Półfabrykat dla produkcji jednostkowej dotychczas cechował się prostotą konstrukcji i zarazem różnorodnością i swoistą dowolnością jego opracowania i wytworzenia. Wytworzenie półfabrykatu o skomplikowanych kształtach w przypadku produkcji wielkoseryjnej czy masowej polegało na wykorzystaniu takich technik wytwarzania jak odlewnictwo i obróbka plastyczna (ilustracja 1).

Współczesny charakter produkcji zdominowany jest silnie przed trend indywidualizacji produktu finalnego (kastomizacji). Współczesna produkcja ma charakter bliższy produkcji seryjnej, małoseryjnej i jednostkowej. Celem jest elastyczne dopasowywanie się do potrzeb rynku i indywidualnych odbiorców.

Gdy jednak spojrzymy na proces zakupu samochodu wersja dokładnie taka jaka nas interesuje, uwzględniając kolor, tapicerkę, wyposażenie, silnik jest najczęściej produkowana na konkretne zamówienie i czas oczekiwania wynosi nawet kilka miesięcy. Zatem z jednej strony mamy opcje indywidualizacji, a z drugiej koncerny samochodowe określają konfigurację najbardziej popularną i taka jest przede wszystkim wytwarzana (krótki czas oczekiwania).

Ilustracja 1. Przykład odkuwki jak półfabrykatu dla potrzeb produkcji seryjnej oraz gotowej części klasy tuleja.

Współczesny charakter produkcji jest efektem globalizacji i jego ewolucja przebiegła od produkcji masowej do małoseryjnej z silnym uwzględnieniem indywidualizacji produktu (kastomizacji). Efekt taki ma swoje źródło w nieustannej konieczności podtrzymywania i zdobywania konkurencyjności na rynku. Taki cel wymaga ciągłego doskonalenia produktu, wdrażania innowacyjnych rozwiązań w zakresie technologicznym jak i procesowym, organizacyjnym i logistycznym.

Produkcja małoseryjna i jednostkowa

Produkcja jednostkowa to wytwarzanie pojedynczych lub kilku produktów (części, maszyn, urządzeń, zespołów). W klasycznej definicji produkcji jednostkowej przyjmuje się, że produkt jest wytwarzany jednorazowo lub powtarzalność produkcji jest nieregularna. Wykorzystywane są przede wszystkim obrabiarki uniwersalne ogólnego przeznaczenia. Obrabiarki obciążone są znaczną liczbą zróżnicowanych procesów technologicznych. W zakresie oprzyrządowania technologicznego (uchwyty obróbkowe) wykorzystuje się uniwersalne, dostępne handlowo. Jedynie w przypadkach kiedy nie ma takiej możliwości stosuje się oprzyrządowanie specjalizowane i specjalne.

Dokumentacja technologiczna jest uproszczona i jedynie w wyjątkowych przypadkach skomplikowanych operacji technologicznych należy opracować szczegółową instrukcję obróbki.

Koszt technologicznego przygotowania produkcji jest przeważnie niewielki w opozycji do jednostkowego kosztu produkcji.

Przyjmuje się, że w produkcji jednostkowej duży udział czasowy mają operacje technologiczne realizowane ręcznie, czego przykładem jest m.in. trasowanie, usuwanie zadziorów, czy czasem gwintowanie.

Produkcji małoseryjnej przypisuje się w zasadzie te same cechy co produkcji jednostkowej. Szczególnie ma to znaczenie na etapie technologicznego przygotowania produkcji.

Współcześnie w produkcji jednostkowej i małoseryjnej powszechnie wykorzystuje się obrabiarki CNC, w tym także hybrydowe. Wdrażanie oprogramowania CAD/CAM i systemów zarządzania powoduje, że opracowywanie oraz zarządzanie dokumentacją technologiczną też podlega zmianom. Nierzadko przy produkcji maszyn i urządzeń w skali małoseryjnej dużo bardziej istotny jest proces montażu i jego dokumentacja (mapa procesu, schemat montażu).

Obrabiarki CNC

Pierwotnie obrabiarki CNC były dedykowane do obróbki wielu różnorodnych części lecz nie były powszechnie stosowane w produkcji jednostkowej. Postęp w dziedzinie automatyzacji, w tym robotyzacji (ilustracja 2), a także w systemach CAM oraz organizacji produkcji spowodował, iż obrabiarki CNC są coraz powszechniej stosowane w produkcji małoseryjnej i seryjnej. Właśnie zastosowanie tego typu obrabiarek (nie tylko frezarskich pionowych centrów obróbkowych, ale także m.in. wycinarek laserowych – ilustracja 3, cięcie wodą) powoduje zmiany w przygotowywaniu półfabrykatów i przebiegu procesu obróbki.

Ilustracja 2. Przykład zrobotyzowanego stanowiska wyposażonego w magazyn przedmiotów obrabianych i robot przemysłowy firmy FANUC – targi TOOLEX 2017

Na ilustracji 3 przedstawiono efekty wycinania laserowego z wykorzystaniem wycinarki laserowej firmy Yamazaki Mazak. Ta technika wytwarzania wykorzystuje maszyny technologicznego sterowane numerycznie (CNC). Efekty wycinania laserowego pretendują tę technikę do wytwarzania prostych półfabrykatów lub elementów do budowy półfabrykatu.

Ilustracja 3. Przykład wycinania laserowego – stoisko firmy Yamazaki Mazak – targi STOM 2018

Półfabrykat dla produkcji jednostkowej

Półfabrykat w przypadku produkcji jednostkowej i małoseryjnej nie jest wykonywany z wykorzystaniem technik wytwarzania, których ekonomiczne uzasadnienie wymaga wykonania kilkuset lub kilku tysięcy sztuk (odlewnictwo, obróbka plastyczna). Jedynie w przypadku gdy te techniki gwarantują uzyskanie określonych właściwości są one wykorzystywane. W takim przypadku koszty nie odgrywają najistotniejszej roli.

Podstawowymi komponentami do budowy półfabrykatu w produkcji jednostkowej i małoseryjnej są części handlowo dostępne (np. płaskowniki, pręty, rury, rury grubościenne, kątowniki itp.). Nadal ważną rolę odgrywa dobór materiału (stal, mosiądz, aluminium). Rodzaj dobranego materiału ma wpływ na sposób łączenia części w celu wytworzenia półfabrykatu. Półfabrykat wytworzony jako zespół kilku części jest wykorzystywany wówczas gdy kształt części jest złożony i o dużych różnicach w wymiarach gabarytowych (np. część klasy tuleja z kołnierzem o kształcie innym niż cylindryczny i pozostała część tulei o znacząco mniejszej średnicy jako wymiarze głównym – ilustracja 4).

Ilustracja 4. Przykładowy projekt części klasy tuleja.

Przy powyższym założeniu wykonanie takiej tulei wymagało by znaczących rozmiarów wałka. Podczas toczenia konieczne byłoby usunięcie znacznej ilości materiału. W przypadku gdy kołnierz miałby inny kształt niż cylindryczny dodatkowo konieczna byłaby operacja frezowania. Półfabrykat stanowiący zespół złożony z kilku części pozwala na skrócenie czasu jednostkowego i oszczędność w kosztach materiałowych.

W przypadku tulei przedstawionej na ilustracji 4 półfabrykat można wykonać jako zespolenie wyciętej laserowo lub strumieniem wody płyty i wałka. Trzeba pamiętać o zapewnieniu naddatków technologicznych. Możliwości połączenia tych dwóch części to: spawanie, połączenie na wcisk (konieczność podgrzania płyty i schłodzenia ciekłym azotem wałka). W przypadku aluminium istnieje możliwość użycia specjalnego kleju.

Opracowywanie projektu i wytwarzanie półfabrykatu w produkcji jednostkowej i małoseryjnej cechuje się znaczną dowolnością i elastycznością tego procesu.

Półfabrykat – druk 3D

Przyrostowa technika wytwarzania jaką jest druk 3D nadal stanowi technologiczną innowację (ilustracja 5). Analizując możliwości addytywnego wytwarzania przedmiotów to druk 3D stanowi bardzo dobrą technikę wytwarzania półfabrykatów w produkcji jednostkowej i małoseryjnej. W ciągu ostatnich kilku lat wzrosło wykorzystanie druku 3D metali. Postęp w druku 3D zależy nie tylko od samej konstrukcji maszyn i metod wydruku ale także od materiałów wykorzystywanych jak budulec.

Ilustracja 5. Przykład półfabrykatu formy obudowy wodomierza (firma FADO). Forma z chłodzeniem konformalnym – targi STOM 2018

Na ilustracji 5 przedstawiono wkładki stempla i suwaków wykonanych z chłodzeniem konformalnym. Materiał wkładek formujących to 1.2709 o twardości 54 HRC. Jako metodę druku 3D zastosowano DMLS. Konieczna jest dalsza obróbka wykańczająca technikami ubytkowymi.

Przemysłowe wykorzystanie druku 3D w technologicznym kontekście procesu produkcyjnego może odbywać się według jednego ze schematów:

• samodzielna drukarka 3D i dalsza niezbędna obróbka ubytkowa;
• obrabiarka hybrydowa zapewniająca druk 3D i 5-osiową obróbkę ubytkową;
• outsourcing;

W warunkach przemysłowych wdrażania druku 3D konieczne jest wykorzystanie systemów CAD/CAM. Przykładem takiego systemu jest NX, który oferuje szereg narzędzi przygotowanych z myślą o druku 3D i akwizycji danych w postaci modeli powierzchniowych (skanowanie 3D). Na ilustracji 6 zaprezentowano przykład opracowania druku 3D w systemie NX. Klasyczny projekt podpory opracowano z myślą o procesie technologicznym wykorzystującym wyłącznie ubytkowe techniki wytwarzania. Możliwość wykorzystania druku 3D umożliwia odmienne podejście w zakresie technologiczności konstrukcji. W konsekwencji można uzyskać przedmiot, który spełnia stawiane wymagania użytkowe i wytrzymałościowe przy jednoczesnym obniżeniu masy przedmiotu.

Ilustracja 6. System NX – modyfikacja konstrukcji przy wykorzystaniu druku 3D (dzięki uprzejmości CAMdivision).

Druk 3D wydaje się być naturalnym zastosowaniem tej addytywnej techniki wytwarzania. Jednak w wielu przypadkach wystarczy zastosowanie handlowo dostępnych materiałów.