Verkkopohjainen CNC-koneistustehty oikein. Välitön tarjous.

Hybridivalmistus: Ylivoimaa yhdistetyillä prosesseilla

Valmistava teollisuus on kokenut merkittävän elpymisen hybridivalmistusteknologioiden kasvavan kiinnostuksen myötä, erityisesti niiden kyvyn ansiosta valmistaa tuotteita erittäin tehokkaasti ja paremmalla suorituskyvyllä. Hybridivalmistus on kattotermi, joka sisältää useita uusimpia kehityssuuntia valmistusprosessien alueella, joissa prosesseja yhdistetään ja integroidaan tavoitteena lisätä suunnittelun vapautta, parantaa laatua ja lyhentää valmistusaikoja. Tämä mahdollistaa valmistuspohjan laajentamisen ja uusien sovellusalueiden avaamisen.

Valmistajat hyödyntävät laajaa joukkoa tuotantotoimintoja valmistaakseen teollisuuden vaatimusten mukaisia tuotteita. Yleisiä valmistusprosesseja ovat numeerisesti ohjattu koneistus (CNC-koneistus), additiivinen valmistus sekä muovaavat prosessit, kuten muovaus, liittäminen ja erottavat prosessit – erityisesti hitsaus. Viime vuosina nämä teknologiat ovat lähentyneet toisiaan ja avanneet uusia mahdollisuuksia suunnittelijoille ja insinööreille.

Jokaisella valmistusprosessilla on omat haittapuolensa ja rajoitteensa, joita on vaikea poistaa kokonaan. CNC-koneistus on prosessin monimutkaisuuden vuoksi haastavaa erityisesti monimutkaisten geometrioiden valmistuksessa, mikä liittyy koneiden työkalujen saavutettavuuteen. Additiivisen valmistuksen soveltamisala on edelleen rajallinen pitkien tuotantoaikojen ja heikomman mittatarkkuuden vuoksi verrattuna CNC-koneistukseen. Muovausprosessien kehitystä rajoittavat palautumisilmiöt (springback) sekä materiaalien rajallinen muovattavuus. Lisäksi komponenttien mittatarkkuuden hallinta hitsausprosessin aikana on erityisen haastavaa.

Edellä mainitut ongelmat ja prosessien monimutkaisuus nykyisissä valmistusjärjestelmissä voidaan ratkaista hybridivalmistuksen avulla, joka mahdollistaa useamman kuin yhden valmistusprosessin integroinnin.

Tässä on joitakin viimeaikaisia akateemisia tutkimustuloksia hybridivalmistusteknologioista

• CNC-koneistuksen ja additiivisen valmistuksen yhdistäminen voi tarjota tehokkaan ratkaisun additiivisen valmistuksen nykyisiin prosessirajoitteisiin, erityisesti parannetun tarkkuuden ja koneistuskapasiteetin (koneistusnopeuden) osalta ¹.
• Laserpohjaisen lämmityksen ja muovausprosessien yhdistäminen voi merkittävästi vähentää palautumisilmiötä ².
• Ultraäänivärähtelyn ja porausprosessin yhdistäminen voi vähentää työkalun kulumista ³.
• Laserporauksen ja sähkökemiallisen koneistuksen (ECM) yhdistäminen vähentää merkittävästi uudelleensulatuskerroksen muodostumista sekä lämpövaikutusaluetta (HAZ). HAZ on metallialue, joka ei sula, mutta jossa tapahtuu materiaalin koostumuksen muutoksia korkeiden lämpötilojen vaikutuksesta ⁴.

Sukelletaan syvemmälle kahteen hybridiprosessiin, jotka on jo otettu käyttöön teollisuudessa.

Hybridinen additiivinen valmistus hiilikuituvahvistuksella

Vuonna 2018 saksalainen komposiittitekniikan yritys CIKONI esitteli hybridivalmistusteknologian, joka perustuu additiiviseen valmistukseen ja hiilikuituvahvistukseen. Useimmat kuituvahvistetut additiivisen valmistuksen prosessit perustuvat FDM-tekniikkaan, jossa lyhyt- tai pitkäkuituvahvistus lisätään muovisulaan tulostuksen aikana ⁵.

Näiden lähestymistapojen haittapuolena on se, että kuituvahvistus voidaan toteuttaa vain tulostustasossa. Tämä tarjoaa tehokasta tukea tason suuntaisille puristus- ja vetokuormille, mutta useimmat komponentit altistuvat kolmiulotteisille kuormituksille. Lisäksi kuituvahvisteisten filamenttien kustannukset ovat erittäin korkeat ja tulostusnopeus alhainen, mikä tekee kustannustehokkaasta valmistuksesta lähes mahdotonta.

Sen sijaan AdditiveCARBONin hybridilähestymistapa yhdistää vahvistamattoman, kustannustehokkaan ja skaalautuvan 3D-tulostuksen jatkuvaan kuituvahvistukseen, joka perustuu robottiohjattuun käämintäprosessiin. Robottiohjaus mahdollistaa myös kuituvahvistuksen kolmiulotteisesti, jolloin monimutkaisemmat kuormitustapaukset voidaan kestää.

Periaatetta on jo testattu menestyksekkäästi saksalaisen autonvalmistajan Audin kanssa kattokehyssegmentissä. Hybridivalmistettu komponentti kestää siihen kohdistuvat kuormat hiilikuituvahvistuksen ansiosta. Additiivinen valmistus mahdollistaa lähes rajattoman geometrisen suunnitteluvapauden.

Elektroniikan 3D-tulostus yhdistämällä 5-akselisiin koneisiin

5-akseliset jyrsinkoneet ovat yleisiä CNC-koneistuksessa monimutkaisten geometrioiden työstämiseen useista suunnista. Yhdysvaltalainen Optomec (Albuquerque) yhdistää 5-akselisen koneen liikevapauden johtavien ratojen levitykseen mahdollistaen elektroniikkakomponenttien 3D-tulostuksen.

Vastukset, kondensaattorit, antennit, anturit ja ohutkalvotransistorit voidaan näin valmistaa suoraan 3D-pinnalle additiivisen valmistuksen avulla. Prosessin parametrit mahdollistavat erilaisten sähköisten ominaisuuksien, kuten resistanssin, säätämisen. Elektroniikkakomponenttien 3D-tulostusta on jo toteutettu muoville, metallille ja keraamisille materiaaleille.

Prosessissa metallit atomisoidaan ensin hyvin pieniksi hiukkasiksi atomisaattorissa. Kuumennetut hiukkaset levitetään sen jälkeen pinnalle kaasusuihkun avulla. Jopa 10 µm:n resoluutiot ovat mahdollisia.

Hybridivalmistuksen edut – kuten parempi tuottavuus monimutkaisten geometrioiden helpomman valmistuksen ansiosta sekä korkean tehokkuuden ja tarkkuuden säilyttäminen lyhyemmissä tuotantoajoissa – mahdollistavat valmistavan teollisuuden potentiaalin laajentamisen vielä tutkimattomille alueille. Useiden prosessien hallinta sekä yksittäisten teknologioiden saatavuus vaadituissa mitoissa (koko, kappalemäärä, laatu) on kuitenkin haastavaa hybridiprosesseissa.

Vaikka me InstaWerkillä olemme erikoistuneet CNC-koneistukseen ja tarjoamme nopean pikatarjouksen CNC-koneistukselle, seuraamme aktiivisesti hybriditeknologioiden kehitystä voidaksemme tarjota asiakkaillemme entistä suurempaa lisäarvoa. Tällä hetkellä InstaWerk pystyy jo yhdistämään CNC-koneistuksen laajoihin lämpökäsittelyihin ja pintakäsittelyihin.

Lähteet hybridivalmistuksesta

1. Liang, H.; Hong, H.; Svoboda, J.; A combined 3d linear and circular interpolation technique for multi-axis CNC machining. Journal of Manufacturing Science and Engineering-Transactions of the ASME, 2002.
2. Duflou, J.R.: Laser assisted incremental forming formability and accuracy improvement. Cirp Annals – Manufacturing Technology, 2007.
3. Heisel, U.: Ultrasonic deep hole drilling in electrolytic copper ecu 57. Cirp Annals – Manufacturing Technology, 2008.
4. Zhang, H.; Xu, J.W.; Wang, J.M.: Investigation of a novel hybrid process of laser drilling assisted with jet electrochemical machining. Optics and Lasers in Engineering, 2009.
5. CIKONI GmbH: Additiivisesti valmistettu kattokehys paikallisella hiilikuituvahvistuksella, 2018.