdy se vlivem povrchového nap tí a
laserový paprsek
rychlost skenování
prášek p edchozí vrstva
vzdálenost mezi 2 sousedními drahami
laseru
tlouš ka vrstvy
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 trasa pohybu nože
tlouš ka vrstvy
prášek n ž
Obrázek 6 - Balling v jev [5]
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 skenování
1.
4.
p ekrytí 1.
2.
3.
4. 5. 6.
1.
2.
3.
dráha laseru
a) b) c)
1. 5.
2.
3.
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
3D tisk
konvenční výroba
Obrázek 11 - Model I. verze tišt ného protikužele
Obrázek 12 - Model II. verze tišt ného protikužele
konvenční výroba 3D tisk
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 snadná výroba a vým na v p ípad ulomení.
Dále se používají konvenčním zp sobem zhotovená chlazená jádra. Jedná se o jádra chlazená za pomoci vody o teplot mezi 20 a 30 °C. Voda je p ivád na do otvoru jádra pomocí tenké trubičky. Tento otvor musí mít mnohem v tší pr m r Ě6 mmě než u jader s chlazením Jet-cooling (2 mm). Nem že tedy vést až do špičky jádra a chladit ho tak po celé délce.
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 výroba
Obrázek 16 - Jádro vyrobené technologií SLM
3D tisk
a) b)
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:
aě jádro bez chlazení 380°, bě konvenční chlazení 280°, cě jádro vyrobené pomocí SLM 255°, dě chlazení Jet-Cooling 220°
31
2.4 Vložka vodní pumpy
Vložky se ve form používají na místo tvarových částí, které jsou hodn namáhány. V p ípad opot ebení či ulomení je lze snadno vym nit či opravit. Pokud je pot eba, lze je využitím chladících kanál chladit.
Tato vložka se používá ve form č. 31-49K 300068 k vytvo ení tvaru pro chlazení motoru vodní pumpou. V této form se vyrábí bloky motoru EA111 – 1,2 L TSi – 4válec. P esné umíst ní vložky vodní pumpy na odlitku bloku motoru je znázorn no na obrázku 18.
2.4.1 Konvenční výroba
V ná a ovn se vyrábí dv varianty této vložky:
vložka nechlazená a vložka s jednoduchým chlazením, viz obrázek 19. Ob se vyrábí z nástrojové oceli 1.2343. Použitím chlazení uvnit vložky sice došlo ke snížení její teploty p i odlévání, p esto nebylo toto chlazení dostatečné a b hem lití občas docházelo k p eh ívání vložky. To následn zp sobilo ulp ní hliníku na vložce a vytržení části materiálu z odlitku, viz kapitola 2.4.3.
2.4.2 3D tisk – technologie SLM
Aby bylo dosaženo optimální kvality odlitku v míst vložky, byla pro výrobu použita aditivní technologie, pomocí které bylo možné zhotovit uvnit vložky tvarov komplikované chladicí kanály, viz obrázek 20c. Tišt ná vložka byla stejn jako tišt né jádro vyrobena u firmy Texer v Itálii. Pro tisk byla použita
Obrázek 18 - Umíst ní vložky na odlitku (blok motoru)
a) b)
Obrázek 19 - Konvenčn vyrobená vložka aě bez chlazení
bě s chlazením
Obrázek 20 - Model aditivn vyrobené vložky vodní pumpy
32 tiskárna EOSINT M 280 s 400 W laserem a ochrannou atmosférou dusíku uvnit stavební komory. Pr m rná tlouš ka vrstvy se pohybovala okolo 40 m. Jako stavební materiál byl použit kovový prášek MS1, který odpovídá materiálu 1.2709.
2.4.3 Sledování dílu ve form
Na obrázku 21a je znázorn n detail odlitku p ed použitím aditivn vyrobeného dílu ve form . Jak již bylo uvedeno v kapitole 2.4.2, vlivem p eh ívání vložky vodní pumpy na ní docházelo k ulpívání hliníku. Následn pak docházelo k vytržení části materiálu z odlitku. Po použití aditivn vyrobené vložky se významn zvýšila účinnost jejího chlazení. Na obrázku 21b je uveden detail odlitku, na kterém lze vid t, že už nedošlo k vytržení materiálu. Technologie 3D tisku skutečn umožnila zlepšit kvalitu odlitku, jak se p vodn p edpokládalo.
Pro p esn jší určení intenzity chlazení vložky vodní pumpy byla použita termovizní kamera.
Na obrázku 22 jsou znázorn ny snímky z termovizní kamery Flir E60. Termokamera umož uje pomocí nechlazeného mikrobolometru bezkontaktn zachytit rozložení teplotního pole tlakové licí formy na termovizní snímek (termogram).
Samotné m ení vždy probíhalo ihned po vyjmutí odlitku z formy a to p ed ošet ením povrchu formy separačním prost edkem. P ed m ením bylo nastavena emisivita na hodnotu =0.80 a byl použit m ící rozsah 0-650 °C. Dále bylo pot eba zohlednit vlhkost a teplotu okolí, typ m eného povrchu a vzdálenost termokamery od m ené formy. Termovizní snímky byly zpracovány a analyzovány pomocí softwaru Flir Tools+. Na jednotlivých termogramech jsou v rámečku vyznačeny sledované vložky vodní pumpy a v popisku jsou uvedeny jejich pibližné teploty. Tyto teploty jsou částečn zkreslené, nebo byly m eny p i otev ené form . Neodpovídají tak p esn teplotám formy b hem lití.
a) b)
5 mm
Obrázek 21 - Stav odlitku p ed a po použití tišt ného dílu aě Vytržená část odlitku bě Odlitek po použití tišt né vložky
33 Aditivní technologie umožnila vyrobit tvarov komplikovan jší kanály, které zajistily intenzivn jší ochlazení vložky. Teplota tišt né vložky se tak oproti konvenční chlazené vložce snížila z 255 °C na 195 °C, tedy o 60 °C. P i odlévání už nadále nedocházelo k ulpívání odlitku na vložce, skutečn se dosáhlo požadované kvality odlitku na vložce a reáln tak bylo dosaženo požadované kvality odlitku v problémovém míst . Pro lepší p edstvu o účinnosti jednotlivých vložek je na obrázku 22a uvedena i termogram nechlazené vložky vodní pumpy.
Na snímku je vid t, že teplota nechlazené vložky byla tém 300 °C, tedy o 105 °C výše než v p ípad 3D tišt né vložky.
Srovnání životnosti tišt né vložky vodní pumpy v či konvenční vložce nebylo možné po dobu tvorby bakalá ské práce dokončit. Náklady na výrobu tišt né vložky jsou však stejn jako u ostatních aditivn vyrobených díl dvojnásobn vyšší než náklady na výrobu konvenčních díl .
Obrázek 22 - Snímky z termovizní kamery:
a) Vložka bez chlazení 290 °C, bě konvenční chlazení 255 °C, cě tišt ná vložka 195 °C a)
b)
c)
34
2.5 Vložka chlazení
Stejn jako u vložky vodní pumpy se jedná o tvarovou vložku, která se využívá k nahrazení tvarové části ve form č. 31-49K 300309. V p ípad opot ebení či ulomení ji lze snadno vym nit. Na obrázku 23 je zobrazeno umíst ní dané vložky v odlitku bloku motoru. Ve ŠKODA AUTO a.s. se pro tento typ motoru používá označení EA211 – 1,0 L TSi.
2.5.1 Konvenční výroba
Tato tvarová vložka se vyrábí z nástrojové oceli 1.2343. Pro její komplikovaný tvar a tedy složitou a časov náročnou výrobu se odd lení Výroby metalurgického ná adí rozhodlo, že bude vyrobena pomocí aditivní technologie. Ta je vhodná práv pro výrobu tvarov složitých díl . Zárove se p i výrob tohoto dílu vyzkoušel nový materiál – nástrojová ocel 1.2344 (H13).
2.5.2 3D tisk – technologie SLM – I. verze
Tišt ný díl byl vyroben Technickou univerzitou v Liberci pomocí za ízení SLM 280HL, které využívá 400 W laser. Stejn jako u p edchozích díl byla b hem tisku použita ochranná atmosféra dusíku.
Tlouš ka vrstvy byla 30 m. Na tisk podp rných struktur byl použit výkon laseru 100 W a rychlost skenování 600 mm/s. Hraniční oblasti byly skenovány 100 W p i rychlosti 400 mm/s a samotný díl p i výkonu 275 W a rychlosti 760 mm/s. Jak již bylo uvedeno výše, vložka byla vyrobena z materiálu
1.2344 (H13). Po vyjmutí vložky ze stavební komory vzniklo u její základny n kolik trhlin.
P íčinou bylo vnit ní pnutí uvnit materiálu. Detailní obrázek trhlin je uveden v kapitole 2.5.6 na obrázku 28a.
Obrázek 23 - Umíst ní vložky chlazení v odlitku Ěblok motoruě
Obrázek 24 - Model konvenčn vyrobené vložky chlazení
Obrázek 25 - I. verze tišt né vložky
35 Následn byla vložka chlazení tepeln zpracována, tak aby bylo dosaženo požadovaných mechanických vlastností materiálu. Nejprve byla vyžíhána ke snížení pnutí p i teplot 650 °C a výdrži 3h p i této teplot , následn kalena p i 1030 °C a výdrži 30 minut. Poté byla dvakrát popoušt na, a to p i 630 °C a 560 °C, pokaždé p i výdrži na 2,5h. Vložka byla popušt na na požadovanou tvrdost 40-42 HRC, stejn jako konvenční vložka. P i kalení i popoušt ní bylo k chlazení použito ochranné atmosféry dusíku.
2.5.3 3D tisk - technologie SLM – II. verze
Druhá verze tišt né tvarové vložky byla z d vodu vzniklých trhlin u p edchozí verze vytišt na vertikáln , viz obrázek 26. Tím se zmenšila plocha skenovaná laserem v jednotlivých vrstvách a tedy i vnit ní pnutí v tišt ném dílu. Pro tisk byl použit stejný materiál i za ízení jako u p edchozí verze. Procesní parametry z staly také stejné, ale zp sob ochlazování dílu po ukončení tisku byl tentokrát pln ízený. Ochlazování bylo postupné, každou hodinu se teplota snížila o 5 °C, zatímco u p edchozí verze vložky se pouze vypnul
oh ev stavební komory a teplota klesala mnohem rychleji. Tento zp sob ochlazování a pozice dílu výrazn snížily vnit ní pnutí v materiálu, které u p edchozí verze zp sobily vznik trhlin.
Op t byly zhotoveny RTG snímky vytišt ného dílu, které nevykazovaly p ítomnost jakýchkoliv mechanických vad. Vložka byla tepeln zpracována jako p edchozí tišt ná verze.
2.5.4 P esnost rozm r vložky
U obou provedení vložky byly zm eny odchylky rozm r a zpracovány m rové protokoly.
A to p ed i po tepelném zpracování. K m ení tišt ných vložek bylo použito za ízení ATOS 2 na Technické univerzit v Liberci. Následn byla získaná data zpracována pomocí softwaru GOM Inspect Pro v8. Konvenčn vyrobená vložka byla m ena ve ŠKODA AUTO a.s.
pomocí za ízení SMS DEA IOTA. M ení bylo provedeno pouze u tepeln zpracované vložky chlazení. Jednotlivé m rové protokoly jsou uvedeny v p íloze.
Obrázek 26 - II. verze tišt né vložky
36 Tabulka 1 - Maximální hodnoty odchylek vložky chlazení
Zp sob výroby vložky
Maximální hodnoty odchylek [mm]
Vložka chlazení Rovinnost základové desky P ed
tepelným zpracováním
Po tepelném zpracováním
P ed tepelným zpracováním
Po tepelném zpracováním 3D tisk – I. verze -0,29 +0,21 -0,21 +0,24 -0,47 +0,43 -0,18 +0,19 3D tisk – II. verze -0,29 +0,29 -0,23 +0,37 -0,08 +0,1 -0,09 +0,1
Konvenční - - -0,11 +0,20 - - - -
V tabulce 1 jsou uvedeny maximální hodnoty odchylek nam ených na vložkách chlazení.
Z t chto hodnot plyne, že rozm rová p esnost u I. verze tišt né vložky byla lepší. To bylo nejspíš zp sobeno tím, že II. verze vložky byla tišt na vertikáln a pro výrobu bylo tedy použito více vrstev. Vzniklé odchylky u obou verzí se i p esto vešly do stanoveného p ídavku pro opracování, který byl zvolen 1,5 mm.
Dále bylo provedeno m ení rovinnosti základové desky, na kterou byla vložka vytišt na.
Tato deska byla vyrobena konvenčn a ze stejného materiálu, jako samotná vložka. U I. verze došlo b hem tisku vlivem vnit ního pnutí k prohnutí desky. Po tepelném zpracování se nap tí snížilo z p vodních hodnot více než o polovinu. U II. verze byly hodnoty odchylek n kolikanásobn menší. Vložka totiž zaujímala na základové ploše mnohem menší plochu než I. verze. Proto nedocházelo tak k velkému pnutí a prohnutí desky.
Z m ení p esnosti vložek plyne, že pomocí 3D tisku zatím nelze dosáhnout takové p esnosti jako u konvenčních technologií. Proto je nutné funkční rozm ry tišt ných díl k dosažení určité p esnosti obráb t. Zárove se zjistilo, že i orientace dílu p i tisku má částečný vliv na výslednou p esnost.
2.5.5 Procesní časy výrob y vložky chlazení
V následující tabulce 2 je porovnána doba výroby konvenční a tišt né vložky. Jsou zde uvedeny činnosti nutné pro výrobu vložky a jejich časová náročnost v hodinách.
Tabulka 2 - Procesní časy výroby vložky chlazení
Činnost Konvenční výroba [h]
Aditivní výroba [h]
Tvorba hrubovacích program 4 -
Rovinné hrubování polotovar 8,2 -
37
Tvarové hrubování polotovar 14,6 -
Kontrola po hrubování 4,7 -
Tvorba programu tisku - 12
Tisk polotovaru - 119
P íprava pro tepelné zpracování - nástroja 1,0 -
Tepelné zpracování 24 24
Tvorba dokončovacích obráb cích program 8 8
Zhotovení čelního tvaru na čisto 24,4 24,4
Zhotovení p dorysného tvaru na čisto 48,5 48,5
Vrtání otvor 4,2 7,4
Odstran ní pomocné desky - 0,5
Kontrola otvor a tvar 4,7 4,7
Lešt ní čelního tvaru 12,2 12,2
Nitridace do hloubky 0,1 mm 24 24
Celkem [h] 172,1 284,7
Z tabulky 2 plyne, že výroba vložky pomocí 3D tisku trvá podstatn déle. Doba pro její zhotovení je tém dvojnásobná. To je zp sobeno p edevším tím, že vytišt ný díl nedosahuje konečné požadované p esnosti rozm ru. Z toho d vodu je díl vytišt n s p ídavkem na obráb ní a musí být následn ješt opracován, zatímco konvenční díl se obrábí p ímo s požadovanou p esností.
Hlavní výhodou aditivní výroby však je, že p ístroj po nastavení tiskne zcela sám a není nutná jakákoliv obsluha. Navíc se nemusí vytvá et žádné hrubovací programy pro CNC stroje, pouze je pot eba model daného dílu nahrát do p íslušného za ízení.
Časovou náročnost aditivní výroby lze využitím dalšího laseru p i tisku snížit až o 60 procent.
Tím by se 3D tisk z časového hlediska tém vyrovnal konvenční výrob .
2.5.6 Sledování dílu ve form
VLOŽKA CHLAZENÍ (I. verze)
Aditivn vyrobená vložka chlazení byla b hem ešení záv rečné práce v aktivním procesu.
Nebylo nutné ji m nit ani jakkoliv opravovat. Po dobu ešení bakalá ské práce odlila celkem 8 785 blok motoru, nebylo však možné zjistit její celou životnost. U konvenčn vyrobených vložek chlazení odpovídá životnost dílu životnosti celé formy, která se u takto velkého odlitku pohybuje okolo 70 000 odlitých kus .
38 Po odlití 3654 kus bylo nutné formu kv li technické závad demontovat z licího stroje. P i této p íležitosti mohl být vizuáln zkontrolován aktuální stav vložky. Zjistilo se, že se v horní části vložky vytvo ila drobná trhlina, viz obrázek 27. Orientace trhliny byla stejná jako jednotlivé tišt né vrstvy. Jedná se však o klasický projev opot ebení vložky, který se obvykle vyskytuje i konvenčních díl . P íčinou vzniku bývá často nadm rné namáhání dílu b hem lití nebo vyjímání odlitku z formy. V tomto p ípad se však o nijak závažný problém, který by m l vliv na kvalitu odlitku či proces odlévání. Vložka tedy nebyla vym n na.
Následn byla vložka demontována z licího stroje ješt podruhé, po 7396 odlitých kusech.
D vodem demontáže op t nebyl tento sledovaný díl. Bylo možné tedy vložku zkontrolovat a zárove po ídit snímky trhlin ve spodní části vložky. Ty, jak již bylo uvedeno v kapitole 2.5.2, vznikly vlivem vnit ního pnutí již b hem její výroby. Na obrázku 28 je zobrazena fotografie a RTG snímek dílu p ed montáží do formy a fotografie aktuálního stavu trhliny. Lze vid t, že se trhliny nepatrn zv tšily. Zatím se p edpokládá, že se její životnost vyrovná konvenčn vyrobené vložce.
a) b)
Obrázek 27 - Trhlina na aditivn vyrobené vložce chlazení
39 VLOŽKA CHLAZENÍ ĚII. verze)
U II. verze aditivn vyrobené vložky se k termínu dokončení bakalá ské práce odlilo 11 496 kus . Vložka chlazení je stále v aktivním procesu. Na rozdíl od I. verze se u ní b hem 3D tisku ani tepelného zpracování neobjevily žádné mechanické vady.
Pouze b hem demontáže formy se zjistilo, že se p i odlévání vytvo ily na horní hran vložky drobné trhliny. Jak lze vid t na obrázku 29b, orientace trhlin je op t shodná s orientací jednotlivých tišt ných vrstev. Zp sob tisku má tedy významný vliv na orientaci p ípadných mechanických vad a p i nastavování parametr tisku je tak nezbytné zohlednit funkci a sm r namáhání daného dílu. Jelikož se jednalo pouze o drobné trhliny, nebylo nutné vložku m nit či opravovat. I u tohoto dílu se p edpokládá, že se jeho životnost vyrovná konvenčním díl m.
Obrázek 28 - Stav trhliny na vložce chlazení:
P ed montáží do formy:
a) fotografie b) RTG snímek
Po demontáži z formy:
c) fotografie
Obrázek 29 - aě Umíst ní trhlin na vložce chlazení, bě detail trhlin c)
a) b)
40
3 Materiál H13
Tato část práce se v nuje mechanickým vlastnostem materiálu H13, který byl použit p i výrob vložky chlazení. Znalost mechanických vlastností nám umož uje p edpokládat, jak se materiál bude chovat p i p sobení vn jších sil.
Ve ŠKODA AUTO a.s. se používá značení dle evropské normy EN 1.2344 nebo značení americkou organizací AISI H13. Tato ocel se pro své dobré mechanické vlastnosti používá k výrob forem pro tlakové lití a nástroj pro lisování za tepla. Vyznačuje se houževnatostí, vysokou prokalitelností, pevností a odolností proti opot ebení za vysokých teplot. Také je odolná v či vzniku trhlin a prudké zm n teplot [16].
MECHANICKÉ VLASTNOSTI MATERIÁLU
Základními mechanickými vlastnostmi materiálu jsou pevnost, pružnost, houževnatost a plasticita. Tyto vlastnosti lze zjistit pomocí mechanických zkoušek, které m žeme d lit dle:
- zp sobu zat žování, kdy je zkušební t leso zat žováno tahem, tlakem, ohybem, krutem nebo st ihem,
- časového pr b hu zat žující síly na zkoušky statické a dynamické,
- stavu napjatosti, kdy rozlišujeme napjatost jednoosou, dvouosou a trojosou [22].
Ke zjišt ní základních mechanických vlastností byla použita zkouška tahem a zkouška rázem v ohybu. Tyto zkoušky byly provedeny jak na tišt ných, tak na konvenčn vyrobených vzor- cích.
41
3.1 Zkouška tahem
Jedná se o statickou zkoušku, to znamená, že je zkušební t leso zat žováno konstantní silou nebo silou, která postupn m ní svou velikost. V tomto p ípad síla postupn nar stá.
Zárove dochází b hem zkoušky pouze k jednoosému zatížení vzorku pomocí síly, která p sobí do té doby, než dojde k p etržení zkušebního vzorku. B hem zkoušky dochází k zaznamenávání zat žující síly v závislosti na prodloužení. Prodloužení zkušební tyče je m eno pomocí extenzometru. Výstupem této mechanické zkoušky jsou nap ové Ěmez kluzu, mez pevnostiě a deformační charakteristiky Ěprodloužení materiáluě [22].
Pro zkoušku bylo použito trhací za ízení TIRA test 2300 na Technické univerzit v Liberci.
P i zkoušce tahem se zjiš ovala mez kluzu, mez pevnosti v tahu a prodloužení zkušebního t lesa. P vodní délka zkušebního t lesa byla 30 mm. P edp tí bylo nastaveno na 1kN. Dokud nedosáhl daný materiál meze kluzu, byla rychlost zat žování nastavena na 1mm/min, následn se rychlost zvýšila na 15 mm/min.
3.1.1 Zkušební t leso
Zkušební t leso má stejn jako u ostatních mechanických zkoušek pevn dané rozm ry stanovené v p íslušné norm a p esn stanovený pr b h zkoušky. V tomto p ípad se vycházelo z výkresu zkušebního t lesa používaného ve ŠKODA AUTO a.s.
KONVENČNÍ T LESA
Ze základové desky II. verze vložky chlazení byla vyrobena 3 zkušební t lesa, která p edstavovala skupinu konvenčn zhotovených vzork . Tato deska byla objednána z n mecké firmy Meusburger. Jelikož byla t lesa vyrobena ze základové desky použité p i
Obrázek 30 - Výkres zkušebního t lesa pro tahovou zkoušku [19]
42 tisku vložky chlazení, bylo tak dosaženo stejného zp sobu tepelného zpracování jako u sledovaného dílu.
3D TIŠT NÁ ZKUŠEBNÍ T LESA
Celkem bylo vytišt no 6 vzork s orientací 90 ° v či základové desce. T i vzorky byly tepeln zpracovány jako konvenční t lesa a t i vzorky nebyly tepeln zpracovány v bec.
3.1.2 Nam ené hodnoty a vyhodnocení
V níže uvedené tabulce 3 jsou uvedeny nam ené hodnoty b hem zkoušky tahem: smluvní mez kluzu, mez pevnosti v tahu a celkové prodloužení vzorku. V p íloze jsou pak uvedeny pr b hy zkoušek zobrazující závislost mez nap tím a pom rným prodloužením vzorku.
Tabulka 3 - Výsledné hodnoty tahové zkoušky
Smluvní mez kluzu vyšla u všech vzork p ibližn stejn . Mez kluzu charakterizuje nejmenší nap tí, p i kterém dochází k p echodu z elastických deformací na plastické. Smluvní mez kluzu charakterizuje nap tí, p i kterém se zkušební vzorek trvale prodlouží o 0,2 %.
Tišt ný vzorek bez tepelného zpracování dosahoval nejvyšší meze pevnosti v tahu. Ta odpovídá maximálnímu zatížení, které m že vzorek v pr b hu zkoušky p enášet. Zárove se tento vzorek b hem zkoušky nejmén prodloužil. V p ípad , že se aditivn vyrobený vzorek tepeln zpracoval stejným zp sobem jako konvenční, hodnoty meze kluzu a meze pevnosti se snížily. Dokonce byly nižší než u konvenčn vyrobeného vzorku.
Zkušební t leso
Tepelné zpracování
Mez kluzu Rp0.2 [MPa]
Mez pevnosti v tahu Rm [MPa]
Prodloužení Ag [%]
3D tisk žádné 1207,8 ± 358,6 1854,6 ± 164 4,14 ± 1,99
3D tisk žíháno, kaleno,
2x popoušt no 1105 ± 16,4 1313,6 ± 15,2 5,28 ± 1,33 Konvenční žíháno, kaleno, 2x popoušt no 1230,3 ± 18,9 1393 ± 17,4 5,16 ± 0,95
43
3.2 Zkouška rázem v ohybu (metoda Charpy)
Podstatou této zkoušky je p eražení zkušebního t lesa umíst ného na dvou podp rách pomocí b itu kyvadlového kladiva [4]. Zkouška probíhá za podmínek stanovených v norm ČSN ISO 148-1:2010 a EN ISO 14556:2000. Jejím cílem je zjistit závislost nárazové síly a pr hybu zkušebního t lesa b hem rázu [3]. Zkouška byla provedena v laborato i Technické univerzity v Liberci na za ízení Lab Test CHK 450 J-I.
3.2.1 Zkušební t leso
Zkušební t leso daných rozm r je opat eno vrubem, v tomto p ípad V-vrubem, tak aby došlo k lomu a ne pouze k plastické deformaci t lesa.
Pro tuto zkoušku bylo zhotoveno celkem 17 zkušebních t les:
KONVENČNÍ T LESA
Nejprve bylo vyrobeno 5 zkušebních t les ze základové desky vložky chlazení stejn jako u zkoušky tahem. Tato t lesa p edstavovala skupinu konvenčn vyrobených vzork .
3D TIŠT NÁ ZKUŠEBNÍ T LESA
Aditivní technologií SLM bylo následn vyrobeno 12 vzork . Z toho byly 3 vzorky vytišt ny s orientací 0° v či základové desce Ěobrázek 31b), tyto vzorky byly následn vyžíhány ke snížení pnutí. Poté se vytisklo 9 vzork s orientací 90° v či základové desce Ěobrázek 31b).
Z toho 5 vzork bylo op t vyžíháno ke snížení pnutí a 4 byly tepeln zpracovány jako konvenční t lesa. Pro tisk byly použity stejné procesní parametry jako p i výrob I. a II. verze tišt né vložky.
Obrázek 31 - Zkušební t leso pro rázovou zkoušku:
aě výkres zkušebního t lesa [4], bě orientace tišt ného t lesa: vertikální 90°, horizontální 0°
b) a)
44 RENTGEN
Pro lepší p edstavu o jakosti vytišt ného materiálu byly oba typy vzork zrentgenovány na za ízení X-CUBE, viz obrázek 32a,b. Na snímcích nejsou viditelné vrstvy prášku tavené laserem ani p ípadná porezita materiálu.
Zkušební vzorky nevykazují žádné mechanické vady.
3.2.2 Nam ené hodnoty a vyhodnocení
Rázová zkouška byla vyhodnocena dle vzhledu lomové plochy a velikosti nárazové práce.
V p íloze jsou uvedeny pr b hy zkoušek zobrazující závislost mezi sílou a pr hybem vzorku.
VZHLED LOMOVÉ PLOCHY
Vzhled lomové plochy p eražených zkušebních t les vypovídá o tom, že se jedná o k ehký nikoli houževnatý lom. K ehký lom se vyznačuje tím, že nedochází k deformaci pr ezu vzorku a na lomové ploše jsou viditeln v tší krystalky [4].
Na lomové ploše tepeln zpracovaných vzork lze vid t, že je materiál více houževnatý než u vzork , které byly pouze žíhány. Dvojnásobným popoušt ním p i tepelném zpracování se totiž snížila tvrdost a tedy i k ehkost vzork . To že je materiál více houževnatý ukazuje to, že se krom št pné plochy objevují na okrajích pr ezu i smykové plochy, viz obrázek 33c,d.
U konvenčního vzorku je sice podíl smykové plochy menší než u tišt ného, na druhou stranu u n j došlo k nepatrnému p íčnému rozší ení. Proto nelze jednoznačn určit, který z tepeln zpracovaných vzork bude mít vyšší hodnoty vrubové houževnatosti.
a) b) Obrázek 32 - RTG
snímky zkušebního t lesa:
a) vertikální t leso (90°ě, bě horizontální (0°)
Obrázek 33 - Vzhled lomové plochy u jednotlivých vzork :
a) 3D tisk - orientace 0° - žíháno, bě 3D tisk – orientace 90° - žíháno, c) 3D tisk – 90° - tepeln zpracováno, dě konvenční – tepeln zpracováno
a) b) c) d)
45 Tišt né vzorky, které nebyly tepeln zpracovány a liší se pouze v orientaci p i tisku, nevykazují žádné p íčné rozší ení ani podíl smykové plochy. Lze tedy konstatovat, že jsou oproti zbylým vzork m mnohem k ehčí.
VZHLED LOMOVÉ PLOCHY – vyhodnocení pomocí mikroskopu
K p esn jšímu vyhodnocení lomové plochy bylo použito za ízení SEM ĚSkenovací elektro- nová mikroskopieě Carl Zeiss ULTRA plus. Skenovací elektronový mikroskop využívá namísto sv tla proud elektron , které dopadají na povrch zkoumaného vzorku. Výsledný obraz se získá detektoru nep ímou metodou – z elektron odražených od povrchu nebo sekundárních elektron . Na obrázku 34 jsou uvedeny snímky po ízené na SEM. Lze vid t, že krystalky u tišt ného vzorku jsou výrazn jší než u konvenčního vzorku. Což op t potvrzuje to, že je tišt ný materiál výrazn k ehčí.
Vyhodnocení rázové zkoušky dle lomové plochy je pouze orientační. Pro určení houževnatosti se tedy bude vycházet z nárazové práce.
NÁRAZOVÁ PRÁCE, VRUBOVÁ HOUŽEVNATOST
Pro vyhodnocení zkoušky byla použita hodnota práce Wiu, která odpovídá okamžiku iniciace trhliny [3]. V následující tabulce 4 jsou uvedeny pr m rné hodnoty této práce pro jednotlivé typy vzork a hodnoty vrubové houževnatosti. V p íloze jsou také uvedeny grafy závislostí síly na dráze, které byly nam eny v pr b hu vrubové zkoušky.
Obrázek 34 - Snímky lomové plochy zkušebního t lesa pro vrubovou zkoušku:
aě 3D tisk, bě konvenční výroba
