Produkcja i konserwacja przy użyciu generatywnej metody laserowej

© Stork Gears&Services

Udostępnij:

 

Hasła takie jak „drukowanie 3D” czy „wytwarzanie przyrostowe” są wszechobecne. Na wszystkich kontynentach podejmowane są inicjatywy mające na celu rozwój technologii przyrostowych. Jakie jednak niosą one za sobą konsekwencje? Zagadnieniem tym zajął się Instytut Technik Laserowych Fraunhofera.

W przypadku technologii przyrostowych chodzi zasadniczo o to, by produkować części konstrukcyjne w sposób generatywny przy pomocy danych CAD (ang. computer-aided-design) i specjalnych „technik nakładania” zamiast typowego skrawania lub procesu nadawania kształtu, jak ma to miejsce w odlewnictwie. Części te mogą być wykonane z metalu, tworzywa sztucznego lub papieru.



Metody SLM i LAS w klastrze innowacji
Instytut Technik Laserowych Fraunhofera (ILT) oraz Instytut Technologii Produkcji Fraunhofera (IPT) badają generatywną metodę produkcyjną opartą na połączeniu pracy lasera i napawania, która pozwala na produkcję elementów konstrukcyjnych bez ograniczeń geometrycznych (wytwarzanie nowych części) i/lub naprawę uszkodzonych części. Technologie zostały wdrożone w klastrze innowacji „Adam – Adaptive Produktion fur Ressourceneffizienz in Energie und Mobilitat“, w którym poza Instytutem Fraunhofera zaangażowane są liczne przedsiębiorstwa przemysłowe, m.in. Rolls-Royce, MTU Aero Engines, TRUMPF, Siemens oraz MAN Diesel & Turbo SE. Klaster Adam skupia się na produkcji nowych komponentów maszyn turbinowych dla branży motoryzacyjnej, lotniczej i energetycznej o wyraźnie ograniczonych wartościach emisyjnych i niskim zużyciu paliwa. Ważnym elementem jego działalności jest renowacja, konserwacja i naprawa części konstrukcyjnych maszynturbinowych przy użyciu spawania laserowego. Do generatywnych metod laserowych z promieniowaniem laserowym zalicza się Selective Laser Melting (SLM) i napawanie laserowe LAS.W obu metodach gotowe części konstrukcyjne (lub powierzchnie) wytwarzane są przy zastosowaniu dodatkowych materiałów w formie proszkowej. Punktem wyjścia dla tych metod są dane geometryczne części konstrukcyjnej w formie modelu 3D-CAD. Model ten za pomocą specjalnego oprogramowania rozkładany jest na warstwy o określonej grubości. W przypadku SLM proces jest powtarzalny i dwuetapowy: najpierw nakładana jest warstwa proszkowa, a następnie przy pomocy promienia laserowego stapiane są niektóre obszary odpowiedzialne za geometrię częśc ikonstrukcyjnych. W przypadku napawania proces jest jednoetapowy i opiera się w całości na modelu CAD.



Odmienne sposoby nakładania proszku
Zasadnicza rożnica między SLM a napawaniem leży w sposobie przygotowywania dodatkowego materiału w formie proszkowej. W napawaniu proszek nakładany jest lokalnie za pomocą dyszy (koksjalnej lub lateralnej), natomiast w SLM jest umieszczony w łożu proszkowym. W obu metodach proszek zostaje warstwowo stopiony przy użyciu promienia laserowego. W ten sposób wytwarzane są szczelne, wolne od wad, metalurgicznie zespolone warstwy o bardzo dobrych właściwościach mechanicznych. W zależności od oczekiwanych właściwości funkcyjnych po generatywnym procesie produkcji następuje obóbka cieplna. W porownaniu z napawaniem metoda SLM pozwala na uzyskanie większej dokładności i geometrycznej dowolności wytwarzanych części konstrukcyjnych. Metoda napawania umożliwia za to nakładanie warstwna istniejącej powierzchni trojwymiarowej i obróbkę dużych części konstrukcyjnych, dzięki czemu można stosować ją do wykonywania napraw i renowacji zużytych elementow oraz zabezpieczania przed korozją. Główne zalety generatywnej produkcji przy użyciu promieniowania laserowego to:

• brak konieczności stosowania narzędzi czy form,
• możliwość produkcji indywidualnych części konstrukcyjnychw małych i średnich seriach,
• duża elastyczność,
• skuteczne wykorzystanie zasobow,
• produkcja małych geometrycznych struktur (100-200 μm).

W ostatnich latach napawanie z promieniowaniem laserowym wykorzystywane jest coraz częściej do renowacji oraz zabezpieczenia przed korozją czy zużyciem narzędzi, form, mechanizmów napędowych i maszyn. Dodatkowo lasery używane są w maszynach zautomatyzowanych. Materiał dodatkowy wprowadzany jest w formie proszku (tego samego lub podobnego gatunku). Do budowy narzędzi i form wykorzystywane są również małe maszyny wyposażone w laser pulsowy, stanowisko do pracy manualnej i materiały dodatkowew formie drutu. Urządzenia te ze względu na niewielką wydajność (do 400 W) nadają się jednak jedynie do wykonywania niewielkich napraw [1].

Przebieg procesu napawania
W przeciwieństwie do metod stosowanych w technologiach cienkowarstwowych, w których grubość warstwy nie przekracza10 μm, typowe grubości warstw w przypadku napawania mieszczą się w przedziale od 0,1 do 1 mm. Wykazują one też pewne charakterystyczne właściwości, np. połączenie przez stopienie metalu z materiałem podstawowym, niewielkie mieszanie z materiałem podstawowym i dużą dokładność kształtu. Rożnią się przy tym pod względem jakościowym od innych napawanych lub termicznie natryskiwanych warstw. Dodatkowo dochodzi do nieznacznego obciążenia temperaturowego części konstrukcyjnej, dzięki czemu metoda ta nie powoduje zwłoki w procesach produkcyjnych. Do napawania przy użyciu lasera stałego przy sile wyjściowej do 10 kW wykorzystywane są lasery CO2–Nd: YAG, włoknowe, tarczowe i diodowe. Dzięki lepszemu wprowadzaniu promienia lasera na powierzchnie metalowe (wyższy stopień oddziaływania procesowego) powstają fale o długości 1 μm. Dodatkowo promieniowanie lasera można prowadzić przy pomocy światłowodu, co gwarantuje dużą elastyczność tego procesu. Proszek o typowym rozmiarze ziaren wynoszącym od 20 do 100 μm prowadzony jest promieniem lasera na daną powierzchnię przy pomocy gazu nośnego (np. argonu), pełnącego równocześnie funkcję gazu ochronnego. Promień lasera stapia cienką warstwę powierzchni (dziesiętna milimetra) oraz opadający proszek i łączy je metalurgicznie w taki sposób, że powstaje 100-procentowo szczelna, nieznacznie zmieszana warstwa. Ze względu na lokalnie ograniczone wytwarzanie ciepła wynikające z dokładności promienia lasera materiałowi podstawowemu przekazywana jest jedynie nieznaczna ilość energii, co skutkuje niewielką strefą wpływu ciepła i brakiem podcięcia. Typowe strefy wpływu ciepła wynoszą od jednej dziesiątej mm do kilku mm. Metoda ta jest bardzo precyzyjna i zautomatyzowana. Spektrum zastosowań napawania obejmuje naprawę błędów powstałych podczas obrobki materiału, modyfikację geometrii części konstrukcyjnych przez generatywne nakładanie oraz lokalną ochronę przed zużyciemi korozją. Jako materiał dodatkowymożna stosować rożne stopy metalurgiczne(Fe-, Ni-, Co-, Cu-, Al-+ stopy podstawowe).Przez odpowiednie kombinacje w doprowadzaniu proszku z miejsca na miejsce można tworzyć rownież powłoki stopniowane, które umożliwiają etapowe przejście z substratu na materiał powierzchniowy (np. ze względuna twardość czy skład chemiczny tegoostatniego) [1]. Aktualne prace badawcze prowadzone w klastrze innowacji Adam koncentrują się na opracowaniu procesora,ktory wskazywałby użytkownikowi właściwe parametry technologiczne. W tym celu opracowano bazę danych, model FEM i empiryczne diagramy procesowe dla różnych materiałów. Napawanie stosowane jest przede wszystkim w przypadku drogich i precyzyjnych komponentów maszyny. W zakresie konstrukcji narzędzi i form napawanie wykorzystywane jest w celu renowacji i modyfikacjinarzędzi do formowania wtryskowego, obróbki plastycznej czy tłoczenia. Komponenty maszyn są obecnie naprawiane głównie przy użyciu konwencjonalnych technik, jak spawanie WIG (ang. Wolfram-Intergas), spawanie elektronowe, natrysk termiczny lub LAS. Do zalet laseraza licza się w tym przypadku szybkie tempo ograniczające czas trwania procesu, dokładne nakładanie (mniej poprawek) i niewielkie wytwarzanie ciepła (mniejsza zwłoka w procesie produkcyjnym).

SLM i LAS tworzą nowy design produktów
Metody Selective Laser Melting i napawanie wykazują duży potencjał w zakresie produkcji generatywnej, głównie ze względu na możliwość tworzenia kompleksowych geometrii o większej funkcjonalności niż oferująto standardowe metody. Dodatkową zaletą ich stosowania jest nowy design produktów (np. lekkie konstrukcje dzięki strukturom drążonym), który nie był osiągalny przy wykorzystaniu techniki odlewniczej i obróbki skrawaniem. Podczas gdy metoda SLM częściej wykorzystywana jest przy produkcji komponentów, technika LAS ma zastosowanie w renowacji drogich elementów maszyn.

Udostępnij:

Drukuj



MM Magazyn Przemysłowy Online

MM Magazyn Przemysłowy jest tytułem branżowym typu business to business, w którym poruszana jest tematyka z różnych najważniejszych sektorów przemysłowych. Redakcja online MM Magazynu Przemysłowego  przygotowuje i publikuje na stronie artykuły techniczne, nowości produktowe oraz inne ciekawe informacje ze świata przemysłu i nie tylko.




TOP w kategorii






Chcesz otrzymać nasze czasopismo?
Zamów prenumeratę
Zobacz również