CZ2015920A3 - Způsob vytváření kovových dílců pomocí depozice materiálu a zařízení k provádění tohoto způsobu - Google Patents

Způsob vytváření kovových dílců pomocí depozice materiálu a zařízení k provádění tohoto způsobu Download PDF

Info

Publication number
CZ2015920A3
CZ2015920A3 CZ2015-920A CZ2015920A CZ2015920A3 CZ 2015920 A3 CZ2015920 A3 CZ 2015920A3 CZ 2015920 A CZ2015920 A CZ 2015920A CZ 2015920 A3 CZ2015920 A3 CZ 2015920A3
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
welding
cooling
surfacing
weld
machine
Prior art date
Application number
CZ2015-920A
Other languages
English (en)
Other versions
CZ306654B6 (cs
Inventor
Jan SmolĂ­k
Ivan Diviš
Tomáš Fornůsek
Jan Malý
Stanislav Hosnedl
Original Assignee
Českévysoké Učení Technické V Praze, Fakulta Strojní, Ústav Výrobních Strojů A Zařízení
Kovosvit Mas, A.S.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Českévysoké Učení Technické V Praze, Fakulta Strojní, Ústav Výrobních Strojů A Zařízení, Kovosvit Mas, A.S. filed Critical Českévysoké Učení Technické V Praze, Fakulta Strojní, Ústav Výrobních Strojů A Zařízení
Priority to CZ2015-920A priority Critical patent/CZ306654B6/cs
Priority to PCT/IB2016/057673 priority patent/WO2017103849A1/en
Priority to EP16875026.3A priority patent/EP3389907A4/en
Priority to RU2018126215A priority patent/RU2723496C2/ru
Publication of CZ2015920A3 publication Critical patent/CZ2015920A3/cs
Publication of CZ306654B6 publication Critical patent/CZ306654B6/cs

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K5/00—Gas flame welding
    • B23K5/18—Gas flame welding for purposes other than joining parts, e.g. built-up welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20—Direct sintering or melting
    • B22F10/25—Direct deposition of metal particles, e.g. direct metal deposition [DMD] or laser engineered net shaping [LENS]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/50—Treatment of workpieces or articles during build-up, e.g. treatments applied to fused layers during build-up
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K10/00—Welding or cutting by means of a plasma
    • B23K10/02—Plasma welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K10/00—Welding or cutting by means of a plasma
    • B23K10/02—Plasma welding
    • B23K10/027—Welding for purposes other than joining, e.g. build-up welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K15/00—Electron-beam welding or cutting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K15/00—Electron-beam welding or cutting
    • B23K15/0046—Welding
    • B23K15/0086—Welding welding for purposes other than joining, e.g. built-up welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/34—Laser welding for purposes other than joining
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/34—Laser welding for purposes other than joining
    • B23K26/342—Build-up welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K37/00—Auxiliary devices or processes, not specially adapted to a procedure covered by only one of the preceding main groups
    • B23K37/003—Cooling means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K37/00—Auxiliary devices or processes, not specially adapted to a procedure covered by only one of the preceding main groups
    • B23K37/04—Auxiliary devices or processes, not specially adapted to a procedure covered by only one of the preceding main groups for holding or positioning work
    • B23K37/0426—Fixtures for other work
    • B23K37/0452—Orientable fixtures
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00—Arc welding or cutting
    • B23K9/04—Welding for other purposes than joining, e.g. built-up welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00—Arc welding or cutting
    • B23K9/16—Arc welding or cutting making use of shielding gas
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P23/00—Machines or arrangements of machines for performing specified combinations of different metal-working operations not covered by a single other subclass
    • B23P23/04—Machines or arrangements of machines for performing specified combinations of different metal-working operations not covered by a single other subclass for both machining and other metal-working operations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/22—Driving means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/90—Means for process control, e.g. cameras or sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/24—After-treatment of workpieces or articles
    • B22F2003/247—Removing material: carving, cleaning, grinding, hobbing, honing, lapping, polishing, milling, shaving, skiving, turning the surface
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)
  • Arc Welding In General (AREA)
  • Cleaning In General (AREA)

Abstract

Způsob vytváření kovových dílců pomocí depozice materiálu obsahující následující kroky: navaření vrstvy kovu elektrickým obloukem v ochranné atmosféře s řízením polohy a parametrů hoření oblouku pro volbu tvaru návaru a s řízením objemu jednotlivých navařovaných bodů a housenek tvořících návar; řízené ochlazení na 20 až 90 .degree.C; čištění mechanicky nebo proudem tekutiny; obrábění za účelem vytvoření geometricky definovaného povrchu pro další návar; přičemž všechny uvedené kroky se opakují až do vytvoření celého dílce. U zařízení k provádění tohoto způsobu jsou v jednom uzavřeném odvětrávaném prostoru integrovány alespoň tři pohybové osy X, Y, Z (10, 11, 14) vřeteník a vřeteno s nástrojem (18), přičemž k tělesu vřeteníku jsou připevněny další technologické jednotky, vybrané ze skupiny navařovací hlava, jednotka pro přetržité chlazení, jednotka pro čištění návaru, jednotka pro čištění a sušení a jednotka pro kontrolu teploty, a stůl (1) je vybaven vnitřním chlazením.

Description

Oblast techniky
Vynález se týká způsob vytváření kovových dílců pomocí depozice materiálu a zařízení k provádění tohoto způsobu. Jedná se o průmyslovou oblast 3D tisku dílců z kovu, oblast aditive manufacturing, oblast hybrid manufacturing a specificky se týká oblasti postupů, kterými vznikají kovové prostorové dílce v pracovním prostoru výrobního stroje, do kterého vstupuje jako polotovar kovový prášek nebo kovový drát.
Dosavadní stav techniky
Kovové dílce vznikají postupným navařováním jednotlivých návarů, ze kterých vznikají vrstvy kovu. Tyto vrstvy kovů vytvářejí buď přímo celé díly, v případě jednodušších dílů, nebo jednotlivé topologické prvky, ze kterých se dílec skládá. Způsoby navařování kovu jsou uplatňovány různé. Mezi nej častější metody patří navařování kovového prášku unášeného proudem plynu pomocí laseru nebo pomocí elektronového svazku, navařování kovového prášku ležícího v tenké vrstvě pomocí laseru, navařování kovového drátu pomocí laseru nebo pomocí elektronového svazku, navažování drátu pomocí svařovacích technik MIG-MAG. Mezi potenciálně možné, ale neužívané techniky navařování kovu mohou patřit například navařování elektrickým obloukem metodou TIG, navařování plazmou, navařování plamenem. Známé metody navařování kovů využívají jako vstupní podobu navařovaného materiálu prášek nebo drát. Navařování pak pomocí působení tepla a sil zajišťuje umístění navařovaného materiálu na nové místo, kde vzniká návar.
Tento vynález se nezabývá samotným procesem navařování, ale využívá známé metody navařování. Předmětem patentu není řešení metody/způsobu/technologie navařování, tedy technologie přenosu taveného kovu na podklad. Tuto technologii přebíráme již hotovou, dodanou od výrobce zařízení pro nanášení kovu. Vynález tyto technologie pouze užívá, nastavuje procesní parametry a určuje začátek a konec.
• · · · • · • · 4 · • · · · 4 4· • · « ·· ♦ · · · 44 « ♦ 4 ·· • · * · · 4 4 4 4 4
Pomocí jednoho nebo více navazujících a materiálově propojených návarů vznikají vrstvy. Návar může mít základní topologii bodu nebo svarové housenky (weld bead). Při vytváření svarové housenky dochází k relativnímu pohybu mezi základním povrchem, na který se navařuje a mezi navařovacím zařízením. K pohybu dochází v rovině paralelní s plochou základního povrchu, na který se navařuje. Tvar povrchu, na který se navařuje, může být obecný prostorový tvar.
Při vytváření návaru bodu nedochází k relativnímu pohybu mezi základním povrchem, na který se navařuje a mezi navařovacím zařízením.
Po provedení jednoho návaru a dokončení jedné vrstvy se postupuje v navařování dalšího návaru, další vrstvy a takto vzniká buď celý nový dílec, nebo postupně jednotlivé topologické prvky dílce.
Obecně mohou být navařovány jakékoli kovové materiály, pro které existují navařovací technologie. Téměř všechny kovové materiály vyžadují při navařování přítomnost ochranné atmosféry ochranného plynu, aby nedošlo k degeneraci navařovaného materiálu. Některé materiály, jako například titan a jeho slitiny vyžadují přítomnost ochranného plynu nejen během navařování, ale také během chladnutí návaru na limitní teplotu. Konkrétní procesní parametry navařování a ochranné atmosféry nejsou předmětem ochrany.
Existující průmyslově nabízené stroje a technologie a existující patenty pracují zpravidla stím, že po vytvoření jednotlivých návarů a před navařování dalšího návaru a vrstvy nedochází kjejich: chlazení, čištění, obrábění, kontroly povrchu před dalším navařování. Operace chlazení probíhá zpravidla pasivně, pomocí okolní atmosféry vzduchu nebo ochranných plynů. Operace čištění probíhá zpravidla po dokončení dílce a mimo výrobní stroj. Operace obrábění zpravidla probíhá po dokončení dílce nebo topologického prvku dílce mimo stroj na jiném stroji nebo u strojů kombinující v jednom pracovním prostoru navařování a obrábění - stroje pro Hybrid Manufacturing, pak probíhá obrábění přímo ve stroji, kde probíhalo i navařování.
Vynález neřeší konkrétní procesní a technologické parametry a nástroje jednotlivých operací navařování, chlazení, obrábění a čištění. Dále patent neřeší softwarové nástroje, ani popis provedení stroje a jeho detailů.
• · · 9 9 9 4 • · 9 9 9· _Q_ · · 9 999· U «9· 9 9 ·94 • · · 9 9 9 9 9 4994 4
Stávající známá blízká řešení strojů a technologií v průmyslu určená pro vytváření kovových dílů ze základního kovového substrátu v podobě svařovacího drátu nebo kovového prášku jsou následující:
Řešení 1: Navařování z drátu pomocí elektronového paprsku. Tuto technologii nabízí společnost Sciaky (http://www.sciaky.com) ve stroji EBAM 300 a dalších strojích.
Řešení 2: Navařování z drátu pomocí elektrického oblouku metodou „Gas Tungsten Are Welding (GTAW/TIG)“ a plasmovým navařováním „Plasma Are Welding (PAW)“. Tuto technologii nabízí společnost Sciaky (http://www.sciaky.com) ve stroji AcuWeld 1000.
Řešení 3: Navařování kovového prášku, který je unášený proudem plynu, nebo kovového drátu, který je posouván do místa návaru, pomocí laserového paprsku. Tato technologie je zpravidla nazývaná jako „Laser Cladding“. Laserové hlavy jsou zpravidla pohybovány pomocí robotu, ale mohou jimi pohybovat i jiné pohybové struktury. Tuto technologii nabízí například společnost LaserTec (http://lasertec.pl/?lang=en).
Nevýhodou technologie řešení 1, řešení 2 a řešení 3 je velká teplotní zátěž vyráběného dílce, velká vnitřní pnutí a deformace dílců po vyrobení, technologie neumožňuje po každém návaru přesně upravit povrch návaru do dalšího navařovacího kroku - neobsahuje obrábění, a neumožňuje návar vychladit před dalším navařováním a technologie nepracuje s kontrolou teploty navařovaného dílce před dalším navařováním. Postupným kladením návarů na neupravený předchozí návar dochází k degeneraci přesnosti geometrie každého dalšího návaru, k nedefinovanému teplotnímu stavu návaru - pokaždé se navařuje na jinak teplý základ, a tím k nekontrolovanému vnitřnímu pnutí v dílcích i k jejich materiálové struktuře a homogenitě. Technologie neužívá mezioperační čištění povrchů, před dalším navařováním a není možné zajistit maximální homogenitu dalšího návaru a čistotu vytvořeného materiálu. Významnou nevýhodou je vysoká nákladnost vytvořeného dílce v rozmezí 10000 až 25000 Kč/kg způsobená především nutností užívat laserové technologie a techniku elektronového paprsku. Procesy výroby kovových dílců realizované pomocí řešení 1 až 3 vedou na výrobu dílců s horší homogenitou materiálu, větší pravděpodobností výskytu vnitřních vad, s nedefinovaným teplotním ovlivněním, s nekontrolovaným rozložením vnitřních pnutí, vysokou nákladností. Mezi patenty vázané k této technologii patří například US 7^020^539 Bl.
Řešení 4: Navařování dílce z kovového prášku, který leží ve vrstvě pomocí pohybujícího se laserového paprsku, nebo pomocí pohybujícího se elektronového paprsku. Při této technologii dochází ke spékání jednotlivých částic kovu, které leží ve vrstvě pomocí laseru nebo elektronového paprsku. Pomocí řízení pohybu laseru/elektronového paprskuje v každé vrstvě spojena jen definovaná oblast prášku. Technologie je běžně nazývaná jako „Selective Laser Sintering (SLS)“ a nej významnějším výrobcem strojů pro tuto technologii je firma EOS (http://www.eos.info/) nebo pro užití elektronového paprsku „Electron beam additive manufacturing“ a nej významnějším výrobcem strojů pro tuto technologii je firma Areám AB (www.arcam.com). Základním patentem popisujícím technologii je patent WO 1988002677 A2, a k problematice se váže další řada patentů, např.: JP, 2008-106319,A; US 6^82^684 Bl; US 2005/0112230 AI; US5904890.
Nevýhodou technologie Řešení 4 je velká teplotní zátěž vyráběného dílce, velká vnitřní pnutí a deformace dílců po výrobě, technologie neumožňuje po každém návaru přesně upravit povrch návaru do dalšího navařovacího kroku - neobsahuje obrábění, a neumožňuje návar vychladit před dalším navařováním a technologie nepracuje s kontrolou teploty navařovaného dílce před dalším navařováním. Tím že je postupně vyvářený dílec obklopen kovovým práškem, dochází k neřízenému kumulování teploty kolem vytvářeného dílce. Teplotní poměry jsou nekontrolovatelné a na teplotní zatížení dílce má zásadní vliv jeho geometrická orientace v pracovním prostoru a poloha a tvar dalších dílců vyráběných současně v pracovním prostoru. Teplotní stav návaru je nedefinovaný - pokaždé se navařuje na jinak teplý základ, a tím k nekontrolované vnitřní pnutí v dílcích. Významnou nevýhodou je pomalý proces s reálnou produktivitou do 250 g/hod a vysoká nákladnost vytvořeného dílce v rozmezí 10000 až 25000 Kč/kg. Proces výroby kovových dílců realizovaný pomocí řešení 4 vede na výrobu dílců s nedefinovaným teplotním ovlivněním, s nekontrolovaným rozložením vnitřních pnutí, vysokou nákladností a vysokými nároky na dobu výroby.
Řešení 5: Technologie kombinující navařování z prášku nebo drátu pomocí laseru (Řešení 3 tzv. Laser Cladding) která je integrovaná do obráběcího stroje. Tato technologie umožňuje navařovat obecně v pracovním prostoru stroje a také obrábět navařený dílec. Tuto technologii nabízí například společnost DMG MOŘI (http://us.dmgmori.com) ve stroji LASERTEC 65 3D, společnost MAZAK (https://www.mazakusa.com) ve stroji INTEGREX Í-400AM, společnost HAMUEL Maschinenbau GmbH ve stroji HSTM 1500, nebo společnosti WFL * · · ‘ < C · ·· r ‘ * * · * < ·♦
-5“ » · · · i t « « 9.
’ · · « « « ·· ‘ · · * · <««· ····
Milltum Technologies GmbH, IBARMIA INNOVATEK, S.L.U. a ELB-SCHLIFF Werkzeugmaschinen GmbH jako příslušenství strojů. Všechny tyto stroje umožňují v jednom pracovním prostoru provádět nanášení materiálu pomocí technologie Laser Cladding a obrábění a tím realizovat technologii nazývanou Hybrid Manufacturing. Většina výrobců přidává laserovou navařovací technologii do upraveného obráběcího stroje. Dosud známé a představené technologie nejprve realizují postupné navařování dílce, nebo jeho části, která se skládá z většího počtu návarů - navařených vrstev. Následně probíhá samovolné chladnutí bez kontroly teploty a následuje hrubovací obrábění celého dílce, nebo jeho části. Mezi patenty vázané k této technologii patří například WO 90/15375; WO 02/073325 A2 a další.
Nevýhodou technologie dle řešení 5 je velká teplotní zátěž vyráběného dílce, velká vnitřní pnutí a deformace dílců po vyrobení, technologie nenabízí po každém návaru přesně upravit teplotu dílce, provést vyčištění povrchu návaru a okolí návaru a nenabízí přesné obrobení povrchu návaru jako přípravu pro další navařovací operaci. Nabízené, známé a představené technologie neobsahují a nenabízí chlazení, kontrolu teploty, čištění a obrábění po každém navaření a před každým dalším návarem. Postupným kladením návarů na neupravené předchozí návary dochází k degeneraci přesnosti geometrie každého dalšího návaru, k nedefinovanému teplotnímu stavu návaru - pokaždé se navařuje na jinak teplý základ, a tím k nekontrolovanému vnitřnímu pnutí v dílcích i k jejich materiálové struktuře a homogenitě. Nedefinovaná je také čistota povrchu a jeho tvar. Technologie neužívá mezioperační čištění povrchů, před dalším navařováním a není možné zajistit maximální homogenitu dalšího návaru a čistotu vytvořeného materiálu. Významnou nevýhodou je vysoká nákladnost vytvořeného dílce v rozmezí 8000 až 25000 Kč/kg způsobená především užívání laserové technologie navařování.
Procesy výroby kovových dílců realizované pomocí řešení 5 vedou na výrobu dílců s horší homogenitou materiálu, větší pravděpodobností výskytu vnitřních vad, s nedefinovaným teplotním ovlivněním, s nekontrolovaným rozložením vnitřních pnutí, nižší přesností polohy umístění návaru, vysokou nákladností.
Řešení 6: Navařování dílce z kovového prášku, který leží ve vrstvě pomocí pohybujícího se laserového paprsku s možností užití přídavného frézovacího vřetene, která je integrovaná do obráběcího stroje. Tato technologie umožňuje navařovat v pracovním prostoru stroje a také v omezené míře obrábět bez užití chlazení řeznou kapalinou. Tuto technologii nabízí • * « < · · < <
« · · · například společnost Matsuura (http://www.matsuura.co.jp/english/index.html) ve stroji LUMEX Avance-25, nebo společnost SODICK (http://www.sodick.com/)) ve stroji OPM250L. Oba tyto stroje umožňují v jednom pracovním prostoru provádět nanášení materiálu pomocí technologie „Selective Laser Sintering (SLS)“ a omezeně také obrábění a tím realizovat technologii nazývanou Hybrid Manufacturing. Oba uvedení výrobci přidávají frézovací vřeteno do upraveného stroje pro technologii „Selective Laser Sintering (SLS)“. Dosud známé a představené technologie nejprve realizují postupné navařování dílce, nebo jeho části, která se skládá z většího počtu návarů - navařených vrstev. Následně probíhá samovolné chladnutí bez kontroly teploty nebo bez možnosti chlazení a následuje obrobení dílčích ploch návaru, ke kterým by se již nebylo možné dostat při dalším pokračování technologie navařování, tj. plochy zůstávají v uzavřených dutinách nebo kanálech. Vzhledem k uložení dílce, který je obsypán kovovým prachem není možné užít fluidní chlazení a není možné obrábět s většími řeznými silami. Mezi základní patenty vázané k této technologii patří: US 6^657^155 B2; US 2006/0208396 AI; US 8*329^092 B2; US 7^323/132 B2; US 7f 172^724 B2; US 2011/0123383 AI; US 8,828^116 B2; US 8/738*166 B2; US 2013/0065073 AI; US 2006/0208396 AI. Blízký je také patent EP 0596683 AI, který uplatňuje rozdělení technologie na více pracovních stanic a dále patent EP 0470705 A2; EP 2 581 154 AI; EP 2 581 155 AI; JP 2000 73108A; JP 3446618; US 2002/0147521 AI; WO 02/073324 A2 a další.
Nevýhodou technologie dle řešení 6 je velká teplotní zátěž vyráběného dílce, velká vnitřní pnutí a deformace dílců při výrobě i po vyrobení a obrábění tak probíhá na teplotně deformovaném dílci. Technologie nenabízí po každém návaru přesně upravit teplotu dílce, provést vyčištění povrchu návaru a okolí návaru a nenabízí přesné obrobení povrchu návaru jako přípravu pro další navařovací operaci, neboť by došlo ke kontaminaci poslední vrstvy kovového prachu třískami z obrábění a následná jedna vrstva zásypu kovovým prachem by třísky z obrábění nemohla spolehlivě zakrýt a byla by ohrožena kvalita návaru v další vrstvě. Nabízené, známé a představené technologie neobsahují a nenabízí chlazení, kontrolu teploty, čištění a obrábění po každém navaření a před každým dalším návarem. Postupným kladením návarů na neupravené předchozí návary dochází k degeneraci přesnosti geometrie každého dalšího návaru, k nedefinovanému teplotnímu stavu návaru - pokaždé se navařuje na jinak teplý základ, a tím k nekontrolovanému vnitřnímu pnutí v dílcích i k jejich materiálové struktuře a homogenitě. Nedefinovaná je také čistota povrchu a jeho tvar. Technologie neužívá mezioperační čištění povrchů, před dalším navařováním a není možné zajistit maximální homogenitu dalšího návaru a čistotu vytvořeného materiálu. Významnou <· ·«·· <· ·· ‘ · · · « « · ·· · <·· ·«· · ·
-7- ··· ·«····· • · · «·· « · *· · ·········· nevýhodou je vysoká nákladnost vytvořeného dílce v rozmezí 10000 až 25000 Kč/kg způsobená především užívání laserové technologie navařování.
Procesy výroby kovových dílců realizované pomocí řešení 6 vedou na výrobu dílců s nedefinovaným teplotním ovlivněním, s nekontrolovaným rozložením vnitřních pnutí, nemožností definovat tvar plochy před každým návarem, nižší přesností polohy umístění návaru, vysokou nákladností.
Podstata vynálezu
Výše uvedené nedostatky jsou do značné míry odstraněny způsobem vytváření kovových dílců pomocí depozice materiálu, podle tohoto vynálezu. Jeho podstatou je to, že obsahuje následující kroky:
navaření vrstvy kovu elektrickým obloukem v ochranné atmosféře s řízením polohy a parametrů hoření oblouku pro volbu tvaru návaru a s řízením objemu jednotlivých navařovaných bodů a housenek tvořících návar;
- řízené ochlazení na 20 až 90 °C;
- čištění mechanicky nebo proudem tekutiny;
- obrábění za účelem vytvoření geometricky definovaného povrchu pro další návar, přičemž všechny uvedené kroky se opakují a to až do vytvoření celého dílce.
Uvedeným postupem se vytváří návar o velikosti 2 až 200 mm3/s, který se ochladí na teplotu 20 až 90 °C a očistí, načež se návar obrobí do tvaru základny s definovanou 1 až 3 kontaktními plochami pro následující návar a po dalším očištění a osušení se vytvoří další návar o velikosti 2 až 200 mm3/s.
Chlazení se s výhodou provádí zaplavením dílce chladicí kapalinou do úrovně maximálně 3 mm pod novým návarem a/nebo se chlazení provádí ochlazováním pracovního stolu stroje.
Návar se vytváří alespoň jedním postupem vybraným ze skupiny navařování proudem plynu pomocí laseru, navařování pomocí elektronového svazku, navařování kovového prášku ležícího v tenké vrstvě pomocí laseru, navařování kovového drátu pomocí laseru, navařování pomocí elektronového svazku, navařování drátu pomocí svařovacích technik MIG-MAG, navařování elektrickým obloukem metodou TIG, navařování plazmou, navařování plamenem.
• « « < · · ·
Čištění se může provádět mechanicky a/nebo proudem tekutiny.
Dalším předmětem vynálezu je zařízení k provádění způsobu podle kteréhokoli z předchozích nároků obsahující nosnou strukturu stroje, která je tvořena ložem, stojanem a alespoň třemi pohybovými osami X, Y, Z, které jsou spojeny mezi sebou a/nebo se stojanem a ložem pomocí lineárních vedení a pracovní stůl, u kterého je umístěna alespoň jedna navařovací hlava a alespoň jedna obráběcí hlava. Jeho podstatou je to, že v zařízení jsou v jednom uzavřeném odvětrávaném prostoru integrovány alespoň tři pohybové osy, vřeteník a vřeteno s nástrojem, přičemž k tělesu vřeteníku jsou připevněny další technologické jednotky, vybrané ze skupiny navařovací hlava, jednotka pro přetržité chlazení, jednotka pro čištění návaru, jednotka pro čištění a sušení a jednotka pro kontrolu teploty a stůl je vybaven vnitřním chlazením.
Zařízení může být doplněno o další dvě pohybové rotační osy, pak by se jednalo o stroj s pěti řízenými osami. Pohybové osy jsou s výhodou opatřeny elektrickým servopohonem, který je propojen s řídicím systémem stroje.
Zařízení je ve výhodném provedení opatřeno alespoň jedním čidlem teploty.
Vynález se týká technologii a výrobního zařízení, která se modulárně skládá z dílčích operací, která umožňuje oproti stávajícím technologiím realizovat levnější a přesnější výrobu dílců s tím že mají homogenní materiálovou strukturu a menší zbytková pnutí. Základem technologie je spojení standardních metod navařování s mezioperacemi chlazení, čištění a obrábění, tak že nově nanášená vrstva se nanáší na geometricky definovaný povrch, čistý povrch a chladný povrch. Toto řešení v uvedené komplexnosti zatím nikdo neprezentuje a nenabízí, i když je prezentováno a nabízeno mnoho blízkých technologií a další se rodí.
Vynález přináší hospodárnost technologie při využití navařování elektrickým obloukem založené na spotřebě standardních svařovacích drátů, svařovacích plynů a obráběcích nástrojů. Cena 1 kg vytvořeného dílce je 25 až 30 % ceny dílce vytvořeného pomocí 3D tiskáren (SLM) nebo navařováním pomocí Laser Cladingu z prášku.
* í · I í I • ·
Pokud je výchozím strojem pro technologii CNC obráběcí stroj a pokud je užit elektrický oblouk pro navařování materiálu, tak je výhodou nižší cena výrobního zařízení v relaci přibližně 50 % ceny stroje s využitím laseru pro navařování.
Výrobní proces může probíhat plně automatizovaně bez nutnosti dohledu a účasti lidské obsluhy a proto je minimální riziko poškození zdraví obsluhy.
Při využití navařování elektrickým obloukem garantuje technologie vyšší bezpečnost práce pro obsluhu, protože není využíván karcinogenní kovový prášek jako základní substance pro vytvoření návaru. Nehrozí také nebezpečí výbuchu ve vazbě na prášek.
Při uplatnění celého postupu jednotlivých operací pro vytvoření více napojených vrstev dochází k vytvoření až 100 % homogenního navařeného materiálu bez pórů a strusky.
Pokud je výchozím strojem pro technologii a pro zajištění kinematického vedení navařovacího hořáku CNC obráběcí stroj, pak je možné díky přesnosti stroje, programování a řízení dosahovat extrémně přesného umísťování návaru.
Při využití navařování elektrickým obloukem se může pomocí vhodně obrobeného povrchu určeného pro navařování řídit poloha hoření oblouku a tvar návaru. Je možné cíleně navádět elektrický oblouk.
Technologie umožňuje vytvářet strojní dílce s minimálním množstvím užitého konstrukčního materiálu - optimální tvar, otevřené a uzavřené dutiny, a šetří tak materiálové zdroj a životní prostředí. Pokud je takovýto optimální dílec součástí dopravních prostředků, pak dochází k sekundárním úsporám nákladů na energii.
Technologie umožňuje rychlou výrobu složitých polotovarů i celých hotových dílců s tím že základním polotovarem je v případě navařování elektrickým obloukem svařovací drát.
Při svařování elektrickým obloukem umožňuje technologie vytvářet dílce nebo podpůrné konstrukce studenějším souvislým návarem takzvanou technologie CMT (Cold Metal Transfer) s následným ochlazením a obrobením nanesené dílčí vrstvy v jednom pracovním prostoru, v automatickém cyklu a rychlém taktu opakování.
*9 •· r· •· •· *· • · « 9 · ® · •· •· • · ··
•·«· ·9 f · • · · ·» • · ·· • · · · « » • ·« · • « · · · · ·
Při svařování elektrickým obloukem umožňuje technologie vytvářet dílce nebo podpůrné konstrukce bodovou strategií s přesným odtavením kapek, kdy se dle počtu kapek vytvoří jeden bod v požadované velikosti 0.5 až 10 mm. Čímž lze udržet vzniklé pnutí ve výrobku na únosnou mez a zároveň lze dílec vrstvit pomocí stále stejně definovaného objemu bodu, nezávislého na čase svařování.
Integrované řešení v jednom pracovním prostoru pro všechny operace, tj. pro celý cyklus, což snižuje výrobní čas oproti řešení, kdy by byly jednotlivé operace řešeny na samostatných pracovištích. Úspora času je pětinásobná. Toto integrované řešení v jednom pracovním prostoru pro všechny operace rovněž zmenšuje zastavěnou plochu pro aplikaci technologie. Úspora výrobní plochy je také pětinásobná.
Při využití navařování elektrickým obloukem lze pomocí navařených podpůrných struktur vytvářet plochu dílce v prostoru, tj. založit dílec a plochu ve vzduchu. Při využití navařování elektrickým obloukem lze podpůrné struktury vytvářet pod úhlem od 0° do 90°.
Uzavřený pracovní prostor umožňuje udržovat stabilní pracovní podmínky pro všechny operace.
Systém umožňuje během provádění navařování diagnostikovat chybu návaru a následně umožňuje provést automatické odebrání chybně provedeného návaru a jeho opětovné korektní navaření. Technologie umožňuje zaznamenávat všechny procesní parametry a mít ke každému vyrobenému dílci protokol celé výroby.
Pokud je výchozím strojem pro technologii a pro zajištění kinematického vedení navařovacího hořáku CNC obráběcí stroj, pak je možné díky přesnosti stroje, programování a řízení dosahovat extrémně přesného umísťování návaru, až 0,05 mm přesnost polohy v prostoru.
Při svařování elektrickým obloukem umožňuje technologie vytvářet dílce nebo podpůrné konstrukce studenějším souvislým návarem takzvanou technologie CMTy(Cold Metal Transfer) s následným ochlazením a obrobením nanesené dílčí vrstvy v jednom pracovním prostoru, v automatickém cyklu a rychlém taktu opakování.
4 »1ř» ·· 9 ···* ·» • 99 9 9 9 »>
-11- ·········»
-*· *· 9 9 9 9 9 9 9 ·· · ······ ·t·«
Při svařování elektrickým obloukem umožňuje technologie vytvářet dílce nebo podpůrné konstrukce bodovou strategií s přesným odtavením kapek v rozsahu 1 až 100 kapek, kdy se dle počtu kapek vytvoří požadovaná velikost bodu ve velikosti 0.5 až 10 mm. Čímž lze udržet vzniklé pnutí ve výrobku na únosnou mez a zároveň lze dílec vrstvit pomocí stále stejně definovaného objemu materiálu v jednom bodu, nezávislého na čase svařování.
Uzavřený pracovní prostor umožňuje udržovat stabilní pracovní podmínky pro všechny operace. Systém umožňuje během provádění navařování diagnostikovat chybu návaru a následně umožňuje provést automatické odebrání chybně provedeného návaru a jeho opětovné korektní navaření.
Technologie umožňuje vytvářet strojní dílce s minimálním množstvím užitého konstrukčního materiálu - optimální tvar, otevřené a uzavřené dutiny, a šetří tak materiálové zdroj a životní prostředí. Pokud je takovýto optimální dílec součástí dopravních prostředků, pak dochází k sekundárním úsporám nákladů na energii. Technologie umožňuje rychlou výrobu složitých polotovarů i celých hotových dílců s tím že základním polotovarem je v případě navařování elektrickým obloukem svařovací drát.
Objasnění obrázků na výkresech.
Příkladné řešení bude podrobněji popsáno na konkrétním příkladu provedení s pomocí přiložených výkresů, kde na obr. 1 je schématicky znázorněn způsob vytváření kovových dílců pomocí depozice materiálu. Na obr. 2 jsou uvedeny příkladné tvary návaru a na obr. 3 je příkladné zařízení v nárysu a na obr. 4 v bokorysu.
Příklady uskutečnění technického řešení
U příkladného způsobu vytváření kovových dílců pomocí depozice materiálu se vytvoří návar o velikosti 100 mm3/s, který se ochladí na teplotu 30 °C a očistí, načež se návar obrobí do tvaru základny s definovanou kontaktní plochou pro následující návar a po dalším očištění a osušení se vytvoří další návar o velikosti 100 mm3/s. Tento postup se opakuje až do vytvoření požadované velikosti návaru.
_ «» »» » · » » » « · · « « · · « .« _ „ «···»» > >
-12- ·»· · < < · · ·>
C·· f * ··· « · · · · t · · ··*··
Operace navařování využívá známé metody pro navařování kovů a komerčně dostupná zařízení navařování kovů. Zejména jsou vhodné technologie s minimálním přenosem tepla do základního materiálu, na který se navařuje.
Jedná se zejména o navařování elektrickým obloukem - navařování kontinuálně podávanou elektrodou, ale je zde obecně více technologií navařování elektrickým obloukem, Laserové navařování drátu, Laserové navařování prášku. Okrajově se může jednat o navařování plazmou - z prášku, přídavného drátu, navařování plamenem - prášku, drátu a další technologie navařování.
Předmětem vynálezu je postup navařování dílce, při kterém je mezi jednotlivými operacemi navařování provedeno chlazení vytvořeného návaru, tj. svarové housenky, bodového návaru, vrstvy, nebo části housenky, nebo části vrstvy. Kovový materiál má při navařování minimálně teplotu tavení, nebo teplotu vyšší. Základní materiál má teplotu okolí, resp. dílenskou teplotu, při které bude také provozován, nebo při které jsou minimálně měřeny jeho výrobní rozměry a jejich tolerance. Navařovaný materiál je zdrojem tepla. Teplo způsobuje ohřev základního materiálu a změnu jeho rozměrů. Po ztuhnutí návaru, ke kterému dochází okamžitě po navaření, má dílec zvýšenou teplotu a v důsledku toho jiné rozměry a geometrický tvar, než po úplném vychladnutí na teplotu okolí. Pokud je další návar nanášen bez ochlazení dílce, pak je nanášen na ohřátý a deformovaný dílec a po vychladnutí dílce má materiál velká zbytková vnitřní pnutí a dílec je rozměrově a geometricky nepřesný. Předkládaná technologie obsahuje operaci chlazení, která je prováděna minimálně mezi jednotlivými vrstvami, nebo častěji, mezi částmi vrstvy, mezi housenkami, mezi částmi housenek, nebo skupinami provedených bodových návarů. Základem je, že každá nová vrstva je navařována na předchozí vrstvu tvořený dílec, který je ochlazený na teplotu okolí - cca do 40 °C, tedy každá další vrstva je nanášena na chladný dílec. Cílem přetržitého chlazení je intenzivní odvedení tepla, přenesení tepla vzniklého při navařování do chladícího média a jeho transport v chladícím médiu mimo pracovní prostor a mimo vytvářený dílec.
Způsob chlazení je realizován obecně pomocí fluidních médií - kapaliny a plyny, především pomocí řezných emulzí a řezných olejů užívaných na obráběcích strojích pomocí vzduchu, nebo pomocí jiných plynů a kapalin. Tyto kapaliny nebo plyny jsou ochlazeny na teplotu okolí nebo na nižší teplotu a jsou pomocí hydraulického nebo pneumatického okruhu čerpadlo, kompresor, rozvody, trubky, hadice, spojky, přivedeny do trysky nebo více trysek, • · · · • · • · · · •· •· •· • ·
• · · · · ··· • · · · ·· • ·····9 · • · · · ·· • ····»····· které směřují plošně nebo řízeným pohybem chladicí kapalinu nebo chladící plyn na místa návarů a na vytvářený dílec. Řízený pohyb chlazení je možné realizovat pomocí samostatného manipulačního zařízení, které pohybuje tryskou, nebo více tryskami, nebo pomocí pohybu samotného stroje a jeho pohybovými osami, které zajišťují i pohyb při navařování, obrábění a čištění.
Rovněž se může provádět chlazení bodových návarů tvořících svarovou housenku nebo vrstvu návaru, chlazení jedné vrstvy, tvořené spojenými housenkami, nebo spojenými bodovými návary, chlazení jedné vrstvy tvořené po částech svarovými housenkami, nebo bodovými návary a chlazené po částech.
Souvislé chlazení zajišťuje odvod tepla, které do dílce vnáší buď operace navařování, nebo operace obrábění nebo operace čištění. Souvislé chlazení odvádí buď teplo z upínacího základu - palety, nebo pracovního stolu stroje, nebo přímo z dílce, který je chladícím médiem zaplaven.
Způsob chlazení je realizován obecně pomocí tekutin. Tyto kapaliny nebo plyny jsou ochlazeny na teplotu blízkou teplotě okolí nebo na teplotu nižší a jsou přiváděny v otevřeném nebo uzavřeném okruhu do kontaktu s dílcem nebo odvádí teplo z upínacího základu. Použity jsou standardní chladicí systémy pro chlazení strojů - čerpadlo, rozvody, trubky, hadice, spojky, které pro uzavřené okruhy užívají chladivá na bázi vody. Způsob chlazení s otevřeným okruhem pak pracuje s řeznou kapalinou, kterou stroj užívá i pro obrábění a pro přetržité chlazení - jeden druh kapaliny v pracovním prostoru.
Dále existuje průběžné chlazení dílce a jeho základny. Chlazení probíhá pomocí řízeného zaplavování dílce s udržováním hladiny chladicí kapaliny těsně pod nově vytvářeným návarem - kapalina je cca 5 mm pod novým návarem. Jedná se o otevřený okruh chlazení s využitím společné chladicí kapaliny pro řezný proces i přetržité chlazení.
Případně je možné využít chlazení upínacího základu - palety, pracovního stolu stroje. Chlazení upínacího základu pomocí integrovaného labyrintu, kterým protéká chladivo a odvádí teplo z palety. Jedná se o uzavřený okruh využívající stejné chladivo a případně i chladící agregát jako chlazení vřetene, nebo jiných uzavřených chladících okruhů stroje.
• · ···· ·· · · • · · ·· · ·
Λ ··· · ··
-14“ « · · · · ·· • · · «· · • · · ·· ····
Po očištění se provádí obrábění povrchu předchozího návaru housenky nebo vrstvy, které umožňuje vytvořit definovanou geometrii povrchu pro navařování nového návaru. Operace umožňuje definovat geometrické podmínky pro navařování každé nové vrstvy. Nedochází tak k navařování nového návaru na nedefinovaný tvar předchozího návaru. Homogenita navařeného materiálu je větší než při navařování bez obrábění mezi jednotlivými návary. Jasně definovaná geometrie obrobeného povrchu pro nový návar umožňuje zajistit stabilní podmínky návaru. Obrábění bočních ploch pak umožňuje lepší navázání návarů na okrajích dílce, umožňuje dosáhnout hladšího povrchu dílce než po navaření, bez obrábění bočních ploch a umožňuje minimalizovat přídavky materiálu na bocích dílce pro případné následné dokončovací obrábění, pokud je plánované.
Obrábění se provádí pomocí standardních řezných nástrojů pro obráběcí stroje - frézy, soustružnické nože, brousící kotouče, atd., s pomocí standardních postupů a pohybů nástroje vůči dílci - obrobku, při užití standardních řezných kapalin, nebo bez nich.
Čištění a sušení povrchu před navařováním nového návaru odstraňuje zbytky částic a kapalin, které jsou na povrchu, na který bude nanášen nový návar. Způsob čištění je realizován pomocí proudu stlačeného vzduchu. Využit je pneumatický okruh - kompresor, rozvody, trubky, hadice, spojky, stlačený vzduch je přiveden do trysky nebo více trysek, které směřují plošně nebo řízeným pohybem vzduch na místa budoucího návaru. Řízený pohyb čištění a sušení je možné realizovat pomocí samostatného manipulačního zařízení, které pohybuje tryskou, nebo více tryskami, nebo pomocí pohybu samotného stroje a jeho pohybovými osami, které zajišťují i pohyb při navařování, obrábění a chlazení.
Při tomto způsobu vytváření kovových dílců je prováděna kontrola teploty plochy povrchu pomocí bezkontaktního měření. Měření je možné realizovat pomocí termokamery, která dokáže snímat alespoň částečně povrch naposledy navařeného návaru a vrstvy. Vyhodnocení záběru termokamery je třeba ovládat tak, aby bylo prováděno automatické měření a vyhodnocení buď lokálních maxim v místě návaru, nebo průměrných hodnot celé vrstvy.
Příklad 1 • · · · ·· ··«· t · ·· • · · ·*·· ·· * • · · «·· · · •· · «····· ····
Navařování se provádí elektrickým obloukem s kontinuálně podávanou elektrodou. Následuje přetržité chlazení jedné svarové housenky a očištění návaru pomocí mechanických kartáčů. Dále se provádí obrábění čelní plochy - plocha kolmá ke směru růstu návaru, nebo plocha, jejíž normála svírá se směrem růstu návaru maximálně 45°. Obecně se jedná o tvarovou plochu. Provádí se pomocí standardních řezných nástrojů pro obráběcí stroje - frézy, soustružnické nože, brousící kotouče, atd., s pomocí standardních postupů a pohybů nástroje vůči dílci - obrobku. Následuje čištění a sušení povrchu před navařováním nového návaru řízené po kontuře, které se provádí pomocí standardního pneumatického systému a pomocí plošného nebo řízeného směřování proudu vzduchu na povrch na kterém bude umístěn nový návar. Kontrola teploty plochy pro budoucí návar se provádí pomocí termokamery Flir s čištěným průzorem do pracovního prostoru s vyhodnocením, resp. výstupem informace o maximální teplotě v zorném poli.
Příklad 2
Navařování se provádí laserovým navařováním drátu nebo prášku. Následuje chlazení jedné svarové housenky tvořené po částech a chlazené po částech, tzv. mezichlazení a očištění návaru pomocí proudu kapaliny. Kromě čelní plochy se obrábí i boční plochy - plochy paralelní se směrem růstu návaru, nebo plochy, jejichž normála svírá se směrem růstu návaru úhel 45° nebo větší. Opět se provádí pomocí standardních řezných nástrojů pro obráběcí stroje - frézy, soustružnické nože, brousící kotouče, atd., s pomocí standardních postupů a pohybů nástroje vůči dílci - obrobku. Následuje čištění a sušení povrchu před navařováním nového návaru - plošné, které se provádí pomocí speciálních pneumatických trysek s výstupem vzduchu v podobě proudové clony, která svým záběrem zahrnuje celý dílec během čistící sekvence při pohybu pouze jedné pohybové osy. Provádí se kontrola teploty celého dílce pomocí termokamery Flir s čištěným průzorem do pracovního prostoru s vyhodnocením, resp. výstupem informace o průměrné teplotě v zorném poli.
Na obr. 2 jsou zleva znázorněny návar bez obrobení, návar s obrobenou základnou s definovanou jednou kontaktní plochou pro následující návar, návar s obrobenou základnou s definovanými dvěma kontaktními plochami pro následující návar, návar s obrobenou základnou s definovanými třemi kontaktními plochami pro následující návar.
Příkladný stroj vychází z frézovacího obráběcího stroje se třemi pravoúhlými pohybovými osami X, Y, Z. Stroj může být doplněn i o další dvě pohybové osy (nejsou zobrazeny), « I
například rotační osy a pak by se jednalo o stroj s pěti řízenými osami. Nosná struktura stroje je tvořena ložem 12, stojanem 13 a pohybovými osami 10, 11 a 14. Pohybové osy 10, 11 a 14 jsou spojeny mezi sebou nebo se stojanem 13 a ložem 12 pomocí lineárních vedení 15, 16 a 17. Pohyb pohybových os 10, 11 a 14 je zajišťován pomocí elektrického servopohonu (není zobrazeno), a pohyb je řízen pomocí řídicího systému stroje (není zobrazen), který odbavuje program pohybů a funkcí. Stroj disponuje vřeteníkem a vřetenem, resp. jednotkou 23 pro obrábění návaru - modifikaci tvaru, které dokáže zajistit obrábění a tvarovou modifikaci návaru 4 na povrchu dílce 2 pomocí nástroje 18. K tělesu vřeteníku jsou připevněny další technologické jednotky, zejména navařovací hlava 20, jednotka pro přetržité chlazení 21, jednotka pro čištění návaru 22, jednotka pro čištění a sušení povrchu 24 a jednotka pro kontrolu teploty 25. Všechny tyto jednotky se mohou pomocí pohybových os X, Y, Z pohybovat vůči dílci 2 umístěnému na stole. Stůl a pohybová osa X 10 je vybaven vnitřním chlazením 27.
Zařízení obsahuje následující prvky s příslušnými operacemi: navařovací hlava 20, jednotka pro přetržité chlazení 21, jednotka pro čištění návaru 22, jednotka pro obrábění návaru modifikaci tvaru 23, jednotka pro čištění a sušení povrchu 24, jednotku pro kontrolu teploty 25, sytém průběžného chlazení dílce 26, systém průběžného chlazení stolu/palety 27.
U příkladného řešení technologického postupu výroby dílce se uplatňují tyto technologické kroky/operace:
a) pro vytváření vrstev s topologií bez jádra - uzavřená kontura / otevřená kontura začátek ΘΡ03 - ΟΡ05-ΟΡ01-ΟΡ02-ΟΡ06-ΟΡ04-ΘΡ02-ΟΡ05 konec a opakování
b) pro vytváření vrstev s topologií s jádrem začátek OP03 - OP05-OP01-OP02-OP06-OP04-OP02-OP04-OP04-OP06 konec a opakování. V průběhu všech operací může nebo nemusí probíhat operace OP07 a OP08.
Seznam operací:
ΘΡ01 - Operace navařování pomocí navařovací hlavy 20
OP02 - Operace přetržitého chlazení pomocí jednotky pro přetržité chlazení 21
OP03 - Operace čištění návaru pomocí jednotky pro čištění návaru 22
OP04 - Operace obrábění návaru - jednotka 23 modifikace tvaru návaru
OP05 - Operace čištění a sušení povrchu - jednotka 24
OP06 - Operace kontroly teploty - jednotka 25
OP07 - Operace průběžného chlazení dílce - jednotka 26 « » • · · · ·» ·
-17ΘΡ08 - Operace průběžné chlazení stolu/palety/základu - jednotka 27
Při využití navařování elektrickým obloukem lze pomocí navařených podpůrných struktur vytvářet plochu dílce v prostoru, tj. založit dílec a plochu ve vzduchu. Při využití navařování elektrickým obloukem lze podpůrné struktury vytvářet pod úhlem od 0° do 90°. Systém umožňuje během provádění navařování diagnostikovat chybu návaru a následně umožňuje provést automatické odebrání chybně provedeného návaru a jeho opětovné korektní navaření. Technologie umožňuje zaznamenávat všechny procesní parametry a mít ke každému vyrobenému dílci protokol celé výroby.
Průmyslová využitelnost
Způsob vytváření kovových dílců pomocí depozice materiálu a zařízení pro tento způsob naleznou využití zejména pro součásti strojů a zařízení, pro výrobu rotačních, skříňových i prizmatických dílců zocelí, nerezové oceli, hliníkových slitin, titanových slitin, niklových slitin a dalších kovových materiálů, které jsou svařitelné a zpracovatelné navařováním. Odvětví, která mohou díly vyrobené touto technologií využívat, jsou zejména: letectví, automobilový průmysl, dopravní prostředky, energetika, strojní konstrukce, přístroje, výrobní stroje, zemědělské stroje, zpracovatelská technika, spotřební produkty, umělecká díla a všeobecné strojírenství.
-4Ρ'Χ »1 «4 r«
Seznam vztahových značek — stůl — vyráběný dílec — souřadný systém pro relativní pohyb dílce vůči stroji a jednotlivým technologickým jednotkám — poslední vytvořená vrstva dílce — nosná struktura
- stůl a pohybová osa X
- křížové saně a pohybová osa Y
- lože stroje — stojan stroje — vřeteník a pohybová osa Z — lineární vedení pohybové osy X — lineární vedení pohybové osy Y — lineární vedení pohybové osy Z
- frézovací nástroj — držák snímače — navařovací hlava — jednotka pro přetržité chlazení
- jednotka pro čištění návaru — jednotka pro obrábění návaru pro modifikaci tvaru
- jednotka pro čištění a sušení povrchu
- jednotka pro kontrolu teploty
- sytém průběžného chlazení dílce — systém průběžné chlazení stolu/palety

Claims (6)

  1. PATENTOVÉ NÁROKY
    1. Způsob vytváření kovových dílců pomocí depozice materiálu, vyznačující se tím, že obsahuje následující kroky:
    navaření vrstvy kovu elektrickým obloukem v ochranné atmosféře s řízením polohy a parametrů hoření oblouku pro volbu tvaru návaru a s řízením objemu jednotlivých navařovaných bodů a housenek tvořících návar;
    - řízené ochlazení na 20 až 90 °C;
    - čištění mechanicky nebo proudem tekutiny;
    obrábění za účelem vytvoření geometricky definovaného povrchu pro další návar, přičemž všechny uvedené kroky se opakuj j a to až do vytvoření celého dílce.
  2. 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že chlazení se provádí zaplavením dílce chladicí kapalinou do úrovně maximálně 3 mm pod novým návarem.
  3. 3. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že chlazení se provádí ochlazováním pracovního stolu stroje.
  4. 4. Zařízení k provádění způsobu podle kteréhokoli z předchozích nároků obsahující nosnou strukturu stroje, která je tvořena ložem (12), stojanem (13) a alespoň třemi pohybovými osami X, Y, ^<které jsou spojeny mezi sebou a/nebo se stojanem a ložem pomocí lineárních vedení (15); (·16|Χ(17) a pracovní stůl (1), u kterého je umístěna alespoň jedna navařovací hlava a alespoň jedna obráběcí hlava, vyznačující se tím, že v zařízení jsou v jednom uzavřeném odvětrávaném prostoru integrovány alespoň tři pohybové osy (10ý, fl lý ,í£fl4), vřeteník a vřeteno jako jednotka (23) pro modifikaci tvaru návaru s nástrojem (18), přičemž k tělesu vřeteníku jsou připevněny další technologické jednotky, vybrané ze skupiny navařovací hlava (20), jednotka pro přetržité chlazení (21), jednotka pro čištění návaru (22), jednotka pro čištění a sušení povrchu (24) a jednotka pro kontrolu teploty (25) a stůl (1) je vybaven vnitřním chlazením (27).
  5. 5. Zařízení podle nároku 4, vyznačující se tím, že je doplněno o další dvě pohybové rotační osy pro vytvoření stroje s pěti řízenými osami.
  6. 6. Zařízení podle nároku 4 nebo 5, vyznačující se tím, že pohybové osy jsou opatřeny elektrickým servopohonem, který je propojen s řídicím systémem stroje.
CZ2015-920A 2015-12-18 2015-12-18 Způsob vytváření kovových dílců pomocí depozice materiálu a zařízení k provádění tohoto způsobu CZ306654B6 (cs)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2015-920A CZ306654B6 (cs) 2015-12-18 2015-12-18 Způsob vytváření kovových dílců pomocí depozice materiálu a zařízení k provádění tohoto způsobu
PCT/IB2016/057673 WO2017103849A1 (en) 2015-12-18 2016-12-15 Method of creating metal components using the deposition of material and apparatus to implement this method
EP16875026.3A EP3389907A4 (en) 2015-12-18 2016-12-15 METHOD FOR PRODUCING METAL COMPONENTS BY DEPOSITING MATERIAL AND DEVICE FOR CARRYING OUT THIS METHOD
RU2018126215A RU2723496C2 (ru) 2015-12-18 2016-12-15 Способ создания металлических деталей, в котором используется осаждение материала, и устройство для осуществления этого способа

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2015-920A CZ306654B6 (cs) 2015-12-18 2015-12-18 Způsob vytváření kovových dílců pomocí depozice materiálu a zařízení k provádění tohoto způsobu

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CZ2015920A3 true CZ2015920A3 (cs) 2017-04-19
CZ306654B6 CZ306654B6 (cs) 2017-04-19

Family

ID=58699441

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ2015-920A CZ306654B6 (cs) 2015-12-18 2015-12-18 Způsob vytváření kovových dílců pomocí depozice materiálu a zařízení k provádění tohoto způsobu

Country Status (4)

Country Link
EP (1) EP3389907A4 (cs)
CZ (1) CZ306654B6 (cs)
RU (1) RU2723496C2 (cs)
WO (1) WO2017103849A1 (cs)

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6325736B1 (ja) * 2017-01-24 2018-05-16 株式会社ソディック 造形物の製造方法
US20190039191A1 (en) * 2017-08-07 2019-02-07 United Technologies Corporation Laser deposition weld repair
JP6865667B2 (ja) * 2017-10-30 2021-04-28 株式会社神戸製鋼所 積層造形物の製造方法
JP6552772B1 (ja) * 2018-10-18 2019-07-31 三菱電機株式会社 付加製造加工機および冷却方法
US12011808B2 (en) * 2020-05-12 2024-06-18 Karl F. HRANKA Workpiece securing device
CN112692309A (zh) * 2020-12-10 2021-04-23 湖北超卓航空科技股份有限公司 一种电弧增材制造设备
CN113182779A (zh) * 2021-04-28 2021-07-30 芜湖磁轮传动技术有限公司 粉末熔焊制作导体转子的生产工艺
CN113199127A (zh) * 2021-05-19 2021-08-03 许成海 一种提高金属板材成型质量的高频焊接机辅助装置
JP7494824B2 (ja) 2021-09-30 2024-06-04 株式会社豊田中央研究所 積層造形装置および積層造形方法
CN114473517B (zh) * 2022-01-20 2023-01-03 汕头大学 一种船载风电齿轮增减材修复装置、系统及方法
CN114700733B (zh) * 2022-04-08 2023-03-10 广西中大旺幕墙门窗有限公司 一种用于铝合金门窗的骨架焊接设备
WO2024005673A1 (ru) * 2022-06-27 2024-01-04 Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования "Сколковский институт науки и технологий" Способ лазерного синтеза эндодонтических инструментов из никелида титана

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5207371A (en) * 1991-07-29 1993-05-04 Prinz Fritz B Method and apparatus for fabrication of three-dimensional metal articles by weld deposition
RU2104133C1 (ru) * 1996-07-09 1998-02-10 Акционерное общество "Новолипецкий металлургический комбинат" Способ наплавки длинномерных плоских деталей
US20020147521A1 (en) * 2001-03-14 2002-10-10 Milling Systems And Concepts Pte Ltd. Prototype production system and method
US9292016B2 (en) * 2007-10-26 2016-03-22 Ariel Andre Waitzman Automated welding of moulds and stamping tools
JP5555222B2 (ja) * 2009-02-24 2014-07-23 パナソニック株式会社 三次元形状造形物の製造方法およびそれから得られる三次元形状造形物
RU2497641C1 (ru) * 2012-05-17 2013-11-10 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Центральный Научно-Исследовательский Институт Конструкционных Материалов "Прометей" (Фгуп "Цнии Км "Прометей") Способ получения металлического покрытия на режущих кромках почвообрабатывающей техники
CN104416293A (zh) * 2013-08-23 2015-03-18 中冶东方工程技术有限公司秦皇岛研究设计院 一种堆焊复合制造铸轧辊方法
RU2550069C1 (ru) * 2013-11-05 2015-05-10 Публичное акционерное общество "Северсталь" (ПАО "Северсталь") Способ восстановления чугунных прокатных валков (варианты)
BR112016028857B1 (pt) * 2014-06-09 2021-08-24 Hybrid Manufacturing Technologies Limited Máquina-ferramenta, métodos para criar e inspecionar um artigo, e, cabeçote de processamento
KR101565728B1 (ko) * 2015-03-27 2015-11-03 박기홍 초경합금 성형체 파쇄 입자를 모재에 용융시켜 초경층을 형성시키는 방법
CN105057846B (zh) * 2015-07-09 2018-03-02 苏州优霹耐磨复合材料有限公司 磨辊堆焊工艺

Also Published As

Publication number Publication date
RU2018126215A3 (cs) 2020-04-10
RU2018126215A (ru) 2020-01-20
WO2017103849A1 (en) 2017-06-22
EP3389907A1 (en) 2018-10-24
RU2723496C2 (ru) 2020-06-11
EP3389907A4 (en) 2019-11-20
CZ306654B6 (cs) 2017-04-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CZ2015920A3 (cs) Způsob vytváření kovových dílců pomocí depozice materiálu a zařízení k provádění tohoto způsobu
JP6779004B2 (ja) 付加製造用の工作機械システム及び方法
US20170057011A1 (en) A Processing Head for a Hybrid Additive/Subtractive Manufacturing Center
JP6887450B2 (ja) 付加製造工程における温度制御のためのシステム及び方法
CN206415882U (zh) 一种大幅面零部件的增减材复合制造设备
JP7093797B2 (ja) 付加製造時の凝固速度制御のためのシステム及び方法
KR102310151B1 (ko) 빌드―업 용접을 위한 공작 기계
KR102490377B1 (ko) 다중 축 공작 기계, 이를 제어하는 방법들 및 관련 배치들
CN106624350B (zh) 高精度柔性激光加工系统
JP6472543B2 (ja) 複合型コンピュータ数値制御加工機、及びその加工方法
Bernauer et al. Laser metal deposition with coaxial wire feeding for the automated and reliable build-up of solid metal parts
JP6810823B1 (ja) ワークの付加加工方法および加工機械
DeWitte et al. Initial process planning of a hybrid multi-tasking platform
Nowotny et al. Integrated laser cell for combined laser cladding and milling
CA2418697A1 (en) Welding or joining unit
Horváth et al. Robotized multi-pass Tungsten Inner Gas welding of Francis hydro power turbines
CN112770864B (zh) 用于增材制造的方法和制造设备
Pangsrivinij et al. Calculation of energy balance and efficiency in Laser Hot-Wire (LHW) cladding process
JP7482227B2 (ja) ワークの加工方法および加工機械
JP6971357B1 (ja) 金属製品の再加工方法
Smith et al. Towards post-processing as a key process variable in the AM design chain
TWI610750B (zh) 複合加工之加工機及其雷射分光裝置
Canaday Robotic P-GMA DED AM of Aluminum for Large Structures
Thukaram Robot based 3D welding for jet engine blade repair and rapid prototyping of small components
Modungwa et al. Mobility and kinematics analysis of a novel 5-DOF hybrid manipulator for reconditioning of mould and die tools: Part 1