Spojeným úSilím jde vyrobit i "nemožné"

V poslední době se mohou čeští výrobci obráběcích strojů pochlubit hned několika pozoruhodnými novinkami. Jednou z nich je i unikátní technologie hybridní aditivní výroby v podobě navařování elektrickým obloukem. Podrobnější informace nám o ní poskytli zástupci hlavních řešitelů projektu: Ing. Petr Heinrich, technický ředitel firmy KOVOSVIT MAS, a Ing. Jan Smolík, Ph. D., z výzkumného strojírenského centra RCMT při Fakultě strojní ČVUT v Praze.

- Kdy se vlastně začala psát historie tohoto unikátního zařízení?

Jan Smolík: Na pracovišti RCMT (Výzkumné centrum pro strojírenskou výrobní techniku a technologii) fakulty strojní ČVUT v Praze jsme v roce 2012 z podnětu kolegy Ivana Diviše po několika letech opravili a začali používat starší 3D tiskárnu Stratasys na plast. Udělali jsme několik pokusů s výrobou hliníkových a ocelových odlitků na základě plastových 3D tisků. Vysoké školy a výzkumné instituce mimo Prahu v tomto období budovaly velké množství zcela nových laboratoří, vznikly nové budovy plné moderního vybavení (dnes se moderně říká infrastruktury pro VaV) z dotačních projektů OP VAVPI. Viděli jsme, jak si "všichni kolem" kupují velmi drahé 3D tiskárny na kov a jiné špičkové vybavení. Téměř vždy v provedení s práškovým ložem, kde spéká prášek laserový paprsek. V té době šlo o stroje především pro menší díly, které byly dostupné, a nyní je jich, dá se říct bez nadsázky, plná republika. Měli jsme velký zájem se s 3D tiskem kovů pro průmyslové užití také seznámit a poznat technologie, ale museli jsme to zvládnout bez jediné investiční koruny. Současně jsme to chtěli zkusit jinak než druzí. Rozhodli jsme se nízkonákladově zkusit řešit 3D tisk kovu jako proces navařování drátu pomocí laseru. S kolegou Divišem jsme vypsali a vedli diplomovou práci na toto téma a skutečně se podařilo v roce 2013 vytvořit jednoduchou a chvíli funkční podávací hlavu drátu a zprovoznit velmi improvizovaně první navařování tímto způsobem na vice jak 10 let starém laserovém stroji LUMONICS JK701H v laboratořích ČVUT. Nedá se říci, že by šlo o něco převratného, ale když jsme po řadě experimentů viděli, že to jde a že vznikají homogenní ocelové kontury a dílce, dodalo nám to optimismu. Současně jsme ale viděli, že pro reálnou výrobu je náš postup velmi pomalý a neproduktivní, protože disponujeme velmi malým výkonem. Stroj využíval pulzní až kvazi-kontinuální Nd:YAG laser o maximálním výkonu 550 W, což umožňovalo i při pomalém posuvu drátu 0,6 m (min) zvládnout homogenní provaření materiálu, ale s produktivitou maximálně 35 g/hod a cenou přibližně 92 Kč/g. Neměli jsme tehdy žádnou možnost, jak pořídit výkonnější laser, a tak nás chuť pokračovat ve vlastním výzkumu 3D tisku kovů a současně nedostatek prostředků přivedly k pozornosti směřované na klasické svařování MIG/MAG. Inspirovaly nás i výsledky výzkumů na Cranfield Univerzity, kde se ve Welding Engineering and Laser Processing Centre věnují špičkovému výzkumu navařování pomocí CO2 svařovacích technologií a patří patrně k nejlepším na světě. Dále nás posiloval fakt, že technologie CO2 svařování je zdokonalována již desítky let a je možné využívat špičkové agregáty s velmi rozsáhlými možnostmi řízení. Prakticky od zahájení pokusů s navařováním pomocí elektrického oblouku až do současnosti používáme ty nejsofistikovanější agregáty na světě, které umožňují externí řízení procesních parametrů pomocí vysokorychlostní sběrnice. Koncem jara 2014 jsme oslovili společnost Kovosvit MAS a představili majitelům a vedení firmy dosavadní výsledky s laserem, popsali potenciál využití CO2 svařovacího agregátu a jeho integrace do obráběcího stroje. A předložili návrh koncepce prvních hybridních strojů. Byla uzavřena dohoda a zahájen projekt stručně nazvaný HM, který běží dosud. Společnost Kovosvit MAS logicky požadovala naprosté utajení vývoje a výzkumu za nejpřísnějších podmínek. Z důvodu utajení také nebylo možné získat jakoukoli dotační podporu, ale bylo nutno řešit téma čistě z komerčních zdrojů Kovosvit MAS. Cílem bylo vytvořit technologii, stroj a software pro zpracování běžných strojírenských materiálů s cenou vytvořených dílců z oceli okolo 3000 Kč/g, tedy několikanásobně levněji než na hybridních strojích s laserovým navařováním nebo na strojích sintrujících materiál v práškovém loži. Výhodou RCMT byla dobrá znalost obráběcích strojů a už provedené vlastní pokusy umožňující představit myšlenku, která vede na jasné tržní zacílení - běžné materiály s nízkými náklady za kg.

- Zařízení pro aditivní výrobu je revoluční novinkou nejen v portfoliu Kovosvit MAS, ale i u českých strojírenských výrobců vůbec - je vstupem do zcela nového segmentu aditivní výroby. Čím jste si získali důvěru sezimovského výrobce, že jste ten pravý partner pro tento úkol a že jej úspěšně zvládnete?

Jan Smolík: Vyvíjet zcela novou technologii je z vnějšího pohledu možná revoluční počin, ale když už padne rozhodnutí a je před vámi plán, rozpočet a termíny, tak nad mírou novosti úplně nepřemýšlíte a soustředíte se na to, abyste dosáhli splnění cíle. Ze strany majitelů a vrcholných manažerů Kovosvit MAS muselo dojít na začátku spolupráce ke klíčovému rozhodnutí, jestli téma začít řešit a investovat peníze a prostředky a také následně k několika rozhodnutím, jestli pokračovat v řešení, nevzdávat to a "minimalizovat ztráty". Není to nikdy jasné a vůbec jednoduché rozhodování, protože vývoj nové technologie je cesta do neznáma, kde se objevují stále nečekané překážky, a není kde opisovat. Zařadit se se svým produktem do zavedené kategorie strojů je vždy akce s mnohem menším rizikem ztracených investic ve vývoji, protože někdo na začátku prošlapával cestičku, hledal trh, vhodné aplikace, odpovědi na spousty otázek, dělal chyby, měl velké náklady na celý komplex technických, marketingových a obchodních vývojových a výzkumných aktivit. Základem nového stroje je nově vyvinutá unikátní technologie, která kombinuje různé operace.

- Jak probíhal tento vývoj, který je v podstatě ukázkovým příkladem efektivní spolupráce akademické a průmyslové sféry? A jak se podařilo dokázat tuto vývojářsky náročnou a informačně citlivou záležitost utajit před konkurencí až do oficiální prezentace "v zemi, kde se nic neutají"?

Jan Smolík: Výzkum samotné technologie byl základem, teprve následně vznikaly požadavky na stroj. Abychom se někam posunuli a zjistili, co funguje a co nikoli, tak jsme museli hodně experimentovat a to ostatně musíme stále. Stačilo, abychom si řekli, že nyní pomocí MIG/MAG svařovacího systému navaříme ocelové žebro nebo uzavřenou konturu nebo kvádr plného materiálu. Pokud jsme sledovali homogenitu materiálu, kvalitu geometrie a produktivitu růstu, pak jsme vždy začali narážet na nějaká omezení nebo neznalost. Pro účely pokusů jsme přestavěli v roce 2014 starší CNC obráběcí stroj Bridgeport VMC500 v naší laboratoři, následně jsme museli postavit další zkušební stand, protože stroj nestačil a stále jsme obě zařízení upravovali hardwarově i softwarově podle našich hypotéz a nápadů. Od poloviny roku 2014 se do plánování experimentů zapojil Kovosvit MAS a postupně jsme objevovali význam chlazení a čištění povrchů, význam jednotlivých parametrů řízení oblouku ve vazbě na pohyb hořáku. Významný byl vývoj nových nutných funkcí PLC a řešení rychlé komunikace se svařovacími agregáty na různé úrovni. Šíře a hloubka projektu se dramaticky rozšiřovala, neboť byl řešen paralelně vývoj zkušebních zařízení v laboratoři, vývoj nových technologických postupů navařování, vývoj softwarových nástrojů pro přípravu experimentů a následně v 2015 pak už vývoj prototypu produkčního stroje, dnes už známého jako WeldPrint 5AX, a softwarové CAM nadstavby HM do systému NX. Do poloviny roku 2016 se ve společném týmu výzkumníků a vývojářů ČVUT a Kovosvit MAS hledala nová řešení úplně na všech frontách a bylo to velmi tvůrčí období projektu.

Petr Heinrich: Utajení vývoje se podařilo zejména proto, že jednotliví členové týmů na obou stranách udržovali mlčenlivost, a také proto, že projekt byl na straně Kovosvit MAS, i na straně ČVUT řešen mimo oficiální projektové struktury, nebyl na žádném seznamu, nikde se nevykazoval a nebylo povoleno sdělovat ani to, že existuje smlouva o řešení projektu mezi oběma organizacemi. Směl se nazývat pouze zkratkou "HM". Utajení ale také pomohl fakt, že nikdo nečekal, že by se vývojem primární technologie někdo v ČR zabýval. Když občas někdo zachytil nějakou informaci, brzy jí opustil s tím, že to je velmi nepravděpodobné. Utajení bylo motivováno především proto, aby neunikaly na veřejnost polovičaté informace, které by mohly během vývoje vést až ke zpochybňování typu "to nemůže nikdy fungovat". V průběhu projektu jsme řešili řadu předsudků v oboru obráběcích strojů. Například: "Nelze přeci navařovat v pracovním prostoru stroje pomocí elektrického oblouku", "Zničí se vše, včetně řídicího systému, ložisek, kuličkových šroubů atd.", "Proces navařování elektrickým obloukem vnáší příliš tepla do materiálu ve srovnání s laserovým navařováním", a řada dalších. Pokud se mělo pracovat na novém a technicky rizikovém projektu, pak bylo třeba se na něj plně soustředit v klidu, a ne být pod náporem pochybností. Bylo nutné si udržet zaměření na cíl, jímž bylo představení funkčního prototypu dle dohodnutého časového harmonogramu.

- V čem vidíte hlavní přínos nové technologie a její silné stránky, a kde by měla najít uplatnění? Je patentována, tzn., že jste spolu s Kovosvitem jejími vlastníky - znamená to, že bude vázána jen na stroje jihočeského výrobce nebo se uvažuje i o jejím licencování dalším subjektům, např. i do zahraničí, pokud by o ni byl zájem?

Petr Heinrich: Technologii Kovosvit MAS a ČVUT je třeba chápat jako jednu z možných technologií, která má své výhody, ale i omezení. Stejně jako soustružení nenahradí frézování nebo broušení, tak ani HM technologie Kovosvit MAS nenahradí jiné odvětví aditivní a hybridní výroby. Vedle technologie laserového navařování materiálu v práškovém loži (mnoho strojů řady SLS, SLM atp.) a navařování prášku nebo drátu pomocí laseru, tedy navařování typu laser cladding, tak můžeme postavit technologii navařování z drátu pomocí elektrického oblouku v ochranné atmosféře. Ani takové navařování samo o sobě není unikátní. Ale pro vytváření dílců, které nemají vnitřní vady, nepraskají a jsou ve vhodné vnitřní struktuře navařeného materiálu, je třeba užít vhodné kombinace navařování, chlazení, čištění, sušení, kontroly teploty a obrábění. A právě takový postup výroby dílců, který máme patentovaný, je tím nejnáročnějším a nejsložitějším procesem, jenž lze na našich strojích provádět a vede k nejlepším výsledkům. Pokud ale upřednostníte např. vysoký výkon a některé operace vynecháte, pak už se nejedná plně o patentovanou proceduru a na stroji je přirozeně možné např. jen běžně frézovat nebo provádět jen běžné svařování. Nabízený stroj je velmi univerzální a umožňuje provádět patentovanou technologii, ale také cokoli méně náročného, třeba jen navařování bez chlazení, čištění a kontrol s tím, že cílem je vysoká produktivita s tolerancí některých chyb a nedostatků ve struktuře materiálu.
Rychlost vytváření nových dílců je ovlivňována především požadavky na jakost materiálu (minimalizaci vnitřních vad), přesnost dílce, povolené teplotní ovlivnění materiálu a vnitřní pnutí a také zvolenou strategii vytváření dílce. Reálné hodnoty rychlosti růstu dílců z různých druhů ocelí se pohybují v rozmezí 0,2-1,0 kg/hod. Celková konečná cena vytvořeného dílce (nebo návaru při opravách) pak představuje 2500-3500 Kč/kg a obsahuje kompletní náklady na stroj s odpisy na tři roky a 50% využití strojního času (OEE), náklady na údržbu, náklady na všechny procesní materiály a náklady na obsluhu stroje. Pokud bychom chtěli realizovat navařování na hranici maximálních výkonů svařovacích agregátů, které užíváme, pak můžeme navařovat až 2 kg/hod.

- Je aditivní výroba trendem, který se může stát v budoucnosti strojírenského průmyslu opravdu klíčovým, nebo je to spíš "módní záležitost", která je sice právě teď hodně akcentovaná, ale z dlouhodobého hlediska nebude mít tak zásadní význam, jak by se teď mohlo z mediální prezentace zdát?

Jan Smolík: Aditivní výroba se určitě zařadí mezi standardní proces strojírenské výroby. Tváření materiál mění, obrábění materiál ubírá a aditivní Vzhledem k cenové výhodnosti technologie je možné najít smysluplné uplatnění technologie a stroje v oblasti zpracování standardních konstrukčních materiálů pro běžné strojírenství (stavba strojů, výroba nástrojů, energetická zařízení, vojenské aplikace, dopravní technika, prototypová výroba, opravárenství). Technologie umožňuje zpracovávat špičkové materiály, které jsou dostupné ve formě svařovacích drátů, ale vývoj a nabídka Kovosvitu MAS se nyní orientuje především na zpracování konstrukčních ocelí, nerezových, jemnozrnných a otěruvzdorných ocelí. Uživatelem technologie nemusí být špičkové vývojové středisko velké firmy, ale může jí rentabilně využít i běžná malá či středně velká strojírenská firma. Současný pohled výrobců v segmentu obrábění je takový, že považují polotovar čistě staticky za pouhý kus materiálu. Nová hybridní technologie tento tradiční pohled může změnit. Umožňuje pohlížet na polotovar jako na dynamický, měnicí se objekt a během doby, kdy je polotovar upnutý ve stroji, je možné ho v různých operacích jak obrábět, tak i materiál přidávat. Zkušená obsluha stroje i technolog si ale brzy zvyknou na to, že si mohou zařadit do procesu i účelovou operaci přidání materiálu, což jim pomůže práci zjednodušit. Stroje WeldPrint nejsou primárně zaměřeny na 3D tisk, tedy výrobu celých dílců od nuly - i když toho jsou také schopné - ale jejich síla je hlavně v dílčím a účelovém využívání schopnosti svařovat a navařovat. procesy materiál přidávají. Je třeba si uvědomit, že slévárenství a svařování konstrukcí je vlastně běžná aditivní výroba. Strojírenství a průmyslová výroba je pragmatická a módní trendy tu nemají dlouhého trvání. Lze s jistotou předpokládat, že aditivní procesy výroby si najdou svoje ekonomicky a technicky výhodné uplatnění. Již nyní je jasné z aktivit řady výrobců leteckých motorů nebo spalovacích turbín, že aditivně vyrobené díly se stanou běžnou součástí těchto konstrukcí. Nenahradí všechny díly, ale některé díly a složité sestavy ano. Na právě proběhnuvší výstavě EMO Hannover 2017 bylo patrné, že do vývoje hybridních a aditivních technologií investují velcí světoví výrobci obrovské prostředky. Zkouší otevřít nový trh a uplatnění svých strojů, a toto riziko jim za vývoj zřejmě stojí. Na spadnutí je také řada premiér softwarových CAD/ /CAM systémů pro podporu konstrukce aditivních dílců a pro podporu přípravy technologie jejich výroby. Společnost DMG MORI spolupracuje se Siemens PLM, Mazak spolupracuje s Autodeskem, atd. Jakýkoli výrobní stroj pro 3D tisk nebo pro hybridní výrobu je relativně snadné zkopírovat a vyrobit jiným výrobcem strojů. Jediné, v čem je možné chránit a rozvíjet svoji excelenci a své know-how, je software řízení stroje a operací a software pro technologickou přípravu výroby a NC kódu. Na úrovni CAM softwarů nebo vnitřních softwarů strojů jsou pečlivě skryté databáze procesních parametrů, kde jde o každý detail. Jen pro představu je možné uvést, že samotný proces navařování od zážehu oblouku až do jeho přerušení lze nastavovat a řídit více jak 200 parametry a těch skutečně kritických, které je nutné najít a vhodně nastavit, je kolem dvou desítek pro každý druh materiálu a operace.

Petr Heinrich: Hybridní technologie Kovosvit MAS, resp. nabídka stroje WeldPrint, je orientována na zpracování běžných ocelí, na využití stroje pro dílčí navařování a svařování při celkově nízké ceně. Ze zákaznického pohledu je zatím vnímána velice dobře v odvětví opravárenského průmyslu k renovacím dílců, kde umožní spojit do jednoho procesu několik dílčích technologických procesů. Výhodou plně programového řízení a průběžné kontroly procesních parametrů je možnost vyloučit lidský faktor při operacích navařování i svařování a tím zajistit stabilitu v kvalitě dílců. Další aplikací, která vzbudila zájem, je tvorba vnitřních chladicích kanálů. Od představení stroje na zákaznických dnech na jaře 2017 proběhlo několik testů navařování dílců podle poptávek zákazníků. Vždy je třeba ověřit, že to jde a jak rychle a s jakou kvalitou. S pokrokem v oblasti softwarových nástrojů očekáváme výhodnost této technologie u dílců tvarově složitých, kde se odebírá velké množství materiálu. Zde můžeme pro příklad uvést např. lodní šrouby, Francisovu turbínu, apod. Další oblastí by mohly být různé typy přípravků, dnes postavené na desce, ke které se kolíkují různé tvarové plochy a upínky. Zde by hybridní technologie měla přinést úsporu v nahrazení nákladů na montáž těchto dílců k sobě a také v kratší průběžné době výroby.
Jan Smolík: Máme za to, že si aditivní výroba kovových dílců pro průmysl najde své uplatnění a smysluplné užití. Tvářecí a obráběcí stroje ale v žádném případě nebudou nahrazeny, jen se třeba přesune časem 5-10 % celkové produkce obráběcích a tvářecích strojů do produkce strojů aditivních a hybridních. Je třeba mít na paměti, že každý aditivní proces z kovů je realizován při tavení kovu a dílce trpí vnitřním pnutím a dále je patrné, že přímo aditivními, i když sebejemnějšími procesy zatím nelze dosáhnout špičkový povrch. Proto je třeba řešit tepelné zpracování a často následné opracování funkčních ploch. Aditivní technologie promění strojírenskou výrobu a konstruování, ale bude to proces postupný a racionální. K většímu rozmachu můžou přispět nové CAD a výpočtové systémy umožňující konstruktérům lépe navrhovat dílce vytvářené aditivně. Zatím by se dalo s trochou nadsázky říct, že si s možnostmi 3D tisku a hybridní výroby zatím nikdo neví pořádně rady a každý úspěšný precedens uplatnění v průmyslu je vzácný.

- Kam míří současný vývoj hybridní technologie a na čem Kovosvit MAS a RCMT teď právě pracují, resp. jakými směry a technologiemi se zabýváte?

Petr Heinrich: Hlavními úkoly je nyní pokračování ve vývoji vlastního CAM modulu pro stroj WeldPrint. Jde o softwarový modul vyvíjený pro prostředí Siemens NX, který obsahuje technologické znalosti a know-how. Vývoj takovéhoto technologického software probíhá současně s vývojem samotné technologie. Jde o proces neustálého testování, ověřování, měření, hypotéz a zase znovu ověřování. Na základě zkušeností z obou prototypů stroje WeldPrint plánujeme navrhnout stroje i pro naše multifunkční centra jak řady MCU, tak i MTC a tuto technologii opět více přiblížit našim potencionálním zákazníkům. Trvalým cílem musí být také postupná optimalizace stroje WeldPrint za účelem snížení nákladů na vytvoření 1 kg výrobku hybridní technologií. Kovosvit MAS nyní nabízí možnost kooperační výroby a vedení společnosti rozhodlo, že dokud nebude technologie, software i stroj v naprosto dokonalém stavu, nebude zahájen prodej a dodávky zákazníkům. Stroj je proto možné nyní získat pouze s odladěnou technologií na určitý typ produktu. Spolupráce Kovosvit MAS a RCMT se neomezuje zdaleka jen na HM technologii. Většina spolupráce je zaměřena na vývoj nových CNC obráběcích strojů a technologií. Zdokonalován je unikátní systém, tepelných kompenzací, který společně vyvíjíme již 5 let, dále jsou zdokonalovány technologické postprocesory pro 5osá a multifunkční centra, jsou vyvíjeny nové stroje z řady frézovacích, soustružnických i multifunkčních strojů.