Компания Mapal вновь подтвердила свой статус «мозгового центра» в разработке инновационных технологий сверления. С момента своего основания в 1950 г. фирма с 65-летней историей неоднократно предлагала оригинальные решения для работы по металлу. Оставаясь первопроходцем в своём сегменте, компания Mapal выбрала системы LaserCUSING производства Concept Laser и теперь работает с технологиями аддитивного производства.

Актуальные потребности

Высокие рабочие характеристики, длительный срок службы и быстрая замена — главные требования к современным инструментам. Благодаря особой геометрии, сверло QTD со вставкой выгодно отличается оптимальной формой стружки и ее стабильным отводом. Для фиксации вставки используется надёжное призматическое соединение. Изделия повышенной точности соответствуют самым высоким требованиям к качеству обработки и свёрл. В наличии четыре типа вставок — для обычной и нержавеющей стали, чугуна и алюминия.

Новое сверло QTD : теперь диаметром от 8 до 32,75 мм

Пользователи обязательно оценят предложенное компанией Mapal сверло QTD со вставкой: аддитивное производство путём лазерного плавления металлического порошка на оборудовании Concept Laser сделало возможным принципиально новые подходы к проектированию. Ранее диаметр свёрл QTD со вставками составлял от 13 мм, что объяснялось, в том числе, наличием в корпусе инструмента канала для подвода охлаждающей жидкости (СОЖ). Чем меньше инструмент, тем выше отрицательное влияние типового центрального подвода СОЖ на рабочие характеристики изделия. Центральный подвод ослабляет сердцевину сверла, делает её нестабильной. Кроме того, приходится уменьшать каналы системы охлаждения, а значит, падает объём подаваемой СОЖ. Новую конструкцию стального корпуса сверла со спиральными охлаждающими каналами раньше в малых инструментах не использовали. Теперь диаметр даже цельного сверла составляет от 8 до 12 мм.

Новая концепция охлаждения — спиральная

Серия свёрл QTD со вставками выпускается методом аддитивного лазерного плавления по гибридной технологии: хвостовик режущего инструмента обрабатывается традиционным способом, а аддитивное сверло наплавляется лазером. Такой подход существенно удешевил производство. «Гибридные процессы для нас оптимальны: простые компоненты обрабатываются на традиционных станках, более сложные строятся на аддитивном оборудовании», — рассказывает Дирк Селлмер. Технология цифрового лазерного плавления сокращает затраты и за счёт других факторов: отсутствие персонала на производстве, более оперативная замена инструментов, меньшее количество брака. При этом главным преимуществом перехода от традиционного производства к аддитивному стала принципиально новая геометрия инструментов, улучшающая их рабочие характеристики.

«Каналы подвода СОЖ в изготовленных аддитивным методом свёрлах имеют спиральную форму, что повышает эффективность охлаждения, — поясняет Дирк Селмер. — По сравнению с центральным каналом СОЖ с Y-образным отводом, который использовался ранее, спиральная структура повышает скорость потока СОЖ на 100%». Кроме того, теперь канал охлаждения проходит параллельно винтовой канавке, улучшая стабильность центральной части сверла. Более эффективному охлаждению также способствует новый профиль канала для СОЖ, которому вместо круглой придали слегка треугольную форму. Это оптимизирует геометрию момента инерции и скорость потока. Тесты показали, что поперечный срез такого типа повышает скорость жидкости на 30%. Но традиционными методами получить такой профиль канала невозможно. Давление СОЖ здесь составляет от 1,6 до 3 бар.

Улучшенные характеристики

Благодаря конструкционным изменениям, свёрла охлаждаются эффективнее и могут функционировать дольше. Кроме того, теперь в ассортименте доступны свёрла меньшего диаметра. Для производства используется нержавеющая сталь 1.2709. По словам Селлмера, потребность в порошке рассчитывают по формуле «реальная масса изделия плюс 10%», а отходы легко пустить в работу повторно. Для вращающегося инструмента, который выпускают в компании Mapal, критично внутреннее напряжение. Учитывая огромные нагрузки в процессе обработки, после традиционного фрезерования необходимо снимать внутреннее напряжение в сверле. Для технологии LaserCUSING это неактуально. Благодаря постоянной смене участков воздействия, внутреннее напряжение снимается ещё на этапе построения изделия.

Системная технология

На производстве работают две установки Concept Laser M1 cusing с общим контейнером для подачи сырья. По производительности оборудование относится к средней категории. Размер платформы для построения составляет 250 х 250 х 250 мм: свёрла со вставками QTD выпускаются партиями по 10х10 или 11х11 изделий. Таким образом, выход за цикл составляет от 100 до 121 сверла при мощности лазеров в 400 Вт и скорости построения 6–18 см3/ч. Во избежание загрязнений формирование изделий стандартно идёт в защитной азотной атмосфере. Для фьюзинга лазер нагревает порошок до 60–70°C — при проектировании здесь учитывают тепловое расширение в процессе построения. После первых успехов серийной продукции наметилась потребность в наращивании внутренних мощностей, невзирая на то, что при правильной организации возможна круглосуточная эксплуатация оборудования без участия персонала. По словам Селлмера, среди рассматриваемых вариантов — дополнительные лазеры для оборудования и/или расширение производства в целом. Уже в 2014 г. владелец компании Дитер Кресс прогнозировал долгосрочную потребность минимум в пяти установках.

Почему Concept Laser ?

По словам Маттиаса Шнайдера, работающего под управлением Селлмера в отделе исследований и разработок, оборудование Concept Laser выбрали за удобство в работе, доступность и простоту в эксплуатации. Кроме того, одним из достоинств предложения Concept Laser он считает вариативность параметров при технологической подготовке производства. Это упрощает оптимизацию техпроцессов при тестировании и разработке продуктов. Судя по комментариям Шнайдера, он хорошо разбирается в теме, включая опции топологии для LaserCUSING. Системы Concept Laser выгодно отличаются выборочным контролем сегментов среза (так называемых «островков») при последовательной обработке, что существенно снижает напряжение в готовых изделиях.

Важно и то, что внутри: баланс геометрии и лёгкости

Конструкционные изменения коснулись и других позиций в ассортименте компании. Немецкий производитель уже предложил новинку — сбалансированные по весу внешние развёртки, изготовленные методом лазерного плавления. Чем легче внешняя развёртка, тем лучше она работает. Этот принцип особенно актуален при фрезеровании шпинделей малого диаметра. Выпускаемые по традиционной технологии стальные внешние развёртки на 8,5 мм весят целых 400 г. Соответственно, предельная скорость шага серьезно ограничена механической инерцией. Методы аддитивного производства позволяют получать облегчённые и сбалансированные развёртки. «Распределение массы в сотовой структуре внешних развёрток напоминает балансировку колес, — рассказывает Селлмер. — Внутренние полости мы называем балансировочными профилями. Именно они помогают добиться практически идеальной концентричности при вращении инструмента». Особая структура ребер, на которую уже получен патент, сократила вес «новой» внешней развёртки на 8,5 мм до 172 г. Снижение веса на 57% улучшило рабочие характеристики инструмента — обработка идёт быстрее, повышается точность.

Перспективы новых разработок

Стратегии аддитивного производства на практике доказали, что повышают конкурентоспособность, экономичность и ценность продукции.

«В целом, можно утверждать, что инструменты будущего станут более сложными, адаптивными, эффективными в работе, — продолжает Селлмер. — Кроме того, перед нами открыты новые возможности проектирования, а значит, новые варианты геометрии и функциональности. Аддитивные технологии способствуют разработке новых типов продукции, несовместимых с традиционными методами производства. Каждое готовое изделие — это ценный опыт, который мы используем в будущих проектах. Помимо повышения качества одним из приоритетов компании Mapal является управление технологическими процессами, что позволит выпускать аддитивные изделия с улучшенной поверхностью, приближенной к прецизионным показателям. Среди актуальных запросов — криогенное снятие заусенцев, закрытые системы охлаждения и камеры».

Интервью с Дирком Селлмером, главой отдела исследований и разработок компании Mapal :

Редакция: Новое сверло со вставкой серии QTD вы называете первым в мире. Что делает его инновационным?

Дирк Селлмер: Инновации коснулись двух аспектов. Во-первых, это применение аддитивных технологий для производства прецизионных свёрл. Во-вторых, оригинальная концепция охлаждения.

Редакция: Что конкретно вы имеете в виду?

Дирк Селлмер: В сверле, изготовленном методом лазерного плавления, можно предусмотреть спиральную систему охлаждения. Её эффективность выше за счёт более быстрой подачи СОЖ. Кроме того, мы расширили ассортимент продукции, освоив производство свёрл меньшего размера.

Редакция: Расскажите, пожалуйста, о системе охлаждения.

Дирк Селлмер: Мы изменили подходы к охлаждению, чтобы сделать его эффективнее. По сравнению с центральным каналом СОЖ с Y-образным отводом, который использовался ранее, спиральная структура повышает скорость потока СОЖ на 100%. Кроме того, теперь канал охлаждения проходит параллельно винтовой канавке, что улучшает стабильность центральной части сверла. В рамках проекта мы также предложили новый профиль каналов для СОЖ, придав ему вместо круглой слегка треугольную форму. Тесты показали, что поперечный срез такого типа повышает скорость потока на 30%. Объем проходящей через сверло СОЖ в 1,6–2 раза превышает показатель для инструментов, изготовленных традиционным способом. А выпуск свёрл меньшего диаметра стал чем-то вроде побочного эффекта.

Редакция: Каковы основные требования к прецизионному сверлу?

Дирк Селлмер: Идеальное сверло — очень жёсткое снаружи и слегка пластичное внутри. При лазерном плавлении металлов есть возможность задавать выборочную толщину с последующей закалкой поверхности путем термообработки, а внутри формировать ячеистую или сотовую структуру. Результат — облегчённые решения и e-модули, которые невозможно получить традиционным способом. Если точнее, мы сосредоточены на производстве по принципу корпуса/сердцевины. Сначала формируется сердцевина сверла со вставкой и системой охлаждения, которую соединяют с традиционным шпинделем. На втором этапе аддитивного производства строится внешняя оболочка более высокой плотности. Получаем практически идеальное сверло — прочное снаружи и пластичное внутри: эта пластичность скомбинирована с высокими показателями жёсткости и прочности на растяжение. Готовый инструмент, естественно, проходит высокотемпературную обработку: мы используем закалку в вакууме.

Редакция: Компания Mapal выбрала аддитивное проектирование для внешних развёрток. Каковы практические преимущества этого подхода?

Дирк Селлмер: Рабочие характеристики вращающегося инструмента зависят от его массы и дисбаланса, что обусловлено механической инерцией. При аддитивном производстве массу внешней развёртки реально снизить на 50%, а то и больше. Можно предусмотреть полости, которые мы называем балансировочными профилями: они снижают дисбаланс и себестоимость изделия, повышают скорость и точность работы. Сотовая структура облегчает конструкцию и улучшает сбалансированность. В перспективе мы рассчитываем оптимизировать сотовую структуру, опираясь на принципы бионики и прочностной анализ FEM, чтобы дополнительно повысить потенциал вращения. Получив патент на подобные решения, мы уже располагаем необходимой базой. Но и это ещё не всё. Промышленный дизайн, учитывающий особенности производства, позволяет нам постоянно воплощать новые идеи прямо «в процессе работы».

Редакция: Когда вы стали осваивать аддитивное производство?

Дирк Селлмер: Сначала мы проанализировали предложения на рынке и оценили различные системы с учётом выпускаемой продукции. Вскоре стало очевидным, что любая из технологий позволит нам отказаться от прежних методик обработки. Весной 2014 г., уже через 12 месяцев после того, как мы остановили выбор на оборудовании Concept Laser, были получены первые изделия, готовые к серийному производству. Дитер Кресс, возглавляющий нашу компанию, настолько впечатлён результатами, что часто берёт с собой аддитивные инструменты, чтобы знакомить посетителей с этими маленькими чудесами.

Редакция: Почему Concept Laser?

Дирк Селлмер: Принимая решения такого уровня, приходится многое учитывать. Все три основных производителя предлагают действительно качественное оборудование. Но здесь большое значение имеют нюансы. Мы выяснили, что у компании Concept Laser особый подход к топологии. Кроме того, на предварительных переговорах они уделили большое внимание нашим задачам и показали, как применяют аддитивные технологии другие компании, занимающиеся обработкой. Скоро мы знали всё, что нужно пользователю. Компания Concept Laser предлагает открытый подход к настройке параметров. Это было важно для нашего отдела исследований и разработок, поскольку позволяло двигаться в интересующем нас направлении. На мой взгляд, установка M1 cusing выгодно отличается тем, что проектируется под конкретного пользователя и удобна в эксплуатации. Речь не идёт о «готовой» системе: это индивидуальное решение с рядом регулируемых факторов. Наше сотрудничество — диалог равных партнёров.

Редакция: Сложно ли было компании Mapal принимать решение об инвестициях, если говорить о рентабельности?

Дирк Селлмер: Конечно же, мы обсуждали эту тему. И определённая доля риска тоже была. Но владелец компании Дитер Кресс, активно интересующийся технологиями, осознал потенциал создания формы из порошка, как по мановению волшебной палочки. У этой технологии свое обаяние. Сюда можно отнести и производство без персонала: работа 24 часа в сутки, семь дней в неделю. Кроме того, он знал, что отдел разработок поддержит его решение. Команда из 15 инженеров и технических специалистов, а также 10 помощников была готова к новым перспективам. Приступив к работе, мы определили чёткие цели и заручились свободой действий. Оглядываясь назад, могу сказать, что выбор владельца компании оказался абсолютно правильным и задал нам направление развития. Я искренне рад, что мы предприняли данный шаг достаточно рано. Опыт, который мы приобретаем, приносит нам конкурентное преимущество, пока остальные только собираются с духом.

Неверно было бы оставлять решение об инвестициях исключительно за контролирующим отделом. Варианты производственных решений, работа без персонала и другие особенности аддитивных технологий делают их конкурентоспособными и экономически эффективными, обеспечивают весомые преимущества нашим клиентам.

Редакция: Как считаете, станет ли это тенденцией?

Дирк Селлмер: Наша отрасль достаточно консервативна, поэтому инновации приживаются долго. Но, как видим, аддитивные стратегии меняют принципы проектирования, открывая дорогу решениям, которые прежде были невозможны. Преимущества новых изделий очевидны всем сторонам. Поэтому другого пути, для тех, кто намерен преуспеть в перспективе, просто нет. И для нас, учитывая себестоимость производства и характеристики продукции, и для наших заказчиков, которых интересует качество, доступность и стоимость изделия.

Редакция: Почему альтернативой традиционному подходу не стал выпуск внешних развёрток из титана?

Дирк Селлмер: Это не совсем верное решение: заменяя сталь титаном, мы получим снижение веса примерно на 35%. Но титан — дорогой материал, к тому же сложный и недешёвый в обработке. Вместо титана мы выбрали нержавеющую сталь 1.2709. Кроме того, из титана мы получим внешнюю развёртку с однородной плотностью. Образно говоря, на полпути к цели мы откажемся от инноваций. Иногда нет смысла выжимать максимум из старых стратегий. Нужно пробовать нечто новое.

Редакция: Что ещё вы осваиваете на аддитивном производстве?

Дирк Селлмер: Новые продукты и новые опции, например, модификации. Инструмент ISO имеет определённый жизненный цикл, зависящий от нагрузок на предприятии. Сам по себе износ нормален. Однако, принимая во внимание вопросы экологии и экономии ресурсов, мы пришли к выводу, что нет необходимости утилизировать инструменты ISO — их можно модернизировать. Если кратко, аддитивные технологии предлагают множество способов восстановить поверхность инструмента до состояния практически новой. И теперь, когда такие решения доступны, мы проверяем все наши инструменты на возможность модернизации конструкции, готовим целый ряд новых продуктов и опций.

Редакция: Каких технологических достижений вы ждёте от будущего?

Дирк Селлмер: Можно прогнозировать существенное увеличение скорости построения при лазерном плавлении металлов. Более мощные лазеры не входят в число наших приоритетов, поскольку мы работаем с достаточно тонкими изделиями. Но, с моей точки зрения, мультилазерные системы способны увеличить производительность, сделав процесс более быстрым либо выборочным (например, с варьированием толщины слоя). Вырастет и уровень качества. В комплексе это сделает готовую продукцию доступнее и улучшит её рабочие характеристики. Кроме того, я рассчитываю на расширение ассортимента материалов, что позволит нам ещё эффективнее адаптировать компоненты с учётом задач по производительности и сроку службы инструментов. В перспективе это может быть разработка порошковых материалов, оптимизированных с учётом техпроцессов и сферы применения. Изменится конструкционный потенциал, что даст нам новые варианты геометрии и функциональности. В целом, аддитивное производство способствует появлению новых решений, немыслимых в рамках традиционного производства. Эти технологии оптимальны, чтобы мыслить по-новому, мыслить оригинальнее.

Редакция. Благодарим за интервью.

Описание продукта: сверло со вставкой QTD (впервые в мире) диаметром от 8 до 32,75 мм

• Свёрла 8–12 мм, изготовленные методом лазерного плавления.
• Рост скорости потока СОЖ на 100%, в первую очередь за счёт отказа от круглого сечения канала.
• Повышение стабильности центральной части: каналы для СОЖ параллельны винтовым канавкам.
• Монтаж: 1.5×D, 3×D, 8×D и 12×D
• Вставки типа 1–4 для традиционной и нержавеющей стали, чугуна, алюминия

Свёрла со вставками серии QTD ранее поставлялись только диаметром от 13 мм, что объяснялось, в том числе, наличием внутреннего канала для подвода СОЖ. Чем меньше инструмент, тем выше отрицательное влияние стандартного центрального подвода СОЖ на рабочие характеристики изделия. Центральный подвод ослабляет сердцевину сверла, делает её нестабильной. Кроме того, приходится уменьшать каналы системы охлаждения, а значит, падает объём СОЖ, подаваемой к режущим кромкам. Новую конструкцию стального корпуса сверла со спиральными охлаждающими каналами раньше в малых инструментах не использовали.

Лазерное плавление для оптимального охлаждения

Технология лазерного плавления позволяет в процессе 3D-печати сформировать в корпусе изделия диаметром 8–12 мм спиральные каналы подвода СОЖ. По сравнению с центральным подводом СОЖ с Y-образными отводами скорость потока возрастает на 100%. Подобный результат стал возможным и за счёт отказа от круглого сечения канала. Свёрла со вставками серии QTD малого диаметра запатентованы и доступны в рамках стандартного ассортимента.

Справочная информация:

Автор: Гвидо Радиг, Provvido

Перевод Олеси Зайцевой