Giga casting a Giga formy III
Z předchozího blogu je zřejmé, že i když průkopníkem nového pojetí výroby aut je Tesla a Elon Musk, z hlediska lokalizace je nejdále v této technologii Asie, především Čína a Japonsko. Jak je to ale s výrobou forem pro tyto GIGA lisy? A jak to bude Volvem v Košicích?
Pokud máme klasickou nástrojárnu, s takovýmito formami neuspějeme. Je to prostě rozdíl jako mezi Davidem a Goliášem. Forma pro GIGA lisy může vážit až 200 tun, upínací desky pro lis 9000 tun má pak 4×4 m.
Obr.č. 1 – Upínací deska GIGA lisu IDRA s uzavírací sílou 9 000 tun (https://www.teslarati.com/tesla-cybertruck-idra-9k-ton-giga-press-teaser-images-video/)
Cena GIGA lisu o uzavírací síle 16 000 tun je USD 18 Mio, cena formy pak až USD 4 Mio. Životnost GIGA lisu lze odhadnout na 20 let, životnost formy je ale zhruba 100 000 zdvihů, tedy 1 rok. Pokud by tedy auto mělo vypadat dvacet let stejně, bude potřeba minimálně 20 duplicitních forem za dobu života lisu.
Je ale životnost forem pro GIGA lisy opravdu těch 100 000 ks? U značky Tesla se konstatuje, že každý GIGA lis má dvě identické formy, vždy jednu nasazenou na stroji a druhou v opravě či údržbě. A protože se konstatuje, že životnost jednotlivých vložek může být 30 až 80 tisíc ks, pak nároky na údržbu takovéto formy budou rovněž vysoké. Jaká je ekonomika GIGA factory je částečně vidět na tomto videu, zdá se mi to ale zavádějící. Pokud cena formy bude USD 4 Mio a životnost 100 000 kusů, pak cena na kus bude 40 USD a ne jak je ve videu naznačeno 2 USD. Nicméně i tak je vidět, že majoritní nákladová položka u GIGA odlitků je materiál.
Obr.č. 2 – Rozložení nákladů na odlitek u GIGA lisu
Zajímavé údaje o tom, jak by měla vypadat nástrojárna na tako velké formy je na tomto odkazu. https://schaufler.de/en/new-production-hall-for-giga-dies/. Budou zde vyráběny formy až do hmotnosti 200 tun, a pro GIGA lisy s uzavírací silou do 10 000 tun. Základem toho všeho je jeřáb o nosnosti 120 tun a tušírovací lis do 200 tun. Zbytek je již jen klasické obrábění. Ale ani zde nenajdeme nic o tepelném zapracování.
Jak by tedy mělo vypadat tepelné zpracování pro takto velké formy? Co vlastně nám definuje Nadca 207:2022? Jak najít odpovídající kalící pec? Jak popouštěcí? Tyto dotazy začínají být již obvyklé a musím přiznat, že jsem na to byl dotazován již i z Japonska. Co říká Nadca 207:2022?
- Kalící pec by měla mít takovou ochlazovací schopnost, aby bylo možno docílit ochlazovací rychlosti 28 C/min.
- Pec by měla mít nastaveno programování cyklu tak, aby jej bylo možno plně automaticky řídit od termočlánků Ts a Tc
- Pec musí umět isotermickou prodlevu
Obr.č. 3 – Ideální kalící cyklus zahrnutý do CCT diagramu
- Pec by neměla být přetěžována, nesmí se omezit ochlazovací kapacita pece. Obvykle se doporučuje nepřekročit 50% max. hmotnosti vsázky. Pokud tedy máme tvarovou vložku o hmotnosti 1 tuny, musíme hledat pec s kapacitou 2 tuny atd.
- Díly pro kalení musí mít připraveny a definovány otvory pro termočlánky Ts a Tc. Bez tohoto měření budou vždy pochybnosti o správnosti zpracování
- Popouštění v kalící peci nese riziko nedotápění nebo násobně delších časů operace (viz obr. č. 4)
Obr.č. 4 – Typický příklad nedotápění kalící pece při popouštění velkých dílů v kalící peci, kdy ani za 16 hodin procesu nedošlo k dosažení požadované teploty
- Souběžně s kalící pecí by tedy měla být k dispozici i pec popouštěcí se stejnými rozměry. Nadca 207:2022 sice povoluje popouštění na vzduchu, v dusíku nebo jiné ochranné atmosféře, osobně bych ale popouštění na vzduchu vyloučil z důvodu oxidace po hranicích zrn a oduhličení. Jedině v případě, že celý povrch formy bude následně zcela obroben, s úběrem min. 1 mm, lze o popouštění na vzduchu uvažovat.
- Popouštěcí pec by měla mít možnost řízení procesu od Tc
- Doba setrvání na popouštěcí teplotě je 2 hodiny
- Kalící i popouštěcí pece by měly mít platný TUS a SAT. Tyto dva testy říkají, že pece má zaručenou rovnoměrnost teploty v pracovním prostoru +/- 5 C (test TUS), a současně že nastavená teplota je i teplotou skutečnou (test SAT)
Pokud se týká ČR, domnívám se, že jediná pec, která momentálně výše uvedené podmínky plně realizuje, je pec TAV H8 instalovaná v Galvametu. Ovšem s tím, že pec je koncipovaná na 1,5 tuny, tedy je možno bezpečně zpracovávat tvarové vložky do 750 Kg. Protože na programování pece jsem se osobně podílel, u této pece bych se mohl zaručit za to, že z hlediska programování splňuje všechny požadavky Nadca 207:2022.
Obr.č. 5 – TAV kalící a popouštěcí pec v Galvamet
V dalším kroku záleží na konstruktérovi, jak rozdělí formu na jednotlivé tvarové díly. Jejich jednotlivá hmotnost a tvar pak budou ovlivňovat výběr potřebné pece. Pokud to bude takto, jak je uvedeno na obr.č 6, musíme počítat s tím, že jednotlivé vložky mohou mít hmotnost až 3,5 tuny. Musely bychom tedy hledat pec s kapacitou ochlazování 28 C/min a nosností až 7 tun.
Obr.č. 6 – Příklad možných hmotností tvarových vložek pro GIGA lisy
Je to reálné? Např. TAV nabízí pece do 3,5 tuny, je možno ale na zakázku vyrobit i pece větší, IVA Schmetz do 7 tun, Ipsen USA pec Titan H8 do 1,8 tuny, čínský Fulcrum do 10 tun, Systherms do 2 tun, Fours BMI do 2 tun, atd.
Je ale jasné, že samotná velikost pece je jenom jeden parametr. My ale potřebujeme pec, která ale splňuje všechny výše uvedené požadavky. A samozřejmě velkou roli hraje i vybraný materiál formy. Když si procházím CCT diagramy ocelí vyjmenovaných v Nadca 207:2022, vychází mi z toho, že snad jedině Dievar je vhodným typem oceli pro tyto aplikace.
Obr.č. 7, 8 – CCT diagramy pro H13 a Dievar
U všech ostatních typů oceli se totiž dostaneme do kolize s křivkami precipitace karbidů a tvorbou bainitu.
Může se určitě najít někdo, kdo přijde s tvrzením, proč to nezkusit s materiálem jenom žíhaným. Problém s kalením by to vyřešilo. Jenže i sama Nadca 207:2022 říká, že odolnost proti tepelné únavě je závislá na houževnatosti, a pouze martenzitická struktura ji může zajistit. Pokud bychom tedy použily vložku tepelně nezpracovanou, pak feriticko-perlitická struktura bude mít 5x horší odolnost proti tepelné únavě nežli struktura popuštěného martenzitu. Tudy tedy cesta nevede.
Jak jsem uvedl v minulém blogu, počet GUGA lisů nabírá astronomickou rychlost. Tak jsem tedy zvědav, kdo se do této hry o rozměry MEGA nebo GIGA zapojí.
Jiří Stanislav
5. února 2024
