Dva různé aditivní postupy pro výrobu obyčejného ocelového kolíku? Možná to zní poněkud přehnaně, ale Klaus Eimann ze společnosti Procter & Gamble vyřešil díky kombinaci laserového 3D tisku a laserového práškového navařování náročný problém při výrobě elektrických zubních kartáčků.
V roce 1890 si nechal Angličan Dr. George Scott patentovat vynález prvního elektrického zubního kartáčku. Mnoho na něm však nevydělal: přístroj byl pro většinu lidí příliš složitý a drahý. To se změnilo teprve v roce 1960, když společnost Oral-B uvedla na trh elektrický zubní kartáček Mayadent pro širokou veřejnost.
Dnes patří Oral-B do amerického koncernu Procter & Gamble a elektrický zubní kartáček je k dostání v každé drogerii. Každý den opustí závod tohoto výrobce zubních kartáčků v Marktheidenfeldu přibližně 100 000 kusů. Aby výroba dokázala udržet krok s takovou rychlostí, musí inženýři používat špičkové technologie i u menších, zdánlivě jednoduchých součástek.
ODVÁŽNÝ KROK DO NEZNÁMA
Jednou z nejdůležitějších zbraní koncernu Procter & Gamble v boji o udržení této rychlosti je aditivní výroba. Když společnost TRUMPF v roce 2003 uvedla na trh svůj první stroj pro laserový 3D tisk kovů TrumaForm, byl koncern Procter & Gamble jedním z mála, kdo již tehdy rozpoznal, kterým směrem se bude vývoj ubírat.
Klaus Eimann, vedoucí skupiny pro aditivní technologie v Marktheidenfeldu, k tomu říká: „Při výrobě a údržbě nástrojů používáme od roku 2006 jak laserové spékání kovů v práškovém loži (anglicky Laser Metal Fusion - LMF), tak i laserové práškové navařování (LMD)." Od té doby pracuje speciální tým soustředěně na tom, aby aditivní výroba přinášela stále větší výhody. „Tato nová technologie pro nás byla a stále je velkou výzvou a ne všechny pokusy se podaří hned napoprvé. Na začátku jsme museli kompletně přepracovat konstrukci, provést řadu zkoušek a opakovaně se přesvědčovat, že jdeme správnou cestou. Věřili jsme však v úspěch a tato vytrvalost se nám nakonec vyplatila. Díky náskoku ve vědomostech, které jsme v této oblasti získali, zaujímáme roli průkopníka v oboru."
NENÁPADNÝ ZAČÁTEK
Vysokou úroveň znalostí v oblasti metod laserového 3D tisku kovů a laserového práškového navařování zúročili výrobci nástrojů z Marktheidenfeldu také při optimalizaci výroby zubního kartáčku Oral-B. Konkrétně se jedná o přibližně 80 mm dlouhý ocelový kolík, který je vložen do vstřikovací formy. Ta vytváří plastový profil, který potom drží kartáček.Eimann vysvětluje: „Měli jsme problém s tím, že se ocelový kolík ochlazoval poměrně pomalu. Jakmile se plast dotkl oceli, nedocházelo k dostatečnému odvádění tepla. Důsledek: vstřikovaný plast se deformoval, což vedlo k příliš velkému množství neshodných kusů.“
Možnost poskytnout nástroji více času na vychladnutí nepřipadala v úvahu, neboť krátké časy cyklu nebylo možné prodloužit, naopak — vysoké počty kusů dnes vyžadují ještě rychlejší tempo výroby. „Naším úkolem tedy bylo změnit konstrukci ocelového kolíku tak, aby se ochlazoval rychleji.“
DŮMYSLNÁ KOMBINACE
V prvním kroku se konstruktéři zaměřili na výhody, které metoda laserového 3D tisku kovů nabízí: složité vnitřní konstrukce. Pomocí laserového 3D tisku vyrobili ocelový kolík a do tohoto malého dílu s průměrem pouhých 12 mm zabudovali vysoce efektivní spirálové chlazení. „Pomocí běžných výrobních metod by to nebylo možné,“ vysvětluje Eimann. Testy ukázaly, že kanály proplachované chladicí vodou zlepšily tepelnou vodivost ocelového kolíku z 27 W/mK na desetinásobek. „To bylo sice dobré, ale nám to ještě nestačilo.“
Odborníci tedy přemýšleli o dalším opatření. Potřebovali materiál, který by lépe odvedl teplo: měď. Výpočty ukázaly, že požadované doby chlazení ocelového kolíku by bylo možné dosáhnout, pokud by se ho podařilo zkombinovat s měděným jádrem. Tento materiál však nebyl ani stabilní, ani dostatečně odolný proti působení tepla, kterému je nástroj při nanášení vrstvy vystaven. Aktivně chlazená oblast v tvarovaném kolíku o průměru pouhé 3 mm však nepřichází v úvahu. Odborníci se ale nechtěli nápadu s mědí vzdát: Bylo by možné využít rychle chladnoucí měď a přitom zajistit, aby zůstala dostatečně stabilní?Průlom nastal, když do hry vstoupila druhá aditivní technologie — laserové práškové navařování. Odborníci zasunuli měděný kolík do ocelového kolíku vygenerovaného pomocí laserového 3D tisku. Aby zajistili stabilní a bezešvé spojení, navařili pomocí technologie laserového navařování kolem měděného jádra nástrojovou ocel. Výsledkem bylo soudržné spojení, které vypadá jako jeden odlitek. Nový tvarovaný kolík formy je nyní vybaven efektivními chladicími kanálky a měděným jádrem, které z plastu rychle a rovnoměrně odvádí teplo vznikající při vstřikování. Kolegové z příslušného výrobního oddělení jsou spokojeni. „S naším know-how a dlouholetými zkušenostmi v oblasti metod laserového 3D tisku kovů a laserového práškového navařování jsme objevili neobvyklé, ale efektivní řešení: dobu cyklu vstřikování se podařilo zkrátit o 7 s a počet neshodných kusů se pohybuje v oblasti promile.“
www.trumpf.com
Foto: Philipp Reinhard