Jak integrovat technologii MIM pro sériovou výrobu složitých malých dílů vedle aditivní výroby.

Pokud jste v poslední době strávili nějaký čas na výrobních plošinách, pravděpodobně jste si všimli, že hranice mezi výrobou prototypů a plnohodnotnou sériovou výrobou se každý den rozmazává stále více. Přídavná výroba (additive manufacturing) dříve sloužila jako atraktivní řešení pro výrobu jednotlivých prototypů nebo extrémně složitých geometrií, které žádný CNC stroj nebyl schopen zpracovat. Avšak jakmile se diskuse přesune od výroby deseti součástí k výrobě deseti tisíc součástí, rychle se změní i matematický výpočet nákladů. Právě v tomto bodě se mnoho inženýrů ocitne před zdí. Milují svobodu návrhu, kterou umožňuje 3D tisk kovů, jako je titan nebo nerezová ocel, ale potřebují náklady na jednu součást a dobu cyklu, které nabízí tradiční nástrojová výroba. Tajemství, na které se nyní spoléhají mnohé průmyslové odvětví s vysokými požadavky, neleží v tom, že by se muselo vybrat jedno řešení na úkor druhého. Spíše jde o chytrý hybridní pracovní postup, který do stejné diskuse zahrnuje technologii MIM (metal injection molding – lití kovových prášků) i přídavnou výrobu.

U malých, složitých součástí, jako jsou například rámečky hodinek, čelisti chirurgických nástrojů nebo dokonce ty malé západkové páčky skládacího nože, je geometrie často příliš složitá pro levné obrábění a zároveň je objem výroby příliš vysoký na to, aby bylo ekonomicky výhodné použít laserové tavení vrstev prášku. Právě toto je ideální oblast, kde integrace metalurgie prášků (MIM) spolu s aditivní výrobou (AM) přestává být jen teorií a stává se skutečnou konkurenční výhodou. Umožňuje vám využít 3D tisk pro náročnou fázi návrhové iterace a ověřování, a poté přepnout na MIM pro náročnou fázi samotné sériové výroby. Na papíře to zní jednoduše, ale hladké provedení vyžaduje důkladné pochopení potenciálních problémových míst v každém z těchto procesů.

Základní rozdíl ve smrštění a měřítku

Začněme rovnou jednou věcí: metalurgické vstřikování kovů je proces řízeného smrštění. Smícháváte velmi jemný kovový prášek s pojivovým systémem, vstřikujete jej do formy, která je vzhledem ke konečné součásti zvětšená, a poté trávíte mnoho času i tepla na odstranění tohoto pojiva před tím, než kov spálíte (sinterujete) na plnou hustotu. Součást, která vyjde ze sinterovací pece, je výrazně menší než ta, která do ní vstoupila. Ve skutečnosti se obvykle smrští lineárně asi o patnáct až dvacet procent. Pokud jste inženýr zvyklý na téměř přesnou výrobu podle návrhu (near net shape) s přesností dosahovanou u strojů pro aditivní výrobu typu laserová fúze práškové vrstvy, takové míry smrštění se mohou jevit jako jakési „vodníkovo kouzlo“. Aditivní výroba naopak poskytuje součást, která je téměř identická s modelem v CAD souboru hned po vyjmutí z stavební desky – možná s malou deformací způsobenou zbytkovým napětím, ale rozhodně ne s tak obrovskou objemovou změnou.

Zde se integrace stává složitou. Nemůžete prostě vzít návrhový soubor optimalizovaný pro aditivní výrobu a poslat ho přímo do oddělení pro vstřikování kovových prášků (MIM). Ten nádherně lehký upevňovací prvek s topologickou optimalizací a všemi těmi organickými, plynulými křivkami? Může se ukázat jako noční můra při vyjímání z formy. Zářezy, které jsou při 3D tisku bezproblémové – stačí totiž jednoduše odstranit podpěry – se ve formovací nástrojové sadě mohou změnit na drahé boční úkony nebo posuvné části formy. Pokud navrhujete pro tento dvojí přístup, musíte mít jedno oko na svobodě, kterou nabízí laser, a druhé oko na dělící rovině formy. Nejúspěšnější integrace považují součást vyrobenou aditivní metodou za funkční prototyp, který potvrzuje koncept, a poté si tým sedne a upraví tuto geometrii specificky tak, aby byla vhodná pro formování, aniž by byly obětovány kritické funkční povrchy. Vlastně překládáte soubor z jazyka aditivní výroby do jazyka vstřikování.

Proč začínat aditivní výrobou, pokud je konečným cílem vstřikování kovových prášků (MIM)?

Může se to zdát jako zbytečný krok. Proč prostě nepřipravit nástroj pro výrobu dílů metodou MIM a nepokračovat dále? Odpověď se téměř vždy svádí na rychlost vývoje a na náklady spojené s chybou. Nástroj pro výrobu dílů metodou MIM je přesná ocelová součást, jejíž cena se snadno pohybuje v řádu desítek tisíc dolarů a její výroba i vzorkování trvá osm až dvanáct týdnů. Pokud tento nástroj nasadíte do lisu a poté zjistíte, že funkce západky je trochu příliš křehká nebo že tloušťka stěny způsobuje stlačeninu na opačné straně vyztužujícího žebra, čeká vás velmi nákladný a zároveň velmi pomalý proces úpravy. Takový časový harmonogram prostě není přijatelný při vývoji lékařských zařízení ani spotřební elektroniky.

Pokud ve vývojovém cyklu předem využijete aditivní výrobu, zejména s materiály, které napodobují suroviny pro proces MIM, můžete provádět iterace velmi intenzivně. Během jednoho týdne můžete například vytisknout deset různých variant geometrie kloubového spoje pomocí stejného složení kovového prášku, které bude nakonec použito i v procesu MIM. Můžete otestovat hmatový dojem, odpojovací krouticí moment a únavovou životnost, aniž byste se vůbec dotkli základny formy. Až je návrh definitivně uzavřen a ověřovací zkoušky schváleny, teprve tehdy spustíte výrobu nástrojů. Tento přístup je zvláště důležitý u materiálů, které jsou populární v obou oblastech, jako je například nerezová ocel 17-4PH nebo nízkolegované oceli. Nezaložíte své rozhodnutí jen na doměnce, že součást bude v kovu fungovat – její funkčnost prokazujete fyzickou kovovou součástí již dlouho před tím, než je výrobní linka připravena.

Toto je typ pracovního postupu, s nímž se pravidelně setkávají společnosti zaměřené na složité malé díly, jako je například Kyhe Tech. Tyto společnosti si uvědomují, že požadavky na povrchovou úpravu a tolerance se mezi těmito dvěma procesy liší. Součástka, která vypadá a cítí se dokonale po vytištění na 3D tiskárně, může vyžadovat jemnou úpravu úhlu náklonu (draft angle), aby se z formy efektivně uvolnila. Integrace těchto procesů znamená, že navrhujete součástku dvakrát – jednou pro prototyp a podruhé pro miliony kusů.

Rychlé srovnání aditivní výroby a metalurgického vstřikování kovů v průmyslové výrobě

Pokud se snažíte rozhodnout, zda má být součástka ponechána v aditivní výrobě nebo převedena na metalurgické vstřikování kovů (MIM), pomůže porovnat číselné údaje vedle sebe. Následující tabulka shrnuje praktické rozdíly mezi těmito dvěma přístupy pro typickou výrobní sérii malých kovových komponent. Mějte na paměti, že se jedná o obecné směrnice a přesné hodnoty se mohou lišit v závislosti na složitosti geometrie a konkrétní slitině.

Při pohledu na to se strategické překrytí stává zřejmé. Aditivní výroba vyhrává závod o rychlost uvedení na trh a složité vnitřní prvky. Metalurgie prášků (MIM) vyhrává závod o náklady na jednotku, jakmile se objem výroby zvýší a návrh je uzavřen. Nejchytřejší výrobní strategie považují tyto dva sloupce ne za konkurenty, nýbrž za různé převodové stupně ve stejném převodovkovi. Přepínáte mezi nimi podle toho, ve které fázi životního cyklu produktu se nacházíte.

Nastavení tolerancí pro sériovou výrobu metodou MIM

Tolerance je slovo, které děsí začínající konstruktéry, kteří se poprvé setkávají s technologií vstřikování kovových prášků (MIM). V aditivní výrobě lze obvykle dosáhnout tolerance plus minus několik tisícin palce na dobře kalibrovaném stroji, avšak součást je vyráběna vrstva po vrstvě – což vyžaduje čas i finanční prostředky. U MIM lze po dokončení nástroje a správném nastavení profilu pece pro sinterování udržet extrémně přesné tolerance, často plus minus polovinu procenta rozměru, a to po stovky tisíc výrobních cyklů za pouhých několik centů na součástku. Dosáhnout takové úrovně přesnosti však vyžaduje hluboké pochopení toho, jak se součást deformuje během odstraňování pojiva a sinterování.

Pokud převádíte návrh vytvořený metodou aditivní výroby (AM) do oblasti metalurgie prášků (MIM), je naprosto nezbytné provést simulaci sintrování. Tyto softwarové nástroje vycházejí z geometrie „zeleného“ dílu a předpovídají, kde se bude díl během tepelného cyklu prohýbat nebo deformovat. U složitých geometrií je tato simulace nepodmíněnou nutností. Může se například jednat o malou lékařskou sponu, která v CAD souboru vypadá dokonale, avšak po zmenšení o patnáct procent způsobí nerovnoměrné rozložení hmoty zkroucení nožiček směrem dovnitř nebo ven. Řešením je často použití tzv. nastavovacích pomůcek (setters), což jsou speciální keramické upínací prvky, které udržují díl v určité poloze během sintrování. Tyto pomůcky však představují náklady a zabírají místo v peci. Lepším přístupem je využít poznatků z testování prototypů vyrobených metodou AM k identifikaci míst, kde lze přidat nebo odebrat velmi malý zaoblení (fillet) či výztužnou lištu (rib), aby díl zůstal při smrštění stabilní bez potřeby vnější podpory. Jde o jemnou rovnováhu hmotnosti – problém, který se u dílů vyrobených metodou AM umístěných na tuhém stolci pro tvorbu vrstev téměř nikdy nevyskytuje.

Faktor následné úpravy, o kterém nikdo nemluví

Existuje velké nedorozumění, že jakmile je součást vyráběná metodou MIM vyjmuta ze sinterovací pece, je připravena k odeslání. Nic nemůže být dál od pravdy, zejména pokud jde o součásti, které jsou určeny k propojení s jinými přesnými mechanismy. Součásti vyráběné metodou MIM mají stopy po vstupních hrdlech, mají převislé části po rozdělovací rovině a jejich povrchová úprava – i když je lepší než u litých kovových součástí – může stále vyžadovat další dokončení. Právě zde se myšlení spojené s aditivní výrobou začíná velmi pozitivním způsobem přenášet do oblasti výroby metodou MIM.

V aditivní výrobě jsme se již velmi zvykli na myšlenku, že díl není dokončen, jakmile se laser vypne. Existuje fronta po zpracování, která zahrnuje tepelné zpracování, odstraňování podpor a úpravu povrchu, například stříkáním kuliček nebo broušením v bubnu. V technologii MIM je vyžadována stejná úroveň péče, avšak v mnohem vyšším objemu. Neprovádíte broušení v bubnu deseti dílů, ale broušení v bubnu deseti tisíc dílů. Poskytovatelé, kteří se vyznačují v integraci těchto technologií, jako například KYHE TECH , investovali jsme značné prostředky do automatických linek pro dokončovací úpravy, které dokážou zvládnout takový výkon, aniž by byly ohroženy jemné prvky malé složité součásti. Pokud navrhnete prvek, který je příliš křehký na to, aby přežil proces dokončování ve vysokoenergetickém odstředivém bubnu, vlastně jste navrhli součást, kterou nelze ekonomicky sériově vyrábět. Integrace aditivní výroby (AM) a metalurgického lisování prášků (MIM) vyžaduje pochopení celé cesty součásti až po konečnou kontrolní misku – ať už se jedná o kontrolu na souřadnicovém měřicím stroji (CMM) pro jeden prototyp nebo o optický třídicí systém pro nepřetržitý proud vyráběných kusů.

Návrh pro oba světy, aniž byste při tom ztratili rozum

Jak tedy vlastně sednete a navrhnete součást, kterou lze rychle vyrobit pomocí aditivní výroby a následně bezproblémově převést na výrobu metodou MIM? Klíčem je již v počáteční fázi procesu CAD zavést do návrhu soubor pravidel. Je třeba se vyhnout hlubokým a úzkým otvorům, které je obtížné čistit v nástrojích pro výrobu metodou MIM. Měli byste udržovat poměrně rovnoměrnou tloušťku stěn, aby nedošlo k deformaci (prohnutí) během smrštění při sinterování. Právě tyto aspekty aditivní výroba snáší mnohem lépe než metoda MIM.

Ale existuje také přínos v oblasti crossoveru. Návrhové principy pro aditivní výrobu, které zdůrazňují vyhýbání se ostrým rohům a velkým koncentracím hmoty, se ve skutečnosti skvěle shodují s dobrými praxemi návrhu pro technologii MIM. Součást, která byla topologicky optimalizována za účelem odstranění nadbytečné hmoty, se pravděpodobně také bude spékát rovnoměrněji, protože jste již odstranili tlusté a těžké části způsobující tepelné zpoždění. Pokud navrhnete součást s organickou mřížkou nebo chytrou dutou strukturou za účelem snížení hmotnosti, pak stejná součást převedená do nástroje pro technologii MIM spotřebuje méně materiálu, bude levnější z hlediska nákladů na prášek a bude se smršťovat předvídatelněji. Jedná se o skvělý zpětnovazební cyklus. Využijte aditivní výrobu k nalezení dokonalého tvaru. Tento tvar poté použijte k výrobě součásti technologií MIM, která bude lehčí a cenově výhodnější než jakákoli součást, kterou vaši konkurenti vyrábějí tradičním obráběním. Nejde o to, aby aditivní výroba nahradila technologii MIM nebo naopak. Jde o to, využít nejvhodnější nástroj pro danou fázi životního cyklu výrobku a zajistit, aby vaše návrhy byly „plynule“ ovládány v obou těchto technologiích.

Kde tento hybridní přístup září nejvíce

Pokud se podíváte na produkty, které z tohoto dvojího přístupu těží nejvíce, jsou téměř vždy malé, složité a vysoce hodnotné. Zamyslete se například nad mikroozubenými koly uvnitř chirurgického střihače. První několik tisíc kusů může být vyrobeno na laserovém stroji s práškovým ložem, zatímco chirurgický tým ověřuje ergonomii a pořadí spouštění. Během této doby se vyrábí nástroj pro metalurgické vstřikování (MIM). Jakmile je návrh uzavřen, výrobní linka přepne a začne měsíčně vyrábět desítky tisíc těchto kol za zlomek nákladů na aditivní výrobu (AM). Pacient ani chirurg si rozdílu nikdy nevšimnou, ale ziskovost firmy rozhodně ano.

Tato strategie také sehrává zásadní roli pro udržitelnost, která se v moderním průmyslu stává nepostradatelnou. Využití suroviny pro metalurgické lisování prášků (MIM) je ve srovnání se subtraktivním obráběním mimořádně vysoké, často přesahuje devadesát pět procent. Pokud k tomu připočtete skutečnost, že aditivní výroba používá pouze tolik prášku, kolik je potřeba pro danou geometrii, vznikne výrobní ekosystém, který generuje velmi málo odpadu. Je to zodpovědní způsob výroby a právě tímto směrem se průmysl ubírá. Schopnost využívat jak digitální flexibilitu 3D tisku, tak ekonomickou efektivitu metalurgického lisování prášků (MIM), je to, co odlišuje inovátory od ostatních. Znamená to, že nikdy nebudete uváznutí. Vždy najdete správný nástroj pro požadovaný objem výroby.