Odtworzenie części aluminiowej bez dokumentacji: od skanu 3D do gotowego odlewu

Część aluminiową można odtworzyć bez rysunku: oryginał skanuje się w 3D, na tej podstawie powstaje model CAD, a z niego model odlewniczy, odlew i obróbka powierzchni funkcyjnych. To rozwiązanie dla działów utrzymania ruchu, serwisów i właścicieli starszych maszyn, gdy części nie da się kupić, a naprawa nie wchodzi w grę.

W skrócie

• Do odtworzenia wystarczy oryginał – także zużyty lub pęknięty; najlepiej, jeśli zachowały się wszystkie fragmenty.
• Model 3D gotowej części to jeszcze nie model odlewu: trzeba dodać naddatki na obróbkę, pochylenia odlewnicze i skurcz.
• Przy jednej lub kilku sztukach zwykle wybiera się formę piaskową, którą akademicki podręcznik „Odlewnictwo” (WNT) uznaje za ekonomiczną przy każdej wielkości serii.
• Kopia odlewu ciśnieniowego wykonana w formie piaskowej często wymaga pogrubienia ścianek: minimum to tu 3–6 mm, a nie 0,7–1,5 mm jak w odlewaniu ciśnieniowym.
• Stop ustala się analizą składu chemicznego oryginału albo dobiera do funkcji części.

Kiedy odtworzenie ma sens, a kiedy lepiej naprawić lub kupić część

Dorobienie części na podstawie oryginału opłaca się wtedy, gdy nie da się jej kupić albo czeka się na nią zbyt długo. Zanim zlecisz skan, porównaj trzy drogi.

Sytuacja	Zwykle najlepsza droga
Maszyna wycofana z produkcji, producent nie istnieje lub nie dostarcza części	odtworzenie z oryginału
Pojedyncze pęknięcie w stopie dobrze spawalnym, część mało obciążona	naprawa spawaniem
Część dostępna u producenta w akceptowalnym terminie i cenie	zakup oryginału
Potrzebujesz kilku sztuk teraz i kolejnych w przyszłości	odtworzenie – model i dokumentacja zostają na następne zamówienia
Część pęka wciąż w tym samym miejscu	odtworzenie z poprawką konstrukcyjną

Pękanie w tym samym miejscu to zwykle sygnał konstrukcyjny, a nie przypadek: ostre przejście grubości, brak zaokrąglenia albo masywny węzeł. Przy odtwarzaniu można to poprawić, bo i tak powstaje nowy model. Kiedy naprawa pęknięcia spawaniem ma sens, a kiedy nie, opisujemy w osobnym artykule.

Odtworzenie części krok po kroku

1. Ocena oryginału. Technolog sprawdza, czy część jest kompletna, jak bardzo jest zużyta i z jakiej technologii pochodzi. Od tego zależy, czy wystarczy skan, czy trzeba odtworzyć brakujące fragmenty.
2. Zebranie wymagań. Funkcja części, obciążenia, temperatura pracy, kontakt z medium, szczelność, pasowania z częściami współpracującymi i liczba sztuk.
3. Skanowanie 3D i pomiary. Skaner odwzorowuje powierzchnię części. Otwory pasowane, gwinty i płaszczyzny bazowe mierzy się dodatkowo przyrządami stykowymi.
4. Model CAD. Ze skanu powstaje model bryłowy z odtworzoną intencją konstruktora: osiami, płaszczyznami i promieniami, ze skompensowanym zużyciem.
5. Dobór stopu. Na podstawie analizy składu oryginału albo wymagań funkcjonalnych.
6. Wybór technologii. Zależnie od liczby sztuk, wielkości i wymaganej dokładności: forma piaskowa, kokila lub, przy dużych seriach, forma ciśnieniowa.
7. Projekt odlewu i model odlewniczy. Do modelu części dodaje się naddatki, pochylenia, skurcz i znaki rdzeniowe, a potem wykonuje model, np. z drewna, tworzywa, druku 3D lub aluminium.
8. Odlew i obróbka. Po odlaniu i oczyszczeniu powierzchnie funkcyjne obrabia się na CNC.
9. Kontrola i dokumentacja. Pomiar, próba montażu z częścią współpracującą i – jeśli tak ustalono w zamówieniu – przekazanie modelu oraz rysunku, żeby kolejne zamówienie nie wymagało ponownego skanowania.

Skan 3D to dopiero początek: co trzeba zrobić z modelem

Wynikiem skanowania jest siatka opisująca powierzchnię, zwykle zapisywana w formacie STL. Ten format służy do druku 3D i szybkiego prototypowania, ale do konstrukcji i obróbki potrzebny jest model bryłowy, najczęściej przekazywany jako STEP.

Przejście ze skanu do modelu CAD (inżynieria odwrotna, ang. reverse engineering) to praca konstrukcyjna, a nie konwersja pliku. Skan pokazuje część taką, jaka jest dziś: z wytartymi powierzchniami, odkształceniami i śladami korozji. Konstruktor odtwarza wymiary nominalne, prostuje płaszczyzny, ustawia osie otworów i dobiera pasowania do części współpracujących. Brakujące fragmenty uzupełnia z symetrii albo z geometrii elementów, z którymi część się łączy.

Drugi krok to zamiana modelu gotowej części w model odlewu surowego. Dodaje się:

• naddatki na powierzchniach, które będą obrabiane – ich wielkość wynika z tolerancji wymiarowych i naddatków na obróbkę odlewów,
• pochylenia odlewnicze w kierunku wyjmowania modelu z formy,
• skurcz odlewniczy – model jest większy od odlewu o wartość dobraną do stopu i sposobu formowania,
• znaki rdzeniowe dla otworów i kanałów, których nie da się uformować bezpośrednio w formie,
• zaokrąglenia i łagodne przejścia grubości, które ograniczają pęknięcia.

Skurcz dobiera technolog. Model musi uwzględniać nawet sposób formowania: przy maszynowym prasowaniu masy dużymi naciskami zakładany skurcz liniowy obniża się o ok. 30%, bo masa sprężynuje po zdjęciu nacisku (s. 280). Model do formowania ręcznego i model pod linię automatyczną nie są więc wymienne.

Jaki stop? Analiza oryginału i stare oznaczenia

Najpewniejszą drogą jest analiza składu chemicznego oryginału spektrometrem. To ten sam typ urządzenia, którym odlewnie na bieżąco kontrolują skład wytopów. Badanie wymaga zwykle przygotowania niewielkiego, płaskiego miejsca na części, więc warto wcześniej ustalić, gdzie można je zrobić.

Wynik porównuje się z gatunkami według PN-EN 1706. Na starych rysunkach i tabliczkach znamionowych spotyka się dawne polskie oznaczenia, np. AK7, AK9 czy AK11, w których liczba po literach AK oznacza średnią zawartość krzemu (s. 147). Jak przełożyć je na obecne gatunki, wyjaśniamy w artykule o dawnych symbolach AK i ich odpowiednikach EN AC.

Gdy analiza nie jest możliwa, stop dobiera się do funkcji części: wymaganej wytrzymałości, pracy w środowisku korozyjnym, szczelności, późniejszej obróbki i powłoki. Ten sam stop ma przy tym różne właściwości w różnych technologiach. Na przykład dla AlSi9Mg minimalna wytrzymałość na rozciąganie jest wyższa w kokili i w odlewaniu ciśnieniowym niż w formie piaskowej.

Rozpoznaj technologię oryginału, zanim wybierzesz technologię kopii

Ślady na części podpowiadają, jak ją wykonano. Okrągłe ślady wypychaczy wskazują na formę metalową, czyli kokilę lub formę ciśnieniową. Bardzo cienkie ścianki i gładka powierzchnia to zwykle odlew ciśnieniowy. Ziarnista powierzchnia i grubsze ścianki sugerują odlew piaskowy.

Technologia kopii nie musi być taka sama jak oryginału, ale wtedy zmieniają się możliwości:

Parametr (stopy aluminium)	Forma piaskowa	Kokila	Odlewanie ciśnieniowe
Minimalna grubość ścianki	3–6 mm	2,5–5 mm	0,7–1,5 mm
Chropowatość surowej powierzchni Ra	4–10 µm	4–6 µm	0,8–1,6 µm
Ekonomiczna wielkość serii	każda	od ok. 400 szt. (odlewy proste), od ok. 1000 szt. (złożone)	od ok. 2500 szt.

Źródło: podręcznik „Odlewnictwo” (WNT), tabl. 3.20, 3.22 i 3.23. Wartości orientacyjne, zależne od wielkości i kształtu części.

Wniosek dla pojedynczych sztuk: kopię odlewu ciśnieniowego wykonuje się zwykle w formie piaskowej, więc zbyt cienkie ścianki trzeba pogrubić, a gładkie powierzchnie funkcyjne obrobić. Pogrubienie zmienia masę i czasem miejsce potrzebne na montaż, dlatego sprawdza się je w modelu CAD przed wykonaniem modelu odlewniczego. Często zmienia się też stop: gatunki do odlewania ciśnieniowego dobiera się pod tę technologię, a do formy piaskowej wybiera się stop o dobrych właściwościach w piasku, czasem z obróbką cieplną.

Model odlewniczy, odlew i obróbka wykańczająca

Przy jednej lub kilku sztukach koszt modelu rozkłada się na bardzo małą partię, dlatego wybiera się najprostsze wykonanie, które wystarczy na potrzebną liczbę formowań. Oprzyrządowanie wykonuje się raz i służy całej produkcji danego odlewu, a pozostałe operacje powtarza się przy każdym odlewie (s. 106). Modele trwałe powstają z drewna, metali lub tworzyw sztucznych (s. 111–112); dziś często drukuje się je w 3D albo frezuje z płyt modelarskich. Materiały, trwałość i własność modeli opisujemy w tekście o modelach odlewniczych i innym oprzyrządowaniu.

Pojedyncze odlewy formuje się zwykle ręcznie, a formowanie ręczne jest mniej dokładne niż maszynowe (tabl. 5.2). Dla odlewów ze stopów nieżelaznych z form z masy wodno-glinowej podręcznik podaje ogólnie tolerancję ±0,8 mm dla wymiarów do 150 mm (tabl. 3.21), bez rozróżnienia sposobu formowania. Dlatego pasowania, gniazda łożysk, płaszczyzny uszczelniające i gwinty projektuje się z naddatkiem i wykonuje na obrabiarkach CNC 3- i 5-osiowych.

Ostatni etap to kontrola: pomiar wymiarów krytycznych i próba montażu z częścią współpracującą. Jeśli część pracuje pod ciśnieniem medium, do zamówienia warto dopisać próbę szczelności.

Co przygotować, zanim wyślesz zapytanie

Im więcej informacji na starcie, tym mniej dopytywania i szybsza wycena. Przygotuj:

• zdjęcia części z kilku stron, z miarką w kadrze, oraz zdjęcia miejsca montażu,
• oryginał lub wszystkie jego fragmenty, a jeśli to możliwe – części współpracujące,
• opis funkcji i warunków pracy: obciążenia, temperatura, medium, wymagana szczelność,
• listę powierzchni pasowanych i wymiarów, które trzeba zachować,
• liczbę sztuk teraz i w perspektywie kolejnych zamówień,
• znane oznaczenia: numer katalogowy, stop z tabliczki lub starego rysunku.

Pełną listę danych, które przydają się przy każdym zamówieniu, znajdziesz w artykule o tym, co przygotować do zapytania ofertowego. Jak wygląda harmonogram zlecenia, wyjaśniamy w tekście o tym, od czego zależy termin realizacji odlewu.

Prawo do odtworzenia części

Część może być chroniona prawem własności przemysłowej, na przykład jako zarejestrowany wzór przemysłowy lub rozwiązanie objęte patentem. Zanim zlecisz kopię, upewnij się, że możesz ją wykonać, zwłaszcza jeśli części mają trafić do sprzedaży. W razie wątpliwości warto to wyjaśnić z uprawnionym albo z rzecznikiem patentowym jeszcze przed zamówieniem.

Najczęściej zadawane pytania

Odtworzymy część na podstawie oryginału

Rodzinna tradycja odlewni sięga 1950 roku, a zaczęła się od modelarstwa odlewniczego. Dziś odlewnia w Poznaniu łączy skanowanie 3D i przygotowanie modeli odlewniczych z odlewaniem aluminium i obróbką CNC. Wyślij zdjęcia części do wyceny i opisz, do czego służy – odpowiemy, czy lepiej ją odtworzyć, naprawić, czy wykonać inaczej.

Źródła i normy

• M. Perzyk (red.), Odlewnictwo, WNT, Warszawa – rozdz. 2.1 (s. 106), 2.2 (rodzaje modeli), 3.1 (stopy aluminium, tabl. 3.8), 3.2 (zasady technologiczności, tabl. 3.12), 3.3 (tabl. 3.20–3.23), 4.2.6 (analiza składu chemicznego), 5.2–5.3 (zagęszczanie masy i formowanie, tabl. 5.2).
• PN-EN 1706:2020+A1:2021 – Aluminium i stopy aluminium – Odlewy – Skład chemiczny i właściwości mechaniczne