2019. július–augusztus: jegyzet, Nemzeti Agykutatási Program, agykutatás, portré, tudomány, biológia, disszemináció, öntészet, innováció, építés, geológia, környezetvédelem, zöldkörnyezet, urbanisztika, biztonságtechnika, it
2019. augusztus 5.

Szerző:
Horváth Dániel

Az autóipar tüzeli a fémöntödék kohóit

Az öntészetről hajlamosak vagyunk azt gondolni, hogy az idejét­múlt ipar­ágak egyike. Talán az előző ipari forradalmak idején fontos szerepet játszott a gazdasági termelés fejlődésében, de mára eljárt felette az idő. Hogy így van-e, arról kérdeztük Varga Lászlót, a Miskolci Egyetem Öntészeti Intézetének igazgatóját.


„Szó sincs arról, hogy az öntészet elavult iparág lenne, sőt. Hiszen az öntészet egyik húzóágazata maga az autóipar. Mivel az autóipar önmagában is a mindenkori legmagasabb szintű technológiai fejlettséget (a high-techet) képviseli, ennek megfelelően az öntészetnek is követnie kell az autóipari trendeket, elvárásokat – érvel az intézet­igazgató. – Ezért rendkívül modern öntödék léteznek napjainkban, amelyek nagyon magas szintű automatizáltsággal dolgoznak. Ugyan­azok a fejlődési elvárások érvényesek rájuk is, mint az autóiparban: a tömeg­csökkentés igénye, illetve a minőségi követelmények növekedése. Ennek megfelelően a minőség-ellenőrzés hatékonysága is egyre nő.”

Olvadt fém és ipar 4.0

Az autóipari trendeket követve egyre komplexebb, egyre kisebb súlyú öntvényeket kell az üzemeknek előállítaniuk. Eközben az öntvények szilárdságának ugyanolyannak vagy akár még jobbnak kell lennie, mint korábban volt. Ezt ellenőrizni is kell, ezért az elkészült munkadarabok röntgen-, illetve CT-vizsgálatai mára szinte mindennapossá váltak az öntészetben. Már a legkisebb inhomogenitást, repedést is rendkívül egyszerű kimutatni, így magában az öntési technológiában is folyamatos kutatásra, fejlesztésre van szükség ahhoz, hogy ezek a hibák kiküszöbölhetővé váljanak.
„Azok a változási folyamatok, melyek ma az ipart jellemzik, ugyanúgy itt vannak az öntészetben is. Ilyenek az ipar 4.0, a mesterséges intelligencia, a környezetvédelem, a munkabiztonság, a munkahelyi környezet fejlesztése. Ezekre a kérdésekre az öntészetnek is választ kell adnia, ahogy az egyéb iparágaknak is ezek a fő kihívásaik” – folytatja Varga László.

A fejlesztések fő irányait tehát alapvetően két oldalról lehet megközelíteni. Egyrészt cél a gyártás biztonságának növelése a termék szempontjából, vagyis el kell érni, hogy folyamatosan jó minőségű terméket legyenek képesek az üzemek előállítani, másrészt pedig megjelentek az úgynevezett additív, hozzáadott technológiák. Az első csoportba sorolható célokat szolgálják az ipar 4.0 összefoglaló néven illetett változások. A gyártás során keletkező temérdek adatmennyiség (big data) már ma is egy központi feldolgozóegységbe kerül, és minden paramétert folyamatosan figyelemmel kísérnek a termelés közben. A mesterséges intelligencia még csak most kezd beszivárogni az öntészetbe, de az intézetigazgató szerint nagy valószínűséggel az elkövetkező évtizedekben meghatározó lesz majd a jelentősége.
Emellett ebben az ágazatban is megjelentek az additív technológiák, például a 3D nyomtatás. Ezek bizonyos esetekben akár konkurensei is lehetnek a klasszikus értelemben vett öntészet­nek. Térbeli fém­nyomtatással ugyanis akár terméket is elő lehet állí­tani, viszont maga az öntészet is használja a 3D nyomtatást például szerszámok, szerszámbetétek előállítására, illetve gyors prototípusdarabok mintakészítésére. Utóbbi esetben inkább műanyagból nyomtatnak tárgyakat, majd ezek alapján készítenek hagyományos technológiákkal öntött prototípusdarabokat. A szerszámok gyors módosítása, javítása szintén megoldható különféle hozzáadott technológiák alkalmazásával.

A legösszetettebb formák is egy darabból

Ezek voltak az öntési folyamathoz kapcsolódó fejlődési trendek. Legalább ilyen fontosak azonban az anyagot érintő kutatások és fejlesztések. Ezen a területen is két fő irányt lehet azonosítani. A falvastagság csökkentése és a tömegcsökkentés örök cél, de eközben jól kell tudni kontrollálni a munka­darab szilárdsági és mechanikai tulajdonságait. Folyamatosan kísérleteznek új anyagokkal is.
„A hagyományos öntészeti alapanyagok már nem minden esetben elégítik ki az elvárásokat, így folyton újabb és újabb, egyre precízebben szabályozott összetételű ötvözetek jelennek meg. Emellett ma már alapvető elvárás az is, hogy az a rendkívül összetett alkatrész, amelyet korábban sok alkatrészből, különállóan öntött darabból hegesztettek, csavaroztak össze, azt ma már egy darabból öntsék ki. Jellemzően a nagy méretű karosszériadarabok, tartóelemek ilyenek az autóiparban. Ez teljesen új terület az öntészetben.”

De milyen technológiai változások tették lehetővé azt, hogy manapság már szinte bámulatosan összetett öntvényeket is ki lehet önteni egy darabból, miközben ezeket régebben még több elemből kellett utólag összeállítani (és így a meghibásodás újabb lehetőségeit vitték akaratlanul is a termékbe)? Varga László szerint mindez főként annak köszönhető, hogy a korábban használtaknál lényegesen nagyobb öntőgépek jelentek meg a piacon. Míg korábban az öntészetben egy ezer­tonnás záró­erejű nyomásos öntő­gép (amely ezertonnás erővel tartja öntés közben össze­zárva a két szerszám­felet) már nagynak számított, addig ma már a háromezer tonnás záróerejű gépek kezdenek megszokottá válni. Talán még nem mindennaposak, de kétségtelenül benne vannak a köz­tudatban, és egyre kevésbé számít különlegességnek, ha egy üzem ilyen gépeket alkalmaz.

Ma már, a korábban használtaknál lé­nye­gesen nagyobb öntőgépek megjelenésének köszönhetően olyan összetett öntvényeket is ki lehet önteni egy darabból, amilyeneket régeb­ben még több elemből kellett utólag össze­állítani.

Ezek a gépek nemcsak erejükben, de fizikai kiterjedésükben is nagyok. A hidraulikus rendszerek biztonsági zárásokkal, reteszelésekkel képesek ellentartani az öntés közben fellépő erőnek, miközben a szerszámot tartó oszlopoknak is rendkívül nagy átmérőjűeknek kell lenniük. Csak így lehet elérni, hogy az öntés során ne keletkezzen méreteltérés és hiba az öntvényben.

Gigászi gépek

Az ilyen gépek tették lehetővé azt, hogy nagy méretű szerszámokat lehessen tervezni. Hiszen hatalmas záróerő szükséges ahhoz, hogy ezek az öntőszerszámok felszerelhetők legyenek a gépre. Ezek elengedhetetlenek ahhoz, hogy nagy méretű, mégis vékony falú öntvényeket lehessen önteni. Az intézetigazgató azt is elmondta, hogy ezek rendkívül komplex szerszámokat igényelnek, amelyek fejlődése például ott mutatkozik meg, hogy drasztikusan megnövekedett bennük a munkadarab dermedését szabályozó hűtőkörök száma. Míg régebben csak néhány hűtőkör üzemelt egy szerszámban, napjainkban már léteznek olyan darabok is, amelyekben tíz-húsz hűtőkör dolgozik az öntvény minél gyorsabb, hatékonyabb és legfőképpen szabályozottabb hűtése érdekében.
„Ezeknek az öntőgépeknek a szerszámfelülete elérheti a másfél négyzetmétert is, amelyben igen nagy mennyiségű – nemritkán tíz kilogramm fölötti tömegű – fémet kell bejuttatni. Eközben viszont maga az öntvény fala vékony – magyarázza Varga László. – A vékony fal miatt fennáll a veszélye annak, hogy a fém már a formatöltés közben elkezd megdermedni. Emiatt nagyon gyors formatöltésre van szükség. A forma­töltés gyorsasága az a tényező, amely megköveteli a nagy öntési erő alkalmazását. Úgy is mondhatjuk, hogy szinte belőjük a folyékony fémet a formaüregbe.”

Az öntési folyamat elemeinek összehangolása, automatizálása, megfigyelése gyakorlatilag magával hozza a teljes iparág egyöntetű fejlődését. Ma már az öntés teljes folyamata során keletkező információt össze kell kötni az olvasztástól kezdve az olvadék ke­zelésén, hőmérsékletének szabályozásán, minőségének ellenőrzésén keresztül az öntés gyártástechnológiai paramétereiig. Ennek megfelelően az öntészet sem működhet már izolált iparágként, rendkívül sok határterülettel meg kell tanulnia – Varga László meg­fogalmazása szerint – együttműködni.

Az öntészet ma már nem izolált iparág, sok határterülettel kell együttműködnie. Az öntés teljes folyamata során keletkező információt össze kell kötni az olvasztástól kezdve az olvadék kezelésén, hőmérsékletének szabályozásán, minőségének ellenőrzésén keresztül az öntés gyártástechnológiai para­métereiig.

Automatizált öntöde

A gyártási folyamatból sok esetben kiveszik az embert. A legkritikusabb öntvények öntésekor ma már robotok dolgoznak a termelés folyamatosságának fenntartása, illetve az öntési para­méterek konstans ellenőrizhetősége érdekében. Ma már csak így lehet a minőségi el­várások­nak megfelelni. Ugyancsak az egyre szigorúbb minőségi elvárásoknak igyekeznek megfelelni az öntészetben alkalmazott új anyagokkal, amelyek a legtöbb esetben különböző fémek rendkívül pontosan szabályozott összetételű ötvözetei. De mi teszi szükségessé az egyre újabb alapanyagok alkalmazását?

A gyártási folyamatból sok esetben kiveszik az embert. A legkritikusabb öntvények öntésekor ma már robotok dolgoznak a termelés folyamatosságának fenntartása, illetve az öntési paraméterek konstans ellenőrizhetősége érdekében.

„Amikor anyagról beszélünk, nemcsak az öntvény anyagát kell megvizsgálnunk, hanem a szerszámét is. Ezekkel próbálunk válaszokat adni a kihívásokra. Egyre nagyobb kihívás az, hogy most már nemcsak nagy szilárdságot várnak el az öntvénytől, de vele párhuzamosan magas nyúlásértéket is. E kettőt együtt megvalósítani sokszor igen nehéz feladat” – magyarázza az Öntészeti Intézet igazgatója.
A szilárdság és a rugalmasság (vagy még pontosabban: a szívósság) egyidejű megvalósítása tehát a cél. Ezt leggyakrabban az ötvöző­tartalmak változásával lehet beállítani, miközben rend­kí­vül szűk tartományokban változhatnak csupán az összetevők arányai. A követelmények és kényszerek nemritkán szöges ellentétben állnak egymással. Egyes ötvözetek jók lennének szilárdsági szempontból, ugyanakkor nem önthetők megfelelően vagy más hátrányaik vannak. Számos paramétert kell tehát egyidejűleg összehangolni úgy, hogy vég­eredmény­kép­pen működő, és ipari keretek között is megvalósítható alapanyag, illetve segítségével az öntvény jöjjön létre.

A szerszámok terén a nagy méretű öntvények jobb hővezető képességű alapanyagok megjelenését tették szükségessé. Eközben természetesen a szerszámok anyagainál legalább olyan alapvető fontosságú elvárás a szilárdság és a szívósság. Emellett nem lehet figyelmen kívül hagyni a költségeket sem, hiszen ilyen nagy méretű szerszámok esetén ezek nagyon drágák. A szerszámkonstrukció és a benne alkalmazott anyagok meghatározzák azt is, hogy hány darab termék legyártását bírja ki, mielőtt javítani, cserélni kellene. Ezért nem csoda, hogy a fejlesztések egyik fő szempontja a szerszámélettartam megnövelése. A tönkrement szerszám pótlása önmagában is költséget jelent, ugyanakkor a miatta leálló termelés, selejtessé váló termékek megint csak nem növelik az üzem profitabilitását.

Radiológia az öntészetben

Az öntészeti minőség-ellenőrzés napjainkban már jobban hasonlít az orvosi radiológiai diagnosztikai eljárásokhoz, mint a klasszikus értelemben vett selejtkutatáshoz. A röntgen mára teljesen konvencionális vizsgálati eljárásnak számít, főként a biztonságtechnikai alkatrészek terén. Vannak olyan termékek, amelyek ma már teljes mértékű röntgenvizsgálatot követelnek meg, vagyis nem kerülhet úgy ki elkészült alkatrész az öntödéből, hogy minden egyes darab teljes egészét ne vizsgálnák át tüzetesen röntgen segítségével.
Ezekkel a vizsgálatokkal alapvetően repedéseket, inhomogenitásokat keresnek a termék felületén, illetve belső struktúrájában. Ezek ugyanis alapvető hatással vannak a szilárdságra és az egyéb mechanikai tulajdonságokra. A komputer­tomográf (CT) is rönt­gen­sugarakat használ, amikor az egészségügyi diagnosztikában megszokott módon néhány milliméteres vastagságú szeletfelvételeket készít a munkadarabról. A CT-vizsgálat még azokról a hibákról is teljes háromdimenziós képet képes alkotni, amelyek az egyszerű röntgennel nem fedezhetők fel olyan nagy pontossággal.

„A számítógép színezéssel jelöli a porozitásokat, esetleges anyaghiányokat, és ez segít a szakembereknek, hogy meghatározhassák, hogy e hibák milyen súlyosak, és pontosan hol helyezkednek el a termékben. Az így szerzett tudás kétszeresen is hasznos lehet. Egyrészt felhasználói oldalról, hiszen így az alkalmazó látja, hogy pontosan milyen tulajdonságokkal bíró öntvénnyel áll szemben. Másrészt a fejlesztők is tudomást szerezhetnek arról, hogy melyek a termék kritikus helyei, illetve az inhomogeni­tások méretéből a kialakulásukhoz vezető folyamatokra is következtetni tudunk
– mondja Varga László. – Ezután már könnyebb az, hogy a gyártástechnológia változtatásával orvosolni tudjuk ezeket a hibákat.”

Az, hogy ma már szó szerint mikroszkopikus hibákat is ki tudnak mutatni, az intenzív, tehát a legmodernebb technológiákat alkalmazó öntvényfejlesztés felé tereli az iparágat. Ugyanakkor az intézetigazgató bevallása szerint egyúttal nagyon nehézzé is teszi az öntészetet. Nagy kihívást jelent ugyanis, hogy kiküszöböljék mindazokat a hibákat, amelyekről korábban – a vizsgálómódszerek érzékenységének korlátozottsága miatt – még csak tudomásuk sem lehetett. Ma már olyan inhomogenitások is fel­fedezhetők kívülről, noninvazív technikák segítségével, amelyek korábban csak a termék roncsolásával voltak vizsgálhatók. Utóbbi esetben természetesen a vizsgált darab már nem volt alkalmas a felhasználásra, így a mérnököknek gyakorlatilag dönteniük kellett, hogy az adott termék belső szerkezetét alaposan megvizsgálják-e, vagy elküldik a megrendelőnek, hogy ő használja azt.
Természetesen nem minden felfedezett hiba jelenti azonnal azt, hogy a termék hasz­nál­hatat­lan. Mindig a hiba jellege, súlyos­sága, illetve az alkatrész rendeltetése dönti el, hogy milyen mértékű eltérések tolerálhatók még. Az egészen apró hibák úgymond bele vannak kalkulálva a technológiába. A trend egyértelműen az, hogy egyre több és egyre szélesebb körű felhasználási területű öntvényeket vetnek alá a legmodernebb vizsgálati eljárásoknak.

Napjainkban már a mikroszkopikus hibákat is ki tudják mutatni CT-vizsgálattal, mely a hibákról olyan teljes háromdimenziós képet alkot, amelyeket korábban – a vizsgálómódszerek érzékenységének korlátozottsága miatt – nem lehetett észrevenni.

Varga László elmondta, hogy ma CT-vel még jellemzően csak a high-tech öntvényeket vizsgálják át. Ilyenek a repülőgéprotorok vagy az elektromos autók motorjainak forgó alkatrészei. Itt egyáltalán nem mindegy, hogy az öntvény milyen mértékű porozitást tartalmaz, hiszen ezeknek a forgó részeknek akár percenként 10-15 ezres fordulatszámot is el kell tudniuk viselni. Ha nagy a termék belső struktúrájában az egyenetlenség, akkor a súlypontja már nem a tengelyre esik, így forgás közben túl nagy terhelést fejt ki a tengelyre. Ez nemcsak az elektromos motor hatásfokát csökkentheti, de az alkatrész korai meghibásodását is okozhatja.•

 
2019. október – Közlekedésfejlesztési különszám

2019. október – Közlekedésfejlesztési különszám

Hírlevél feliratkozás

Innotéka