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

Vedoucí oddělení svařování/dělení materiálu ve společnosti Messer Technogas, specialista v oblasti technických plynů pro laserové aplikace a 3D tisk a spoluřešitel projektu AdMan Tool.

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
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
Ruční laserové svařování s ochranným plynem

Laserové svařování není příliš rozšířenou metodou, ale pro své nesporné výhody nachází stále větší uplatnění. V praxi jsme se doposud setkávali především s robotickým laserovým svařováním v sériové či velkosériové výrobě. V poslední době však nachází své uplatnění také ruční laserové svařování, které lze využít i pro malé série výrobků či kusovou výrobu.

Technické plyny pro 3D tisk a laserové navařování

Laserové aplikace nacházejí ve strojírenské praxi stále větší uplatnění. Kromě dnes již velmi rozšířeného laserového dělení materiálu se lasery stále častěji uplatňují i v dalších oblastech. Laserovou techniku lze pro její nesporné výhody použít pro mnoho dalších operací, jako je např. 3D tisk, navařování, svařování a pájení.

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
Zajímavosti ze světa 3D tisku

3D tisk nabízí stále nové možnosti uplatnění, ať už jde o vlastnosti nebo rozměry finálního výrobku, nebo o zcela nové aplikační oblasti. Jednou ze zajímavých novinek je 3D tiskárna na desky plošných spojů, která umožňuje výrobu prototypu nebo malé série během několika hodin. Nebo z jiného soudku - v největších výrobních systémech lze vytisknout plastové díly s rozměry kolem 900 mm. Pokud máte za to, že se vám investice do takového zařízení nevyplatí, není třeba zoufat, neboť technologie jsou dostupné i formou služby.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Přestaneme vyrábět a budeme tisknout?

3D tisk (AM – Additive Manufacturing) je obor, který přes svou krátkou historii překvapuje v mnoha ohledech – efektivitou, praktičností, flexibilitou... Jeho využitelnost jako technologie roste téměř exponenciálně, a přitom ale trochu utajeně.

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.

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.

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.

Výrobní laserové technologie

Výrobní laserové technologie lze dělit mnoha způsoby-, podle použitého výkonu, délky pulzu nebo interakce s materiálem. Nejjednodušší způsob rozdělení laserových technologií je do tří skupin: dělení a odebírání materiálu, spojování materiálu a úprava povrchu materiálu. Vzhledem k rozmanitosti využití laseru není toto dělení zcela jednoznačné a existuje několik dalších technologií, které se nacházejí mezi těmito kategoriemi.

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.

Fotonika - klíč k technologickému rozvoji

Vynález laseru, optických vláken a polovodičových optických součástek výrazně zvýšil význam využití optiky pro moderní technologie. Byl to také impulz pro rozvoj mladého vědního oboru – fotoniky –, který se zabývá vlastnostmi a metodami využití fotonů. Místem, kde si odborníci z těchto tří na sobě závislých oborů – optika, elektronika a fotonika – sdělují svá know-how a sdílejí své úspěchy, se každoročně stává nejvýznamnější světový veletrh optických a laserových technologií Laser World of Photonics. I letos jej koncem června na mnichovském výstavišti doprovázel světový kongres World of Photonics congress.

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.

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.

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