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

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?

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
MM Podcast: Každé vítězství má svůj příběh

Olga Girstlová byla v 90. letech nepřehlédnutelnou součástí vznikajícího podnikatelského prostředí tehdejšího Československa. Společně se svým otcem a manželem založili v květnu 1990 společnost GiTy. Vsadili na komoditu s obrovským potenciálem technologického růstu. Po 15 letech manželé Girstlovi však dospěli k rozhodnutí společnost prodat a dále se věnovat jiným komoditám, jako například ekologickému stavitelství. 

CIMT 2021 plně prezenční

Zatímco je celý svět paralyzovaný restrikcemi proti šíření koronaviru covid-19, v Pekingu byl dnes zahájený veletrh obráběcích a tvářecích strojů China International Machine Tool Show CIMT 2021 v plné prezenční formě a téměř shodného rozsahu, jako ročníky předešlé. Ve stejný den a po celý týden, jako Hannover Messe Digital Edition – průmyslový veletrh v plně digitální platformě.

Hannover Messe 2021

Inovace, vytváření sítí a sdílení zkušeností ve věku průmyslové transformace – to jsou klíčová motta, která představují letošní ročník digitálního Hannover Messe, na kterém více než 1 800 vystavovatelů představí svá řešení pro výrobu a energetické systémy budoucnosti. Od umělé inteligence po robotiku, od ochrany klimatu po vodík. Nejdůležitější světový průmyslový veletrh plní svoji roli jako inovační a síťová platforma a vytváří uprostřed koronové pandemie globální platformu pro výměnu zkušeností v době průmyslové transformace.

Související články
MM Podcast: Glosa - God Save the Queen

V naivní představě ekonomického perpetuum mobile zaměstnáváme v poměru k reálné ekonomice nejvyšší počet lidí ve státní a veřejné správě v rámci nejrozvinutějších zemí OECD. Rakovinotvorný rozbujelý a nevýkonný úřednický aparát, vědomě bojkotující vznik e-státu, dokonale paralyzuje správu věcí veřejných. A jeho solidarita s aktuálně zdecimovaným privátním sektorem? Home office na 100 % mzdy, její valorizace, statisícové odměny na MF za ušetřené miliardy (…). 

Související články
V hlavní roli strojař

Fakulta strojní VŠB-TUO se pro letošní rok v rámci náborové kampaně vrací k úspěšné sérii V hlavní roli strojař. Kampaň komunikuje myšlenku, že strojaři jsou hvězdy hrající hlavní roli v moderním světě. Jejím cílem je zlepšit vnímání oboru strojírenství, posílit brand fakulty, a samozřejmě také nalákat uchazeče ke studiu strojařiny.

Chytrá kombinace systémů

Vývoj obráběcích technologií v minulém století nabral na obrátkách. Dnes jsme tuto technologii dotáhli téměř k dokonalosti – jsme schopni vyrobit předměty libovolných tvarů v přesnostech na tisíciny milimetru. Dalo by se říct, že pro zlepšení zde už příliš prostoru nezbývá, přesto nás přední výrobci obráběcích strojů a nástrojů pravidelně přesvědčují o opaku. Progresivní a inovativní přístup společnosti Ceratizit je toho jen dalším důkazem. Nedávno na trh uvedla přesnou vyvrtávací hlavu Komflex z produktové řady Komet, která umožňuje automatickou korekci průměru v případě vyvrtávání přesných otvorů. Jak to nástroj dokáže, upřesňuje v následujícím rozhovoru technický ředitel společnosti Ceratizit Česká republika Ing. Jan Gryč.

MSV ve znamení materiálů i technologií

Všichni, kdo máme něco společného se strojírenstvím, pevně věříme, že se v letošním roce opět otevřou brány brněnského výstaviště pro Mekku strojařů z celého světa – Mezinárodní strojírenský veletrh. Na MSV se letos, mimo lidi z dalších oborů, setkají i výrobci plastů a též špičkových zařízení pro plastikářskou výrobu. Na naše otázky odpovídají Pavel Tuláček, jednatel společnosti Gorilla Machines, a David Svoboda, jednatel Sumitomo (SHI) Demag Plastics Machinery Česko.

Aditivně s nadzvukovou rychlostí

Společnost Hermle je známá především pro svá přesná pětiosá obráběcí centra a nadstandardní servis. Už málokdo ví, že vyvinula také stroj pro aditivní výrobu kovových dílů. Přestože je i tato technologie založena na postupném vrstvení kovového prášku na součást, nedochází zde ke spékání prášku laserovým paprskem, ale kovový prášek je tryskou doslova nastřelován na díl nadzvukovou rychlostí. Na detaily jsme se zeptali technického zástupce společnosti Hermle Pavla Němečka.

Názorové fórum odborníků

Respondenty jsme požádali o jejich názor na podobu budoucích technologií. Současná situace přinesla mnoho omezení, mezi jinými postihla také dodavatelské řetězce, znemožnila včasné dodávky do výrobních podniků a přinesla vyšší nároky na bezpečnost zaměstnanců. Jaké nové technologie podle vás mají v současné situaci největší potenciál se prosadit?

Svařování mědi pomocí vláknového laseru

Rychlý rozvoj v oblasti elektromobility vede ke zvýšení poptávky po svařování mědi. To, co ji činí pro danou aplikaci ideální (tj. vysoká elektrická a tepelná vodivost), ji zároveň činí obtížně svařitelnou konvenčními vláknovými lasery. Díky vyšší efektivitě, zhruba dvojnásobné, někteří výrobci zkoušejí používat zelené pevnolátkové lasery. Výsledkem je stabilnější a méně citlivý proces, než jaký byl možný u standardních vláknových laserů.

Procesně stabilní zpracování recyklátů

Do roku 2025 si Evropská unie klade za cíl ročně více než zdvojnásobit používání recyklátů při výrobě plastových výrobků [1, 2]. K dosažení tohoto cíle jsou kromě závazku firem působících na trhu a vyšší kapacity při zpracování plastového odpadu zapotřebí především nové technologie zpracování. Recykláty je nutné používat v daleko větší míře a v ještě vyšších poměrech. S novými procesy vstřikování na jedné straně a inteligentní podporou na straně druhé sleduje výrobce vstřikovacích strojů Engel různé a často velmi slibné přístupy. Výroba boxů a kontejnerů ukazuje na velký potenciál.

Uplatnění kovového 3D tisku

Společnost Misan z Lysé nad Labem se aditivními technologiemi kovových dílů zabývá a tato zařízení v České republice distribuuje už osm let. Dalo by se říct, že je jedním z průkopníků s těmito technologiemi na českém trhu. Z toho pochopitelně vyplývají také její bohaté zkušenosti s touto relativně mladou výrobní disciplínou. Na otázky, kde tyto technologie nacházejí uplatnění a v jakých oblastech mohou vyniknout, jsme se ptali aplikačního inženýra pro kovové aditivní technologie Jana Hudce.

Aditivní výroba velkých dílů

Porto patří k největší průmyslové oblasti Portugalska. Od roku 1956 zde sídlí přední světový výrobce strojů technologie tváření – společnost Adira.

Fórum výrobních průmyslníků

Jaké zásadní problémy vám současná doba přináší do chodu firmy, jak se je snažíte řešit a s jakým výsledkem?

Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členy 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