TAV Vacuum Furnaces a automatický TUS

Pokud chceme pracovat pro letecký průmysl, musíme se smířit s tím, že AMS 2750 pro řízení teploty je mandatorní proces. Podle AMS 2750, pro třídu pece 2, instrumentaci B, se TUS má provádět 1x za měsíc. Pokud 4 po sobě následující testy TUS jsou OK, pak lze přejít na čtvrtletní periodicitu. Pokud něco selže, vracíme se zpátky na variantu 1M.

Obr. č. 1 – Výtah tabulky č. 15 z AMS 2750, určující periodicitu TUS

Co TUS obnáší časově?

• Odstavit pec
• Zavést přípravek pro měření do pece, nastavit termočlánky
• Provést testovací cyklus (tlak min. 1,3*10^-3 mbar, min 3 teploty v obvyklém pracovním rozsahu)
• Vyhodnotit test
• Vystavit nový protokol o validaci zařízení
• Uvolnit zařízení do výroby

Kolik času tato procedura zabere? Záleží na vybavení. Jaké jsou možnosti? Pokusil jsem se ohodnotit 4 varianty

1. Externí dodavatel
2. Pec je vybavena pro připojení 9ti vsázkových termočlánků, data se zapisují kontinuálně během cyklu na přístroji mimo pec (Obr. č. 2)
3. Mobilní datalogger s tepelnou ochranou, data se vyhodnotí po skončení cyklu a po stažení dat z paměti dataloggeru (Obr. č. 7)
4. Automatický TUS (Obr. 8)

Tab. 1– Odhad spotřeby času na jednotlivé varianty TUS 1 až 4

Varianta 1 je jasná. Vystavíme objednávku a čekáme. Pak přijede člověk, který je proškolený, plnohodnotný, vše si přiveze, zapojí, naistaluje, provede měření a odjede včetně odvozu všeho co přivezl. Následně někdy v budoucnu vám pošle protokol s výsledkem. Ten, kdo TUS objednává mnohdy ani neví co s výsledkem. Dělá to jen proto, že to jeho zákazník požaduje.

Pro nás to ale znamená, že nemusíme kupovat drahá měřidla, zapisovače, datapack, nemusíme mít ani měřící termočlánky pro TUS, protože je má on, a nemusíte se starat ani o jejich kalibraci. Nemusíme mít ani proškolenou kvalifikovanou osobu.

Na druhou stranu obvykle dostaneme protokol, kterému ne zcela rozumíme a umíme ho interpretovat. Vznikne-li potřeba nějakých elektronických offsetů, ani netušíme co s nimi, nebo kam je v našem systému zadat. Protože cena za jeden TUS je smluvně daná, s počtem pecí nebo s periodicitou závratně rostou náklady.

Pokud se týká nákladů uvedených tabulkách 1, 2, 3 a 4, ty jsem počítal na základě svých znalosti nákladů v tomto odvětví v CZ a po konzultaci s předními poskytovateli komerčního tepelného zpracování. V jiných zemí se ale mohou mírně lišit.

Tab. 2 – Porovnání ročních nákladů na TUS od externího dodavatele pro 1, 5 a 10 pecí, periodicita 1M.

Varianta 2 je myšlena pro pece, které mají přírubu pro připojení minimálně 9 termočlánků typ N (Obr. č. 2). Protože víme, že se musíme řídit AMS 2750, a náklady na externího dodavatel jsou enormní, začneme se pomalu vybavovat tak, abychom si TUS mohli dělat sami doma. Má to svoje výhody, protože nemusíme čekat, až dodavatel bude mít volnou kapacitu, a neprošvihneme tedy termíny.

Obr. č. 2 – Typická příruba pro termočlánky TUS

 Musíme si ale pořídit přípravek na měření TUS. Někdy stačí svařit kus obyčejného železa (Obr. č. 3), pokud ale naše kalibrační pásmo stoupá nad 1100 C, budeme mít problémy s jeho deformacemi. Musíme jít tedy do přípravku grafitového nebo dokonce z CFC (Obr. č. 4). Protože ale na vysokých teplotách se již můžeme potkat s tvorbou eutektika, tedy plášť termočlánku ve styku se zdrojem uhlíku se nám roztaví, měřící body pro vložení termočlánku musí být tedy izolované od přípravku např. keramickými trubičkami.

Obr. č. 3 – Přípravek pro TUS s oceli, 9 termočlánků připojených k přírubě (Varianta 3)
Obr. č. 4 – Přípravek pro měření z CFC

Musíme ale i mít sadu kalibrovaných termočlánků, které podléhají evidenci a opakované kalibraci. Musíme si tedy najít i dodavatele, který to umí, a dodá nám termočlánek i s kalibračním listem, a rovněž někoho, kdo nám bude provádět rekalibrace v periodicitě 3M.

To, co je ale nejdůležitější, musíte mít přístroj, opět kalibrovaný, který nám data bude snímat simultánně ze všech devíti termočlánku během testovacího cyklu. Osvědčeným přístrojem je od firmy SuperSystems  Multi-Channel Data Logger SDS 8020 (Obr. č. 5)

Obr. č. 5 – Multi-Channel Data Logger SDS 8020 od SuperSystems

Pokud to všechno máme, musíme mít ještě člověka, který bude plně proškolen pro tuto činnost. Např. PRI (Performance Review Institute), kurz Pyrometry II: Aerospace Pyrometry AMS2750™. Jsme už připraveni a máme všechno? Můžeme tedy začít se svými interními TUS a nemusíme spoléhat na externího dodavatele.

Tab. 3 – Porovnání nákladů na TUS ve variantě 2, příruba pro 9 termočlánků

Z vypočtených nákladů je vidět, že pokud máme jen jednu pec, náklady na dodavatelský TUS jsou nižší jak na TUS vlastními prostředky. Pokud ale máme pecí 5, pak už ročně uspoříme skoro 74 k€, a u provozu s 10 pecemi je to úspora 204 k€ ročně.

Varianta 3 je varianta, kdy pro snímání dat použijeme mobilní přístroj od firmy Phoenix,  Datalogger PTM 1010N včetně teplotní bariéry (Obr. č. 6 a 7). Jeho pořizovací cena je mnohonásobně vyšší jak u předchozího přístroje, bude ale dobře sloužit všude tam, kde na peci není patřičná příruba pro vyvedení termočlánků ven z pece a pro připojení dataloggeru. Všechno ostatní v podstatě zůstává stejné, skoro stejné jsou i náklady. Rozdíl je jen ve vyšší hodnotě odpisů dataloggeru vzhledem k jeho vyšší pořizovací ceně. Ekonomická výhodnost tohoto řešení nastane tehdy, budeme-li mít více jak jednu pec a periodicitu 1M.

Obr. č. 6 – Multi-Channel Data Logger SDS 8020 od SuperSystems
Obr. č. 7 – Přípravek pro TUS s oceli a uvnitř datalogger (Varianta 3)

Výhodou variant 2 a 3 je i to, že bez ohledu na počet pecí máme jen jedno vybavení a jen jednu sadu měřících termočlánků

Tab. 4 – Porovnání nákladů na TUS ve variantě 3, datalogger of firmy Phoenix

Variantou 4 je automatický TUS od firmy TAV Vacuum Furnaces. Na nádobě pece je instalováno 9 pneumatických válců, ovládající polohu 9ti pevných termočlánků typu N. V systému řízení pece SCADA je pak kompletní program jak pro provedení testovacího cyklu, tak i pro vyhodnocení výsledků. Výhodou tohoto uspořádání je:

• Trvalá disponibilita pro provedení testu TUS,
• Není potřeba přípravek pro měření
• Měřící poloha termočlánku je přesně nastavena, a pokud nechceme sami měnit pracovní prostor pece, bude vždy totožná, nepodléhá deformaci jako u kovového měřícího přípravku, a jeho založení je přesné, vždy do identické polohy.
• Pro provedení TUS není potřeba osoba proškolená na pyrometrii, např. od PRI, ale jen poučená. Typicky Level 1 – Operátor automatického TUS
  • školení od výrobce pece (TAV)
  • interní školení na postup
  • interní test
  • může provádět TUS, ale ne vyhodnocovat

Tab. 5 – Porovnání nákladů na TUS ve variantě 4, automatický TUS

Protože termočlánky jsou trvale připevněny na peci, nemusíme nic montovat, instalovat, se vším si poradí sama pec a systém SCADA. Časy přípravy TUS a analýzy dat budou téměř nulové, vše za nás provede sama pec v rámci testovacího cyklu. Operátor jen spustí TUS cyklus, a po jeho ukončení dostane report o výsledku. Na každý TUS bude úspora v přípravných časech a v časech po procesu včetně zpracování dat. Celkově nám ubydou odstávky, a to dosti významně. U jednoho měření pro jednu pec ve variantě 1,2,3 z 12/11 hodin spadneme na 7 hodin. Budeme tedy moci více vyrábět.

Těch 9 termočlánků bude mít náklady na pořízení a rekalibraci stejně jako ve variantě 2 a 3, budeme je ale potřebovat tolikrát, kolik máme pecí. To nám sice zvýší vstupní náklady, ostatní náklady ale budou nižší. Toto navýšení není ale závažné, protože na rozdíl od vybavení pro TUS s dataloggery, které odepisujeme na 5 let, automatický TUS dostaneme s pecí a odepisujeme jej na 20 let.

Největší výhodu ale je, že nepotřebujeme onoho kvalifikovaného pracovníka. Samotný TUS může provést přímo proškolený operátor.

Samozřejmě, hodnocení, schvalování výsledků a nápravná opatření zůstávají v souladu s AMS 2750 na odpovědností kvalifikovaného personálu, automatický systém ale výrazně snižuje potřebu neustálého zapojení odborníků během testování.

Sběr dat je integrován do řídicího systému pece, což vede ke kratším prostojům a lepší opakovatelnosti.

Kontrola výsledků je stále nutná, ale celkové provozní úsilí je podstatně sníženo, s typickými úsporami 40–50 % ve srovnání s konvenčními metodami, v závislosti na instalaci.

Jak to vypadá ve skutečnosti je na obr. č. 7 a 8.

Obr. č. 7 – vakuová pec TAV s automatickým TUS (Varianta 4)
Obr. č. 8 – Připojení termočlánků pro automatický TUS

Co říct závěrem? Ekonomická výhodnost automatického TUS je zřejmá z obr. č. 9. Pro všechny varianty s počtem pecí 1 až 10 vychází nákladově nejlépe, a to i bez ohledu na počáteční vyšší investici. Zcela markantní je úspora času pro měření, jeho spolehlivost a opakovatelnost, a především nižší nároky na obslužný personál.

Obr. č. 9 – Porovnání jednotlivých variant 1.až 4 pro různý počet pecí

Obrovskou výhodu je i to, že TUS máme k dispozici kdykoliv, když si o něj řekneme. Nemusíme čekat, že externí firma bude mít čas, nemusíme čekat až nám metrolog přijde do práce.

Uplatnění lze najít kdekoliv, např.  v leteckém průmyslu, ale především tam, kde potřebuji perfektní kalibrovanou pec, ale přitom můj obor podnikání leží někde jinde. To je typická situace v R&D, kde potřebuji vyvíjet, mám vědecké kapacity, ale nemám, a ani nikdy nebudu mít metrologa pro jednu pec. Obdobně v aditivních technologiích. Musím se starat hlavně o tiskárny, prášky, programy pro tisk, pro post-procesy, ale potřebuji pec v dokonale kalibrovaném stavu.

U nejnáročnějších aplikací, kdy záleží na každém stupni celsia, mohu takto dokonce dělat zcela bezbolestně TUS před každým dalším vývojovým procesem, abych si byl jistý, že teploty, které chci ověřovat na materiálu jsou skutečnými teplotami. To považuji za neocenitelnou výhodou, protože když nějaký díl budu tisknout 1 týden, mohu ho lehce zničit při post-procesu jenom tím, že teploty v peci budou mít nedefinované odchylky.

AMS 2750 je dnes o převodu z analogových dat na data digitální. Všechny navázané normy pak říkají, jak často si tato data mám ověřovat. Říkají ale, i to, že pokud to neuděláme, nesmíme vyrábět či zkoumat. To prostě obejít dnes už nelze.

Má to i nějaké nevýhody? Ano, máme navíc na peci připojeno 9 pístnic, a tedy i 9 nových bodů, kde může docházet k netěsnosti. Je známo, že jakákoliv průchodka do zařízení, určená pro utěsnění posuvného nebo rotačního pohybu, je potenciálním zdrojem natékání. To ale nemusí být překážkou, technicky je to vyřešené, budeme pouze muset dodržovat pravidla pro práci s vakuovými zařízeními.

A možnost použití? Artemis II mise je příkladem, kdy validace vakuové pece přes TUS a SAT každého procesu by měla být samozřejmou součástí bezpečnosti kosmonautů.

https://www.heattreattoday.com/heat-treating-supports-aerospace-components-for-artemis-ii-mission/

=======================================================================================================
Řešíte podobný problém? Pomohu vám s analýzou…
 40+ let praxe v oboru
 30+ let zkušeností… HT-PROGRES, Bodycote, Galvamet
 spolupráce…VŠB, Czechimplant,  ECM Technologies, TAV Vacuum Furnaces, GHC Invest
 12+ let znalecké činnosti
Chcete poptat řešení nebo chcete nezávaznou konzultaci? Klikněte na tento odkaz, obvykle odpovím do 24 hodin. Kontaktní email
========================================================================================================
Jiří Stanislav, Ing. CSc.
Konzultant a soudní znalec
========================================================================================================

9/04/2026