Porównanie technologii obróbki skrawaniem oraz wytwarzania przyrostowego elementów wykonanych z tworzyw sztucznych – cz. II

Nikt dziś nie wyobraża sobie nowoczesnego przemysłu wytwórczego bez obróbki skrawaniem. Technologia druku 3D jest natomiast nadal traktowana jako nowa, niesłusznie. Pomimo wielu mitów addytywne i subtraktywne technologie wytwórcze dziś doskonale współdziałają ze sobą. Często uzupełniają się lub, w określonych warunkach, zastępują.

Warunki eksperymentu – obróbka subtraktywna

Druga część badań polegała na wykonaniu tego samego elementu w technologii obróbki subtraktywnej. Funkcję półfabrykatu pełnił wał PET o średnicy 90 mm i długości 1000 mm. Tolerancję wymiaru średnicy określono jako + 0,4/+ 2,5. Waga jednego metra takiego półfabrykatu to 9,42 kg. Pierwszą przeprowadzoną operacją było cięcie zapewniające uzyskanie odpowiedniej długości materiału wejściowego. Następnie prowadzono obróbkę w kolejności: toczenie, wiercenie, a na końcu frezowanie i wiercenie otworów w podstawie przedmiotu obrabianego. Do realizacji procesu wykorzystano sześć narzędzi: dwa wiertła węglikowe, dwa noże tokarskie z płytkami z węglików spiekanych, jeden frez trzpieniowy 4-ostrzowy ze stali szybkotnącej i nawiertak. Parametry procesu dla tej części badań przedstawiono w tab. 2.

STAL_9-10_22_Magdalena_Wisniewska_POROWNANIE_OBROBKI_SKRAWANIEM_I_WYTWARZANIA_PRZYROSTOWEGO_TAB_2
Tab. 2. Zestawienie parametrów skrawania zastosowanych podczas obróbki

Trudności

Dla tego etapu wytwarzania pojawiły się problemy przede wszystkim z wiórem. Materiał wybrany w eksperymencie dawał długie, splątane wióry, co pokazano na rys. 7. Problemem był również taki dobór parametrów, aby dodatkowo wiór oraz materiał obrabiany się nie topiły i przypalały.

STAL_9-10_22_Magdalena_Wisniewska_POROWNANIE_OBROBKI_SKRAWANIEM_I_WYTWARZANIA_PRZYROSTOWEGO_RYS_1_A
Rys. 7a. Problematyczne wióry, które pojawiły się w procesie obróbki ubytkowej: toczenie; zdjęcie: autorka
STAL_9-10_22_Magdalena_Wisniewska_POROWNANIE_OBROBKI_SKRAWANIEM_I_WYTWARZANIA_PRZYROSTOWEGO_RYS_1_B
Rys. 7b. Problematyczne wióry, które pojawiły się w procesie obróbki ubytkowej: wiercenie; zdjęcie: autorka

Analiza eksperymentu: obróbka skrawaniem a druk 3D

Do porównania a także oceny wybranych metod przyjęto kilka kryteriów. Pierwszym kryterium był czas potrzebny do wyprodukowania przedmiotu testowego. Oprócz długości samego procesu produkcyjnego uwzględniono również czas ustawienia maszyn i przygotowania niezbędnego sprzętu. Wyniki pomiaru czasu przedstawiono w tab. 3. Dodatkowo element wykonano również na maszynach konwencjonalnych, obsługiwanych ręcznie przez wykwalifikowaną osobę (takie same parametry i narzędzia jak dla CNC), a całkowity czas wyniósł 53 min 10 s.

STAL_9-10_22_Magdalena_Wisniewska_POROWNANIE_OBROBKI_SKRAWANIEM_I_WYTWARZANIA_PRZYROSTOWEGO_TAB_3
Tab. 3. Całkowity czas potrzebny do wyprodukowania detalu z zastosowaniem dwóch technologii

Wyniki pomiaru czasu wyraźnie pokazują, że w tym przypadku obróbka skrawaniem jest mniej czasochłonną technologią niż wytwarzanie addytywne. Ewentualna obróbka wykańczająca wydruku 3D, której tu nie stosowano, dodatkowo wydłużyłaby czas całego procesu.

Następnym branym pod uwagę kryterium porównania technologii był koszt wytworzenia jednego elementu. Zawiera informacje takie jak:

  • koszt użytego materiału,
  • koszt energii,
  • koszty dodatkowe.

Koszty


Koszt zakupu jednej szpuli filamentu PETG (na której znajduje się około 1 kg materiału) to ok. 26 €. Wydrukowany element został zważony i na podstawie tych informacji obliczono koszt użytego materiału. Cena za metr bieżący półwyrobu do obróbki subtraktywnej wahała się od 84 do 145 € w zależności od producenta. Biorąc pod uwagę fakt, że zastosowano wałek PET 113 mm, obliczono koszt materiału potrzebnego do wykonania badanego elementu. Wyniki obliczeń przedstawiono w tab. 4.

STAL_9-10_22_Magdalena_Wisniewska_POROWNANIE_OBROBKI_SKRAWANIEM_I_WYTWARZANIA_PRZYROSTOWEGO_TAB_4
Tab. 4. Koszt użytego materiału oraz ceny oferowane przez producentów (wg danych ze stycznia 2021 roku)

Do obliczenia kosztu energii elektrycznej potrzebnej maszynom do wyprodukowania badanych elementów przyjęto średni koszt 1 kWh we Wrocławiu, wynoszący 0,22 € (stan na styczeń 2021 r.). Pobór mocy drukarki 3D został zmierzony bezpośrednio za pomocą watomierza. Niestety nie było to jednak możliwe w części dotyczącej obróbki subtraktywnej. Dlatego moc pobieraną przez obrabiarki obliczono na podstawie teoretycznego wzoru. Wzór ten w przybliżeniu określił ilość pobieranej energii elektrycznej. Znając moc pobieraną przez maszyny w ciągu jednej godziny, można obliczyć całkowity koszt energii elektrycznej zużywanej podczas produkcji elementu. Całkowity koszt energii elektrycznej dla druku 3D wyniósł ~ 0,14 €, a dla obróbki skrawaniem 0,44 €.

Koszty zakupów narzędzi

W artykule nie uwzględniono kosztów związanych z zakupem specjalistycznych narzędzi, urządzeń a także maszyn. Całkowity koszt wytworzenia detalu technologią druku 3D wyniósł 3,43 €, zaś z wykorzystaniem obróbki skrawaniem 10,25 €. Obliczone koszty wyprodukowania badanego elementu jednoznacznie wskazują na przewagę technologii druku 3D w tym aspekcie. Nawet przy założeniu, że cena półfabrykatu była najmniejsza z możliwych, całkowity koszt obróbki skrawaniem detalu jest około 3 razy wyższy. W niniejszej pracy nieuwzględnione zostały koszty związane z zakupem specjalnych narzędzi, oprzyrządowania oraz maszyn. Biorąc pod uwagę ceny drukarek 3D oraz obrabiarek, wytwarzanie przyrostowe wypada pod tym względem o wiele korzystniej.

STAL_9-10_22_Magdalena_Wisniewska_POROWNANIE_OBROBKI_SKRAWANIEM_I_WYTWARZANIA_PRZYROSTOWEGO_TAB_5
Tab. 5. Zestawienie wartości parametrów chropowatości dla dwóch metod wytwarzania i poszczególnych powierzchni wytwarzanego detalu

Badania porównawcze

Porównanie chropowatości powierzchni badanych elementów (tab. 5) odbyło się zgodnie z zaleceniami zawartymi w normie PN-ISO 4288:1998 na stanowisku Mitutoyo Surftest SV-3200 (rys. 8).

STAL_9-10_22_Magdalena_Wisniewska_POROWNANIE_OBROBKI_SKRAWANIEM_I_WYTWARZANIA_PRZYROSTOWEGO_RYS_8
Rys. 8. Sposób pomiaru chropowatości powierzchni elementu; zdjęcie: autorka

Na rys. 9 przedstawiono porównanie jakości powierzchni uzyskanych dwoma technologiami.

STAL_9-10_22_Magdalena_Wisniewska_POROWNANIE_OBROBKI_SKRAWANIEM_I_WYTWARZANIA_PRZYROSTOWEGO_RYS_9
Rys. 9. Wykres przedstawiający średnią wartość parametru chropowatości Ra w zależności od badanej powierzchni i technologii wytwarzania; rysunek: autorka

Chropowatość powierzchni oraz jakość

Jakość i chropowatość powierzchni to najszerzej i najczęściej opisywany aspekt badań nad drukiem 3D. W pracach [15, 26-28] dokonano przeglądu i opisu wielu aspektów i testów. Autorzy opisali podobne problemy z jakością powierzchni, jakie napotkano przy tworzeniu tego artykułu. Doświadczenie w pracy z wybranym materiałem uchroniło autorów przed problemami takimi jak zerwanie drutu i zapychanie się dyszy, przepalenia, niedokładność kształtu, słabe połączenie warstw [26, 28]. W celu wizualnego porównania wybranych powierzchni wykonano również zdjęcia mikroskopowe (rys. 10).

STAL_9-10_22_Magdalena_Wisniewska_POROWNANIE_OBROBKI_SKRAWANIEM_I_WYTWARZANIA_PRZYROSTOWEGO_RYS_10
Rys. 10. Fotografie mikroskopowe wybranych powierzchni, w kolumnie lewej dla procesu wydruku, po prawej dla obróbki skrawaniem; zdjęcia: autorka

Jak widać na zdjęciach mikroskopowych jakość powierzchni drukowanego elementu nie jest zadowalająca. Obserwacja struktury powierzchni detalu pokazuje wyraźne granice pomiędzy warstwami. Może to oznaczać, że materiał nakładanych warstw nie przenikał się całkowicie, co nie pozwoliło na stworzenie jednolitej struktury. Wynikać to może z niedokładności posuwu urządzenia drukującego, jakości filamentu, warunków temperaturowych. Ten sam problem został też szeroko opisany w [28].

Galeria

Zrobotyzowana konserwacja w przemyśle chemicznym

Wykonywanie zadań konserwacyjnych i kontrolnych w krytycznych obszarach przy użyciu autonomicznego robota — to zadanie realizuje firma Evonik, działająca w branży chemii specjalistycznej, w ramach projektu innowacyjnego realizowanego z trzema partnerami w jednym z zakładów c...

odpornosc-chemiczna-posadzek-zywicznych-co-oznacza-fot-4
Partner kategorii:

Odporność posadzek żywicznych na chemię – co oznacza w praktyce?

Odporność chemiczną materiału należy rozpatrywać w odniesieniu do ściśle określonych substancji, które mogą pojawić się na jego powierzchni. Warto pamiętać o tym, że chemia to nie tylko silnie działające detergenty, paliwa czy specjalistyczne środki stosowane w przemyśle, ale ...

STAL_11-12_22_Piotr_Kurp_Hubert_Danielewski_PRZEMYSLOWE_TECHNOLOGIE_CIECIA_BLACH_iStock-1223281150
Partner kategorii:

Przegląd przemysłowych technologii cięcia blach

Odkąd metal i jego stopy stały się powszechnie wykorzystywane na skalę przemysłową, jednym z podstawowych półproduktów stały się blachy płaskie.  Obecnie produkty z blach płaskich stanowią znaczną część metalowego rynku obróbki metali. ...

Partner kategorii:

Czym kierować się przy wyborze wycinarki laserowej?

Technologia laserowego cięcia metali niewątpliwie zrewolucjonizowała przemysł. Obecnie na polskim rynku jest wiele firm dostarczających wycinarki laserowe. Czym kierować się przy wyborze takiego urządzenia? Przyjrzyjmy się temu nieco bliżej, odwołując się do kilk...

STAL_11-12_22_WSPOLPRACA_DROGA_DO_DYNAMICZNEGO_ROZWOJU_FOT_2
Partner kategorii:

„Działamy na zasadzie partnerstwa”. Współpraca drogą do dynamicznego rozwoju

Kompleksowa integracja produkcji to proces wielowymiarowy, wymagający cierpliwości, czasu, komunikacji, a przede wszystkim profesjonalnego podejścia i zrozumienia potrzeb konkretnego zakładu. O blaskach i cieniach procesu wdrażania oprogramowania w wywiadzie z re...

STAL_11-12_22_Hubert_Danielewski_ZLACZA_ZAKLADKOWE_JEDNO_ORAZ_ROZNOIMIENNE_iStock-595744716
Partner kategorii:

Spawanie laserowe złączy zakładkowych jedno- oraz różnoimiennych − analiza problemu

Technologie spawalnicze w ciągu ostatniego dziesięciolecia rozwijają się bardzo szybko, zwłaszcza za sprawą metod wykorzystujących skoncentrowany strumień energii, takich jak spawanie elektronowe, plazmowe oraz laserowe.

produkcja-polprzewodnikow-fot-1
Partner kategorii:

Europa musi pilnie rozpocząć produkcję półprzewodników

Szacuje się, że popyt na najnowocześniejsze chipy, generowany przez szybki rozwój technologii, takich jak sieci 5G, 6G oraz sztuczna inteligencja, będzie odpowiadał za ponad 40 proc. europejskiej konsumpcji półprzewodników do 2030 roku. Jednocześnie niedawno wprowadzone restry...

awaria-czy-usterka-fot-5
Partner kategorii:

Awaria czy usterka?

Czy awaria i usterka maszyny to to samo? Jakie są między nimi różnice i co na co wpływa? Artykuł wyjaśnia subtelną, ale istotną różnicę między tymi dwoma zjawiskami. Język jakim się posługujemy ma znaczenie. I to nie tylko w literatu...

cynk-a-ochrona-przeciwkorozyjna-stali-przeglad-zastosowan-fot-2
Partner kategorii:

Rola cynku w ochronie przeciwkorozyjnej stali – przegląd zastosowań

Metaliczny cynk, w różnych postaciach, jest nadal masowo i z doskonałymi rezultatami wykorzystywany w wielu technikach ochrony przed korozją konstrukcji i wyrobów stalowych eksploatowanych w różnych warunkach – w atmosferze, wodzie i ziemi. Niniejsze opracowanie ma na celu wsk...

reklama
reklama

Relacje

Katalog produktów

Nasze strony wykorzystują pliki cookies. Korzystanie z naszych stron internetowych bez zmiany ustawień przeglądarki dotyczących plików cookies oznacza, że zgadzacie się Państwo na umieszczenie ich w Państwa urządzeniu końcowym. Więcej szczegółów w Polityce prywatności.