Professori Kalevi Aaltonen 1 (15)

Aalto University Postal address Visiting address Tel. +358 9 47001 aalto.fi/en School of Engineering P.O. Box 14100 Otakaari 4 Kalevi.aaltonen@aalto.fi Kalevi Aaltonen FI-00076 AALTO Espoo, Finland Business ID 2228357-4 VAT FI22283574 Domicile Helsinki

Hybridityöstö - hetken muoti-ilmiö vai uusia uria aukova ke-

hitysharppaus

Työvälineiden valmistajien neuvottelupäivät Vaasa 28.- 29.1.2016

Professori Kalevi Aaltonen Aalto-yliopisto Tuotantotekniikka

Professori Kalevi Aaltonen 2 (15)

1. Johdanto

Työstön tuottavuuden ja tehokkuuden kasvaneet vaatimukset ovat ohjanneet työstöme-

netelmien kehitystä yksittäisistä prosesseista kohti yhdistelmätyöstöä, hybridityöstöä. Hi-

taan menetelmien evoluution sijaan tavoitteena on vallankumouksellinen menetelmien yh-

distäminen. Perinteisesti akselien työstöön on ollut tarjolla monitoimisorveja, joissa on yh-

distetty tehokas sorvaus ja pyörivät työkalut kiilaurien ja pienten reikien koneistukseen.

Onko akselien koneistaminen monitoimisorvilla hybridityöstöä? Onko monitoimisorvi hyb-

ridityöstökone?

Kuva 1. Monitoimisorvi, jossa on kaksi karaa ja pyörivät työkalut (Mazak INTEGREX IV) [1].

Professori Kalevi Aaltonen 3 (15)

2. Hybridityöstö

Kansainvälinen The International Academy for Production Engineering (CIRP) –orga-

nisaatio on määritellyt hybridityöstön kolmella rinnakkaisella tavalla [2]:

1) Erilaisten fysikaalisten työstöperiaatteiden integrointi tai yhdistäminen kuten laser

avusteinen koneistus

2) Tavallisesti erillisten prosessivaiheiden yhdistäminen kuten venytysmuovaus ja

inkrementaalinen (vähittäinen) levyn muovaus

3) Integroidut koneet eli hybridikoneet, joilla eri prosesseja voidaan tehdä samassa

laitteessa kuten jyrsinnän ja sorvauksen yhdistäminen

CIRP tarkensi määritelmiä ja ehdottaa käyttöön avointa määrittelyä ja rajattua määrittelyä:

1) Avoin määrittely: Hybridivalmistus yhdistää kaksi tai useampia olemassa olevia val-

mistusprosesseja yhdistelmätyöstöksi, jossa kummankin erillisen prosessin etuja

voidaan hyödyntää samanaikaisesti

2) Rajattu määrittely: Hybridiprosessi muodostuu samanaikaisesti vaikuttavista (ke-

miallisista, fysikaalisista, ohjatuista) perusprosesseista yhteisellä prosessi alueella

Vastaavasti tuotteita, joilla on hybridi rakenne tai toiminnallisuus pidetään hybridituotteina

tai hybridikomponentteina. [3], [4]

Hybridityöstön tärkeimpiä tutkimuskohteita ovat [2]:

1. Ainetta poistavat hybridityöstömenetelmät

koneistus ja sähkökemiallinen työstö (ECM)

koneistus ja kipinätyöstö (EDM)

koneistus ja laserleikkaus

laserleikkaus ja kipinätyöstö

laserleikkaus ja sähkökemiallinen työstö

Professori Kalevi Aaltonen 4 (15)

kipinätyöstö ja sähkökemiallinen työstö

sorvaus – jyrsintä; jyrsintä - hionta

ultraääniavusteinen koneistus

ultraääniavusteinen hionta

ultraääniavusteinen sorvaus

ultraääniavusteinen poraus

ultraääniavusteinen kipinätyöstö

lankasahaus ja etsaus

2. Ainetta muovaavat hybridityöstömenetelmät

levymuovauksen yhdistelmämenetelmät

laser lämpökäsittely ja muovaus

3. Ainetta lisäävät hybridityöstömenetelmät

kerrostetun materiaalin (jauheen) sulatus

sulan materiaalin kerrostaminen

seosmateriaalien kerrostaminen

monimateriaalien kerrostaminen

4. Ainetta lisäävät ja poistavat hybridityöstömenetelmät

laserkerrostus (laser cladding) ja koneistus

kaarihitsaus ja koneistus

sulasta kerrostaminen (shape deposition manufacturing) ja koneistus

sähkömuovaus ja kiillotus

puikoista koottu ruiskuvalumuotti ja sen koneistus (5-akselinen koneistus)

5. Ainetta liittävät ja poistavat hybridityöstömenetelmät

Professori Kalevi Aaltonen 5 (15)

6. Ainetta lisäävät ja aineen rakennetta muuttavat hybridityöstömenetelmät

7. Ainetta poistavat ja aineen rakennetta muuttavat hybridityöstömenetelmät

lämmityksellä tehostettu koneistus (laser avusteinen sorvaus, jyrsintä ja hi-

onta)

plasmalla tehostettu koneistus

laseravusteinen vesileikkaus

laseravusteinen sähkökemiallinen työstö

jäähdytyksellä tehostettu (kryogeeninen) koneistus

laseravusteinen kryogeeninen koneistus

3. Hybridityöstön esimerkkejä ja laitteistoja

Perinteisten lastuamismenetelmien yhdistäminen samaan monipuoliseen työstökonee-

seen tehostaa koneistusta, koska työkappaletta ei tarvitse siirtää koneiden välillä. Koneis-

tettavan kappaleen tarkkuus paranee, kun työstövaiheiden välillä työkappaletta ei tarvitse

irrottaa ja kiinnittää uudelleen. Työstökoneiden hankinnoissa voidaan säästää investoi-

malla monitoimiseen koneistuskeskukseen.

Useat uusimmista hybridityöstösovelluksista on raportoitu laboratoriokokeiden perus-

teella. Koelaitteistojen kaupallistaminen on aikaa vievä prosessi. Asiakastarve sanelee

mitkä kehitetyistä hybridityöstömenetelmistä tunkeutuvat markkinoille ja mitkä menestyvät

kireässä kilpailutilanteessa. Vuosittain järjestettävillä työstökonemessuilla esitellään osas-

tojen vetonauloina erikoisia hybridityöstötekniikoita. Tavoitteena on pysäyttää messuvie-

raat osastolle. Messuesittelystä on usein pitkä tie markkinoitavaan tuotteeseen ja monia

hätkähdyttäviäkin menetelmäuutuuksia on unohtunut alkuhämmästyksen jälkeen.

Professori Kalevi Aaltonen 6 (15)

Geometrialtaan mutkikkaat kappaleet, joissa on kaksoiskaarevia pintoja, edellyttävät vii-

siakselista koneistamista. Vaakakarainen koneistuskeskus voidaan varustaa hioma-

päällä, jolloin esimerkiksi turbiinien siipien koneistus tae- tai valuaihiosta hiotuiksi loppu-

tuotteiksi voidaan tehdä vähillä kiinnityksillä yhdessä monitoimisessa työstökoneessa.

Kuva 2. Turbiinin siipien koneistukseen tarkoitettu viisiakselinen CNC hiomakone, jolla voidaan myös jyrsiä, porata ja kierteittää. (Makino G5) [5]

Viisiakseliseen suurnopeuskoneistuskeskukseen liitetty ainetta lisäävä lasertyöstöpää (la-

ser deposition) tehostaa geometrialtaan vaativien kappaleiden valmistusta. 3D-tulostetu-

jen rakenteiden pinnankarheus ja tarkat toleranssit voidaan viimeistellä suurnopeusjyrsin-

nällä. Hybridikoneessa työstöt voidaan tehdä kappaletta välillä irrottamatta, mikä eliminoi

turhat asetusajat.

Professori Kalevi Aaltonen 7 (15)

Kuva 3. Ainetta lisäävä lasertyöstö osana 5-akselista koneistuskeskusta tarjoaa uu-sia mahdollisuuksia mutkikkaiden tuotteiden valmistuksessa. (DMGMORI Lasertec 65 3D) [6]

Saksalainen Hermle Maschinenbau esitteli Euromold 2014 –messuilla hybridikoneen

jossa on yhdistetty koneistuskeskukseen metallijauheen ruiskutusyksikkö. Metallijauhe

ruiskutetaan suuttimesta korkeapaineisen ja -nopeuksisen kaasun avulla työkappaleen

pinnalle. Korkean paineen alaiset partikkelit deformoituvat törmätessään työkappalee-

seen ja muodostavat kiinteän komposiittipinnan.

Kuva 4. Metallijauheen ruiskutusyksikkö (metal powder, MPA –technology) on liitetty osaksi viisiakselista koneistuskeskusta. Metallijauheella pinnoitetaan valmis-tettava akseli. [7]

Professori Kalevi Aaltonen 8 (15)

Ultraääntä voidaan työstössä käyttää sekä työkappaleen että työkalujen hallittuun väräh-

telyliikkeeseen. Korkean taajuuden värähtely vähentää työstön energiantarvetta ja tehos-

taa lastunmuodostusta; lastut irtoavat edullisina lyhyinä katkolastuina. Menetelmä sovel-

tuu hyvin myös hauraiden materiaalien kuten keraamien työstöön. Ultraäänipää voidaan

kytkeä osaksi koneistuskeskusta tai liittää sorviin tai hiomakoneeseen. Ultraäänityöstöllä

voidaan työkappaleen pinta viimeistellä yksikärkiterällä tehdyn työstön jälkeen. Pinnan-

karheuden huiput tasoittuvat plastisen muovauksen ansiosta.

Kuva 5. Ultraäänityöstön liittäminen osaksi viisiakselista koneistuskeskusta tehostaa työstöä ja parantaa työkappaleen pinnanlaatua (DMGMORI, Ultrasonic 60 duo Block) [8].

Hybridityöstössä laseria voidaan ainetta lisäävän työstön lisäksi käyttää koneistettavan

pinnan kuumentamiseen, lastujen murtamiseen sekä erillisenä työstövaiheena perintei-

sen lastuavan työstön koneissa. Automaattisorvista saadaan laser-optiolla monipuoli-

sempi kone, joka soveltuu suurelle joukolle erityyppisiä työkappaleita.

Professori Kalevi Aaltonen 9 (15)

Kuva 6. Laseryksiköllä monipuolistetaan automaattisorvin sovellusaluetta. Suunnitte-lijalla on enemmän vapauksia kappalegeometrian suhteen (Tsugami S206-II ja IMG 400LS Laser yksikkö) [9].

Kuva 7. Automaattisorvissa lasertyöstöyksikkö täydentää perinteistä teräasetusta [9].

Laserilla kuumennetaan työkappaleen pintaa sorvauksessa. Laseravusteisella sorvauk-

sella voidaan koneistaa perinteisin menetelmin vaikeasti koneistettavia lujia ja kovia ma-

teriaaleja, lyhentää koneistusaikaa ja alentaa lastuamisen kustannuksia. Laseravustei-

sesti koneistettaessa voidaan jäähdytysnesteen käytöstä luopua tai käyttää minimääräistä

nestevirtausta. [10]

Professori Kalevi Aaltonen 10 (15)

Laserin avulla voidaan tehostaa levyn muovausta painosorvilla. Laserilla kuumennetaan

muovausalue ja muodonmuutosenergia pienentyy ja kappaleiden mittatarkkuus para-

nee. [10]

Kuva 8. Työkappale kuumennetaan sorvissa laserilla ennen lastun irrottamista perin-teisellä kovametallisella tai keraamisella teräpalalla [10].

Kuva 9. Painosorvissa laserilla kuumennetaan työkappale paikallisesti ja näin paran-netaan materiaalin muovattavuutta [10].

Hybridityöstöksi luokitella myös ns. kyrogeeninen koneistus. Perinteinen öljypohjainen

lastuamisneste korvataan matalalämpötilatyöstössä nesteytetyllä kaasulla kuten typellä

Professori Kalevi Aaltonen 11 (15)

tai hiilidioksidilla. Alhainen lämpötila vähentää lastuavan terän kulumista ja osin myös

haurastuttaa perusaineen pintaa, mikä vaikuttaa syntyvien lastujen muotoon ja pituuteen.

Tavoitteena olevia käpertyneitä ja lyhyitä katkolastuja muodostuu kyrogeenisessä

koneistuksessa perinteistä koneistatusta enemmän. Lastuamista voidaan tehostaa myös

normaalilämpöisellä suuripaineellisella lastuamisnesteellä.

Kyrogeenisen koneistuksen etuina mainitaan:

Työstökohdan tehokas jäähdytys

Vähäinen terän kuluminen

Mahdollisuus käyttää suurempia työstöparametrien arvoja ja tehostaa lastuvirtaa

Työhygienian ja ympäristövaikutuksiltaan myrkyllisten lastuamisnesteiden käytön

minimointi [11]

Kuva 10. Lastuavan työstön terien ja työkappaleiden jäädytys nestemäisillä kaasuilla lisää terien kestoaikaa tai lyhentää työstöaikoja (Okuma). [12]

Työkalujen valmistuksessa tärkeästä kipinätyöstöstä on kehitetty myös hybridityöstöver-

sioita. Kipinätyöstön elektrodina voidaan käyttää metallista hiomalaikkaa. Kone on erit-

täin tarkka. Työkappaleen tarkkuus on työstön jälkeen ± 5 µm. Kipinähionnalla työste-

tään erittäin kovia terämateriaaleja (PCD ja CBN).

Professori Kalevi Aaltonen 12 (15)

Kuva 11. Kipinätyöstön aineenirrotustehoa on parannettu yhdistämällä kipinätyöstö-

koneeseen hiontakara. Hiomalaikka on metallinen eikä siinä ole hioma-aine-rakeita (Novispeed 300) [13].

Menzies ja Koshy yhdistivät työstökokeissaan lankasahauksen ja abrasiivisen työstön. Lankasahan sähköä johtavaan elektrodilankaan istutettiin kovia kuluttavia partikkeleja. Työstön aineenirrotusteho kasvoi ja kipinätyöstössä syntyvä työkappaleen vauriokerros voitiin poistaa työstön aikana [14].

Kuva 12. Lankasahauksen elektrodilangan hiovat rakeet tehostavat työstöä ja poista-

vat kipinätyöstön vauriokerroksen [14]. 4. Yhteenveto

Hybridityöstöllä voidaan tehostaa perinteisiä työstömenetelmiä. Uudet työstöteknologiat

kuten lasertyöstö ja ainetta lisäväät valmistusmenetelmät soveltuvat hyvin perinteisten

lastuamistekniikoiden ja levytyömenetelmien täydentäjiksi. Tulevaisuuden työstöteknii-

Professori Kalevi Aaltonen 13 (15)

koilla pyritään minimoimaan turhia kustannuksia aiheuttavat sivu- ja apuajat. Samaan ko-

neeseen yhdistetyt rinnakkaiset työstömenetelmät eliminoivat osan kappaleiden kuljetuk-

sista ja kiinnityksistä, mikä parantaa työstömenetelmien tuottavuutta. Hybridityöstöllä voi-

daan valmistaa mutkikkaita ja vaikeasti koneistettavia kappaleita. Materiaalitekniikka ke-

hittää jatkuvasti aikaisempaa lujempia ja kovempia raaka-aineita. Näiden uusien materi-

aalien prosessointiin hybridityöstö avaa uusia mahdollisuuksia.

Osaa hybridityöstömenetelmistä vasta kehitetään tutkimuslaboratorioissa, osa menetel-

mistä on jo kaupallistettu ja ne ovat aktiivisessa käytössä konepajoissa. Laboratorio-olo-

suhteissa toimivaksi osoitetun uuden hybridityöstömenetelmän jalostuminen markkinoita-

vaksi erikoistyöstökoneeksi on usein vuosia kestävä kehitysprojekti. Osa julkistetuista uu-

sista menetelmistä on lyhyen innostusvaiheen jälkeen osoittautunut liian kalliiksi tai hi-

taaksi ja niiden elinkaari on jäänyt vain muutaman vuoden mittaiseksi. Toiset menetelmät

kuten monitoimisorvaus on lunastanut paikkansa työstömenetelmien joukossa ja se on

ajan myötä syrjäyttänyt erillisissä koneissa tehdyn sorvauksen, jyrsinnän ja porauksen.

Lasertyöstöllä täydennettynä monitoimisorvi on jatkossakin yksi konepajojen avainko-

neita. Tällä hetkellä vallitsevan teknologiatyönnön sijaan hybridikoneistuksen tulevaisuus

rakentuu pitkälle asiakaslähtöiseen ja kustannustehokkaaseen innovointimalliin. Hybridi-

työstö on mielestäni sekä ajankohtainen muoti-ilmiö että uusia uria aukova poikkitieteelli-

nen teknologian kehitysharppaus.

Professori Kalevi Aaltonen 14 (15)

Lähteet:

[1] https://www.mazak.com/ , viitattu 17.9.2015 [2] Zhu, Z., Dhokia, V. G., Nassehi, A. and Newman, S. T. (2013) A review of

hybrid manufacturing processes - state of the art and future perspectives. In-ternational Journal of Computer Integrated Manufacturing, 26 (7). s. 596 - 615. ISSN 0951-192X, myös URL-osoitteessa: http://dx.doi.org/10.1080/0951192X.2012.749530, viitattu 17.9.2015

[3] Roderburg, A., Gerhardt, K., Hinke, C., Park, H.S., Buchholz, S. and Klocke,

F., 2011. Design methodology for innovative hybrid manufacturing technolo-gies. Proceedings of the 2011 17th International Conference on Concurrent Enterprising (ICE 2011), s. 1-9.

[4] Holtkamp, J., Roesner, A. and Gillner, A., 2010. Advances in hybrid laser

joining. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 47(9-12), s. 923-930.

[5] http://www.makino.com/horizontal-machining-5-axis/g5/ . viitattu 18.9.2015 [6] http://en.dmgmori.com/products/lasertec/lasertec-additivemanufacturing/la-

sertec-65-3d#Intro , viitattu 21.9.2015 [7] European Tool and Mould Making, Vogel Business Media GmbH & Co.

http://www.etmm-online.com/additive_technology/articles/480891/, viitattu 11.3.2015

[8] http://en.dmgmori.com/products/ultrasonic/ultrasonic-duoblock/ultrasonic-

60-duoblock , viitattu 21.9.2015 [9] http://www.remsales.com/home/machines/tsugami_s206-

ii_with_img_400ls_40.html , viitattu 21.9.2015 [10] http://www.ipt.fraunhofer.de/content/dam/ipt/en/documents/broschures/-

130_04_Laser-assisted%20machining.pdf ,viitattu 21.9.2015 [11] http://www.iwu.fraunhofer.de/content/dam/iwu/en/documents/Brochures/-

IWU-KB-Hybrid-Machining-Processes-in-Cutting-Technology.pdf , viitattu 21.9.2015

[12] http://www.okuma.com/cryogenic-machining-systems-can-extend-tool-life-

and-reduce-cycle-times-1 , viitattu 21.9.2015 [13] http://www.novick.eu/products/?categ1=EDM%20Grinding&categ2-

=Precision%20Diamond%20EDM&id=17&language=en , viitattu 22.9.2015

Professori Kalevi Aaltonen 15 (15)

[14] Menzies, I., Koshy P. Assessment of abrasion-assisted material removal in

wire EDM, CIRP Annals - Manufacturing Technology, Volume 57, Issue 1, 2008, s. 195–198.