Témata
Reklama

Výroba a opravy pomocí laseru

Hesla jako 3D-Drucken a Additive Manufacturing jsou všudypřítomná. Na všech kontinentech je zřejmá snaha podporovat aditivní technologie. Avšak co se za tím skrývá? V Aachen se tomuto tématu věnuje Fraunhofer-Institute für Lasertechnik ILT und Produktionstechnologie IPT.

U aditivních technologií se v podstatě jedná o to, vyrobit součást pomocí CAD dat a speciální techniky, tedy postupně ji vytvořit místo vyrábět z plného kusu obráběním nebo odléváním. Mohou to být součásti jak z kovu, tak také z plastů nebo papíru.

Reklama
Reklama

Inovační proces se týká technologií SLM a LAS

Na Fraunhofer-Institute für Lasertechnik ILT und Produktionstechnologie IPT zkoumají využití metody Selective Laser Melting (SLM) a metody nanášení materiálu laserem (LAS) pro výrobu nových součástí libovolného tvaru a nebo pro opravu poškozených součástí (obr. 1). Technologie jsou součástí inovačního klastru Adam – adaptive Produktion für Ressourceneffizienz in Energie und Mobilität, na kterém se mimo Fraunhoferova institutu podílí řada průmyslových podniků, mimo jiné Rolls-Royce, MTU Aero Engines, Trumf, Siemens, ale i MAN Diesel & Turbo SE.

Obr. 1. Příklad opravy hnací hřídele navařováním materiálu laserem


Obr. 2. Schematické znázornění technologie Selective Laser Melting SLM (vlevo) a navařování materiálu laserem LAS (vpravo). Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Adam je zaměřen na vývoj součástí turbomotorů pro automobilový, letecký a energetický průmysl s ohledem na snížení emisí a malou spotřebu pohonných hmot. Podstatné části řešení klastru jsou údržba/servis/oprava součástí turbomotorů pomocí nanášení materiálu laserem LAS. K technologiím využívajícím paprsek laseru patří Selective Laser Melting a navařování materiálu laserem (obr. 2). Obě technologie vytvářejí součásti v konečném tvaru, přesněji řečeno geometrii a používají většinou přídavné hmoty ve formě prášku.

Výchozím bodem pro tyto technologie jsou tvar a rozměry součástky ve formě 3D CAD modelu. Tento model je pomocí speciálního softwaru rozřezán do vrstev definované tloušťky. U technologie SLM následuje dvoustupňový proces: v prvém stupni je nanesena vrstva práškového materiálu, následně je laserem v daném rozsahu natavena v místech, která odpovídají tvaru a rozměrům vyráběné součástky. U navařování laserem se nanáší vrstva po vrstvě podle informací z CAD.

Přívod prášku je u obou technologií rozdílný

Podstatný rozdíl mezi SLM a navařováním materiálu je v podávání práškového materiálu. Při navařování je prášek dodáván do místa navařování pomocí trysky (rovnoběžně nebo z boku k paprsku laseru), u SLM je prášek umístěn v pracovní komoře stroje („práškové vaně“). U obou technologií je prášek ve vrstvách laserem taven. Tím se vytvoří pevné, homogenní, metalurgicky vázané vrstvy bez defektů, s velmi dobrými mechanickými vlastnostmi. V závislosti na požadovaných funkčních vlastnostech vyráběné součástky se provede další tepelné zpracování. Oproti navařování materiálu vykazuje technologie SLM vyšší přesnost a větší pestrost vyráběných tvarů (obr. 3).

Obr. 3. Lopatkové kolo s lopatkami opravenými technologií SLM. Výhoda: pohonné soustrojí je možné smontovat dříve a snížit tak prostoje stroje, neboť se opracuje šest lopatek najednou oproti dříve pouze dvou.

U navařování materiálu však zase lze navařovat materiál na již vytvořené prostorové plochy a také opracovávat větší obrobky (obr. 4), takže je možné použít tuto metodu pro opravy poškozených výrobků, pro vytvoření vrstvy odolné opotřebení nebo korozi.

Podstatné výhody technologií využívajících laser:
• nejsou potřebné nástroje ani formy;
• jsou určeny pro výrobu jednotlivých součástí nebo malých sérií;
• vysoká flexibilita;
• efektivní využití financí;
• je možná výroba malých geometrických struktur (100 až 200 µm).

V posledních letech je technologie navařování materiálu laserem zaváděna v řadě podniků při výrobě nástrojů, forem, pohonných ústrojí strojů a do konstrukce strojů s cílem zvýšit odolnost naneseného materiálu proti opotřebení a proti korozi. V automatizovaných zařízeních jsou používány kontinuálně pracující lasery. Navařovaný materiál je do paprsku přiváděn ve tvaru prášku. V oblasti výroby nástrojů a forem se používají také malá zařízení s pulzním laserem, zařízení s ruční obsluhou a s přívodem navařovaného materiálu ve tvaru drátu. Tato zařízení mají většinou malý výkon (do 400 W) a jsou určeny pro menší opravy.

Oproti technologiím pro nanášení tenkých vrstev, u kterých je tloušťka vrstvy v rozsahu nano-metrů až 10 µm, má u navařování materiálu laserem nanášená vrstva tloušťku od 0,1 až 1 mm. Z toho plynou charakteristické vlastnosti, jako je metalurgické spojení navařené vrstvy se základním materiálem, malé smíchání se základním materiálem a vysoká přesnost tvarů, čímž se kvalitativně liší od jiných technologií nanášení materiálu nebo od tepelně nastříkaných vrstev. Navíc u těchto technologií dochází k malému tepelnému ovlivnění součástí a tím k obecně menší deformaci.

Obr. 4. Lopatkové kolo vyrobené technologií navařování materiálu. Lopatky jsou navařeny na základní disk, místo aby byly frézovány z plného materiálu, tím se snižují výrobní náklady.

Pro navařování materiálu pomocí kontinuálně pracujících laserů s výstupním výkonem až 10 kW je možné použít lasery CO2, Nd:YAG, vláknové, kotoučové a diodové. Z důvodu lepšího zaostření paprsku laseru na kovové povrchy (vyšší účinnost) se pro tuto oblast prosazuje stále více vlnová délka záření 1 µm. Navíc je možné vést paprsek laseru do pracovního místa pomocí optických vláken, čímž se získá větší flexibilita zařízení.

Práškový materiál o typické zrnitosti od 20 do 100 µm je do paprsku laseru v pracovním místě podáván plynem (např. argonem), který slouží současně jako ochranný plyn. Paprsek laseru taví tenkou vrstvu na povrchu materiálu, na kterém se vytváří povlak (méně než desetinu milimetru), a současně taví také dodávaný prášek a oba materiály se metalurgicky spojují, takže se dosahuje stoprocentní hustoty naneseného materiálu s nepatrnými nečistotami (obr. 2, vpravo). Z důvodu místního přívodu tepla, které je dáno dokonalým zaostřením paprsku laseru, jde do základního materiálu málo energie, proto je malá teplem ovlivněná oblast i oblast vzniku trhlin. Typická teplem ovlivněná oblast je v rozmezí méně než desetina milimetru až milimetr. Technologie jsou přesné a lze je automatizovat.

Obr. 5. Pohled na opravenou formu pro vstřikovací lití technologií navařování materiálu.

Spektrum oblastí použití navařování materiálu laserem zahrnuje opravy vzniklých chyb při předešlém opracování, modifikaci tvaru součásti a vytvoření vrstvy odolné opotřebení nebo korozi. Jako přídavné materiály se používají slitiny na bázi Fe, Ni, Co, Cu, Al. Z důvodu již uvedených variací přívodu prášku lze vytvářet povlaky z vrstev majících různé vlastnosti, které jsou vhodné pro použití dané součásti (např. vhodnou tvrdost nebo chemické složení).

V rámci inovačního klastru Adam je v současné době řešen vývoj technologického procesoru, který by umožnil uživatelům stanovit pro jejich případ optimální pracovní parametry. K tomu je vyví-jena banka dat, model EFM a empirické diagramy procesu pro různé materiály. Navařování materiá-lu je výhodné především pro drahé a přesné součásti strojů. V oblasti nástrojů a forem se navařování materiálů uplatní především pro opravy a modifikaci vstřikovacích a tvářecích nástrojů, především pro nástroje na hluboké tažení materiálů. Obr. 5 ukazuje opravenou stříkací formu, u které byly opraveny dvě oblasti. Součásti turbosoustrojí jsou nyní opravovány konvenčními technologiemi, jako je navařování metodou WIG (Wolfram-Inertgas), elektronovým paprskem, termickým nástřikem nebo LAS (obr. 6). Laser zde poskytuje výhody, jako je větší rychlost procesu a tím minimální výrobní časy, vyšší přesnost nanesené vrstvy (není nutné téměř žádné další obrábění) a menši tepelné ovlivnění, tedy žádné deformace obrobku.

Obr. 6. Oprava rotoru turbosoustrojí technologií navařování materiálů, v kooperaci s Rolls-Royce Německo

SLM a LAS umožňují nový design výrobku

Technologie Selective Laser Melting a navařování materiálů vykazují vyšší potenciál pro výro-bu, protože je možné vyrábět komplexnější tvary s vyšší funkčností součásti než se stávajícími technologiemi. Kromě toho je možné vyrábět součásti s novým designem (např. konstrukce lehčích součástí pomocí odlehčovacích otvorů), které nelze vyrobit ani obráběním ani odléváním.

Zatímco se technologie SLM používá především při výrobě nových kompletních součástí, je technologie LAS využívána převážně pro opravy drahých součástí strojů.

Andres Gasser

MM Das Industriemagazin č. 38, 2014
Zpracoval: Jaroslav Řasa
zuzana.zidlicka@mmspektrum.com

Reklama
Firmy
Související články
Inovovaná fiber laserová centra

Dnešní výrobci plechových dílů vyžadují vysoce flexibilní, efektivní a inteligentní řešení. Nové inovace ve výrobě vláknového laseru Prima Power byly navrženy a vyvinuty tak, aby splňovaly tato očekávání. Platino Fiber Evo je nejnovější verzí platformy Platino s více než 2 000 instalací po celém světě, vylepšenou o důležité technologické inovace.

V hlavní roli úkosování

Úkosy na řezných hranách jsou nutností až u šedesáti procent všech výpalků. Nejčastěji se jedná o úkosy pro svar, kamenické rohy ve stavebnictví či tvarové výřezy v obalovém průmyslu.

Využití laseru při dělení a značení materiálů

Jaký typ laseru je vhodný pro jaký materiál? Jaký výkon je třeba pro dělení desky o zadané síle? Jaké asistenční plyny lze pro řez použít a jaké výsledky s daným typem plynu lze očekávat? Jakým laserem značit a jakým řezat?

Související články
Harmonizace ve svařování

Mezinárodní harmonizace norem a pravidel pro svařování je důležitá z mnoha důvodů. Primárním důvodem je skutečnost, že svařování je považováno za "zvláštní proces" (EN ISO 9001), při kterém nelze zcela zjistit jakost po skončení procesu inspekcí, ale jakost musí být sledována před i v průběhu celého procesu svařování.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Oscilující paprsek laseru pracuje přesněji

Univerzálním nástrojem naší doby je laser, kterým je možné bezdotykově opracovávat téměř všechny materiály. Ještě lépe a přesněji se podaří materiály řezat nebo gravírovat, když paprsek laseru kmitá.

Laserové svařování s přídavným drátem

Pod svařováním laserovým paprskem si většinou představujeme svařování bez přídavného drátu. V současnosti již existují technické možnosti drát do svaru doplnit. Můžeme jmenovat dva základní příklady, kdy přídavný drát použít. Prvním je případ svařování silnostěnných dílů, kdy sesazení není přesné a do spoje je nutné doplnit materiál, aby svar nebyl propadlý. Druhým důvodem může být potřeba modifikovat složení v místě svaru, třeba kvůli nutnosti snížení tvrdosti. Dále ukažme možnost s přídavným drátem navařovat vrstvy na povrchu.

Spojování a dělení trubek laserem

Nejenom elektronika a komunikační zařízení se svými novými iPady, iPhony a tablety jde cestou technologických inovací. Stejným směrem se ubírá i vývoj strojírenských technologií. V  MM Průmyslovém spektru chceme ukázat na vybraných technologiích, případně na jejich navazujících operacích, inovační pokrok, jaký byl za poslední dobu vykonán. Toto vydání časopisu je zaměřené na spojování a tvarové dělení, proto jsme o názor na jednu z technologií z tohoto oboru, technologii spojování a řezání trubek dutých i otevřených profilů, požádali pana Romana Haltufa, ředitele firmy Trumpf Praha.

Moderní způsoby spojování dílů karoserií

Dnešní moderní koncepce stavby automobilů je nemyslitelná bez stále narůstajícího významu šetření s používanými surovinami, kratšími časy pro vývoj a cenově přijatelnou výrobu.

Inovativní řešení z Blechexpo

V listopadu na 14. mezinárodním veletrhu zpracování plechu Blechexpo ve Stuttgartu prezentovala italská společnost Prima Power špičková řešení zahrnující všechny fáze zpracování plechu. Slogan „Prima is here“ symbolizuje přístup společnosti k zákazníkům nejen v průběhu veletrhu, ale při jakémkoli kontaktu s nimi. Je vždy na jejich straně, nabízí podporu, odborné znalosti a vyspělé technologie, skutečně naslouchá potřebám uživatelů a poskytuje moderní a uživatelsky přívětivá řešení jejich požadavků.

Prostorově optimalizované skladování

Pro zásobování všech strojů bez prostojů využívá společnost Thomann v Hergatzu bei Lindau buňkový skladovací systém společnosti Remmert. Speciální stanice pro vychystávání zvyšuje rychlost procesu vyskladňování materiálu o více než šedesát procent.

Větší efektivita - nižší náklady

Průmysl 4.0 – čtvrtá průmyslová revoluce je v plném proudu a hraje stále větší roli i u skladování plechů. Aby firma mohla flexibilně reagovat na aktuální požadavky trhu, je rozhodující především plně automatizované spojení mezi skladovacími systémy a výrobou. Na následujících řádcích přinášíme krátký rozhovor s Matthiasem Remmertem, jednatelem společnosti Friedrich Remmert, o trendech automatizace a o tom, proč by měly firmy využívat Průmysl 4.0.

Plně integrovaná výroba plechů

Výrobní dílna (job shop), která ročně zpracovává okolo 1 700 t plechu a všechny suroviny skladuje v běžných ocelových regálech, plýtvá výrobní plochou, strojními časy i lidskými zdroji. K tomuto závěru společnost 2Cut dospěla, a proto se rozhodla investovat do plně automatického regálového zakladače a obráběcího centra od společnosti Friedrich Remmert.

Lehké konstrukce automobilů - sendvičové materiály

O prodejnosti a úspěšnosti vozidla v silném konkurenčním prostředí dnes rozhoduje z velké míry tvar a funkčnost karoserie. Mezi technickým vybavením jednotlivých výrobců dnes není propastný rozdíl a proto první, čím automobil promlouvá k zákazníkovi, jsou právě silueta vozu, linie hran, elegance i vizuální dynamika. Na karoserii jsou proto kladeny náročné požadavky v řadě případů z hlediska technologie výroby protichůdné.

Lehké konstrukce karoserií osobních automobilů

Rostoucí požadavky na snižování spotřeby pohonných hmot a emisní limity vytvářejí soustavný tlak na snižování hmotnosti karoserií. Druhou alternativou, která se nadále rozvíjí, je rozšířené nasazení alternativních hybridních pohonů automobilů, zejména kombinace spalovacích motorů s elektropohony. Nedodržení emisních limitů osobních automobilů 95 g/100 km by mělo být od roku 2020 navíc finančně postihováno. Jak ukazují aktuální problémy koncernů Volkswagen Group a Citroen, je tato problematika rozšířena ještě o NOx. Je však zřejmé, že se to týká prakticky všech výrobců osobních i nákladních vozů. Tato problematika je zásadní s ohledem na vyráběné množství. V konstrukci letadel, raket a vesmírné techniky je řada nových výrobních technologií již delší dobu používána. Je to nejenom otázka vhodných materiálů, jejich dostupnosti a možností použitých výrobních technologií. V souvislosti s lehkými konstrukcemi všechny tyto oblasti stojí před dlouhodobým a zásadním rozvojem.

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