S zavedením laserovaných úhlů třískování přichází do vývoje nástrojů zcela nový přístup, jak konstrukčně, tak výrobně. Místo tradičního subtraktivního zpracování pomocí broušení vyžaduje laserování negativní konstrukci, při které jsou geometrie nástrojů cíleně navrhovány pro odstraňování materiálu laserem. To vede k zvýšenému konstrukčnímu úsilí, vyžaduje specializované CAD procesy a klade nové požadavky na strukturování dat.
„Integrace laserovaných geometrií do karbidových nástrojů představuje zásadní změnu v konstrukci a výrobě,“ zdůrazňuje Alexander Seifermann, vedoucí konstrukce u výrobce přesných nástrojů SIMTEK v Mössingu. „Kde jsme dříve převážně brousili, se dnes často laseruje – s významnými dopady na geometrii, konstrukci a aplikaci. Od klasického, rozsáhlého odstraňování materiálu – k bodovému a trojrozměrnému tvarování složitých geometrií v negativu.“
Technologický pokrok přináší také podnikatelské výhody: „Výhody jsou jasné: Můžeme vyrábět vysoce přesné, obvodové geometrie ostří – s optimalizovanou kontrolou třísky a často rozšířenými funkcemi,“ doplňuje ředitel SIMTEK Norbert Seifermann. I přes počáteční překážky, které bylo třeba překonat, se většina případů použití individuálních nástrojů vyplatí. „Výsledky třískování jsou natolik přesvědčivé, že postupně začleňujeme laserované geometrie do našeho standardního katalogu nástrojů.“
Konstruktivní přestavba: Od odstraňování materiálu k negativní konstrukci
Klasická konstrukce nástrojů vycházela z principu klasického, rozsáhlého úběru materiálu. Konstrukce byla navržena tak, aby bylo možné ve výrobě z polotovaru broušením vytvářet definované úhly třísk a volné plochy. Laserské zpracování však vyžaduje zcela jiný způsob myšlení – nyní se modeluje to, co bude později odstraněno.
Tato „negativní konstrukce“ vyžaduje v CAD výrazně vyšší úsilí a vytváří pro každé nástroje několik dalších datových sad. Konstruktor musí přesně určit, které oblasti mají být odstraněny – princip, který se podobá výrobě nástrojů v lisování, ale v realizaci je mnohem složitější. „Jelikož se při laserování skutečně pracuje s negativem, slouží navržený model pouze pro interní kontrolu,“ vysvětluje vedoucí konstrukce Alexander Seifermann.
„Výroba přímo přistupuje k negativnímu modelu, umisťuje ho virtuálně na řez a poté přesně odstraňuje materiál, který byl dříve konstrukčně definován.“
Laserování otevírá nové možnosti obrábění - klade však vyšší nároky.
Laserované geometrie umožňují vysoce komplexní struktury: úspory, výstupky, hrboly – vše je plánováno ve třech rozměrech a přesně realizováno. To vytváří nové možnosti v kontrole třískování a optimalizaci nástrojů. Současně však roste náročnost na konstrukci: je potřeba fundované know-how a výrazně užší proces koordinace se zákazníkem. Kromě toho jsou běžné CAD programy používané firmou SIMTEK pouze omezeně přizpůsobeny pro tento proces – vyžaduje to speciální pracovní metody, aby bylo zajištěno čisté přechody a bezchybné geometrie. Alexander Seifermann a jeho tým znají tuto problematiku: „Co jsme v brusném procesu ještě mohli vyřešit na základě zkušeností a standardních tvarů, se při laserování stává konstrukční výzvou.
Požadavky na CAD, výrobu i komunikaci se zákazníky se výrazně zvyšují – a při více než 3 500 různých zákaznických individuálních nových vývojích ročně to není malá záležitost. Zároveň otevíráme s laserovanými geometriemi zcela nové možnosti: lepší kontrola třískování, delší životnost, stabilnější procesy a integrace několika zpracovatelských kroků do jednoho nástroje.
Odbornost z zkušenosti
Vstup do laserování geometrie nástrojů byl u SIMTEKu náročným procesem učení – pokusem, omylem a zkušeností se během let vytvořila hluboká odbornost. Dnes mohou být jak speciální, tak standardní nástroje vybaveny laserovanými geometriemi. Tyto nástroje nabízejí zejména při obrábění malých dílů, u mědi, hliníku nebo jiných bezolovnatých materiálů obrovské výhody z hlediska vedení třísky a kvality povrchu.
Přesto při zavádění laserových geometrií často existuje potřeba objasnění. V tomto ohledu jsou odborníci ze SIMTEKu svým zákazníkům k dispozici s poradenskou službou a ukazují výhody, které laserová geometrie přináší. V těchto případech je plánovaná geometrie nejprve vizualizována a vysvětlena, aby byla konstruktivní záměr transparentní. Tento proces ladění obvykle vede k dalším dotazům a může sice mírně prodloužit proces schvalování, ale ve většině případů také zajišťuje lepší porozumění a nakonec lepší výsledky.
Laserování neznamená vždy totéž.
V diskuzích se občas uvádí, že laserování nástrojových geometrií je již léta zavedené. Je však třeba rozlišovat: Zatímco se tato technologie v oblasti PKD-nástrojů (polykrystalický diamant) již osvědčila, představuje laserování tvrdokovu – zejména v kontextu nástrojů pro mikroprodukci – výrazně větší výzvu.
Technologicky se chovají materiály při laserování různě: PKD částice se rozkládají při přibližně 700 °C na grafit. Pod kyslíkem začíná oxidativní rozklad a rozklad již od cca 600 °C, pod vakuem se rozklad zpomaluje na 1300 °C. Grafit se rozkládá, stává se stále méně stabilním a dá se relativně snadno odstranit. „Tento proces začíná především na hranicích zrn, které jsou obzvlášť důležité u řezných nástrojů – tam se často nachází řezná hrana nebo definovaný tvar odvodu třísky,“ upřesňuje Alexander Seifermann. Naopak bod tání wolframu v tvrdém kovu je přibližně 3400 °C, bod varu dokonce přes 5000 °C. Při těchto teplotách se však již odpařují i jiné složky pojiv, jako je kobalt a uhlík – což zpracování výrazně ztěžuje.
Poté, co SIMTEK poprvé veřejně uvedl laserované geometrie na AMB 2024, přidali se nyní i další. „Bylo nám jasné, že i ostatní výrobci nástrojů nyní budou intenzivně pracovat na tématu laseru, poté co viděli, že to funguje,“ zdůrazňuje Norbert Seifermann. Ačkoliv na začátku šlo ještě o jednodušší struktury a daleko od hlavního ostří, geometrie jsou nyní složitější.
K tomu se přidávají také sinterované nebo vstřikované ISO tvary. „Laserujeme mikrogeometrie, které již nelze sinterovat nebo vstřikovat, a to laserem až k ostří – cíleně a s vysokou přesností.“ Výsledkem jsou extrémně ostré hrany. „Co opticky někdy vypadá jako ochranný fazet, je ve skutečnosti přesně definovaný, obvodový úhel, který je precizně zaveden a funkčně přesně sladěn,“ upřesňuje vedoucí konstrukce Alexander Seifermann.
Kontrola řezání potřebuje dialog - proč je komunikace rozhodující.
Laserované geometrie otevírají zcela nové možnosti v obrábění – od cíleného lámání třísek přes odklonění až po definované navíjení. Aby bylo možné tyto potenciály plně využít, je však nezbytná úzká spolupráce mezi uživateli a výrobci. „Čím více víme o konkrétním případě použití, tím přesněji můžeme geometrie navrhnout,“ vysvětluje Norbert Seifermann. To platí zejména u náročných materiálů, jako je C10 hlubokotažná ocel, bezolovnaté hliníkové slitiny nebo měď. Zde lze s koordinovanými parametry a laserovanými geometriemi realizovat procesně bezpečné lámání třísek – i tam, kde fyzikální limity brání úplnému lámání třísek.
Praxi blízké informace jako základ pro optimální výsledky
Aby nástroj mohl plně využít svůj potenciál, jsou přesné údaje o materiálu, řezných hodnotách a podmínkách použití nezbytné. V praxi se ukázalo, že malé odchylky ve posuvu nebo kvalitě materiálu mohou mít velký vliv na chování třísky. „Pokud tyto parametry známe včas, můžeme optimálně přizpůsobit geometrii,“ zdůrazňuje Alexander Seifermann. U speciálních nástrojů, které se často používají pouze v malých sériích nebo jednorázových aplikacích, je konstruktivní zpětná vazba obzvlášť cenná. Tak mohou být úspěšné geometrie cíleně dále rozvíjeny. „Úzká spolupráce s našimi zákazníky zajišťuje, že i bez úplné digitální simulace vyvíjíme praktická řešení – individuálně, spolehlivě a orientovaně na aplikaci.“
Od zvláštního případu k standardnímu nástroji
Na rozdíl od individuální zakázkové výroby je možné v oblasti standardních produktů provádět interní testy ve společnosti SIMTEK. Mnoho dnes používaných standardních geometrických tvarů proto vychází z dříve úspěšně realizovaných speciálních řešení. „Znalosti získané ze speciálního vývoje, například o geometriích založených na plném poloměru, jsme převedli do standardních nástrojů a tam je s velkým úspěchem etablovali,“ vysvětluje vedoucí konstrukce postup.
Právě u plně obvodových řezných hran je laserem generovaná geometrie obzvlášť účinná: umožňuje rovnoměrné vedení třísky v celém řezném rozsahu – na rozdíl od klasického broušení, kde se úhel třísky v závislosti na posuvu a hloubce vniknutí nechtěně mění.
Více efektivity díky cílené úpravě geometrie Konkrétní příklad použití jasně ukazuje výhody laserovaných geometrií: Kde dříve byly potřeba dva nástroje a další držák pro provádění radiálních zářezů a odpojení, dnes stačí jeden jediný laserovaný nástroj, jak ukazuje praxe. To nejen šetří výměny nástrojů a energii, ale také výrazně snižuje opotřebení stroje a nástroje.
Dalším praktickým příkladem je zpracování výpustného šroubu oleje s několika průměry a axiálním výřezem. Zatímco při brusném procesu bylo obvykle nutné použít dvě samostatné nástroje s omezeným geometrickým vedením, pomocí laserového řezání a úhlu třískování lze dosáhnout takového uspořádání, že všechny pracovní kroky lze provést pouze jedním nástrojem - bez kompromisů v odvodu třísky.
Norbert Seifermann k tomu říká: „Při broušení bychom do hlavního směru třískování zavedli třískovou hranu – ale co je v takovém případě vůbec hlavní směr třískování? Pravděpodobně bychom zvolili úhel třískování 0°, což je však extrémně suboptimální. Při laserovém řezání lze naopak geometrii přesně přizpůsobit procesu po celém obvodu.“
Konstruktivní změna s dopady
Zatímco konstrukce zpočátku hodnotila každé nové nástroje individuálně, vyvinulo se to nyní v osvědčený konstrukční princip. První krok: obvodová, řezná geometrie, přizpůsobená očekávaným posuvům. „To se přímo odráží na chování stroje: Nástroje běží klidněji, řezné síly klesají, vibrace se snižují – a zároveň je možné realizovat vyšší řezné hodnoty,“ ví Norbert Seifermann.
Konkrétní případ ukazuje tento efekt: U dobře obráběného materiálu bylo přechodem na laserový nástroj nejen výrazně zlepšena kvalita povrchu, ale také byl ušetřen kompletní krok dodatečného zpracování.
Pařížský brus nahrazen laserem
I když je kontrola třísek často hlavním cílem, hovoří také vyšší řezné hodnoty, kratší doby zpracování a lepší kvalita povrchu ve prospěch použití laserovaných geometrie. Příkladem je tzv. „Pařížský brus“ – komplexní, broušená hybridní geometrie pro vnitřní a podélné soustružení. Tato geometrie však vytvářela nekontrolované třísky a byla pro výrobce nástrojů náročnější na výrobu. Přechodem na laserové řešení se společnosti SIMTEK podařilo problém zcela vyřešit. Předchozí brusná varianta byla nyní vyřazena z katalogu a nahrazena laserovanou verzí.
Standardní geometrie se systémem - a s hranicemi
Navzdory všem pokrokům zůstává standardní oblast omezena na univerzální geometrie, jako jsou například hrubování a dokončování. Tyto musí fungovat pro širokou škálu materiálů. Z toho nevyhnutelně vyplývají cílové konflikty: Co u jednoho zákazníka funguje skvěle, může být u jiného nevhodné. Úplné pokrytí všech aplikačních případů ve standardu tedy není realistické – zde zůstává speciální nástroj lepší volbou.
Laserování s mírou – ekonomická efektivita rozhoduje
I přes technologické možnosti není laserování v každém případě ekonomicky smysluplné. Zejména u malých sérií nebo jednoduchých zpracování může laserovaná geometrie překročit skutečnou potřebu. Rozhodnutí by mělo být vždy individuálně přijato, v závislosti na materiálu, zpracovatelském úkolu, časech cyklu a přípravy, stejně jako očekávaném počtu kusů. Také se stává, že laserovaná varianta sice přesvědčuje, ale broušená se lépe integruje do časových požadavků zákazníka. Motto tedy zní: Ne všechno laserovat, co je technicky možné – ale pouze to, co se ekonomicky a procesně vyplatí.
Závěr: Od zvláštního případu k sériově vyráběnému řešení
Laserování umožňuje přesně přizpůsobit nástroje konkrétním požadavkům zákazníků – například pomocí obvodových geometrie pro vnikací a odkopírovací procesy. To snižuje výměnu nástrojů, šetří čas zpracování a zvyšuje procesní bezpečnost. Dokonce i dosud obtížně ovladatelné problémy, jako jsou zamotané třísky při závitových frézování nebo nánosy při negativních úhlech třískování, lze úspěšně řešit pomocí laserovaných geometrií. Co začalo jako experimentální přístup ve společnosti SIMTEK, je dnes zavedenou technologií s jasně definovanými procesy. Laserované geometrie nástrojů poskytují spolehlivou kontrolu třísek, vysokou životnost a otevírají nové možnosti ve vývoji nástrojů. Pro přibližně 80-90 procent aplikací nabízejí 3D laserované nástroje realistickou – a často nadřazenou – alternativu k konvenčnímu broušení – jak technicky, tak ekonomicky.
Autor: Ralf M. Haassengier
Kontakt:
