Az Ipar 4.0 és a 3D fémnyomtatás kapcsolata a gyártásban

A negyedik ipari forradalomban a 3D nyomtatás gyártástechnológiaként megkerülhetetlen, akár ipari fémnyomtatásról, akár professzionális műanyag 3D nyomtatásról van szó. A gyártás rugalmassá tétele olyan kiegészítő segédeszközöket és szerszámokat igényel, amelyek leghatékonyabban 3D nyomtatással valósíthatók meg.

Az Ipar 4.0 új szemléletének kialakításakor a fő cél, hogy a virtuális valóság együtt tudjon működni a fizikai valósággal, más szavakkal a digitális és a fizikai világ közötti hiány kitöltését kell megvalósítani.  

Ennek érdekében az Ipar 4.0 megközelítést alkalmazó gyártás során sok különböző technológia együttműködésének együttes hatása szükséges a megfelelő eredmény eléréséhez. Ezek között a mesterséges intelligencia – AI – mellett az IoT, a Big Data, és az Additive Manufacturing megoldásai nélkülözhetetlenek.

Az Additive Manufacturing technológiái között a 3D fémnyomtatás egyre fontosabb szerepet tölt be.

Ez egy alapvetően ipari, professzionális megoldást jelent, amikor is az ipari 3D fémnyomtatók szabályozott és ellenőrzött környezetben, lézerrel történő szinterezés segítségével, egy lépésben készítik az alkatrészeket. Az eljárás alapelvét az alábbi ábra mutatja be:


DMLS eljárás alapelve

A DMLS – Direct Metal Laser Sintering – technológia legfontosabb ismérve, hogy az automatikusan, rétegről-rétegre terített porszemcsék lézer energiával, egy lépésben kerülnek szinterezésre (egyszerűen kifejezve összeolvasztásra) minden egyes réteg vonatkozásában. Amikor egy réteg elkészül, a berendezés asztala egy rétegnyit lejjebb mozog – ez a DMLS eljárásnál 20-60 µm között változhat – és behúz a felszabadult helyre egy rétegnyi friss fémport, amely ismét lézerrel kerül megszilárdításra, az adott réteg geometriájának megfelelően. A zsugorodás kézbentartása automatikus, nem igényel felhasználói beavatkozást. Az elkészült fém alkatrészek pontossága +/- 0,02 – 0,05 mm között változik, az adott alkatrész méretétől és geometriájától függően. Lehetőségünk van a teljes folyamatot befolyásoló, több száz paraméter pontos beállítására, annak érdekében, hogy az általunk megkívánt lehető legmagasabb minőségi igényeket is ki lehessen elégíteni. Az Ipar 4.0 megközelítés alkalmazásával a tervezés területén is teljesen új lehetőségekkel találjuk szembe magunkat, amelyet általában a tervezés szabadságával szoktak jellemezni.

Az Ipar 4.0 megoldásainak zöme robotokra fog épülni. Nagyon fontos a robotok használatánál a lehető legkisebb tömeg mozgatásának elérése. Ez azért fontos, mert a kisebb tömegű alkatrészek mozgatásához kisebb teljesítményű robot is megfelel, illetve ha az adott teljesítményű robot a könnyebb alkatészt mozgatja, akkor azt teheti nagyobb sebességgel és emellett a karbantartási ciklusa is növekszik.

Az alkatrészek tömegét kétféleképpen is lehet csökkenteni. Egyrészt topológiai optimalizálással, azaz csak ott hagyunk anyagot, ahol az adott alkatrész teherviselési képessége ezt igényli. Ezzel a módszerrel jelentős alapanyagot lehet megspórolni, viszont komplexebb gyártási kérdésekkel kerülünk szembe.

A másik módszer, ha az alkatrészt nem tömören gyártjuk, hanem belső rácsszerkezettel. Ebben az esetben is érdemes végeselemes módszerrel ellenőrizni a teherviselő képességet. Az alábbi ábrán mindkét megoldásra láthatunk példát.


Kétféleképpen optimalizált alkatrész (A szerző felvétele, 2018 IMTS kiállítás, Chicago/USA)

A kétféle megoldásnak az a közös vonása, hogy tradicionális gyártási módszerekkel nem, vagy csak nagy nehézségek árán lehet ezeket az alkatrészeket legyártani. Itt szembesülhetünk a 3D fémnyomtatás – Additive Manufacturing – megkerülhetetlen előnyeivel, hiszen a rétegről rétegre történő felépítő gyártásnál megszabadulhatunk azoktól a geometriai korlátoktól, amelyek a hagyományos megmunkálási technológiákat jellemezik.

A 3D fémnyomtatás – DMLS technológia – szembetűnő előnyeit elsők között ismerte fel a repülőgépipar. Itt nagyon fontos a súlycsökkentés és a lehető legjobban kihasznált térfogat, amely egy-egy alkatrész rendelkezésére áll. Ennek megfelelően a GE Aviation 2015-ben elkezdte az üzemanyag fúvókák áttervezését és gyártását 3D fémnyomtatással – pontosabban a DMLS eljárással. Korábban ezt a nagyon fontos alkatrészt – amely a turbinába fecskendezi be az üzemanyagot – 18 különböző alkatrészből gyártották és állították össze.

A 18 különböző alkatrész között volt olyan, amelyet CNC marással állítottak elő, voltak precíziós öntéssel készített, továbbá sajtolt alkatrészek is. Ezeknek a szerelésénél – a csavarkötések mellett – a hegesztés is jelentős szerepet kapott. A repülőgépipar szigorú minőségi előírásainak megfelelően minden egyes beépülő alkatrészt külön-külön is be kellett vizsgálni, majd a kész, összeállított fúvókát is ellenőrizni kellett. A vizsgálatok igényességére jellemező, hogy ipari CT berendezéssel is ellenőrizték a kész fúvókát.

A tradicionális gyártási- és a hozzá kapcsolódó ellenőrzési költségek csökkentésének igénye indította el azt a fejlesztést, amelynek eredményeképpen kialakult az a fúvóka, amelyet már egy darabban lehetett legyártani rétegről-rétegre, DMLS eljárással.

Egy darabban gyártott fúvóka DMLS eljárással gyártva

A GE Aviation már több, mint 30 000 darab üzemanyag fúvókát gyártott DMLS technológiával. Ez igen jelentős darabszám, hiszen általában egy turbinába 12 darab ilyen fúvóka kerül beépítésre, azaz ma már több mint 2 500 ún. LEAP turbina ilyen fúvókával van ellátva.

Az egy darabban nyomtatható fúvóka áttervezése, DMLS technológiájának pontos meghatározása jelentős erőfeszítéseket igényelt, a közbenső tervezési variációk ellenőrzése a próbagyártások vizsgálata és azok eredményeinek feldolgozása, továbbá az új, áttervezett fúvóka minősítése több mint 3 évet vett igénybe. Végül az FAA – USA (Federal Aviation Administration – Szövetségi Légügyi Hatóság – USA) is jóváhagyta a fúvókát, így elkezdődött azok gyártása és beépítése. A fúvóka belső furatrendszerét áramlástani szimulációk segítségével optimalizálták. Így a tervező mérnökök a 3D fémnyomtatással készített fúvóka segítségével jelentős üzemanyag-megtakarítást értek el. Az új fúvókával szerelt turbinák átlagosan 15%-al kevesebb üzemanyagot fogyasztanak, amely a turbina élettartama alatt 3 millió dollár költségcsökkentést eredményez repülőgépenként.

Az ipar minden szereplője számára fontos üzenetet közvetít ez a siker. Ugyanis, ha a legszigorúbb repülőgépipari minőségi elvárásokat is lehet teljesíteni 3D fémnyomtatással, és bizonyíthatóan gyorsabb és költséghatékonyabb ez a gyártási módszer a korábbiakhoz képest, – akkor más iparágak is biztonsággal fordulhatnak az ipari, professzionális technológia adta előnyök kiaknázásának irányába.

A DMLS gyártástechnológiára történő átállás komoly műszaki kihívások megoldását igényli. A VARINEX Zrt.-nél segítünk Önnek eldönteni, hogy melyik eljárásra van szüksége az adott alkalmazás során, továbbá szívesen állunk rendelkezésére tanácsadással, amelynek eredményeképpen technológiai  és gazdasági megoldásokat is elő tudunk készíteni további megfontolásra.

Falk György – 3dp@varinex.hu

Ha Ön profittermelő 3D nyomtatás bevezetését tervezi, vagy meglévő gyártási folyamatait szeretné optimalizálni, jelentkezzen egyéni konzultációra a VARINEX szakértő kollégáinál!
A VARINEX szakértői 20 éves 3D nyomtatási tapasztalattal segítik Önt a 3D nyomtatási eljárások kiválasztásában és gyártástechnológiai tanácsadással támogatják vállalatának versenyképességét. 

Legyen versenyképesebb 3D nyomtatással!

A fenti összefoglaló összeállításához a 3DPrint.com témába vágó hírlevele is szemlézésre került.

Forrás: CNC Média /VARINEX