Прямое лазерное выращивание технология

Журнал об аддитивном производстве

Прямое лазерное выращивание – прорыв в изготовлении крупногабаритных изделий

В последнее десятилетие происходит интенсивное внедрение аддитивных технологий практически во все отрасли промышленности. Основной тенденцией развития является увеличение производительности при сохранении требуемого качества изготавливаемого изделия. Одной из перспективных в данном направлении является технология прямого лазерного выращивания.
В процессе прямого лазерного выращивания изделие формируется из металлического порошка, подаваемого сжатой струей газа непосредственно в зону воздействия лазерного излучения [1, 2]. При этом рабочий инструмент перемещается по траектории, повторяющей контуры слоя изделия в поперечном сечении (рис. 1). Эта технология позволяет создавать детали сложной формы по заранее заданной 3D модели. При этом, используя порошки различных составов, становится возможным получение деталей с градиентными свойствами. Габариты изделий практически не ограничены [3].

Рис. 1. Процесс прямого лазерного выращивания крупногабаритных изделий

По мере инноватизации производства возникает ряд проблем, устранение которых невозможно с точки зрения традиционных подходов. Усложнение геометрических форм и увеличение требований к деталям и узлам конструкций приводит к увеличению стоимости оборудования, инструментов и оснастки, увеличению цикла изготовления, что, в свою очередь, значительно повышает себестоимость производимой продукции. Технология прямого лазерного выращивания позволяет решить все перечисленные задачи за счет повышения производительности (примерно в 10 раз) и снижения материалоемкости изготовления деталей сложной формы путем точного повторения заданной конструктором траектории изделия. При этом расширяются границы технологических и конструкторских возможностей, так как происходит полная автоматизация и «цифровизация» производства. Такой подход раскрывает широкие возможности в судостроении, машиностроении, ракетно-космической отрасли, медицине. Бионический дизайн в авиастроении позволяет снизить вес деталей в 1,5–5 раз без потери прочности и ресурса, а за счет неограниченных возможностей получаемых форм геометрия изготавливаемых изделий ограничена только фантазией конструктора (рис. 2) [4, 5].

Рис. 2. Изделия, полученные методом прямого лазерного выращиваниия на оборудовании, разработанном в ИЛиСТ

В Институте лазерных и сварочных технологий (ИЛиСТ) разработаны и изготовлены технологические установки и технологический инструментарий прямого лазерного выращивания. На их базе проведены технологические исследования процесса выращивания образцов из порошковых сплавов на основе Ni, Fe, Ti, Co [4–7].
На данный момент разработан и изготовлен ряд машин для лазерного выращивания, построенных на следующих принципах:
• в качестве манипуляторов используются промышленный робот Fanuc и двухосный позиционер для лазерной головки и заготовки соответственно. В общей сложности обеспечивается восемь осей свободы для получения сложной геометрии;
• в качестве источника нагрева и плавления металлического порошка используется волоконный лазер IPG мощностью от 500 до 5000 Вт;
• для предотвращения негативного влияния газов окружающей среды на заготовку предусмотрена герметично закрытая камера с контролируемой атмосферой чистого аргона. Внутренний объем оптимизирован для снижения потребления аргона;
• Модульная лазерная головка, которая оснащена сменными наборами сопел для различных применений, включая не только выращивание, но и процесс сварки.
Существующие модели (рис. 3) обеспечивают максимальный размер изготавливаемой детали:
«S» с камерой 1,4 м3 — Ø300 мм, H = 300 мм, 30 кг;
«L» с камерой 6 м3 — Ø1000 мм, H = 600 мм, 250 кг;
«XL» с камерой 25 м3 — Ø1600 мм, H = 600 мм, 250 кг.

Рис. 3. Установка для прямого лазерного выращивания а) размер S, б) размер L, в) размер XL

Использование промышленных роботов открывает новые возможности. Простота и широкий диапазон моделей позволяют адаптировать машину к размерам заготовки. В ходе исследований было показано, что детали диаметром 1600 мм и весом 150 кг не являются пределом для этой технологии. При использовании волоконно-оптического лазера 3 кВт нормальная скорость выращивания стенки толщиной 2,5 мм составляет около 1,5 кг/ч. Таким образом, производство изделия массой 150 кг занимает около 110–120 часов (с учетом простоя переходов). Когда речь идет о реальной производственной задаче, промышленные роботы позволяют адаптировать машину для выращивания по требованию заказчика. Например, если типичный размер заготовки мал, — уменьшение размера камеры и охвата робота приводит к снижению издержек производства: потреблению аргона, времени обслуживания и времени переключения, площади основания и цены машины.
Восемь степеней свободы значительно увеличивают сложность геометрии по сравнению с пятиосевыми машинами. Можно создавать потолочные плиты в труднодоступных местах. Также возможно использовать 6‑осевой робот в качестве манипулятора заготовки со стационарной или движущейся головкой осаждения. В случае использования захвата в качестве робота EOAT может быть реализован полностью автоматический рабочий поток, когда робот меняет подложки без помощи оператора.
При изготовлении изделий методом прямого лазерного выращивания исходным материалом служит порошок со сферической или близкой к сферической формой (фракционный состав может варьироваться от 40 до 200 мкм). Наличие на поверхности порошка дефектов виде саттелитов является допустимым (рис. 4 а). Недопустимо присутствие оксидных плён или каких-либо других загрязнений, такие дефекты приведут к образованию неметаллических включений в структуре конечных изделий.

Рис. 4. Поверхность частиц порошка а) 316L [7], б) ЭИ 698, в) ВТ20, г) ЖС6у

а) б) в) г)
Использование метода прямого лазерного выращивания за счет варьирования параметров процесса позволяет получать структуру изделия в зависимости от требований («управляемую» структуру [1]). Это может быть ячеисто-дендритная структура или литая структура с различными размерами структурных составляющих. При этом частицы порошка служат центрами кристаллизации и кристаллизация идет не от поверхности, а из объема — залог получения мелкозернистой структуры металла (рис. 5 а, б). К примеру, на рис. 5 в, г представлена структура никелевого сплава, полученного методом литья и методом прямого лазерного выращивания.

Рис. 5. Структура образца из стали 316 l полученного методом ПЛВ а) мощность 700 Вт [7]; б) мощность 1200 Вт [7];
в) микроструктура сплава ЖС6У (литье) [6]; г) микроструктура сплава ЖС6У (прямое лазерное выращивание) [6]
а) б)

Проведенные исследования структуры и свойств показали, что все выращиваемые изделия обладают высокими механическими характеристиками и сопоставимы с характеристиками изделий, получаемых другими методами.
Разработанные комплексы являются универсальными, за счет модульности значительно сокращаются сроки изготовления оборудования по техническим требования заказчика. Благодаря сравнительно простой модернизации становится возможным повышение эффективности внедряемых в производство новых технологий.

Проведенные исследования показали, что технология обеспечивает механические свойства изделий, не уступающие традиционным технологиям производства.
Технология позволяет увеличить производительность, снизить расход материала, сократить цикл производства, что, в свою очередь, приводит к снижению цены изделия.

Литература
1. Turichin G. A., Klimova O. G., Zemlyakov E. V., Babkin K. D., Kolodyazhnyy D.Yu., Shamray F. A., Travyanov A.Ya., Petrovskiy P.V. Technological aspects of high speed direct laser deposition based on heterophase powder metallurgy Physics Procedia 78 (2015), Рр. 397–406.
2. Turichin G. A., Somonov V. V., Babkin K. D., Zemlyakov E. V., Klimova O. G. High-Speed Direct Laser Deposition: Technology, Equipment and Materials//IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Vol. 125. Iss. 1. 2016
3. Туричин Г. А., Земляков Е. В., Климова О. Г., Бабкин К. Д., Шамрай Ф. А., Колодяжный Д. Ю. Прямое лазерное выращивание — перспективная аддитивная технология для авиадвигателестроения//Сварка и диагностика, № 3. 2015. С. 54–57.
4. Glukhov V., Turichin G., Klimova-Korsmik O., Zemlyakov, Babkin, K. Quality management of metal products prepared by high-speed direct laser deposition technology//Key Engineering Materials. Vol. 684. 2016. Pp. 461–467.
5. Туричин Г. А., Климова-Корсмик О. Г., Земляков Е. В., Бабкин К. Д., Шамрай Ф. А., Петровский П. В., Травянов А. Я., Колодяжный Д. Ю. Аддитивная технология гетерофазной порошковой лазерной металлургии // Технологи лёгких сплавов. № 1, 2016.
6. Klimova-Korsmik O., Turichin G., Zemlyakov E., Babkin K., Petrovsky P., Travyanov A. Structure formation in Ni superalloys during high-speed direct laser deposition//Materials Science Forum. Vol. 879. 2017. Pp. 978–983.
7. Sklyar M. O., Turichin G. A., Klimova O. G., Zotov O. G., Topalov I. K. Microstructure of 316L stainless steel components produced by direct laser deposition//Steel in Translation. Vol. 46, Iss. 12. 2016. Pp. 883–887.

Г.А. Туричин, М.О. Скляр, К.Д. Бабкин, О.Г. Климова-Корсмик, Е.В. Земляков
Санкт-Петербургский государственный морской технический университет

Источник

Прямое лазерное выращивания: процесс

С идеей разобрались, теперь можно погружаться внутрь. Какие процессы позволяют сформировать металлическое изделие? Что происходит с энергией и материалом? Какие факторы влияют на конечный результат? Чем отличаются разные подходы к решению одних и тех же задач?

Терминология

Прежде чем углубляться в процессы, происходящие при ПЛВ, давайте разберемся с терминологией. Аддитивные технологии – это новая область знания, которая сейчас активно развивается. На текущий момент терминология еще не полностью сформировалась, причем не только в России, но и в мире. Сейчас активно разрабатываются профильные ГОСТы, которые частично гармонизированы со стандартами ISO и ASTM, а частично опережают их. Разработкой ГОСТов по аддитивным технологиям занимается технический комитет по стандартизации ТК 182 «Аддитивные технологии» во главе с ФГУП «ВИАМ». Почитать свежие проекты стандартов можно на сайте комитета.

Терминология описана в ГОСТ Р 57558-2017 Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы. Часть 1. Термины и определения. Этот стандарт гармонизирован со стандартом ISO/ASTM 52900:2015, Additive manufacturing. General principles. Terminology, IDT.

Аддитивное производство (АП, аддитивный технологический процесс, additive manufacturing) — процесс изготовления деталей, который основан на создании физического объекта по электронной геометрической модели путем добавления материала, как правило, слой за слоем, в отличие от вычитающего (субтрактивного) производства (механической обработки) и традиционного формообразующего производства (литья, штамповки).

Прямое лазерное выращивание относится к классу аддитивных технологий с прямым подводом энергии и материала, которые описываются следующим образом:

Прямой подвод энергии и материала (directed energy deposition) — процесс АП, в котором энергия от внешнего источника используется для соединения материалов путем их сплавления в процессе нанесения.

Отсюда в названии ПЛВ слово «прямое». Собирая воедино, получаем:

Технология ПЛВ – это аддитивный технологический процесс изготовления деталей по электронной геометрической модели путем наплавки металлического сырья лазерным излучением. В качестве металлического сырья может использоваться как порошок, так и проволока. Хотя скорее всего, когда мы начнем серийно поставлять установки, работающие с проволокой, нам понадобится придумать отдельное название для технологии. Технология ПЛВ позволяет создавать высокоточные заготовки деталей. Однако, почти во всех случаях требуется постобработка — как минимум, это термообработка на снятие напряжений и отрезка от подложки.

Правильным образом порошковые материалы, которые используются в аддитивных технологиях, надо называть металлопорошковыми композициями. Согласно «ГОСТ Р Аддитивные технологии. Металлопорошковые композиции. Общие требования.»:

Металлопорошковая композиция (МПК) – объединенные в общую композицию различные фракции порошка сферической формы одного химического состава. МПК предназначена для использования в АП. Термин рекомендуется применять наравне с термином «порошковая композиция для АП» по ГОСТ 57558.

А еще иногда используется термин «гранулы», он пришел из классической гранульной металлургии. Особенно полезен он в качестве ответа на вопрос «что в банке?» от товарища лейтенанта, который тормозит вас при попытке пронести банку с порошком на вокзал.

Еще несколько терминов, которые не закреплены в ГОСТах, но будут часто встречаться в статьях:

Технологический инструмент – устройство, построенное на базе лазерной технологической головки, которое крепится на фланец промышленного робота и осуществляет наплавку отдельных валиков. Именно перемещение технологического инструмента по определенной траектории задает форму отдельных валиков и создает геометрию детали.

Технологический инструмент для ПЛВ

Сопло подачи порошка – устройство, входящее в состав технологического инструмента, основная задача которого – создание газопорошковой струи, которая направленным образом переносит порошок в ванну расплава. На фотографии это блестящая медная деталь.

Питатель – устройство массового или объемного дозирования МПК и подачи его в сопло по пневматическому шлангу с использованием транспортного газа (аргона).

Подложка – кусок листового металла, свариваемого с наплавляемым материалом, который используется как платформа построения при изготовлении детали.

Ванна расплава – сварочная ванна жидкого металла, формируемая лазерным излучением на поверхности подложки или предыдущего наплавленного слоя.

Лазерное излучение

Последние 30 лет лазерное излучение активно и широко используется при обработке материалов. Лазерная сварка и резка металлов, наплавка, термоупрочнение, гравировка и очистка. Лазерный луч – это универсальный, концентрированный, легко управляемый и автоматизируемый источник нагрева. Существует большое количество лазеров, построенных с использованием разных активных сред. Для обработки металлов необходима большая мощность – от 25 Вт до 25 кВт. Такой мощностью обладают СО2-лазеры, дисковые, диодные и волоконные лазеры. На территории России особую популярность получили иттербиевые волоконные лазеры. Это связано с тем, что у нас находится компания ИРЭ-Полюс, дочка американской корпорации IPG Photonics, которая является мировым лидером по производству мощных волоконных лазеров (80% мирового рынка). Надо заметить, что основатель и хозяин IPG – российский физик Валентин Павлович Гапонцев.

Я не буду углубляться в физику процесса генерации лазерного излучение, есть отличная статья на википедии.

Волоконный лазер — это низкий серый ящик справа от установки

Для технолога волоконный лазер – это черный ящик, из которого выходит желтое транспортное волокно. Ящик может генерировать лазерное излучение с длиной волны 1070 нм (это ближний ИК диапазон) с заданной мощностью. Мощностью можно управлять в диапазоне 10-100% с временем отклика порядка 8 мс. Транспортное волокно гибкое, его можно прокладывать в энергоцепях и кабельных каналах. Транспортное волокно подключается к специальной лазерной технологической головке, оснащенной набором линз, коаксиальной камерой, защитным стеклом и системой мониторинга состояния.

Технологическая головка фокусирует лазерное излучение в небольшое пятно. Размер пятна зависит от диаметра транспортного волокна (обычно 100 мкм) и коэффициента увеличения головки (у нас обычно – 2). Таким образом, размер сфокусированного пятна составляет 200 мкм. Такое маленькое пятно используется в лазерной сварке, когда необходимо проплавить 1-5 мм толщины за один проход. Волоконный лазер генерирует гауссов пучок, а это значит, что плотность мощности будет иметь нормальное распределение. Если нужно пятно большего размера – можно отойти от фокуса, при этом размер пятна вычисляется с помощью законов геометрической оптики.

Взаимодействие излучения с веществом подложки

Итак, допустим мы хотим наплавить один валик с шириной 2 мм. Для этого технологическая головка настраивается так, чтобы на поверхности подложки размер лазерного пятна составлял 2 мм.

В первом приближении оптимальный размер пятна равен ширине валика, отличия только на титановых сплавах или на широких валиках.

Выращивание на массивной подложке

Лазерное излучение падает на поверхность подложки. Часть излучения отражается (30-50%), остальное поглощается, и его энергия переходит в тепловую энергию металла. Коэффициент поглощения зависит от состава металла, длины волны излучения и шероховатости поверхности. Сталь, никель, кобальт, титан и другие часто встречающиеся в промышленности металлы хорошо поглощают излучения 1070 нм. А вот если взять чистую медь, алюминий, золото или серебро – то из-за высокой электропроводности коэффициент поглощения будет очень низким. Из меди, например, делают зеркала для этой длины волны. А вот если взять более коротковолновое излучение, например 515 или 450 нм, то оно будет в 10 раз лучше поглощаться медью. Поэтому в последние годы сварка меди зелеными и синими лазером мощностью 500-1000 Вт получила широкое распространение в немецком электромобилестроении. Да, такой лазер стоит в 10 раз дороже, чем ИК, но его технологические возможности уникальны.

Перенос тепла

Для того, чтобы наплавить валик, необходимо создать на поверхности подложки ванну расплава. Это значит, что количество энергии, поглощаемое подложкой, должно быть достаточным для разогрева металла выше температуры плавления. Генерируемое тепло стремится покинуть активную зону всеми доступными способами. Основной из них – это теплопроводность. Если у нас массивная холодная подложка, то она будет «высасывать» тепло. Если наоборот, мы уже вырастили часть изделия, то оно прогрелось и тепло уходит не очень охотно.

Ширина наплавляемого валика определяется шириной ванны расплава, которая в свою очередь зависит от набора технологических параметров (мощность, скорость, размер пятна) и от условий теплоотвода (температура, геометрия и состав изделия, его теплоемкость и теплопроводность). При выращивании изделия первые валики на подложке будут узкими за счет хорошего отвода тепла. А потом, по мере прогревания изделия и подложки, они будут становится шире, пока тепловой режим не стабилизируется. По мере выращивания разных элементов детали условия теплоотвода могут изменяться, соответственно, будет плавать и ширина валика. При изготовлении небольших изделий это может быть критично, поэтому производители интегрируют системы адаптивного управления с обратной связью. Например, техническое зрение меряет размер ванны расплава по изображению с коаксиальной камеры и управляет мощностью лазерного излучения с помощью ПИД-регулятора. Нас этот эффект не сильно беспокоит — мы работаем с крупногабаритными изделиями, перегреть которые еще надо постараться.

Подача порошка

Для выращивания изделий используются МПК с фракционным размером 50-150 мкм. Это стандартная фракция, которая широко применяется в самых разных технологиях нанесения покрытий. Такие порошки производятся сотнями и тысячами тонн, и поэтому имеют относительно низкую цену. Это более крупная фракция чем для SLM, и это опять же позволяет получить хорошую цену. Крупный порошок часто идет в отсев при производстве порошков для послойного лазерного сплавления, поэтому производитель продает его в разы дешевле. В отличии от SLM, для нашей технологии не требуется идеальная сферичность или отсутствие саттелитов. Единственное узкое место, которое определяет пригодность фракции и формы порошка, это порошковый питатель, и он довольно всеядный. Порошок должен иметь хоть какую-то текучесть и не иметь частиц более 200 мкм, тогда с ним можно работать. При этом необходимо помнить, что в аддитивных технологиях именно качество порошка определяет механические свойства изделия. Если в порошке присутствуют неметаллические включения – они попадут в изделие. Если есть растворенные газы – будет газовая пористость. Если есть нарушения химического состава – это скажется на прочности или вообще приведет к горячим трещинам.

Качественный порошок выглядит очень красиво

МПК засыпается в колбу порошкового питателя, который осуществляет массовое дозирование и подачу порошка в сопло. Питатель можно купить готовый, хотя хороший стоит дорого. Основную часть – колбу мы покупаем, пневматику, привод, датчик веса и систему управления собираем сами. За счет этого мы можем прецизионно управлять подачей порошка, что очень важно для экономики процесса. Основную стоимость изделия составляет стоимость металлического порошка. Если ты смог поднять КИМ в полтора раза, значит ты только что снизил стоимость изделия в полтора раза. Если ты сыпешь лишний порошок – ты в прямом смысле выкидываешь деньги.

По пневматическому шлангу порошок поступает в сопло подачи порошка. Это сердце установки. Это, наверное, самая важная часть, именно она определяет технологические возможности оборудования. Задача сопла – сформировать сфокусированную газопорошковую струю, которая доставит максимальное количество порошка в ванну расплава. Есть несколько различных конструкций: щелевые и струйные. У щелевого сопла есть коническая щель между двумя медными деталями, которая формирует струю в форме песочных часов. Струйное сопло подает порошок несколькими отдельными струями. Обычно, щелевое чуть лучше фокусирует, но более нежное, и его нельзя наклонять больше чем на 30 градусов. Струйное индифферентно к наклонам, неубиваемо, но чуть хуже фокусирует. Спроектировать универсальное сопло очень сложно. Приходится выбирать – либо хорошая фокусировка, но тогда можно забыть про большие мощности и высокие производительности, либо выбираем производительность и теряем в эффективности. Мы пять лет искали баланс и в этом году наконец его нашли. Без лишней скромности могу сказать, что наше сопло лучшее в мире (для нашего класса задач, естественно=)).

Металлический порошок долетел до ванны расплава и в нее попал. Он захватывается жидким металлом, переплавляется и кристаллизуется. Формируется наплавленный валик. Теперь мы можем запрограммировать робота наплавлять валики друг на друга, и из них сформируется деталь требуемой геометрии. Порошок, который пролетел мимо и не попал в ванну расплава, можно собрать и использовать вторично, но механические свойства от этого станут хуже.

Десерт

Прямое лазерное выращивание – это творческий процесс, когда одну и ту же задачу можно решить кучей разных способов. И даже если ты получил в итоге годное изделие – это не значит, что ты все сделал правильно. Необходимо всегда четко формулировать исходные требования, искать пути оптимизации временных и материальных затрат, планировать пути развития и обязательно посматривать по сторонам. В качестве примера хочу привести видео двух процессов изготовления одного и того же изделия – полой титановой сферы.

Первый исполнитель – корейская компания Insstek, которая обладает отличным маркетинговым ресурсом, активно пиарится и продвигается на российском рынке. А вот с техникой у них есть проблемы. Когда дойдет до сравнительных статей, я обязательно расскажу, почему так получается и почему несколько принятых на старте решений формируют облик и возможности оборудования.

Интересные моменты, которые можно вынести из этого видео:

Яркие белые искры, которые вылетают из активной зоны – это сгорающие на воздухе титановые порошинки. И да, все остальные производители обоснованно считают, что титановые изделия нужно выращивать только с глобальной защитой, чтобы исключить даже вероятность окисления. Но insstek считает иначе, за что и платится плохими механическими свойствами.

Обратите внимание на кучу вторичного порошка на полиэтиленовом пакете на дне кабины. Килограмм этого порошка стоит 15 000 рублей, к слову. О вторичном использовании этого, фактически сгоревшего, порошка речь не идет.

У компании Insstek исторически имеются проблемы с нависающими конструкциями и потолочными перекрытиями, вот и вырастить шарик целиком не получилось. Добавляется операции промежуточной мехобработки и сварки.

А теперь второе видео – наше:

Изделие выращивается с одного установа, за одну технологическую операцию. Сама сфера выращивается за одно включение лазера.

Качеством поверхности можно управлять. Для этого изделия технологические параметры адаптировались, чтобы получить минимальную шероховатость, дабы обойтись без механической обработки внутренней и внешней поверхности.

Коэффициент использования материала составил 93%. Мы экономим деньги заказчика.

Производительность. Время подготовки управляющей программы составило 8 часов. Время выращивания – еще 6.5. Если потребуется изменить геометрию – через два дня новое изделие будет стоять на столе. Никакая традиционная технология так не может.

Заключение

Мы вкратце разобрались с тем, что происходит в активной зоне. Впереди разговор о материалах, оборудовании, наших конкурентах, системе автоматического управления, подготовке управляющих программ, целевых деталях, экономике и паре десятков других, не менее объемных, вещей.

Источник