Post-processing forem pro tlakové lití

Na svém blogu jsem již v roce 2021 publikoval teoretický průběh postupu výroby formy pro tlakové lití. https://www.jstconsultancy.cz/jak-na-zihaci-procesy-u-forem-na-tlakove-liti/. Protože doba pokročila, vracím se opět k této problematice z pohledu nových technologií.

Tab.č. 1 – Seznam všech procesů tepelné úpravy na nástroji pro tlakové lití

Tab.č. 2 – Legenda k tabulce

Z tabulky je vidět, že pokud bychom měli dodržet všechny doporučené kroky, a za předpokladu, že při výrobě vložky budeme potřebovat i navařování, pak pro dosažení dokonalého stavu je nutno absolvovat 18 různých tepelných operací včetně re-aktivace tlakových pnutí na povrchu formy některou z níže uvedených metod.

Pokud tyto operace ohodnotíme časem, pak spotřeba času na výrobu a údržbu jedné vložky je dle následující tabulky celkem 124 hodin. Z toho 40 % času, celkem 50 hodin, je nutno věnovat různým procesům žíhání na odstranění pnutí.

Z avizovaných 124 hodin bude 88 hodin (71%) obsaženo v ceně nástroje, protože se jedná o činnosti, za něž odpovídá výrobce nástroje, minimálně 36 hodin (29%) pak bude muset formě věnovat uživatel nástroje v rámci jeho údržby. Tento čas ale může být delší, pokud relaxačních procesů bude více jak 3.

V praxi to bude samozřejmě trochu jinak, protože obvykle vsázkujeme více vložek najednou do jednoho cyklu, pro naši představu je to ale dostačující. A pokud by se jednalo o GIGA nástroje, pak tato spotřeba času bude daleko vyšší, protože každý tepelný cyklus s vložkou nad 1 tunu bude trvat ne 8 hodin, ale i třeba 24 hodin, a v peci bude vždy vložka opravdu jen jedna.

Tab.č. 3 – Teoretická spotřeba času na tepelné úpravy dílu formy pro HPDC

Tab.č. 4 – Tabulka potřeb vysokoteplotních, nízkoteplotních a bez teplotních cyklů

Z analýzy teoretického workflow rovněž vyplývá, že 72% procesů se odehrává na nízkoteplotních pecích do 750°C a jen 11% cyklů představuje vlastní kalení při teplotách nad 1 000°C. Jedná se o kalení do oleje a popouštění pro hodnocení vstupní jakosti materiálu, a o vlastní kalení a popouštění v proudu plynu reálného dílu. Zbývajících 17% cyklů je vázáno na technologie, které nám jsou schopny zanést do povrchu vynucené tlakové pnutí.

Z analýzy vyplývá, že potřeba nízkoteplotních pecí pro popouštění a žíhání za dobu života formy  je 7x vyšší jak potřeba pecí kalících.

Pokud se podíváme na pohled, co je odpovědnost výrobce nástroje a co je odpovědnost tlakové slévárny, pak vidíme, že potřeba slévárny je pouze a výhradně vázána na nízkoteplotní pece LT. Tyto pece ale slévárna obvykle nemá. Je to zajímavé, protože pokud se budeme bavit o nástrojích na extruzi hliníkových profilů, situace je zcela opačná. Každý výrobce profilů má pec od firmy NITREX jako standard, kde periodicky provádí tepelný proces, v tomto případě nitridaci, který současně působí jako relaxace vnitřních napětí z tepelné únavy a aktivátor tlakových napětí v povrchu.

Opakované žíhání na snížení napětí z tepelné únavy má kromě požadavku na LT pece ještě další problém. Musíme formu rozebrat a znovu složit, a současně přetěsnit všechny záslepky chladících kanálů. To jsou další vícenáklady a současně i tlak na časové plnění. Je obvyklé, že slévárna v pátek formu rozebere, a po zakázkové kalírně požaduje, aby si ji v pondělí mohla odvést vyžíhanou na opětovnou montáž.

Čím větší to ale forma bude, tím těžší bude kapacitní možnost tuto tepelnou práci provést v termínu. Pokud se ponořím do svého oblíbeného tématu „GIGA Castingu“, pak řeknu narovinu, že si to představit moc dobře nedokážu. Každá individuální vložka bude totiž vážit tunu a více, a žíhací proces pro každou z nich bude trvat 16 až 24 hodin za předpokladu, že takovouto pec opravdu máme k dispozici. A každá forma by mohla mít těchto GIGA vložek až 8. 4 na pevné straně a 4 na straně pohyblivé. Mluvíme tedy o potřebě vyžíhat na odstranění pnutí z tepelné únavy vložky o hmotnosti 8 až 16 tun.

Obr. č. 1 – Upínací deska GIGA lisu IDRA s uzavírací silou 9 000 tun (https://www.teslarati.com/tesla-cybertruck-idra-9k-ton-giga-press-teaser-images-video/)

Existují náznaky, že by tomu tak nemuselo být.

a) Žíhání na odstranění pnutí není vázáno jen na tepelný proces, má ale i variantu ve vibračním způsobu odstranění napětí z tepelné únavy (např. https://www.jstconsultancy.cz/vibracni-zihani-na-odstraneni-pnuti/

Obr.č. 2 – Vybavení na vibrační uvolňování napětí z tepelné únavy od firmy BONAL (https://www.bonal.com/)

b) Ani metody pro nucené vyvolání tlakových napětí v povrchu formy nemusí být vázány na její rozebrání a teoreticky je lze provést přímo ve slévárně.

O těchto metodách se zmíním trochu blíže, přičemž vynechám nejvíce známou metodu, a tou je nitridace v plynu. Ta má totiž drobnou nevýhodu, a tou je případné budoucí navařování vložky, pokud bude potřeba tvar opravit tímto procesem. I tento problém je ale dnes již řešitelný, např. pomocí  hybridního obráběcího stroje DMG Mori Lasertech, kdy nitridovanou vrstvu obrobíme a následně tvar obnovíme práškovou aditivní technologií DED (Direct Energy Deposition).

Pokud se týká vlastních tlakových napětí, první metodu nabízí firma Bohler pod značkou ABP®. Jedná se o speciální proces tryskání povrchu formy, kterým docílíme nulových nebo dokonce tlakových napětí. Tento proces se dá aplikovat i ve variantě nebo ABPplus®, nebo nebo ABPdualplus®, kdy navíc je ještě aplikována nitridace v plynu, popř. post-oxidace. V tomto případě ale se forma musí rozebrat a složit.

Obr. č. 3 – Princip procesu ABP (https://www.voestalpine.com/highperformancemetals/cs/cs/sluzeb/tepelne-zpracovani/abp-abp-plus/)

Druhou metodu nabízí HILASE (https://www.hilase.cz/  ), pracoviště fyzikálního ústavu AV ČR. Tato metoda pomocí rázové vlny vysokovýkonného laserového paprsku vnáší do povrchu tlaková napětí a je známá pod názvem Laser Shock Peening. Bohužel, i pro tuto metodu je nutno formu rozebrat.

Obr. č. 4 – Díly forem a zápustka pro metodu Laser Shot Peening

Třetí metoda mne ale zaujala nejvíce. Jedná se o zcela novou technologii, kterou nabízí na trhu startup PSP Technologies (https://www.plasmashockpeening.com/) pod názvem Plasma Shock Peening. Metoda byla vyvinuta Ústavem Termomechaniky AV ČR, a je globálně patentově chráněna. Samotné zařízení je přenositelné, a lze jej instalovat na průmyslový robot. Lze si tedy představit, že zařízení může být instalováno přímo ve slévárně, a bez rozebrání formy si budeme generovat tlaková napětí do povrchu nástroje dle programu, kterým si robota naprogramujeme. Samozřejmě, budou existovat geometrická omezení, např. nelze takto ovlivnit hluboké a úzké tvary, i tak ale značnou část povrchu formy takto upravit můžeme.

Obr. č. 5 – Plasmová hlava na robotickém rameni pro aplikaci metody PSP

Co z toho tedy vyplývá? Když pominu povinné tepelné procesy výrobce nástroje, jeho uživatel, tlaková slévárna, může naplnit podmínky pro periodické odstraňování pnutí z tepelné únavy a následnou aplikaci tlakových napětí bez toho, že by bylo nutno formu rozebírat. Jak metoda vibračního uvolňování napětí, tak i Plasma Schock Peening jsou aplikovatelné za studena. Nejenomže ušetříme ztrátové časy rozebíráním a skládáním formy, ušetříme i významnou energii potřebnou pro ohřev a ochlazení dílů formy.

Jediná nevýhoda je v tom, že to ještě nikdo nezkusil. Takže je to vlastně velká výzva pro vývojáře. A co na to Elon Musk? Protože GIGA forma stojí 4 mil. USD a více, a má životnost 30 až 70 000 ran, náklady testování generátoru vibrací od firmy BONAL za zhruba 40 k€ jsou tak malé, že budou zaplaceny už jen zvýšením životnosti nástroje o pouhých 700 ks. A cena za Plasma Schock Peening? Tak to musí říci PSP, mají velkou snahu se svojí metodou prosadit celosvětově. Velice jim fandím.

S poptávkou se lze obrátit na CEO PSP, Tomáše Slavíka, [email protected]

20240527-pl-plasma-shock-peening-cz

Jiří Stanislav

29. července 2024