Laserové tavení kovů mění výrobu budoucnosti

Dr. Florian Bechmann: „Zákazníci se v současné době velmi soustředí na požadavky na kvalitu. To vyžaduje vysokou úroveň spolupráce mezi optikou, mechanikou, řídicí technikou a softwarem zařízení.“ (Zdroj obrázku: Concept Laser GmbH) / Dr. Florian Bechmann: „Zákazníci jsou v současné době velmi zaměřeni na požadavky na kvalitu. To vyžaduje správnou kombinaci optiky, mechaniky, řídicí techniky a softwaru.“ (Fotografie: Concept Laser GmbH)

Dr. Florian Bechmann: „Tento typ 3D zobrazování v budoucnu zvýší transparentnost procesu tím, že zachytí součást v její strukturní celistvosti. To vytváří transparentnost v rychlém, vysoce dynamickém procesu, který mohou obsluhující pouze s pomocí speciálních pomůcek.“ (Obrázek: Concept Laser GmbH)

„Inline Process Monitoring“ s modulem QM QMmeltpool: Systém pomocí kamery a fotodiody sleduje proces na velmi malém ploše 1x1 mm². Následně je proces zdokumentován. (Zdroj obrázku: Concept Laser GmbH) / „Inline Process Monitoring“ s modulem QM QMmeltpool: systém používá kameru a fotodiodu k monitorování procesu na velmi malé ploše 1x1 mm². Proces je poté zdokumentován. (Fotografie: Concept Laser GmbH)

Aktivní zajištění kvality pomocí QMmeltpool: pro lidské oko není chyba rozpoznatelná. Odchylky v kvalitě dílce však QMmeltpool přesto rozpozná. (Zdroj obrázku: Concept Laser GmbH) / Active quality assurance using QMmeltpool: although the human eye is incapable of detecting defects, QMmeltpool nevertheless identifies deviations in component quality. (Photo: Concept Laser GmbH)

QMcoating: Bez QMcoating může dojít k nedostatečnému pokrytí vrstvy (červené oblasti naznačují nedostatek práškového materiálu); přístup s QMcoating však upravuje dávkovací faktor prášku v rámci tolerance. (Obrázek: Concept Laser GmbH)

QMcoating: Pomocí QMcoating lze oproti manuálnímu ovládání ušetřit až 25 % prášku (potenciál úspor = šrafovaná plocha). (Zdroj obrázku: Concept Laser GmbH) / QMcoating: Použití QMcoating může ušetřit až 25 % množství prášku potřebného ve srovnání s manuálním provozem (potenciální úspora = šrafovaná oblast). (Fotografie: Concept Laser GmbH)

Největší, generativně vyrobená součást: převodovka z hliníku (rozměry: x: 474 mm; y: 367 mm; z: 480 mm – bez výšky konstrukčního rámu) je vytvářena z prášku rychlostí > 50 cm³/h. (Zdroj obrázku: Concept Laser GmbH) / Největší díl vyrobený pomocí aditivní výroby: převodovka z hliníku (rozměry: x: 474 mm; y: 367 mm; z: 480 mm – bez výšky konstrukční platformy) je sestavena z prášku při rychlostech > 50 cm³/h. (Fotografie: Concept Laser GmbH)

Obrázek šperku LaserCUSING. (Zdroj obrázku: Concept Laser GmbH) / Obálka obrázku LaserCUSING (FOTO: Concept Laser GmbH)

Magické slovo průmyslové výroby je 3D tisk. Odklon od tvarově vázaného myšlení směrem k aditivní geometrii volných dílů již není módní záležitostí, ale silným trendem. Výhody jsou zřejmé: rychlejší průběh, levnější díly a dosud nepoznaná svoboda tvarování. Následující důsledek této dynamické tržní vývoje: odvětví si zvyká na dvouciferné tempo růstu. Dr. Florian Bechmann, vedoucí vývoje u Concept Laser, informuje o trendech a zvýšených požadavcích na kvalitu.

Inovativní průkopníci tohoto postupu jsou automobilový průmysl, zdravotnický sektor a letectví a kosmonautika. Tito technologičtí tahouni kladou vysoké nároky nejen na kvalitu nebo volbu materiálů, ale také na kvantitativní aspekty, jako je zvýšení produktivity. Tito uživatelé požadují kratší doby výroby nebo více dílů v jednom výrobním prostoru. Pro automobilový průmysl vyvinulo Concept Laser největší výrobní prostor s X line 1000R. Přechod od laseru 400W k laseru 1 000W je považován za důležitý milník v procesu. Vývoj probíhal ve spolupráci s laserovými specialisty z Fraunhofer-Gesellschaft. Cílem bylo realizovat rychlejší a zároveň levnější procesy. Úspora času při vývoji moderních motorů nebo velkých dílů pro letectví a kosmonautiku jsou příklady použití velmi velkých laserových tavicích zařízení.

V letectví a kosmonautice se důsledně spoléhá na generativní metody

Inovace stále více přicházejí z letectví a kosmonautiky, které poptávají vysoce kvalitní řešení. Použití reaktivních materiálů, jako je titan nebo hliníkové slitiny, které lze bezpečně a kvalitně vyrábět pouze v uzavřeném systému, je v letectví a kosmonautice velmi žádané. Všichni uživatelé, jako NASA, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., Honeywell, Snecma, Aerojet/Rocketdyne nebo Astrium Space Transportation z skupiny EADS, považují generativní postup za další krok ve vývoji moderní výroby. Inženýři NASA dokonce uvažují o výrobě dílů aditivně na ISS, tedy na oběžné dráze. To by mělo výhodu, že by bylo možné pomocí CAD dat vyrábět díly ve vesmíru. Pro USA je patrné vysoké nasazení kapitálu a personálu. To platí pro výzkum a výuku, ale také pro průmysl. Evropané mohou přispět svými výzkumnými a strojírenskými příspěvky především v USA a Evropě. V Evropě EU podporuje tento postup prostřednictvím projektů jako AMAZE, protože je přesvědčena o jeho udržitelnosti a inovační síle.

Zdravotnický sektor jako klíčový pilíř

Laserové tavné tavení kovů zásadně revolucionalizuje zdravotnický sektor: staré procesní řetězce jsou kompletně přehodnoceny. Například díly laserCUSING pro implantáty, které dobře zapouštějí s porézními povrchy, ale zároveň umožňují potřebnou elasticitu. Rostoucí aplikací je cenově dostupná a rychlá výroba zubních náhrad z biokompatibilních materiálů. Vysoce přesné, odolné dentální řešení místo ručně vyráběných zubních náhrad.

Možnost zachování hodnoty jako volba

Také v retrofitingu může tento postup bodovat: opotřebované turbínové díly z energetiky nebo letectví lze rychle a levně regenerovat. Na základní těleso lze nanést v přesně stejném materiálu vrstvy jako hybridní technologií. Kromě regenerace jsou také vyráběny úplně nové díly v turbínové technice.

Rostou výzkumné a vývojové aktivity

Aby bylo možné urychlit vývoj a vyhovět zvýšené poptávce trhu, otevřel Concept Laser na konci roku 2013 nové vývojové centrum. Laserové tavné tavení kovů představuje pro konstruktéry a vývojové inženýry z různých odvětví vysoké kouzlo pro konstrukci dílů. Cílem výrobců zařízení je doprovázet tento vývoj trhu inovacemi. U složitých zařízení je nutná intenzivní spolupráce optiky, mechaniky, řídicí techniky, softwaru a práškových materiálů. V novém vývojovém centru Concept Laser se pracuje na „diskrétních inovacích“, které nebudou určeny široké veřejnosti.

Nové možnosti pro konstruktéry

S laserem CUSING lze integrovat funkce, jako jsou chladicí kanály. To je zajímavé pro díly, které jsou vystaveny silným teplotním namáháním, nebo také ke zkrácení cyklů při vstřikování do plastových forem. V odvětví offshore se uvažuje o instalaci laserových tavicích zařízení na vrtných plošinách, aby bylo možné samostatně vyrábět určité díly přímo na místě. Technologie je nezávislá na místě a může probíhat lokálně.

Zajištění kvality v reálném čase

Concept Laser nabízí pro zařízení moduly řízení kvality. Existují dva přístupy: QMmeltpool a QMcoating. Dr. Bechmann vysvětluje: „U QMmeltpool zaznamenává systém pomocí kamery a fotodiody signály během procesu stavby. Tyto údaje lze následně porovnat s referencí. Optický systém je konfigurován koaxiálně. Umožňuje kameře zaznamenat tavicí bazén na velmi malé ploše cca 1x1 mm². Může zde být rozpoznáno snížení výkonu laseru způsobené kontaminací F-Theta čočky nebo přirozeným stárnutím laseru, stejně jako odchylky od dávkovacího faktoru.“ Druhý přístup je modul QMcoating: zajišťuje, že je použito optimální množství prášku, aby se ušetřilo nevyužité materiály (až 25 %) a umožnilo se kratší doba přípravy. QMcoating kontroluje povrch vrstvy během nanášení prášku. Při nedostatečné nebo nadměrné dávce prášku je dávkovací faktor upraven, tedy aktivně řízen. Oba moduly QM sledují a dokumentují proces v reálném čase a zajišťují tak reprodukovatelnou kvalitu.“

Klíčové faktory pro vyšší kvalitu v detailech

U Concept Laser je patrný charakteristický oddělený prostor pro výrobní komoru a obslužný prostor: podle Dr. Floriana Bechmanna má toto řešení zajistit maximální bezpečnost práce a ergonomii. Zařízení jsou vybavena automatizovaným dopravníkem prášku v kontejnerech. Technologie zařízení jako „uzavřený systém“ při laserovém tavném tavení kovů má řadu výhod: týká se to kvality dílů, protože se zabrání kontaminaci kyslíkem, ale také bezpečnosti, když se zpracovávají reaktivní materiály, jako je titan nebo titanové slitiny. Bezpečnostní požadavky na zařízení jsou definovány směrnicí EU ATEX.

Budoucí aspekty laserového tavného tavení

Vynikající výhledy do budoucna
Aplikace laserového tavného tavení s kovů se rozšiřují a tím i spektrum materiálů. To vyžaduje silné poradenské služby, které musí Concept Laser poskytovat trhu. Dr. Florian Bechmann: „Technologie zařízení musí být stále přesně nastavována na nové materiály. Současně rostou konstrukční požadavky na díly. Od lehké konstrukce nebo kvazi-síťových struktur po integraci funkcí, například chladicí okruhy v dílech.“ Multiplikace přes hranice odvětví zvyšuje rychlost inovací výrobců zařízení. Dalším aspektem je rostoucí význam kvality vnímání uživateli. Zákazníci očekávají aktivní sledování procesu a sériovou použitelnost, tj. reprodukovatelnost na průmyslové úrovni.

Požadavky na kvalitu se zvyšují
„Názor zákazníků je nyní velmi zaměřen na požadavky na kvalitu. To vyžaduje vysokou úroveň spolupráce optiky, mechaniky, řídicí techniky a softwaru zařízení,“ říká Dr. Bechmann. Klíčové faktory spočívají v přeshraničném sledování kvality. Patentované moduly řízení kvality („QM-moduly“) od Concept Laser rozhodují o kvalitě, ovladatelnosti a zásahu v reálném čase do probíhajícího, vysoce dynamického výrobního procesu. Uživatelé se dnes kromě geometrie, hustoty a produktivity zajímají především o kvalitu finálního produktu. Jak vysvětluje Dr. Bechmann: „Dva přístupy jsou klíčové pro vyšší úroveň kvality: aktivní sledování procesu pomocí strojního vybavení a vývoj na straně materiálů. Patří sem například certifikace materiálů v medicíně nebo specifické požadavky výrobců, jako je automobilový průmysl nebo letectví.“

Výhledy do blízké budoucnosti
Dr. Florian Bechmann vidí důležité vývoje v mapování, tedy v „mapě dílu“, v nejbližší budoucnosti. 2D mapování bude generováno během procesu výroby a následně bude možné jej zobrazit v 3D modelech. To je srovnatelné s CT snímky, tedy počítačovou tomografií z medicíny. Dr. Bechmann: „Tato 3D reprezentace v budoucnu zvýší transparentnost procesu a zachytí díl v jeho strukturní celistvosti. To znamená transparentnost v velmi dynamickém, rychlém procesu, který může obsluhovat pouze s pomocí speciálních pomůcek.“ Dr. Bechmann vidí v budoucnosti zájem zákazníků o rychlost při sestavování dílů: „Existují dva způsoby: jednak vyšší výkon laseru, například u X line 1000R, tedy přechod od 400W na 1 000W laser, a dále použití více laserů.“ Více laserových zdrojů může v budoucnu výrazně zvýšit výrobní kapacitu dílů, přičemž je třeba zvážit výhodu známých procesních parametrů proti rostoucí složitosti optické konstrukce. V těchto konceptech se totiž nejen laser, ale i většina ostatních optických komponentů násobí.

Doplňující informace: Dva okrajové aspekty laserového tavného tavení

Zelená technologie: Udržitelnost a ekologické aspekty generativní výroby
Laserové tavné tavení je výrobní proces s vysokou udržitelností. Mnoho faktorů potvrzuje kvantový skok laserového tavného tavení v ekologickém otisku nebo bilanci CO2:

• náklady na formování nebo odlitky odpadávají
• díky lokální nebo decentralizované výrobě se snižuje logistika (například na offshore platformách nebo na vesmírné stanici)
• úspora materiálu během procesu
• žádné zvláštní emise hluku
• rychlá výroba prototypů nebo zkušebních kusů
• retrofit dílů pomocí hybridní techniky je možný
• žádné emise olejů nebo chladiv
• zbytkové teplo laseru lze využít jako odvod tepla v technickém zařízení
• levná spotřeba energie zařízení
• výroba „na zakázku“
• výroba unikátů (kusová výroba 1)
• méně odpadu

Celá řada možností pro udržitelnější výrobu. Není divu, že laserové tavné tavení je označováno jako „zelená technologie“ a EU jej považuje za klíčovou evropskou technologii budoucnosti.

Průmyslový 3D tisk versus spotřebitelský 3D tisk
Na veletrzích jsou 3D tiskárny hlavní atrakcí. Zájemci se již dnes informují, zda je možné tisknout kostky Lego nebo dokonce, odvážněji, potraviny. To vychází z logiky, že místo 2D tisku je nyní možné pomocí laserového tiskárny tisknout i trojrozměrné objekty. U technických objektů jsou, do určitých rozměrů, dostupné cenově přijatelné tiskárny za méně než 1 000 eur, které jsou již dnes realitou.

To samozřejmě nemá nic společného s průmyslovým pohledem na laserové tavné tavení kovů. Rozlišují se spotřebitelské a průmyslové aplikace: průmyslová zařízení kladou vysoké nároky na kvalitu, velikost dílů nebo paralelní výrobu velkého počtu dílů v jednom výrobním prostoru a na jiné rychlosti výroby než v segmentu spotřebního zboží. Výjimečné požadavky na kvalitu a materiály, až po certifikaci materiálu a procesu, vyplývají z odvětví, která potřebují průmyslové standardy, například letectví a kosmonautika, výrobci turbín, zdravotnictví a zubní technika, automobilový průmysl, hodinářství a šperkařství. V těchto odvětvích se očekává použití vysoce výkonných kovů a slitin, včetně reaktivních materiálů, s vysokou spolehlivostí, reprodukovatelností a za vysokých bezpečnostních požadavků. Pro tato odvětví je nutná přesná souhra optiky, mechaniky, řídicí techniky a softwaru s prvky zajištění kvality, která umožňuje vysokorychlostní, dynamickou výrobu v reálném čase.

Pracovní princip je podobný, ale spotřebitelská řešení v 3D tisku se chovají přibližně jako rakety Wernhera von Brauna V2 ve srovnání s moderní raketovou technikou. Nejde tedy o často zmiňované „jablka nebo hrušky“, ale o dva zcela odlišné filozofie a aplikace.

Základní informace LaserCUSING®

Klíčové slovo: LaserCUSING®
Pomocí technologie LaserCUSING® lze vytvářet mechanicky a termicky odolné kovové díly s vysokou přesností. Používají se podle potřeby drahé a nástrojové oceli, slitiny hliníku nebo titanu, niklové superlegury, kobalt-chromové slitiny nebo i drahé kovy, jako jsou zlaté nebo stříbrné slitiny.

Popis procesu
U LaserCUSING® se jemné práškové kovové materiály lokálně taví pomocí vysoce výkonného vláknového laseru. Po ztuhnutí se materiál zpevní. Kontura dílu je vytvářena odklonem laserového paprsku pomocí zrcadlové jednotky (scanner). Konstrukce dílu probíhá vrstvu po vrstvě (s vrstvou od 15 do 100 μm) snížením základny výrobní komory, nanášením nového prášku a opětovným tavením.

Specifikem zařízení Concept Laser je stochastické řízení segmentů vrstev (také nazývaných „ostrovy“), které jsou postupně zpracovávány. Patentovaná metoda výrazně snižuje napětí při výrobě velmi velkých dílů.