Fabricarea și întreținerea corespunzătoare a uneltelor de turnare sub presiune este de o importanță centrală pentru industria turnătoriei: fiind unul dintre cele mai costisitoare mijloace de producție, acestea determină în mod semnificativ calitatea, eficiența și rentabilitatea. Formele și inserțiile complexe ating cu ușurință costuri de achiziție în domeniul celor șase cifre în euro, iar funcționarea lor neîngrădită pentru producție pe parcursul anilor este esențială. Acestea trebuie să reziste la sarcini extreme. În turnarea sub presiune, temperaturile de până la 700 °C acționează asupra materialului formei, în timp ce uneltele sunt expuse simultan la forțe mecanice de câteva sute de kilonewtoni. La acestea se adaugă sarcini abrazive pe suprafața uneltei și atacuri chimice din partea elementelor de aliaje ale materialelor de turnare. Tensiunile termice și oboseala materialului duc la formarea de fisuri, eroziune și uzură abrazivă. Chiar și cu o proiectare optimă și o fabricație atentă a formelor, uzura lor este un factor inevitabil care, la un moment dat, va impune înlocuirea uneltei. Dacă acest caz apare neașteptat, se generează costuri suplimentare ridicate.
Importanța economică este semnificativă: fiecare defecțiune a uneltelor înseamnă oprirea producției, timp suplimentar de pregătire și, uneori, realizarea de noi inserturi sau chiar unelte complete. La aceasta se adaugă presiunea crescândă de a produce și opera forme nu doar economic, ci și sustenabil. „Într-o industrie în care fiecare minut de timp de producție contează, avem nevoie de proceduri care să extindă ciclurile de viață ale uneltelor, să reducă timpii de nefuncționare și să optimizeze ecologic procesele de producție”, știe Dr. Thomas Schopphoven, șeful departamentului de sudare cu laser la Institutul Fraunhofer pentru Tehnologia Laser ILT din Aachen.
Abordările clasice, cum ar fi utilizarea oțelurilor pentru unelte cu un conținut ridicat de aliaje, se confruntă cu limite fizice. Duritățile mai mari și rezistența la uzură înseamnă adesea o prelucrare complicată, timpi de livrare lungi și costuri ridicate ale materiilor prime. Pe lângă aspectele legate de durata de viață, cresc și cerințele privind flexibilitatea în fabricarea uneltelor: modificările produselor necesită în mod regulat schimbări ale inserturilor de formă, sistemelor de alimentare și de răcire, ceea ce reprezintă provocări suplimentare pentru construcția uneltelor.
Căutarea de soluții trebuie, prin urmare, să depășească strategiile anterioare. În mod convențional, uneltele sunt fabricate dintr-un singur material, ceea ce le limitează performanța și îngreunează repararea acestora. Tehnologii inovatoare de fabricație, cum ar fi Depunerea de Material cu Laser (LMD), permit nu doar repararea uneltelor, ci și acoperirea selectivă a zonelor supuse unor solicitări speciale, precum și adaptarea flexibilă a geometriei prin abordări de fabricație hibride-aditive. În acest fel, formele pot fi utilizate mai mult timp, adaptate mai rapid și operate într-un mod mai eficient din punct de vedere al resurselor.
Într-o perioadă în care economia circulară câștigă din ce în ce mai multă importanță și în construcția de unelte industriale, această tehnologie prezintă un potențial enorm de viitor.
Depunerea materialului cu laser și EHLA
Depunerea de material cu laser, adesea denumită și sudare prin depunere cu laser, este un proces de fabricație aditiv, care între timp a devenit foarte răspândit în numeroase industrii, cum ar fi repararea componentelor turbomașinilor sau acoperirea cilindrilor și rolelor. Principiul este simplu, iar posibilitățile sunt remarcabile. Un fascicul laser generează o baie de topire cu dimensiune exact ajustabilă pe suprafața unei piese de lucru, în timp ce simultan un pulbere metalică este introdusă în această baie de topire.
Prin controlul precis al traiectoriilor, materialul este aplicat local strat cu strat, ceea ce permite nu doar reconstruirea zonelor uzate, ci și generarea de noi geometrii funcționale. Particularitatea constă în controlul ridicat al procesului: parametrii laserului, alimentarea cu pulbere și viteza de avans sunt ajustate cu exactitate, astfel încât aportul de căldură să rămână minim și sarcinile termice să fie reduse.
O dezvoltare ulterioară a acestui proces este sudarea prin laser de înaltă viteză cu depunere extremă (EHLA), care a fost premiată de mai multe ori și a fost dezvoltată de Dr. Schopphoven acum câțiva ani la Fraunhofer ILT: „În timp ce LMD clasic este utilizat în principal pentru straturi mai groase în domeniul milimetric, EHLA permite generarea de acoperiri foarte subțiri, rezistente la uzură, cu grosimi de strat începând de la aproximativ 30 µm.” Acest lucru se realizează cu o viteză care onorează denumirea procesului: sunt posibile mai multe sute de metri pe minut. Tehnologia este acum stabilită în numeroase industrii; sute de sisteme EHLA sunt deja utilizate industrial la nivel mondial.
Avantajul decisiv constă în precizie și eficiență: EHLA permite procesarea în condiții de siguranță a combinațiilor de materiale greu sudabile, cum ar fi oțelurile de unelte cu un conținut ridicat de aliaje sau carburile dure, cu un consum de energie redus.
Cu EHLA3D, procesul atinge un nou nivel. Prin integrarea pe mașini CNC cu 5 axe, tehnologia poate fi utilizată nu doar pentru acoperiri și reparații mai mici, ci și pentru fabricația aditivă. Geometriile complexe pot fi astfel construite aproape de contur pe semifabricate. Astfel, tehnologia reunește posibilități din domeniile fabricației, acoperirii și reparației într-un singur proces, care poate fi utilizat atât pentru producția de unelte noi, cât și pentru regenerarea acestora. O posibilitate deosebit de interesantă pentru construcția de unelte este capacitatea de a întări zonele funcționale în mod țintit, fără a fi necesară refacerea întregii unelte. Intrarea scăzută de căldură permite prelucrarea geometriei sensibile fără deformare, în timp ce rata mare de aplicare permite o fabricație economică chiar și pentru suprafețe mari.
Beneficii pentru industria de turnare
Avantajele LMD și EHLA pentru industria turnătoriei sunt variate și depășesc cu mult prelungirea duratei de viață a uneltelor. În special pentru matrițele de turnare sub presiune, care sunt expuse la schimbări extreme de temperatură și uzură abrazivă, acest proces oferă un avantaj economic și tehnic clar.
Cercetările actuale arată că prin acoperirea specifică a zonelor funcționale se poate reduce semnificativ uzura materialului.
În testele de uzură prin frecare glisantă s-au observat îmbunătățiri de până la un factor de 40 față de oțelul de unelte convențional, în funcție de aliajele și conducerea procesului alese. Materiale precum un material de formare a carbidelor foarte aliat ating durități de până la 930 HV, având în același timp o legătură solidă cu materialul de bază. Aceste rezultate demonstrează în mod impresionant că durata de viață a uneltelor poate fi semnificativ crescută, ceea ce are efecte imediate asupra siguranței în producție și a rentabilității.
Pe lângă creșterea duratei de viață, LMD permite o utilizare mai eficientă a materialelor. În timp ce uneltele convenționale sunt adesea fabricate complet din oțel de unelte scump și foarte aliat, prin utilizarea LMD se poate folosi un oțel de construcție mai ieftin ca substrat. Numai zonele care sunt expuse la sarcini mari sunt acoperite cu un aliaj dur. Acest principiu de „material la cerere” nu doar că reduce costurile, ci și diminuează efortul de prelucrare. Prin aplicarea near-net-shape, o mare parte din operațiile complexe de frezare sunt eliminate, iar formele pot fi puse în funcțiune mai repede.
Uneltele care anterior trebuiau înlocuite complet după apariția crăpăturilor sau a ciobiturilor pot fi acum regenerate prin LMD. Zonele deteriorate sunt sudate selectiv și apoi prelucrate mecanic, astfel încât uneltele să revină la geometria originală. Această posibilitate nu doar că deschide potențiale economii, ci reduce și dependența de lanțuri lungi de aprovizionare pentru forme noi. În special pentru uneltele de turnare sub presiune mari și complexe, care necesită procese de fabricație individuale, această flexibilitate este un factor decisiv.
AI-SLAM: Reparare automată cu inteligență artificială
Un pas decisiv către aplicarea în serie a Depunerii Materialului cu Laser în construcția de unelte este automatizarea în creștere. În cadrul proiectului de cercetare AI-SLAM (Îmbunătățirea Procesului de Sensing prin Inteligență Artificială pentru Fabricarea Aditivă cu Laser), specialiștii de la Fraunhofer ILT, împreună cu parteneri internaționali, au demonstrat că procesele de acoperire și reparare pot fi automatizate cu ajutorul senzorilor și inteligenței artificiale.
În cadrul proiectului AI-SLAM, un laser liniar cu cameră capturează suprafața uzată a unei unelte pentru industria minieră și o compară cu geometria CAD originală. Din diferență, software-ul calculează căile exacte de procesare și grosimea necesară a stratului pentru a restabili conturul original. Planificarea traseului se face automat, iar chiar și în timpul aplicării, IA verifică procesul. Abaterile în dimensiune sau formă a băii de topire sau în geometrie sunt imediat detectate și corectate prin parametrii de proces ajustați.
O caracteristică specială constă în varietatea dimensiunilor monitorizate. Pe lângă geometrie, pirometrele măsoară temperatura, camerele analizează forma băii de topire, iar profilometrele controlează stratificarea. Aceste fluxuri de date sunt combinate în timp real și evaluate de IA. Personalul nu mai trebuie să seteze manual parametrii complecși, ci doar să dea comanda de start, sistemul preia controlul procesului. Astfel, dependența de specialiști foarte calificați, care până acum erau esențiali pentru utilizarea cu succes a LMD, este redusă.
De asemenea, pentru industria de turnare, aceasta reprezintă un progres semnificativ. Repararea formelor de turnare sub presiune, care până acum trebuiau planificate cu dificultate și realizate cu multă experiență, pot fi implementate în viitor într-un mod reproducibil și standardizat. În special interesantă este posibilitatea de a regenera automat uneltele mari și complexe. Defectele sunt nu doar detectate, ci remediate imediat, ceea ce reduce drastic timpii de nefuncționare. În plus, rezultatele pot fi documentate și dovedite, ceea ce este esențial pentru o aplicare în serie în mediul industrial.
Cu proiectul AI-SLAM se conturează o perspectivă în care uneltele nu mai sunt considerate piese de uzură, ci investiții durabile care pot fi optimizate și îmbunătățite pe parcursul întregului lor ciclu de viață.
Abordare inovatoare pentru fabricarea uneltelor de formare
Fraunhofer ILT a prezentat în cadrul proiectului H2GO (Plan Național de Acțiune pentru Producția de Celule de Combustie) o abordare inovatoare pentru fabricarea uneltelor de formare pentru plăci bipolare. În loc să frezeze uneltele dintr-un bloc solid, consumând timp și material, se aplică un strat funcțional rezistent la uzură prin EHLA direct pe un oțel de construcție ieftin. Astfel, uneltele sunt create mai repede, mai ieftin și cu un consum de material semnificativ mai mic.
Materialele de acoperire includ, printre altele, oțel rapid 1.3343 și Ferro55, care ating valori de duritate de până la 865 HV0,5. O aplicare tipică EHLA generează pe strat aproximativ 0,05 mm până la 0,15 mm grosime; prin mai multe straturi, conturul final necesar poate fi construit țintit. Procedeul nu doar că economisește timp de frezare, unelte și costuri de material, ci crește de asemenea durata de viață a formelor fabricate.
Un demonstrator a ilustrat întregul proces: de la acoperirea EHLA până la prelucrarea finală și structurarea suprafețelor funcționale cu lasere cu impulsuri ultracurte. În colaborare cu Fraunhofer IPT, uneltele astfel fabricate sunt testate în prezent în condiții realiste. Scopul este de a valida durata de viață a uneltelor acoperite cu EHLA în scenarii de încărcare industrială.
Un avantaj decisiv se arată deja: prin acest proces pot fi aplicate aliaje foarte dure și stabile pe termen lung pe suprafața uneltelor, care sunt foarte greu de prelucrat convențional. Aceasta crește semnificativ durata de viață a uneltelor, contribuind direct la reducerea costurilor de producție. În plus, EHLA permite o aplicare selectivă: zonele defecte sau uzate pot fi reparate țintit, astfel încât uneltele să poată fi utilizate de mai multe ori. Această posibilitate de reutilizare reprezintă o altă ajustare promițătoare pentru reducerea costurilor și deschide perspective pentru construcția de unelte în alte industrii.
„Transferul acestor abordări în industria de turnare poate revoluționa procesele existente în construcția de unelte”, este sigur Thomas Schopphoven. „În loc să achiziționeze forme noi în cicluri fixe, companiile pot utiliza uneltele existente mai mult și mai eficient.” În același timp, LMD deschide posibilitatea de a adapta continuu uneltele la noi designuri de produse și cerințe de fabricație. În vremuri în care flexibilitatea și viteza, reziliența și independența de lanțurile de aprovizionare reprezintă avantaje competitive decisive, sudarea prin depunere cu laser devine o tehnologie cheie pentru viitorul construcției de unelte.
Contact:
