Témata
Zdroj: Matex PM

Laserové navařování, 3D tisk a volba technických plynů

V tomto článku bychom se chtěli zamyslet nad současným postavením technologie návarů vysoce výkonným laserem, porovnat tuto metodu s 3D tiskem a objasnit některá technická úskalí obou metod. Za zmínku stojí také ochranné plyny vhodné pro tyto moderní metody.

Jan Kašpar

Messer Technogas

Reklama

Heslem poslední doby je 3D tisk, případně rapid prototyping, additive manufacturing, SLM apod. V podstatě se jedná o vytváření 3D těles postupným navařováním materiálu vrstvu po vrstvě. Pomineme nyní tisk z plastů, betonu a jiných materiálů, a zůstaneme u oceli.

Metoda označovaná jako laserové navařování nebo laser cladding je v principu velice podobná. Je založena na postupném navařování materiálu, který se přivádí do ohniska vysoce výkonného laseru ve formě prášku nebo drátu. Jaký je tedy vlastně rozdíl mezi tzv. 3D tiskem a laserovým navařováním?

Reklama
Reklama

3D tisk

Metoda je založena na postupném navařování jedné vrstvy přídavného materiálu na druhou s cílem vytvořit objemové 3D těleso. Obvykle se takový výrobek vytváří „z ničeho“, tj. bez základu. Celý výrobek je „vytištěn“. Na trhu je dostupná celá řada laserových systémů, které jsou schopny takto vyrábět díly o velikostech až cca 500 x 500 x 500 mm, výjimečně i větší. Tyto systémy jsou již řadu let používány pro výrobu chirurgických implantátů, leteckých součástek, a rovněž pro tzv. speciální výrobu.

Obr. 1. Laserové navařování s podáváním prášku. (Zdroj: Matex PM)

3D tiskárny obvykle pracují jako tzv. powder bed systémy. V tomto případě je prášek umístěn do nádoby, a přesně se zarovná jeho povrch. Laserový paprsek se pohybuje v osách XY nad tímto povrchem a natavuje vybrané oblasti. V dalším kroku se díl posune, vytvoří se další vrstva prášku a proces se opakuje. Celá pracovní komora je obvykle napuštěna vhodným ochranným plynem, aby se zabránilo oxidaci prášku během jeho spékání.

Touto metodou se vyrábějí zejména tvarově komplikované struktury, složité chladicí kanály v nástrojích, díly s tvarově složitými dutinami a podobně. Výhodou 3D tisku je vysoká přesnost vyrobených součástí, mnohdy bez nutnosti dalšího opracování.

Heslem poslední doby je 3D tisk. V podstatě se jedná o vytváření 3D těles postupným navařováním materiálu vrstvu po vrstvě. Metoda označovaná jako laserové navařování je v principu velice podobná. Je založena na postupném navařování materiálu, který se přivádí do ohniska vysoce výkonného laseru ve formě prášku nebo drátu.

Nevýhodou metody je nízká produktivita, a tedy vysoká cena takto vyrobených dílů. Dalším problémem je, že v řadě případů je k dosažení požadovaných mechanických vlastností nutné provést následné tepelné zpracování. Obvykle se používá HIP (hot isostatic pressing). Tím se ztrácí výhoda tisku dílů přesných rozměrů, neboť je nutné počítat s určitými přídavky na deformace vznikajících při tepelném zpracování.

Laserové navařování

Tato technologie se také označuje jako laser cladding, laser additive manufacturing či direct metal deposition. Jedná se o postup navařování s využitím laseru o kontinuálním výkonu obvykle více než 1 kW. Laserem se standardně navařuje vrstva o tloušťce 1–5 mm na již existující povrch součásti. Manipulace s optikou nebo díly je zpravidla řešena pomocí CNC systémů nebo robotů.

Přídavný materiál je do ohniska laseru dodáván buď ve formě prášku (obr. 1), nebo drátu. Drát může být ještě předehříván elektrickým proudem. Laserové navařování je velmi variabilní metoda s celou řadou technologických parametrů a zdaleka nemá ustálené postupy. Výsledek tedy do značné míry závisí na zkušenostech a technologické úrovni firmy, která ho provádí. Hotový návar na tvarové součásti je vidět na obr. 2.

Obr. 2. Laserové navařování hřídele. (Zdroj: Matex PM)

Typickým použitím jsou například opravy poškozených hřídelí, návary turbínových lopatek a úpravy tvaru lisovacích nástrojů. Jedná se často o velmi rozměrné díly o hmotnosti několika tun (obr. 3). Cílem není vytvořit přesný tvar bez následného obrobení, ale spíše se klade důraz na vysokou produktivitu, spolehlivost a zabránění defektům v návarové vrstvě. V principu není problém navařit vrstvu o tloušťce mnoha centimetrů.

Na rozdíl od 3D tisku se při laserovém navařování nepracuje v uzavřené komoře naplněné ochranným plynem. Ochranný plyn se přivádí tryskou společně s práškem, případně dalšími kanály v navařovací optice. Cílem je jednak zabránit oxidaci navařovaného materiálu, ale i omezit vznik plazmy a zajistit stabilní chování taveniny.

Nový díl vytvořený jako návar

Rozdíly laserového navařování oproti výše uvedenému 3D tisku mizí, pokud provedeme laserové navařování ve větších tloušťkách, případně vytvoříme nový díl kompletně jako návar. Takové aplikace se skutečně provádějí, nejde tedy jen o hypotetické úvahy.

Prvním příkladem je výroba polotovaru trysek pro raketové motory. Tyto trysky jsou vyráběny kompletně laserovým navařováním z materiálu Inconel a následně obráběním do finálního tvaru. Dalším příkladem je navařování nástrojů pro lisování za tepla. Tyto nástroje jsou od počátku navrženy s návarem o tloušťce několika milimetrů. Tato vrstva musí být odolná proti otěru, musí mít vysokou tvrdost při provozní teplotě a zároveň musí odolávat teplotním cyklům. Naprosto zásadním požadavkem je ale potřeba dodržení tvarové přesnosti po navaření v toleranci přibližně ±0,5 mm před obrobením. V obou případech je třeba nejen zvládnutí technologie, ale i znalost použitých materiálů.

Obr. 3. Laserový návar na tvarové součásti. (Zdroj: Matex PM)

Ochranné a nosné plyny pro navařování a 3D tisk

Důležitou součástí laserového navařování a 3D tisku jsou bezpochyby technické plyny a jejich správný výběr. Nelze na ně nahlížet pouze z hlediska nutné ochrany nataveného materiálu před okolní atmosférou, ale i jako na prvek, který dokáže do značné míry metalurgicky a termicky ovlivnit proces spékání a tavení kovů. Typ a čistota ochranného plynu se odvíjejí u jednotlivých metod především od použitého základního a přídavného materiálu.

Pro vysokolegované kovy je zastoupení plynů široké s možností využití jedno- či vícesložkových plynů. U nelegovaných a nízkolegovaných ocelí je nejčastěji využíván argon doplněný o příměs CO2 či O2. Vhodné použití ochranných plynů pro různé typy materiálu shrnuje tabulka.


Technické plyny pro laserové navařování a 3D tisk

Materiál Argon Helium Dusík Směs argonu a vodíkuSměs argonu a CO2Směs argonu, CO2 a O2
Titan xx
Hliník xxx
Austenitická ocel, nikl xxxx
Feritická ocel xxx
Nelegovaná a nízkolegovaná ocel –xx

Hotové výrobky je často nutné tepelně zpracovat, respektive žíhat ke snížení vnitřního pnutí, které se taktéž neobejde bez ochranné atmosféry. Návarové metody pro změnu potřebují nosný plyn, který pod tlakem unáší prášek přídavného materiálu do svarové lázně. Z důvodu přímého kontaktu tohoto plynu s nataveným materiálem mu musí být věnována také značná pozornost. Pečlivý výběr plynu se určitě vyplatí, neboť i malý podíl vhodně zvolené příměsi vede k značnému vlivu na proces aditivní výroby.

Závěr

Výše popsané metody jsou právem označovány jako technologie budoucnosti, a to především díky okamžité pružnosti výroby a schopnosti vytvořit i tvarově velmi složité součásti požadovaných vlastností. Nejdůležitějším klíčem ke komerčnímu úspěchu je stabilita procesu, zabránění oxidaci a udržení stabilní tloušťky navařované vrstvy. Ukazuje se, že toho je možné dosáhnout pouze správným nastavením procesních parametrů a vhodně zvolenými technickými plyny.

Související články
EBM - průlomová technologie výroby exponovaných součástí

Tvarově složité součásti přímo z výchozích materiálů. Vysoká produktivita. Kvalitní struktura. Výborné mechanické vlastnosti. Redukovaná zbytková napjatost. Žádné opotřebené nástroje, upínací prvky. Různé materiály. Přímá tvorba montážních sestav. Sjednocení více součástek do jedné. Úspora energie, času, nákladů. Bez odpadu. Energeticky efektivní a ekologické. To je EBM!

Nový stroj pro laserový 3D tisk kovů

Na specializovaném veletrhu Formnext ve Frankfurtu nad Mohanem, zaměřující se výhradně na systémy aditivní výroby, představila firma Trumpf nový stroj pro laserový 3D tisk kovů - TruPrint 2000. Univerzální stroj TruPrint 2000 vyniká několika technologickými novinkami a jeho koncepce je uzpůsobena zejména pro precizní a choulostivé produkty zdravotnického průmyslu a stomatologie. Nicméně firma již nyní deklaruje, že stroj má výhody i pro použití v automotive, leteckém a strojírenském průmyslu nebo pro výrobu nástrojů a forem, protože standardně zvládne zpracovávat všechny typy materiálů od ocelí a nerezu, přes hliníkové, titanové, niklové slitiny až po chrom kobalt a slitiny mědi.

Vliv složek ochranných atmosfér na WAAM

Svařování v současné době není už pouze technologií ke spojování materiálů. S rozvojem aditivní výroby strojních součástí lze tento proces využít také pro výrobu komplexních a geometricky složitých součástí. Technologie WAAM využívá svařování pro vrstvení jednotlivých svarových housenek do tvaru vyráběné strojní součásti a je charakterizována mnoha proměnnými – mimo jiné i účinky ochranné atmosféry. Cílem příspěvku je zhodnotit vliv jednotlivých složek ochranných atmosfér používaných pro MAG svařování.

Související články
Téma: technologie pro výrobu forem

Díly, součásti či výrobky, které spatřily světlo světa díky tomu, že byly vylisovány, odlity či vykovány ve formě, jsou doslova všude kolem nás. Forma je zařízení často velmi složité a komplexní a k její výrobě je potřeba řada špičkových technologií. Následující článek představuje některé z nich.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Moderní výukové systémy a laboratoře

O školství se traduje, že je velmi rigidní a rychlý rozvoj nových technologií lze jen velmi obtížně promítnout do současné výuky. Vše je ale nakonec hlavně o lidech. Jak se se současnými trendy v oblasti spojování materiálů vypořádává výuka na Ústavu strojírenské technologie na Fakultě strojní na ČVUT v Praze, a ne jen na to, jsme se ptali vedoucího tohoto ústavu docenta Ladislava Kolaříka.

Názorové fórum odborníků

Energetická náročnost výrobních provozů zvláště v oblasti tváření, svařování či v oblasti zpracování plechů a profilů je důležitým kritériem pro udržitelnou výrobu. Jakou roli hrají úvahy o energetické náročnosti a budoucí udržitelnosti provozu při vývoji nových zařízení?

Jaká je energetická náročnost vámi vyráběných strojů a zařízení ve srovnání s jejich předchozími generacemi? Jakým způsobem bylo případné snížení spotřeby energií dosaženo?

Zcela jiné možnosti s aditivními technologiemi

Nadnárodní společnost General Electric napříč všemi svými dceřinými společnostmi neustále prohlubuje obrovské know-how. Vlastní zkušenosti s vývojem aditivně vyráběných částí zejména pro potřeby leteckého průmyslu přesahující již dvě dekády daly podnět ke vzniku zákaznického centra. GE Additive otevřela v roce 2017 zákaznické centrum (Customer experience center – CEC) kousek od Mnichova, kde firmám nabízí pomoc s nelehkými začátky s aditivními technologiemi.

Již druhý hybridní stroj WeldPrint

Kovosvit MAS ve spolupráci s ČVUT vyvinul již druhý tzv. hybridní stroj pod obchodním názvem WeldPrint. Jde o technologii 3D tisku z kovu plně vyvinutou v České republice patřící do kategorie Hybrid Manufacturing (HM). Umožňuje vytvářet kovové dílce navařováním pomocí elektrického oblouku a jejich obrábění v jednom pracovním prostoru s výrazně menšími náklady než u jiných technologií 3D tisku z kovu. Nový stroj bude díky nižší pořizovací ceně dostupnější než jeho předchůdce.

Kompaktní laserová pracovní stanice

Laserové zpracování kovů, které bylo kdysi vyhrazeno pro drahé letecké a medicínské technologie, se postupem času stalo běžnou technologií v mnoha průmyslových odvětvích. Ve srovnání s tradičními laserovými zdroji, které vyžadují drahý spotřební materiál a pravidelnou údržbu optických součástí, jsou dnešní vláknové lasery v podstatě bezúdržbové. Kromě velmi vysoké technické úrovně a sofistikovanosti, které tyto lasery nabízejí, jsou nyní mimořádně cenově konkurenceschopné. Náklady na laserové diody se v posledních letech snížily o více než 80 , a proto se stroje používající vláknové lasery staly mimořádně cenově efektivním řešením pro mnoho aplikací zpracování materiálu.

Automatizace lidem práci nebere

Automatizaci se ve firmě Kovosvit MAS věnují od roku 2013. Z původního projektu vznikla samostatná divize MAS Automation a na letošní rok má plánované téměř dvojnásobné tržby oproti roku 2017. V porovnání s plánovaným obratem celého Kovosvitu jsou tržby divize zatím nevýznamné, ale průměrný růst divize o dvě třetiny ročně dokládá, že automatizace má v podniku ze Sezimova Ústí zelenou.

Aktuální možnosti v laserovém svařování

Laserové svařování lze v dnešní době považovat za velice moderní technologii. Vysoké svařovací rychlosti, štíhlý svar a z toho plynoucí výhody jsou pozitiva, která umožnila začlenění této metody do progresivních výrobních technologií. Tento článek si klade za cíl představit aktuální možnosti laserových svařovacích technologií.

Názorové fórum odborníků

V únorovém vydání jsme zástupcům společností činných v oboru zpracování plechů a profilů položili následující otázku:

Pokročilé metody laserového svařování

V současné době existují nové metody laserového svařování, které dále zlepšují základní metodu. V současné době existují nové metody laserového svařování, které dále zlepšují základní metodu. Podstatou nových metod je laserová hlava obsahující systém dvou vychylovacích zrcadel doplněných speciální optikou. Díky tomu lze laserovým paprskem velice rychle přebíhat v dané ploše. Svařování s touto hlavou se nazývá skenerové svařování. V provedeném experimentu byla demonstrována významná časová úspora při využití této metody oproti svařování běžnou svařovací hlavou vedenou robotem. Druhou metodou, opět využívající vychylování laserového svazku zrcadly, je svařování s rozmítaným svazkem. U této metody dochází kromě posuvové rychlosti k mikropohybu laserového svazku podél svařované trajektorie. Řízením parametrů mikropohybu můžeme měnit jak šířku závaru, tak i mikrostrukturu svaru, jak je opět předvedeno v rámci několika experimentů.

Laserová svařovací buňka, která promíjí nepřesnosti v plechu

Vstup do oblasti laserového svařování se stává snadnějším než dříve díky tolerantnímu laserovému svařování metodou FusionLine a balíčku pro náběh výroby. Nové konstrukční prvky a softwarové komponenty zjednodušují obsluhu.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit