A lézeres olvasztás fémekkel megváltoztatja a jövő gyártását

Dr. Florian Bechmann: „Az ügyfelek jelenleg nagyon nagy hangsúlyt fektetnek a minőségi követelményekre. Ez megköveteli az optika, a mechanika, az irányítástechnika és a szoftver megfelelő összhangját.” (Kép forrása: Concept Laser GmbH) / Dr. Florian Bechmann: „Az ügyfelek jelenleg nagyon nagy hangsúlyt fektetnek a minőségi követelményekre. Ez megköveteli az optika, a mechanika, az irányítástechnika és a szoftver megfelelő összhangját.” (Kép forrása: Concept Laser GmbH)

Dr. Florian Bechmann: „Ez a 3D-s ábrázolás a jövőben növelni fogja a folyamat átláthatóságát, és az alkatrészt szerkezeti egészként rögzíti. Ez átláthatóságot teremt egy rendkívül dinamikus, gyors folyamatban, amelyet a kezelő csak különleges segédeszközökkel tud elsajátítani.” (Képforrás: Concept Laser GmbH) / Dr. Florian Bechmann: „Ez a típusú 3D-képalkotás a jövőben növelni fogja a folyamat átláthatóságát azáltal, hogy az alkatrészt szerkezeti egészként rögzíti. Ez átláthatóságot teremt egy gyors, rendkívül dinamikus folyamatban, amelyet a kezelők csak különleges segédeszközökkel tudnak elsajátítani.” (Fotó: Concept Laser GmbH)

„Inline folyamatfigyelés” a QMmeltpool QM modullal: a rendszer egy kamerát és fotódiódát használ a folyamat megfigyelésére egy nagyon kicsi, 1x1 mm²-es területen. Ezután a folyamatot dokumentálják. (Kép forrása: Concept Laser GmbH) / „Inline folyamatfigyelés” a QMmeltpool QM modullal: a rendszer egy kamerát és fotódiódát használ a folyamat megfigyelésére egy nagyon kicsi, 1x1 mm²-es területen. Ezután a folyamatot dokumentálják. (Fotó: Concept Laser GmbH)

Aktive Qualitätssicherung mit dem QMmeltpool: Für das menschliche Auge ist kein Fehler erkennbar. Abweichungen in der Bauteilqualität erkennt QMmeltpool dennoch. (Bildquelle: Concept Laser GmbH) / Aktív minőségbiztosítás a QMmeltpool segítségével: bár az emberi szem nem képes hibákat észlelni, a QMmeltpool mégis felismeri a részegység minőségében bekövetkező eltéréseket. (Fotó: Concept Laser GmbH)

QMcoating: QMcoating nélkül a réteg nem megfelelően lehet bevonva (a piros területek hiányzó poranyagot jeleznek); ehhez az eljáráshoz: A QMcoating segítségével a poradagoló tényezőt a tűrésen belül állítják be. (Kép forrása: Concept Laser GmbH) / QMcoating: QMcoating nélkül a réteg nem megfelelően lehet bevonva (a piros területek hiányzó poranyagot jeleznek); azonban a QMcoating módszerrel a poradagoló tényezőt a tűrésen belül állítják be. (Fotó: Concept Laser GmbH)

QMcoating: A QMcoating használatával manuális működtetéshez képest akár 25%-kal kevesebb por használható fel (megtakarítási potenciál = árnyékolt terület). (Képforrás: Concept Laser GmbH) / QMcoating: A QMcoating alkalmazásával akár 25%-kal kevesebb por használható fel a manuális működtetéshez képest (megtakarítási potenciál = árnyékolt terület). (Fotó: Concept Laser GmbH)

Legnagyobb, generatív módon készült alkatrész: egy alumínium fogaskerekes ház (méretek: x: 474mm; y: 367mm; z: 480mm – a felépítési platform magassága nélkül) több mint 50cm³/h sebességgel készül porból. (Képforrás: Concept Laser GmbH) / A legnagyobb alkatrész, amelyet additív gyártással készítettek: egy alumínium fogaskerekes ház (méretek: x: 474mm; y: 367mm; z: 480mm – a felépítési platform magassága nélkül) több mint 50cm³/h sebességgel épül porból. (Fotó: Concept Laser GmbH)

Ékszertárgy LaserCUSING. (Kép forrása: Concept Laser GmbH) / Borító kép LaserCUSING (Fotó: Concept Laser GmbH)

A gyártás mágikus szava a 3D nyomtatás. A formakötött gondolkodásról való leválás, az alkatrészek additív, geometria szabadságát biztosító megközelítésévé válása már nem divat, hanem erős trend. Az előnyök nyilvánvalóak: gyorsabb ciklusidők, kedvezőbb árú alkatrészek és eddig ismeretlen formatervezési szabadság. Ennek a dinamikus piaci fejlődésnek eredményeként az iparág úgy tűnik, hozzászokott a kétjegyű növekedési rátákhoz. Dr. Florian Bechmann, a Concept Laser fejlesztési vezetője beszámol a trendekről és a minőségre vonatkozó növekvő elvárásokról.

A folyamat úttörői az autóipar, az orvostechnika, valamint a légi- és űrtechnika. Ezek a technológiai hajtóerők nemcsak magas minőségi és anyagválasztási követelményeket támasztanak, hanem a termelékenység növelését is célozzák. Ezek a felhasználók rövidebb gyártási időket vagy több alkatrészt igényelnek egy adott gyártótérben. Az autóipar számára a Concept Laser a jelenleg legnagyobb gyártóteret fejlesztette ki az X line 1000R-rel. A 400 W-os lézerről az 1000 W-os lézerre való áttérés fontos mérföldkő a folyamatban. A fejlesztést szoros együttműködésben végezték a Fraunhofer Társaság lézerspecialistáival. A cél gyorsabb, ugyanakkor költséghatékonyabb folyamatok megvalósítása volt. A modern járművek időtakarékos motorfejlesztése vagy a légi- és űrtechnika nagy alkatrészei például a rendkívül nagy lézresmelő berendezések alkalmazására alkalmasak.

Lég- és űrtechnika következetesen a generatív eljárásokra támaszkodik

Az innovációk egyre inkább a légi- és űrtechnikai szektorból származnak, ahol magas színvonalú megoldásokat keresnek. Különösen keresettek az olyan reaktív anyagok, mint a titán vagy az alumínium ötvözetek, amelyek csak zárt rendszerben, biztonságosan és magas minőségben gyárthatók. Az összes alkalmazó, mint például a NASA, a Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., a Honeywell, a Snecma, az Aerojet/Rocketdyne vagy az Astrium Space Transportation az EADS csoportból, a generatív eljárást tartja a modern gyártás következő fejlődési lépésének széles körben. A NASA mérnökei akár azon is gondolkodnak, hogy alkatrészeket additív módon gyártsanak az ISS-en, azaz az orbitális pályán. Ez előnyt jelentene, mivel CAD-adatok segítségével a térben is gyárthatnának alkatrészeket. Az USA-ban jelentős tőke- és személyzeti ráfordítást figyelhetünk meg. Ez vonatkozik a kutatásra és oktatásra, de az iparra is. Az európaiak kutatási és gépészeti hozzájárulásokat nyújthatnak elsősorban az USA-ban és Európában. Az EU támogatja ezt a folyamatot olyan projektek révén, mint az AMAZE, mert meggyőződtek annak fenntarthatóságáról és innovációs erejéről.

Az orvostechnika mint fontos pillér

A fém lézresmelése tartósan forradalmasítja az orvostechnikát: teljesen megváltoztatja a hagyományos folyamatláncokat. Így például az implantátumoknál keresettek a pórusos felületekkel rendelkező, jó beágyazódást biztosító részek, ugyanakkor a szükséges rugalmasságot is lehetővé teszik. Egy feltörekvő alkalmazás a költséghatékonyabb és gyorsabban gyártható biokompatibilis anyagokból készült fogpótlások. Magas szintű, tartós fogászati megoldások, amelyek helyettesítik a kézműves módszerrel készült fogpótlásokat.

Értékmegőrzés mint opció

A retrofit terén is kiemelkedő lehet a folyamat: például a kopott turbinaalkatrészek gyors és költséghatékony regenerálása a villamosenergia-termelés vagy a repülőgépgyártás területén. A főtestre ugyanazzal az anyaggal additív rétegeket lehet felvinni, így hibrid technológiával. A regenerálás mellett teljesen új alkatrészeket is gyártanak a turbinákban.

Földolgozási és K+F erőfeszítések növekedése

Az innovációk felgyorsítása és a növekvő piaci igények kielégítése érdekében a Concept Laser 2013 végén új fejlesztőközpontot nyitott. A fém lézresmelés különösen vonzó a mérnökök és fejlesztő mérnökök számára különböző iparágakban, mivel nagyfokú alkatrésztervezési lehetőséget biztosít. A cél az, hogy a gyártó berendezésekkel kísérjék a piac fejlődését. Komplex berendezéseknél szoros összhang szükséges az optika, mechanika, vezérléstechnika, szoftver és poranyag terén. A Concept Laser új fejlesztőközpontjában olyan „diszkrét innovációkon” dolgoznak, amelyeket nem szándékoznak széles közönség előtt bemutatni.

Új lehetőségek a tervezők számára

A LaserCUSING segítségével például hűtőcsatornákat is be lehet építeni. Ez különösen érdekes olyan alkatrészeknél, amelyek erős hőterhelésnek vannak kitéve, vagy a ciklusidők csökkentése érdekében a műanyagfeldolgozó szerszámoknál. A tengeri iparban tervezik, hogy lézresmelő berendezéseket telepítenek olajfúró platformokra, hogy önállóan, helyben gyártsanak bizonyos alkatrészeket. A technológia helyfüggetlen, és helyben is működtethető.

Minőség valós idejű biztosítása

A Concept Laser minőségirányítási modulokat kínál a berendezéseihez. Két megközelítés létezik: QMmeltpool és QMcoating. Dr. Bechmann így magyarázza: „A QMmeltpool esetében a rendszer kamerával és fotodióda segítségével rögzíti a jeleket a felépítési folyamat során. Ezek az adatok összevethetők egy referenciával. A koaxiális felépítésű optikai rendszer lehetővé teszi, hogy a kamera egy kb. 1x1 mm²-es felületen rögzítse a olvadéktömböt. A lézer teljesítménycsökkenése, amit például a szennyeződés a F-Theta lencsén vagy a lézer természetes öregedése okoz, illetve a dózisszabályozó tényező eltérései felismerhetők ezzel a módszerrel.” A második megközelítés a QMcoating modul, amely biztosítja, hogy az optimális pormennyiség kerüljön felhasználásra, ezzel csökkentve a felesleges anyag (akár 25%) felhasználását, és lehetővé téve a rövidebb gyártási időket. A QMcoating ellenőrzi a réteg felületét a por felvitele közben. Ha túl kevés vagy túl sok por kerül felhasználásra, a dózisszabályozó tényezőt ennek megfelelően módosítják, aktívan beavatkozva. Mindkét QM-modul valós idejű megfigyelést és dokumentálást végez, így biztosítva a reprodukálható minőséget.

Fontos kulcsfontosságú tényezők a részletekben a magasabb minőségért

A Concept Laser esetében feltűnő a gyártóterek és a kezelőterek elkülönítése: Dr. Florian Bechmann szerint ez maximális munkabiztonságot és ergonómiát biztosít. A berendezések automatikus por szállítással rendelkeznek konténerekben. A fém lézresmeléshez használt berendezések „zárt rendszerként” működnek, számos előnnyel: javítják a minőséget, mivel elkerülik az oxigén által okozott szennyeződéseket, és növelik a biztonságot, különösen reaktív anyagok, például titán vagy titánötvözetek feldolgozásakor. A biztonsági követelményeket az EU ATEX irányelve határozza meg.

A lézresmelés jövőbeli kilátásai

Kiváló jövőképek
A lézresmelés alkalmazásai egyre szélesebb körben terjednek, így a felhasznált anyagok spektruma is bővül. Ez erős tanácsadói támogatást igényel, amit a Concept Laser biztosítani tud a piac számára. Dr. Florian Bechmann: „A berendezéstechnika folyamatosan igazodik az új anyagokhoz. Egyidejűleg növekednek a szerkezeti követelmények az alkatrészekkel szemben, például könnyűszerkezet vagy kvázi-szövetstruktúrák, illetve funkcióintegrációk, mint például hűtőkörök beépítése az alkatrészekbe.” A szektorok közötti multiplikáció gyorsítja a berendezésgyártók innovációs sebességét. Egy másik szempont a minőség növekvő jelentősége a felhasználók szemében. Az ügyfelek elvárják az aktív folyamatfelügyeletet és a sorozatgyártási megbízhatóságot, azaz az ipari szintű reprodukálhatóságot.

Minőségi elvárások növekedése
„A vásárlók jelenleg elsősorban a minőségi követelményekre összpontosítanak. Ez magas szintű összhangot igényel az optika, mechanika, vezérléstechnika és szoftver között” – mondja Dr. Bechmann. A kulcsfontosságú tényezők a széles körű minőségellenőrzésben rejlenek. A Concept Laser szabadalmaztatott minőségirányítási moduljai („QM-modulok”) döntik el, hogy a folyamat során a minőség, kezelhetőség és beavatkozás hogyan alakul valós időben, a magas dinamikájú építési folyamat közben. A felhasználók ma már nemcsak a geometria, sűrűség és termelékenység iránt érdeklődnek, hanem különösen a végtermék minősége iránt. Ahogyan Dr. Bechmann elmagyarázza: „Két megközelítés vezethet a magasabb minőséghez: az aktív folyamatfelügyelet a géptechnika részéről és az anyagoldali fejlesztések. Ide tartozik például az anyagok tanúsítása az orvostechnikában vagy a gyártói előírások betartása, mint például az autóiparban vagy a légi- és űrtechnikai szektorban.”

Közeljövő fejlesztései
Dr. Florian Bechmann általánosságban a térképezés, azaz az „alkatrész térképe” terén várható fontos fejlesztéseket látja a közeljövőben. A 2D-s térképek a gyártási folyamat során keletkeznek, és később 3D modelleken keresztül is megjeleníthetők lesznek. Ez hasonló a CT-felvételekhez, azaz a számítógépes tomográfiához az orvostechnikában. Dr. Bechmann szerint: „Ez a 3D-s megjelenítés a jövőben növeli a folyamat átláthatóságát, és a szerkezetileg egész alkatrészt fogja átfogni. Ez átláthatóságot jelent egy rendkívül dinamikus, gyors folyamatban, amit a kezelő csak különleges segédeszközökkel tud kezelni.” A jövőben a vevőkör érdeklődik a gyártási sebesség növelése iránt: „Két út van ehhez: egyrészt a lézer teljesítményének növelése, mint az X line 1000R esetében, azaz a 400 W-ról az 1000 W-ra való ugrás, másrészt több lézer alkalmazása.” A több lézerforrás a jövőben jelentősen növelheti az alkatrészgyártási sebességet, ugyanakkor mérlegelni kell az ismert folyamatparaméterek alkalmazásának előnyeit a növekvő optikai komplexitás mellett. Ezekben a koncepciókban nemcsak a lézert, hanem a többi optikai komponens nagy részét is többszörözni fogják.

Kiegészítő információ: Két széljegyzet a lézresmelésről

Zöld technológia: Fenntarthatóság és ökológiai szempontok a generatív gyártásban
A lézresmelés egy magas fenntarthatóságot képviselő gyártási eljárás. Számos tényező bizonyítja a lézresmelés ökológiai lábnyomának és CO2-kibocsátásának kvantumugrását:

• a formázás vagy öntés szükségessége megszűnik
• a helyi vagy decentralizált gyártási lehetőség csökkenti a logisztikát (pl. tengeri platformokon vagy űrállomáson)
• anyagmegtakarítás a folyamat során
• nincs különösebb zajkibocsátás
• gyors prototípus- vagy próbababagyártás
• hibrid technológia alkalmazásával a alkatrészek retrofitje lehetséges
• nincs olaj- vagy hűtőközeg kibocsátás, mint a hagyományos gépészeti technológiáknál
• a lézer hátralevő hője hasznosítható a háztartási hőellátásban
• kedvező energiafogyasztás
• „on-demand” gyártás
• egyedi termékek gyártása (kis tétel, 1 db)
• kevesebb selejt

Ez egy egész sor lehetőséget kínál a fenntarthatóbb gyártáshoz. Nem véletlen, hogy a lézresmelést „Zöld technológiának” nevezik, és az EU a jövő gyártási technológiájának európai kulcsfontosságú technológiaként tartja számon.

Ipari 3D nyomtatás vs. fogyasztói 3D nyomtatás
Minden kiállításon a 3D nyomtatók a figyelem középpontjában állnak. Az érdeklődők már ma is tájékozódnak arról, hogy lehet-e Lego-kockákat vagy akár, merészebben, élelmiszereket nyomtatni. Ez a logika szerint nem az a kérdés, hogy 2D-ben nyomtatunk-e, hanem hogy egy lézernyomtatóval háromdimenziós testeket is lehet-e készíteni. Technikai testek esetében, bizonyos méretig, már ma is elérhetőek az 1.000 euró alatti, megfizethető nyomtatók.

Ez természetesen nem kapcsolódik az ipari szemlélethez a lézresmelés terén fémek esetében. Szét kell választani a fogyasztói és az ipari alkalmazásokat: az ipari berendezések magasabb minőséget, alkatrésznagyságokat vagy a sok alkatrész párhuzamos felépítését teszik lehetővé, valamint más építési sebességeket, mint a fogyasztói szegmens. A különleges minőségi és anyagigények, akár anyag- és folyamattanúsítási követelmények, az ipari szektorokból származnak, mint például a légi- és űrtechnika, turbina gyártók, orvosi és fogászati technika, autóipar, óra- és ékszerkészítés. Ezekben az iparágakban magas szintű fém- és ötvözetanyagokat, akár reaktív anyagokat, magas tartósságot, reprodukálhatóságot és biztonsági szempontokat várnak el. Ehhez a technológiához szükséges berendezések precíz összhangot igényelnek az optika, mechanika, vezérléstechnika és szoftver között, valamint minőségbiztosítási elemeket a magas dinamikájú, valós idejű gyártási folyamatokhoz.

A működési elv hasonló, de a fogyasztói megoldások a 3D nyomtatásban nagyjából úgy viselkednek, mint Wernher von Braun V2 rakétái a modern rakétatechnikához képest. Nem az a kérdés, hogy a „körte vagy alma” kérdésben, hanem két teljesen különböző filozófia és alkalmazás között.

Háttér-információ: LaserCUSING®

Kulcsszó: LaserCUSING®
A LaserCUSING® eljárással mechanikailag és hőmérsékletileg is tartós, magas precizitású fém alkatrészek készíthetők. Alkalmazási területtől függően nemes- és szerszámacélokat, alumínium- vagy titánötvözeteket, nikkel alapú szuperötvözeteket, kobalt-króm ötvözeteket vagy akár nemesfémeket, például arany- vagy ezüstöt tartalmazó ötvözeteket használnak.

Eljárás leírása
A LaserCUSING® során finom por alakú fémet egy magas energiájú szálas lézer helyben megolvaszt. A lehűlés után az anyag megszilárdul. A részegység kontúrját a lézersugár irányított tükrözésével (szkennerrel) hozzák létre. A felépítés rétegenként történik (rétegvastagság 15–100 μm), a gyártási tér aljának süllyesztésével, új por felvitelével és ismételt olvasztással.

A Concept Laser berendezéseinek különlegessége a szelet szegmensek (más néven „szigetek”) sztochasztikus vezérlése, amelyeket egymás után dolgoznak fel. A szabadalmaztatott eljárás jelentős mértékben csökkenti a feszültségeket a nagyon nagy alkatrészek gyártásánál.