3D nyomatból alumínium: a homoköntés klasszikus technológiája modern csavarral
A fémöntés az ipar egyik legősibb technológiája. Több ezer éve használjuk arra, hogy a formátlan, megolvasztott fémet tartós, funkcionális tárgyakká alakítsuk. A homoköntés az egyik fő típusa, amely kiindulópontja az ősminta. Ennek az egyedi vagy kisszériás mintának az előállítása ma már gyakran 3D nyomtatással készül. Így kapcsolódik össze egy pár évtizedes és egy jó-pár évezredes gyártástechnológia egyetlen projektben. Ezt a találkozást példázza Juhos Lehel ipari formatervező munkája, amely során egy design bútor prototípusának öntött alumínium csomópontjai készültek el 3D nyomtatott ősminták alapján az ADMASYS HU és a Po-Fém Öntöde közreműködésével.
A fényképek Boldizsár Tamás munkáját dicsérik.
Juhos Lehel, fotó: Boldizsár Tamás
Juhos Lehel: formatervezés folyékony fémmel
„Mindig is érdekelt, hogyan lehet a különböző anyagok és gyártástechnológiák egyedi képességeiből design értéket teremteni” – mondja Juhos Lehel, ipari formatervező.
2008-ban szerzett mesterdiplomát Sopronban, majd 2012-ben megalapította saját stúdióját, a LEHEL JUHOS DESIGN-t, ahol ipari formatervezéssel és installációtervezéssel foglalkozik. 2016 óta a SOCOWOO vezető tervezőjeként lakó- és közösségi terek számára fejleszt kortárs kollekciókat.
Lehel az a típusú designer, akinek a munkáiban a választott technológiai folyamat megismerése az esztétikai élményt erősíti. Egy korábbi projektjében például egy sport vitorláshajókat gyártó céggel együttműködve tervezett szénszál erősítésű kompozit asztalt, ahol az anyag különleges tulajdonságait kihasználva innovatív szerkezeti és formai megoldás született. Mostani projektjében az additív gyártás (3D nyomtatás), az öntészet és a design kapcsolatát vizsgálja az MMA Művészeti Ösztöndíjprogram keretében zajló kutatásában: „Additív gyártási eljárások alkalmazása a bútortervezésben – A 3D nyomtatás lehetőségei fémvázas bútorok gyártásához.”
A Triál székcsalád: design és technológia találkozása
A szóban forgó projekt fókusza a Triál nevű székcsalád első funkcionális prototípusa. A kísérleti konstrukció lényege, hogy a szék alumíniumcső-vázának elemeit azonos, öntött alumínium csomópontok kötik össze. A szerkezet könnyen variálható: a csőhosszok változtatásával különböző méretű és ergonómiájú ülőbútor – normál magasságú szék vagy mélyebb ülésű fotel – is építhető. A T csomópont szára nem derékszögben csatlakozik, hanem 5°-os nyitást kapott. Ez a finom eltérés a derékszögtől a Trial váz szerkezetének geometriai rendszerét érdekes módon „deformálja”, amitől dinamikusabbá, izgalmasabbá válik.
Lehel a fejlesztése során a technológia megfelelő alkalmazását is fontosnak tartja:
„Egy korábbi, nagyobb méretű váz öntvényének tanulsága szerint, a kézműves szinten kivitelezhető egyedi öntvények méretét korlátozni érdemes a kívánt pontosság érdekében. A Triál esetében már tudatosan kisebb, jobban önthető csomópontokban gondolkodtam, amelyekből modulárisan építhető fel a teljes vázszerkezet. Így az öntés is gazdaságosabbá válik és a 3D nyomtatás is ideális mérettartományban marad.”
Ősminták 3D nyomtatással – gyors, pontos, újratervezhető
A homoköntés alapja mindig az ősminta – az öntendő alkatrész formáját megadó előmodell. Hagyományosan fából vagy fémből készül, ami drága és időigényes, ha több iterációra van szükség. A 3D nyomtatás ezen a ponton hozott forradalmat: a minták digitális modellből néhány óra alatt elkészülhetnek és bármilyen módosítás pillanatok alatt beépíthető.
Lehel a fejlesztés során több additív technológiával is dolgozott. Az 1:1-es méretű váz geometria tesztelésére FFF (szálhúzásos) nyomtatással készült csomópontokból épített mockupokat. A Triál csomópont ősmintája először SLA (sztereolitográfia) technológiával készült. Ez a módszer adja a legsimább felületet, ami ideális lenne formaleváláshoz, de a tömbszerű, vastag falú forma miatt a nyomat vetemedett.
Végül az ADMASYS HU Kft. segítségével Formlabs Form Fuse 1+ SLS (szelektív lézeres szinterezés) rendszerrel készült el a végleges, pontos ősminta. Bár az SLS nyomatok felülete kissé porózus, ezért általában nem ez az első választás mintagyártáshoz, viszont a gyors gyártás, az erős alapanyag, a mérettartás és hőstabilitás előnyt jelentett. A Po-Fém öntöde javaslatai alapján a 3D nyomtatott minta 5°-os öntési ferdeséggel készült, a felület pedig kapott egy leválasztó bevonatot, így a homokformából könnyen kiemelhető volt.
„A 3D nyomtatásban az volt a legnagyobb előny, hogy gyorsan tudtunk iterálni. Az öntöde szakmai támogatása nélkülözhetetlen volt – rengeteget tanultam az öntvénytervezésről.” – emlékszik vissza Lehel.
Két, pontosan illeszkedő, 3D nyomtatott félből készültek az ősminták
A homoköntés folyamata lépésről lépésre
A Triál csomópontjai homokformázásos alumíniumöntéssel készültek a Po-Fém Bt. műhelyében, ahol a hagyományos fémöntészet és a korszerű technológia szorosan együtt él. Maguk is rendelkeznek SLA nyomtatóval, amelyet ősminták és prototípusok gyártásához használnak.
1. A minta előkészítése
Az ADMASYS HU által nyomtatott SLS mintát a Po-Fém szakemberei formaleválasztóval kezelték, hogy a homok könnyen elváljon a nyomat felületétől.
fotó: Boldizsár Tamás
2. Homokforma készítése
Az ősmintákat homokkal töltött formakeretbe helyezik. A felső és alsó félforma elkészítése után a mintát eltávolítják, így megmarad a negatív üreg – maga a forma.
fotó: Boldizsár Tamás
fotó: Boldizsár Tamás
fotó: Boldizsár Tamás
fotó: Boldizsár Tamás
3. Mag elhelyezése
Ha a darab belsejében üreg lesz (pl. cső, ház, motorblokk), azt maggal alakítják ki. A magot maghomokból (gyantás kötésű, jobban szilárduló homok) készítik, majd a formába helyezik.
A bemutatott öntvény nem tartalmaz belső üreget.
4. Beömlőrendszer kialakítása
A szakemberek beömlőcsatornákat és levegőző nyílásokat alakítottak ki, hogy a folyékony alumínium egyenletesen áramoljon és a gázok is távozhassanak.
fotó: Boldizsár Tamás
fotó: Boldizsár Tamás
5. Öntés
A megolvasztott alumíniumot a formába öntik. A homok hőálló tulajdonságai lehetővé teszik, hogy a fém a kívánt alakban szilárduljon meg.
fotó: Boldizsár Tamás
6. Hűtés és forma bontása
Miután az öntvény kihűlt, a formát szétszedik, a homokot eltávolítják. A homok jelentős része újrahasznosítható.
fotó: Boldizsár Tamás
7. Utómunkák
A beömlő- és levezetőrendszert levágják, az öntvényeket tisztítják, igény szerint csiszolják és méretre munkálják. A Triál csomópont projekt esetében a furatok hagyományos fúrással készültek el utólag, a pontos pozicionálást azonban egy szintén 3D nyomtatott fúrósablon segítette. A felületkezelés még kísérleti fázisban van – várhatóan gyöngyszórással kapnak végső felületet a csomópontok.
fotó: Boldizsár Tamás
fotó: Boldizsár Tamás
Nyomtatott fúrósablon
Miért jó a 3D nyomtatott ősminta homoköntéshez?
A 3D nyomtatott ősminták a homoköntésben időt, költséget és kockázatot csökkentenek. A Triál projekt során az alábbi előnyök váltak egyértelművé:
- Gyors iteráció: a digitális modell azonnal módosítható és additívan költséghatékony és gyors az átalakított design gyártása
- Költséghatékonyság: egyedi darabok vagy kis szériák esetén a 3D nyomtatás sokkal olcsóbb, mint a hagyományos minta- vagy szerszámkészítés
- Részletgazdagság: a 3D nyomtatott minta apró geometriákat is képes visszaadni a homokformában
- Integrált tervezés: a beömlőnyílások, rögzítési pontok vagy az öntési ferdeség digitálisan beépíthető a modellbe.
- Könnyű újragyártás: a digitális adat megmarad, így a minták bármikor újranyomtathatók.
Összegzés
A projekt megmutatta, hogy a digitális gyártás és a hagyományos fémöntés tökéletes kiegészítői egymásnak. A 3D nyomtatott ősminták lehetővé teszik, hogy egyedi, komplex formák szülessenek anélkül, hogy a kis darabszámú gyártás aránytalanul költséges lenne.
„A 3D-nyomtatás ma már a termékfejlesztés, de egyre inkább az oktatás számára is elérhető és elengedhetetlen technológia. A könnyű és gyors iteráció lehetősége felgyorsítja a tervezési folyamatot, és »pillanatok« alatt kézbe vehetünk, illetve tesztelhetünk ötleteket. Ez a projekt is erről szól: kísérletezésről, tanulásról, és arról, hogyan kapcsolódhatnak a fejlett technológiák a hagyományos eljárásokhoz a design területén.” – mondja Lehel.Az öntvények elkészültek, a csomópontok működnek. A következő fázis a csőelemek gyártása, majd két teljes székváz összeszerelése. Ha a koncepció beválik, jöhet a kis szériás gyártás – és talán egyszer a kokillaöntés mint sorozatgyártási technológia is.