Fraunhofer ILT propune o schimbare de paradigmă: de la înlocuire la regenerare inteligentă.
Fabricarea și întreținerea profesională a sculelor pentru turnare sub presiune este crucială pentru industria de turnare: fiind unul dintre cele mai scumpe active, acestea joacă un rol decisiv în determinarea calității, eficienței și rentabilității. Costând ușor sute de mii de euro, matrițele și inserțiile complexe trebuie să poată funcționa timp de mulți ani fără întrerupere. De asemenea, trebuie să reziste la solicitări extreme: în turnarea sub presiune, de exemplu, materialele matriței sunt expuse la temperaturi de până la 700°C, în timp ce forțele mecanice care acționează asupra sculelor sunt de câteva sute de kilonewtoni. La acestea se adaugă solicitările abrazive pe suprafața sculei și atacul chimic al elementelor de aliere din materialele de turnare. Solicitările termice și oboseala materialului duc la fisuri, eroziune și uzură abrazivă. Chiar și atunci când matrițele sunt proiectate optim și fabricate cu atenție, uzura lor este un factor inevitabil care, în cele din urmă, înseamnă că trebuie înlocuite. Dacă acest lucru se întâmplă în mod neașteptat, duce la costuri ulterioare semnificative.
Implicațiile economice sunt semnificative: fiecare defecțiune a sculei duce la întreruperi ale producției, timpi suplimentari de configurare și, uneori, se poate ajunge la producerea de plăcuțe noi sau chiar de scule întregi. În același timp, producătorii sunt supuși unei presiuni tot mai mari de a produce și opera matrițe atât în mod rentabil, cât și sustenabil.
Într-o industrie în care fiecare minut de producție contează, avem nevoie de procese care să poată extinde ciclurile de viață ale sculelor, să reducă timpii de nefuncționare și să optimizeze procesele de producție din perspectiva mediului. Dr. Thomas SCHOPPHOVEN, șeful departamentului de depunere laser a materialelor de la Institutul Fraunhofer entru Tehnologie Laser ILT din Aachen, Germania
Abordările tradiționale, care utilizează în mod obișnuit oțeluri de scule înalt aliate, își ating limitele fizice. Duritatea și rezistența mai mari la uzură înseamnă adesea procese complexe, timpi lungi de livrare și costuri ridicate ale materiilor prime. Pe lângă considerațiile privind durata de viață, cerințele privind flexibilitatea în fabricarea sculelor sunt, de asemenea, în creștere: modificările produselor necesită în mod regulat modificări ale plăcuțelor de matriță, sistemelor de deschidere și sistemelor de răcire, ceea ce reprezintă provocări suplimentare pentru producătorii de scule.
Prin urmare, căutarea de soluții trebuie să depășească strategiile existente. În mod convențional, uneltele sunt fabricate dintr-un singur material, ceea ce le limitează performanța și le face dificil de reparat. Tehnologiile inovatoare de fabricație, cum ar fi depunerea de materiale cu laser (LMD - Laser Material Deposition), permit utilizatorilor să repare sculele, să acopere selectiv zonele supuse unor solicitări deosebit de mari și să adapteze flexibil geometriile prin abordări hibride de fabricație aditivă. În acest fel, matrițele pot fi utilizate mai mult timp, adaptate mai rapid și operate într-un mod mai eficient din punct de vedere al resurselor. Într-un moment în care economia circulară câștigă o importanță tot mai mare în fabricarea de scule industriale, această tehnologie oferă un potențial enorm de viitor.
În timp ce pierderea volumetrică de material a oțelului 1.2379 necălit crește semnificativ, probele acoperite cu Ferro55, 1.3343 și 1030B prezintă o rezistență substanțial mai mare. 1.3343 este deosebit de interesant pentru utilizarea industrială, deoarece este mai puțin predispus la fisurare decât materialul 1030B și totuși prezintă performanțe excelente în testul de uzură prin frecare alunecare.. © Fraunhofer ILT, Aachen, Germany
Depunerea de materiale cu laser şi EHLA
Depunerea de materiale cu laser (LMD), adesea numită placare cu laser, este un proces de fabricație aditivă care a devenit utilizat pe scară largă în industrie în numeroase sectoare, cum ar fi repararea componentelor turbomașinilor sau acoperirea rolelor și cilindrilor. Principiile sunt simple, dar posibilitățile sunt remarcabile. Un fascicul laser creează o baie de topire controlată de dimensiune reglabilă, cu precizie, pe suprafața unei piese de prelucrat, în timp ce pulberea metalică este introdusă simultan în această baie de topire. Datorită controlului precis al traseelor de deplasare, materialul este depus local, strat cu strat, permițând nu numai reconstruirea zonelor uzate, ci și crearea de noi geometrii funcționale. Caracteristica cheie constă în nivelul ridicat de control al procesului: parametrii laserului, alimentarea cu pulbere și viteza de deplasare sunt coordonate cu precizie, astfel încât aportul de căldură să rămână minim, iar solicitările termice să fie reduse.
În cadrul proiectului AI-SLAM, cercetătorii de la Fraunhofer ILT, în colaborare cu parteneri internaționali, demonstrează că procesele de acoperire și reparare pot fi automatizate folosind senzori și inteligență artificială. © Fraunhofer ILT, Aachen, Germany
O dezvoltare nouă a acestui proces este depunerea de materiale cu laser de mare viteză (EHLA - Extreme High-Speed Laser Material Deposition), premiată în numeroase rânduri, pe care Dr. Schopphoven a dezvoltat-o în urmă cu câțiva ani la Fraunhofer ILT: „În timp ce LMD convențională este utilizată în principal pentru straturi de domeniul milimetrilor, EHLA permite producerea de acoperiri foarte subțiri, rezistente la uzură, cu grosimi ale straturilor începând de la aproximativ 30 μm.” Acest lucru se realizează la o viteză care se ridică la înălțimea numelui procesului: sunt posibile câteva sute de metri pe minut. Tehnologia este acum consacrată în numeroase industrii, câteva sute de sisteme EHLA fiind deja utilizate industrial la nivel mondial. Avantajul decisiv constă în precizie și eficiență: EHLA face posibilă prelucrarea chiar și a combinațiilor de materiale dificil de sudat, cum ar fi oțelurile de scule înalt aliate sau carburile cimentate, îmbunătățind fiabilitatea procesului și menținând un consum redus de energie.
Cu EHLA3D, procesul a ridicat ștacheta. De când a fost integrat în mașini CNC cu 5 axe, tehnologia poate fi utilizată pentru acoperiri și reparații minore, dar și pentru fabricația aditivă. Geometrii complexe cu forme libere pot fi construite pe produse semifabricate cu precizie ridicată. Tehnologia combină capabilități din domeniile fabricării, acoperirii și reparațiilor într-un singur proces care poate fi utilizat atât pentru producerea de scule noi, cât și pentru regenerarea acestora. De un interes deosebit pentru fabricarea sculelor este capacitatea de a consolida selectiv zonele funcționale fără a fi nevoie de refabricarea întregii scule. Aportul redus de căldură permite utilizatorilor să proceseze geometrii delicate fără distorsiuni, în timp ce rata ridicată de depunere le permite să producă pe suprafețe mari în mod rentabil.
Prezentare generală a principalelor beneficii ale LMD și EHLA pentru industria de turnare: durată de viață mai lungă, costuri mai mici, flexibilitate sporită și o contribuție la procese de producție sustenabile și eficiente din punct de vedere al resurselor. © Fraunhofer ILT, Aachen, Germany
Beneficii pentru industria de turnare
Beneficiile LMD și EHLA pentru industria de turnare sunt numeroase și se extind mult dincolo de simpla creștere a duratei de viață a sculelor. Procesul oferă avantaje economice și tehnice clare, în special pentru matrițele de turnare sub presiune expuse la fluctuații extreme de temperatură și uzură abrazivă. Cercetările actuale arată că acoperirea țintită a zonelor funcționale poate reduce semnificativ uzura.
În testele de uzură prin frecare de alunecare, s-au observat îmbunătățiri de până la 40 de ori în comparație cu oțelul convențional pentru scule, în funcție de aliaj și de parametrii procesului. Materiale precum cele de formare a carburilor înalt aliate ating durități de până la 930 HV, menținând în același timp o legătură metalurgică și cu substratul. Aceste rezultate demonstrează în mod impresionant că durata de viață a sculelor poate fi crescută semnificativ, ceea ce are un impact direct asupra fiabilității producției și a rentabilității.
Pe lângă extinderea duratei de viață a sculelor, LMD permite o utilizare mai eficientă a materialelor. În timp ce sculele convenționale sunt adesea fabricate în întregime din oțel scump, înalt aliat, LMD permite producătorilor să utilizeze oțel structural cu costuri mai mici ca substrat. Doar zonele care sunt efectiv expuse la sarcini mari sunt acoperite cu un aliaj dur. Acest principiu al „materialului la cerere” reduce costurile și minimizează cerințele de prelucrare. Depunerea aproape la aceeași formă elimină o mare parte din operațiunile de frezare consumatoare de timp, iar matrițele pot fi puse în funcțiune mai rapid.
Matrițele care anterior trebuiau înlocuite complet după apariția fisurilor sau a exfolierii pot fi acum remanufacturate folosind LMD. Zonele deteriorate sunt sudate selectiv și apoi prelucrate mecanic, astfel încât matrițele să își recapete geometria originală. Această abordare poate reduce costurile și poate reduce dependența de lanțurile lungi de aprovizionare pentru matrițe noi. Această flexibilitate este un factor decisiv, în special pentru sculele mari și complexe de turnare sub presiune, care necesită procese de fabricație personalizate.
Procesul LMD bazat pe inteligență artificială simplifică rolul operatorului în acoperirea sculelor puternic încărcate. © Fraunhofer ILT, Aachen, Germany
Proiectul AI-SLAM demonstrează cum IA poate îmbunătăți calitatea procesului LMD aditiv.
Pentru comparație: prima imagine este rezultatul obţinut fără AI, a doua imagine este cu AI.
Constatările oferă o bază solidă pentru cercetări viitoare și extinderea tehnologiei în diverse aplicații industriale. © Fraunhofer ILT, Aachen, Germany
AI-SLAM: Reparații automate folosind inteligența artificială
Un pas cheie către adoptarea pe scară largă a LMD în fabricarea sculelor este creșterea automatizării. În cadrul proiectului de cercetare AI-SLAM (Îmbunătățirea prin utilizarea Inteligenței Artificiale a detectării proceselor pentru fabricație aditivă cu laser), experții de la Fraunhofer ILT, în colaborare cu parteneri internaționali, au demonstrat că procesele de acoperire și reparare pot fi automatizate folosind tehnologia senzorilor și inteligența artificială.
Cercetătorii de la Fraunhofer ILT au dezvoltat lanțuri de procese pentru acoperirea și repararea sculelor folosind procesul EHLA. Acest lucru permite implementarea proceselor de acoperire și reparare și în alte sectoare industriale, economisind timp și costuri în fabricarea sculelor. © Fraunhofer ILT, Aachen, Germany
În cadrul proiectului AI-SLAM, un laser liniar echipat cu o cameră scanează suprafața uzată a unei scule utilizate în industria minieră și o compară cu geometria CAD originală. Pe baza diferenței, software-ul calculează traiectoriile exacte de deplasare și grosimea stratului necesară pentru a restabili conturul original. Planificarea traiectoriei se efectuează automat, iar IA monitorizează procesul chiar și în timp ce lucrarea este în desfășurare. Abaterile de dimensiune sau caracteristici ale băii de topitură sau de geometrie sunt detectate și corectate imediat prin ajustarea parametrilor procesului.
O caracteristică distinctivă este gama largă de parametri monitorizați. Pe lângă verificarea geometriei, pirometrele măsoară temperatura, camerele analizează forma băii de topitură, iar profilometrele monitorizează structura straturilor. Aceste fluxuri de date sunt consolidate în timp real și evaluate de inteligența artificială. Operatorii nu mai trebuie să ajusteze manual parametrii complecși; trebuie doar să emită comanda de pornire, iar sistemul preia controlul procesului. Acest lucru reduce dependența de personalul înalt specializat, care anterior era indispensabil pentru utilizarea cu succes a LMD, ceea ce reprezintă, de asemenea, un progres semnificativ pentru industria de turnare.
Reparațiile matrițelor de turnare sub presiune, care anterior necesitau o planificare extinsă și multă experiență pentru a fi efectuate, pot fi acum efectuate într-un mod reproductibil și standardizat. De un interes deosebit este capacitatea de a regenera automat chiar și matrițe mari și complexe. Defectele nu sunt doar detectate, ci și corectate imediat, reducând drastic timpul de nefuncționare. În plus, rezultatele pot fi documentate și verificate, ceea ce este esențial pentru producția de serie într-un cadru industrial.
Proiectul AI-SLAM deschide o nouă perspectivă în care sculele nu mai sunt privite ca piese de uzură, ci mai degrabă ca investiții pe termen lung care pot fi optimizate și îmbunătățite pe parcursul întregului lor ciclu de viață. (sursa: www.ilt.fraunhofer.de)
Foto deschidere: Depunerea de materiale cu laser de mare viteză (EHLA) permite depunerea aditivă a suprafețelor funcționale cu precizie și viteză ridicate. Acest lucru permite ca toate componentele să fie acoperite, reparate sau fabricate eficient cu o precizie apropiată de conturul final. © Fraunhofer ILT, Aachen, Germany
