Výroba odlitku od A do Z: Od výkresu k hotové lopatce turbíny za několik měsíců, někdy i let

Málokdo si uvědomuje, co vše zahrnuje výroba lopatky turbíny nebo turbínového kola. Proces odlévání takového produktu začíná u voskového modelu. K němu se však slévárna dopracuje až po asi 10 týdnech po obdržení výkresů a 3D modelů. Následuje výroba skořepinové formy, odlévání ve vakuové tavicí peci, odstranění skořepiny a samozřejmě kontrola kvality hotového odlitku. Cesta od výkresu k výrobě ve větších sériích je tak otázkou mnoha měsíců, ale někdy i let.
Výroba odlitku od A do Z: Od výkresu k hotové lopatce turbíny za několik měsíců, někdy i let

Voskové modely pro výrobu odlitků turbínových kol


Před samotným procesem výroby nového odlitku je v prvé řadě nutné provést konstrukční zpracování zařízení pro výrobu voskových modelů. Výroba modelového zařízení je prováděno v kooperaci s externím dodavatelem na základě výkresů a 3D modelů. V rámci těchto předvýrobních operací je v některých případech nutné konstrukčně zpracovat také přípravky na odkládaní voskových modelů, měřící přípravky, formy na chladítka atd.

Výroba voskových modelů a vtokových soustav

Jakmile je hotovo modelové zařízení v podobě ocelové formy, může začít výroba voskového modelu. Do ocelové formy se vstříkne speciální vosk, který se po zchladnutí opatrně vyjme. S takto vytvořeným voskovým modelem je nutné zacházet velmi opatrně, aby nedošlo k jeho poškození, což by způsobilo znehodnocení finálního odlitku. „Nejedná se o klasický přírodní vosk, nýbrž o speciální syntetický produkt. U vosku, který používáme je třeba počítat se smrštěním cca 3 %. Voskový model tedy musí být mírně větší než finální odlitek,“ popisuje Jan Vojtěch, vedoucí technologického oddělení DPL.
Poté co je nalisován voskový model, je nutné ho připevnit na připravenou vtokovou soustavu. V některých případech je na vtokovou soustavu přilepen jeden voskový model, jindy může vtoková soustava obsahovat více voskový modelů. Vše záleží na jejich tvaru a velikosti. „Vtok je třeba vhodně dimenzovat, aby bylo zajištěno bezchybné odlití. Zpravidla se dělá několik vzorkových sérií s různými typy vtoků. Cílem těchto zkoušek je vytipovat nejvhodnější typ vtokové soustavy tak, aby bylo zajištěno maximální využití tekutého kovu a zároveň bylo zabezpečeno optimální plnění odlitku. V první fázi se proto dělají méně početné série, aby se eliminovaly případné zmetky vzniklé použitím nevhodného vtokové soustavy,“ dodává Jan Vojtěch.

Výroba keramické skořepinové formy

V další dílčí fázi výroby je nutné vyrobit keramickou skořepinou formu. Ta vzniká postupným nanášením obalovacích vrstev na vtokovou soustavu s voskovými modely. Vtoky s modely se namáčí v tzv. obalovací břečce, na kterou se následně nanese molochitový posyp. A tak pořád dokola. Množství obalovacích vrstev se liší dle tvaru a složitosti budoucího odlitku. Zpravidla jich bývá 8 až 16. „Při výrobě keramických skořepin je nutné dodržet mnoho parametrů jako je např. hustota a viskozita břeček a při samotném prosychání jednotlivých obalů pak vlhkost, teplota ale třeba i optimální proudění vzduchu,“ vysvětluje Jan Vojtěch. „Každá vrstva musí asi 4 až 6 hodin schnout, první vrstva dokonce až 24 hodin. I když je obalovna automatizovaná, první vrstvu musí dělat člověk ručně, aby byla zajištěna požadovaná kvalita,“ dodává Jan Vojtěch.
Po skončení celého procesu výroby keramické skořepinové formy je nutné vytavit vosk, který se ve skořepině nachází. Tento proces se děje ve speciálním zařízení, které funguje na principu předehřáté páry a vysokého tlaku.
P3110135.JPG

Nanášení obalových vrstev na voskové modely při výrobě keramických skořepinových forem

Tavení a odlévání

Dalším krokem výroby odlitku je samotný proces odlévání. Keramická skořepinová forma je umístěna do plynové žíhací pece a zde je při teplotě 1050 až 1130 °C žíhána po dobu cca 4 až 6 hodin. „Toto vypalování zajistí skořepině jednak zpevnění, ale rovněž se tím eliminuje tepelný šok, protože se minimalizuje rozdíl teplot mezi skořepinou a roztavenou slitinou,“ upozorňuje Jan Vojtěch. Mezitím je ve vakuové peci roztaven materiál. Zpravidla se jedná o niklové a kobaltové superslitiny, které se vyznačuji vysokou tepelnou odolností a jsou tedy v hodné pro nejnáročnější typy odlitků, které musejí pracovat za vysokých teplot.
Vyžíhaná skořepinová forma je umístěna do jedné ze dvou komor vakuové pece. Následně je z této komory odsát vzduch a může dojít k samotnému odlití materiálu do připravené formy. Proces tavení a odlévání materiálu se tedy děje v prostředí vakua, čímž nedochází ke znečištění materiálu oxidy. Po odlití je skořepina vyjmuta z pece a čeká se na její celkové zchladnutí.

Odstranění formy

V poslední fázi výroby odlitků je nutné odstranit skořepinovou formu. Děje se tak mechanicky pomocí pneumatického kladiva a následně tryskáním. U menších dílů se tryskání provádí ručně. Poté se odlitek odřeže od vtokové soustavy a je odeslán na kontroly kvality.

Kontrola kvality

Mezi první kontrolu patří kontrola vizuální. Následují pak kontroly speciální jako je FPI (defektoskopie pomocí UV lampy) a RTG. V případě vzorkových sérií je nutné také provést kontrolu rozměru, která se děje pomocí 3D měřícího zařízení. V některých případech je také nutné provést ještě finální kooperace jako je například obrobení částí odlitku, tepelné zpracování případně HIP, což je speciální operace sloužící k odstranění vnitřní porozity odlitku. Pokud odlitek splňuje všechny požadavky předepsané v technických podmínkách je možné jej zaslat k finální kontrole, kde probíhá kompletace veškeré dokumentace k odlitku a poslední kontrola před odesláním k zákazníkovi. Poté je odlitek nabalen do speciálních beden a je expedován.


Proces vývoje odlitku je během na dlouhou trať. Od výkresu k hotovému finálnímu produktu se tak slévárna dopracuje až za několik měsíců, ale může to být i více než rok. Složitost výrobního procesu asi nejlépe demonstruje počet operací, které musí být provedeny, než je možné finální odlitek odeslat zákazníkovi, případně nový typ odlitků zavést do sériové výroby.
 

Jak se kontroluje kvalita odlitků?

  • Broušení – první vizuální kontrola, začištění povrchu odlitku od drobných pozitivních defektů
  • 3D měření – provádí se pouze během vývoje a má zjistit, zda jsou odlitky v rozměrových tolerancích
  • FPI kontrola – kapilární defektoskopie pro zjištění vad na odlitcích
  • RTG kontrola – kontrola vnitřních vad v odlitcích
Djpg
FPI kontrola​