Хибридни обработващи центри

Хибридизацията е една от водещите актуални стратегии за разработване на по-гъвкави и ефективни производствени процеси в условията на Industry 4.0. Хибридните металообработващи машини, комбиниращи адитивнo производство и конвенционална механична обработка, се налагат като иновативно и ефективно решение за динамично нарастващите изисквания към металообработващия бранш и машиностроенето. Чрез съчетаването им се увеличава потенциалът на двете технологии, като същевременно се компенсират и свеждат до минимум техните ограничения.

Хибридните обработващи центри позволяват по-ефикасно използване на наличните ресурси, както и производството в рамките на една машина и един цикъл на обработка на доскоро непостижими по сложнoст детайли. Има някои технологични предизвикателства, произтичащи от взаимодействието между адитивните процеси и стандартната механична обработка, които трябва да бъдат преодолени преди масовото внедряване на хибридните машини в съвременните производства. Независимо от това хибридните производствени системи бързо се превръщат в търсено решение за производство на детайли с висока сложност в различни сектори. Те позволяват изработката на компоненти, които биха били нерентабилни или дори невъзможни за производство само чрез адитивен процес или стандартна механична обработка.

Актуален доклад на маркетинговата агенция SmarTech Analysis прогнозира, че продажбите на хибридни машини ще нарастнат до 424 млн. щатски долара до 2025 г. В следващите 5 години пазарът на материали (предимно метали), които се явяват консуматив на хибридните машини, се очаква да достигне 240 млн. долара. Комбинирането на адитивното производство и функционалността на металорежещите машини с ЦПУ в цялостна хардуерно-софтуерна платформа се очаква да генерира пазар в размер на над 20 млрд. щатски долара до 2028 г. Според доклада най-популярните технологии, използвани в съвременните хибридни машини, включват синтез в прахово легло (PBF), електродъгово адитивно производство (WAAM), насочено енергийно отлагане (DED), студено разпръскване и ултразвуково заваряване.

Предпоставки за прехода към хибридни технологии

Производствените индустрии изискват ефективни процеси, които осигуряват намаляване на разходите и необходимото време за производство, като същевременно отговарят на повишаващите се стандарти за качество. Хибридните обработващи центри правят възможно преодоляването на основните недостатъци на адитивното производство на метални детайли, свързани с по-ниската точност и по-висока грапавост на повърхнините. Комбинацията на адитивен процес и механична обработка с ЦПУ в един обработващ център е икономически печеливша стратегия, тъй като позволява да се създават напълно готови за употреба продукти, които не изискват довършителни операции на други работни станции. Комплексни компоненти, които доскоро не бяха възможни за изработка посредством механична обработка поради висока сложност на дизайна и ограничения в достъпността, вече могат да бъдат произведени в напълно готов вид чрез такъв тип оборудване.

Предпоставките за популяризирането на хибридните решения в производства с малки обеми и голямо разнообразие при конструктивните варианти на детайлите са много. Те правят възможен и рентабилен ремонтът на различни специфични механични детайли, компоненти и машинни възли, чиято неизправност би коствала извеждането от експлоатация на цяла машина или технологична линия. Хибридните машини позволяват да се използва адитивен процес, механична обработка или комбинация от двете технологии, за да се възстанови точно и напълно изходният дизайн на желаното изделие.

Друго предимство на хибридната обработка е свързано с прецизността и повърхностно качество на готовите детайли. Безпроблемното съчетаване на адитивни техники с ЦПУ фрезоване позволява всички вътрешни и външни повърхности да бъдат напластени и обработени до необходимото крайно качество. Посредством хибридна обработка е възможно изпълнението и на най-сложните геометрии при изработката на детайлите. В традиционното производство често е необходимо няколко части да се свържат с болтове, да се заварят или споят, за да се получи крайният продукт. Хибридният дизайн редуцира комплексната многодетайлност до едно монолитно изделие. Така производството на единичен детайл се извършва с намалено време, труд и разходи.

Важна полза от въвеждането на хибридни технологии в металообработката е възможността в много производства да се интегрират иновативни методи като мултиматериалният 3D печат. Той позволява в един работен цикъл и на една машина да се изработват комплексни детайли от различни метали. Традиционно производството на такива изделия е трудно дори и посредством адитивни технологии.

Специфики на използваните методи

При адитивното производство на метални изделия се използват методи за отлагане на материал чрез лазерно напластяване или дъгово наваряване, за да се произведат детайли директно от CAD модели. Обикновено праховата технология е адаптирана за фини компоненти и малки детайли, докато технологията с телоподаване се препоръчва за големи структурни компоненти. Тези детайли традиционно изискват допълнителна обработка с ЦПУ, за да се гарантира желаната точност чрез елиминиране на стълбичните ефекти в резултат на отлагането на отделни слоеве.

Спектърът от възможни решения при хибридната обработка е много широк, включително изработването на допълнителни сложни геометрии чрез 3D печат и стапяне на разпръснат прах (отлагане на метал с LMD-лазер), нанасяне на материал за допълнителни елементи, различен от основния, както и възстановяване (ремонт) на повредени или износени детайли с висока единична стойност. В производствената практика се използват няколко еквивалентни наименования на техниките за насочено отлагане с енергия чрез лазерен или електронен лъч, включително: лазерно прахово наваряване, лазерно отлагане, насочено метално отлагане, обратна обработка на лазерна отливка и др.

Сред различните налични технологии за адитивно метално производство се използват предимно процеси за топене в прахово легло (PBF) и насочено енергийно отлагане (DED). Почти всеки заваряем метал може да бъде обработен с която и да е от тези две технологии. Докато базираните на PBF процеси са насочени главно към производството на сложни цели детайли, DED процесите са по-подходящи за депозирането на покрития. Ето защо последните могат да се комбинират с по-широк спектър от конвенционални процеси на механична обработка. В програмите на по-голямата част от хибридните системи е интегрирано лазерно отлагане на метали (LMD), което на практика е DED технология. Тя е по-бърза от селективното лазерно топене (SLM), което е PBF процес и не се нуждае от технологична камера, нито поддържащи структури. Възможността за превключване между лазерните и металорежещи операции по време на производствения процес позволява довършване чрез необходимата обработка на области, които не са достъпни, след като детайлът бъде завършен.

Добре известно е, че адитивното производство с лазерно синтероване е по-бавно от традиционната механична обработка на метали с ЦПУ. Технологичната дилема е да се избере по-висока производителност и по-дебел слой на отлагане (но по-груб финиш на повърхността поради “стълбичния ефект”) или да се подобри повърхностният финиш чрез извършване на по-бавно нанасяне на по-тънки слоеве. Производителността на един адитивен процес може да бъде увеличена значително с по-голямо влагане на енергия, което води до получаване на по-дебели прахообразувани слоеве и много по-бързи натрупвания, но качеството на повърхността се влошава.

Като противоположност може да се избере по-бавен процес, произвеждащ по-тънки слоеве и създаващ по-добро финишно покритие на повърхността. Но дори и при по-бавния вариант е необходима допълнителна обработка след напластяването на някакъв тип машина с ЦПУ. Ето защо доскоро адитивните технологии и процесите по механична обработка се разглеждаха само като конкурентни методи, вместо да се търси потенциал те да се допълват взаимно. Хибридният метод е мостът, позволяващ едновременно напластяване на материал и отнемането му, добавянето на метал към съществуващи компоненти, изграждането на детайли от нулев обем и последваща машинна обработка с една установка.

Приложения и конфигурации

В зависимост от технологичното оборудване почти всеки метал, наличен във форма на тел или прах, може да бъде 3D отпечатан. Тук влизат алуминий, мед, инконел, неръждаема стомана, инструментална стомана, титан. Предимство на хибридните системи е, че те позволяват нанасянето на различни метали върху един и същ детайл, например облицовка с инконел за здравина или вграждането на медни елементи за пренос на топлина.

Понастоящем комбинацията между адитивни процеси и механична обработка е почти стандартна практика за огромното множество метални детайли, произведени чрез 3D печат. Целта е да се получи необходимото качество на повърхността, както и по-тесни допуски при размерите и функционалните характеристики. Това комбиниране позволява и значително намаляване на отпадъчния материал при производство на сложни монолитни детайли.

Комбинацията от адитивни процеси и механична обработка в един хибриден обработващ център разкрива възможности за производството на детайли от материали с ниска обработваемост като термоустойчиви сплави, както и от материали с висока твърдост. Такива широко се използват в различни индустрии, включително в аерокосмическия и отбранителния сектор, автомобилната, медицинската, нефтогазовата индустрия и др. Хибридният производствен подход притежава сериозен потенциал за икономически рентабилно възстановяване на съществуващи компоненти с висока добавена стойност като лопатки на турбини, интегрални роторни накрайници, накрайници на горелки за газови турбини, матрици и щанци и т. н.

Насочена към производството на детайли с висока сложност, кинематиката на хибридните машини играе важна роля както за достъпността до машината по време на процеса, така и по отношение на точността на системата. Въпреки че 3-осните обработващи машини могат да се използват и в хибридни конфигурации, DED процесите обикновено изискват отлагане на материал перпендикулярно върху субстрата. От друга страна, DED процесите традиционно се използват в производството на детайли със сложна форма. В резултат повечето от хибридните машини, които комбинират адитивни процеси и механична обработка, се основават на 5-осни машинни конфигурации. Многоосните фрезови центри са основните платформи, подходящи за “хибридизиране” чрез добавяне на модул за адитивно производство. Втори вариант е използването като база на стругово-фрезов център, който позволява извършването както на стругови, така и на фрезови операции с едно и също базиране на детайла.

Много производители на металообработващи машини успешно навлизат на пазара на системи за адитивно производство, интегрирайки както DED, така и PBF технологии в моделите си. Когато става въпрос за цялостни и специализирани хибридни платформи обаче, производството и използването на машини, базирани на DED технология, е много по-масово в сравнение с тези, които интегрират PBF процеси. Сред основните причини за това са много по-високата степен на наслояване, която DED предлага, както и възможността за добавяне на материал върху съществуващи детайли. Благодарение на възможностите за наслояване на материал докато петосната машина непрекъснато се движи, могат да бъдат изграждани сложни геометрии без никакви допълнителни опорни конструкции.

Въпреки че мнозинството производители избират хибридни центри, базирани на DED методи, на пазара са популярни и алтернативи на базата на PBF, които извършват както SLM, така и високоскоростно фрезоване. Всеки слой се фрезова веднага след като е изграден, така че да се постигне висока точност и прецизност дори върху кухини или вътрешни геометрии, които не са достъпни след завършване на детайла. Тези хибридни машини могат да са специално проектирани за дадени приложения, например за производството на канали за охлаждане на шприцформи.

Технологични съображения

За да е налице стабилен хибриден обработващ процес, едновременно с образуването на стопилка на повърхността на субстрата добавъчният материал трябва да бъде насочен и впръскан с помощта на специфична дюза. Съществуват различни видове дюзи за прахоотлагащи DED процеси. Конструкцията на дюзата е ключов фактор, който има пряко влияние върху разпределението на прашинките на изхода й и следователно определя нейната ефективност и приложение.

Внасянето на прахови частици в работното пространство на хибридния обработващ център с цел извършване на адитивни операции налага да се вземат някои предпазни мерки, за да се запази изправността на подвижните елементи. Някои производители залагат на същите мерки като при обработващите центри, предназначени за работа с графит, по време на която се генерира фин графитен прах. Машините включват напълно затворен корпус на работната зона, който ефективно задържа праховите частици вътре. Впоследствие те се извличат с помощта на смукателна система. Използват се и кинематични защитни технологии, които предпазват движещите се елементи от металния прах. Друг вид предпазна мярка, която в много случаи е необходимо да се приложи, е защитата от искри поради статични разряди.

Предимства на хибридните центри

По време на производствения процес на хибриден обработващ център не е необходимо да бъдат занулявани настройките и установката да бъде преконфигурирана. Първоначалната настройка при базирането на детайла се използва както за адитивните процеси, така и за операциите по механична обработка. Така грешките, свързани с препозициониране на детайлите, са сведени до минимум, което води до по-висока крайна точност. В допълнение, времето на престой, използвано за зануляване и преконфигуриране, също се свежда до минимум.

Друго предимство на хибридната обработка е, че движението на материалите в цеха се редуцира. Хибридните машини позволяват производството на цялостни и готови изделия на една и съща машина, без да е необходимо преместването на детайлите на други работни станции за довършителни операции. Така междинните складове могат напълно да се елиминират като функция и пространство. Друг положителен ефект от това е, че се намалява натоварването върху оборудването за пренос на материали. В допълнение се редуцират рисковете от сблъсъци и аварии, което води до увеличаване на безопасноста за служителите.

Сред най-отчетливите ползи от внедряване на хибридни обработващи центри в производството е възможността за обогатяване на производствената програма с детайли и геометрии с по-висока сложност. Хибридният обработващ център може безпроблемно да превключва между адитивните процеси и операциите по механична обработка по време на производството на един детайл. Поради това е възможно да се обработват зони, които вече няма да са достъпни, след като детайлът бъде завършен. Това води до по-голяма свобода и гъвкавост при проектирането на оптималната геометрия на детайла.

С хибридна обработка са възможни и по-ниски съотношения между теглото на закупената суровина и това на готовия детайл. Възможността за генериране на компоненти с максимално близка до крайната форма чрез 3D принтиране води до намаляване на материалните загуби в процеса, както и на разходите, свързани с рециклиране и третиране на отпадъците. Съотношения от порядъка на 1,5:1 е напълно реалистично да бъдат постигнати с хибридни центри за обработка. Така екологичният отпечатък на производствата, внедрили хибридна обработка, намалява. Комбинирането на адитивните процеси с операции по механична обработка дава възможност да се оползотвори потенциалът на двата метода и да се постигне висока материална ефективност до 97%.

Като допълнителен позитивен ефект от въвеждането на хибридни технологии броят на необходимите машини за производство на определен детайл намалява. Така се използва и по-малко площ за разполагане на оборудването в цеха.

Хибридните обработващи центри предлагат и значително улеснение за операторите. Интегрирането на двата типа процеси в една машина под управлението на единен интерфейс означава, че операторът трябва да е квалифициран да борави само с една работна станция, което опростява обучението, както и ежедневната му работа.
При хибридизацията общата инвестиция е по-ниска. Хибридният обработващ център може да е по-скъп от конвенционалните 3D принтери за метал или машини за механична обработка с ЦПУ поотделно. Интегрирането на двата типа методи в една система включва споделяне на общи елементи (например обща работна камера, направляваща система, цялостен корпус, ЦПУ, потребителски интерфейс и т. н). В резултат, общата инвестиция, необходима за придобиването на хибридна платформа, се оказва много по-ниска от закупуването на две отделни машини.

Не на последно място, значително намаляват разходите за производство на единица готово изделие. Адитивното производство позволява полагане на високоефективни покрития върху по-обикновени или по-евтини материали, като по този начин се постига завършен детайл с подобрени свойства, но при намалени разходи.