Laserschmelzen mit Metallen verändert die Fertigung der Zukunft

Dr. Florian Bechmann: „Obecnie perspektywa klientów koncentruje się bardzo mocno na wymaganiach dotyczących jakości. Wymaga to wysokiego poziomu współpracy optyki, mechaniki, techniki sterowania i oprogramowania urządzenia.” (Źródło zdjęcia: Concept Laser GmbH) / Dr. Florian Bechmann: „Klienci obecnie skupiają się głównie na wymaganiach jakościowych. To wymaga odpowiedniego połączenia optyki, mechaniki, techniki sterowania i oprogramowania.” (Zdjęcie: Concept Laser GmbH)

Dr. Florian Bechmann: „Ta forma wizualizacji 3D w przyszłości zwiększy przejrzystość procesu i obejmie cały element w jego strukturze. Oznacza to przejrzystość w bardzo dynamicznym, szybkim procesie, którego operatorzy mogą opanować tylko przy użyciu specjalnych pomocy.” (Źródło zdjęcia: Concept Laser GmbH) / Dr. Florian Bechmann: „Ten rodzaj obrazowania 3D w przyszłości zwiększy przejrzystość procesu, rejestrując element w całości jego struktury. Tworzy to przejrzystość w szybkim, wysoce dynamicznym procesie, który operatorzy mogą opanować tylko przy pomocy specjalnych środków.” (Zdjęcie: Concept Laser GmbH)

„Monitorowanie procesu inline” z modułem QM QMmeltpool: system za pomocą kamery i fotodiody nadzoruje proces na bardzo małej powierzchni 1x1 mm². Następnie proces jest dokumentowany. (Źródło obrazu: Concept Laser GmbH) / „Monitorowanie procesu inline” z modułem QM QMmeltpool: system używa kamery i fotodiody do monitorowania procesu na bardzo małym obszarze 1x1 mm². Proces jest następnie dokumentowany. (Zdjęcie: Concept Laser GmbH)

Aktywna kontrola jakości za pomocą QMmeltpool: dla ludzkiego oka nie jest możliwe wykrycie żadnych wad. Mimo to QMmeltpool rozpoznaje odchylenia w jakości elementu. (Źródło zdjęcia: 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 może dojść do niepełnego pokrycia warstwy (czerwone obszary wskazują na brak materiału proszkowego); podejście z QMcoating polega na dostosowaniu współczynnika dozowania proszku w ramach tolerancji. (Źródło zdjęcia: Concept Laser GmbH) / QMcoating: bez QMcoating, warstwa może być niewystarczająco pokryta (czerwone obszary wskazują na brak materiału proszkowego); jednak w podejściu z QMcoating współczynnik dozowania proszku jest dostosowywany w ramach tolerancji. (Zdjęcie: Concept Laser GmbH)

QMcoating: Za pomocą QMcoating można zaoszczędzić do 25% proszku w porównaniu z ręczną obsługą (potencjalne oszczędności = zacieniony obszar). (Źródło zdjęcia: Concept Laser GmbH) / QMcoating: Wykorzystanie QMcoating może zaoszczędzić do 25% ilości proszku potrzebnego w porównaniu z obsługą ręczną (potencjalne oszczędności = zacieniony obszar). (Zdjęcie: Concept Laser GmbH)

Największa, generatywnie wykonana część: obudowa przekładni z aluminium (wymiary: x: 474mm; y: 367mm; z: 480mm – bez wysokości platformy roboczej) powstaje z proszku z szybkością > 50cm³/h. (Źródło obrazu: Concept Laser GmbH) / Największa część wyprodukowana metodą addytywną: obudowa przekładni z aluminium (wymiary: x: 474mm; y: 367mm; z: 480mm – bez wysokości platformy) jest konstruowana z proszku z szybkością > 50cm³/h. (Zdjęcie: Concept Laser GmbH)

Obrazek biżuterii LaserCUSING. (Źródło zdjęcia: Concept Laser GmbH) / Okładka zdjęcia LaserCUSING (Zdjęcie: Concept Laser GmbH)

Magiczne słowo w przemysłowej produkcji brzmi 3D Druk. Odchodzenie od myślenia o formie na rzecz dodawania geometricznej swobody elementów to już nie moda, lecz silny trend. Zalety są oczywiste: szybsze czasy realizacji, tańsze elementy i dotąd nieznana swoboda kształtowania. Skutek tej dynamicznej rozwoju rynku: branża wydaje się przyzwyczajać do dwucyfrowych wskaźników wzrostu. Dr Florian Bechmann, kierownik rozwoju w Concept Laser, opowiada o trendach i zwiększonych wymaganiach dotyczących jakości.

Inicjatorami tego procesu są przemysł motoryzacyjny, technika medyczna oraz lotnictwo i kosmonautyka. Ci napędzający technologię nie tylko stawiają wysokie wymagania co do jakości czy wyboru materiałów, ale także aspekty ilościowe, takie jak zwiększenie wydajności. Ci użytkownicy domagają się krótszych czasów budowy lub większej liczby elementów w jednym obszarze produkcyjnym. Dla przemysłu motoryzacyjnego Concept Laser opracował największy obecnie obszar produkcyjny z X line 1000R. Przejście od lasera 400W do 1000W jest uważane za ważny kamień milowy tego procesu. Rozwój ten był realizowany we ścisłej współpracy z ekspertami od laserów z Fraunhofer-Gesellschaft. Celem było zrealizowanie szybszych i jednocześnie tańszych procesów. Oszczędność czasu przy rozwoju silników nowoczesnych pojazdów lub dużych elementów lotniczych i kosmicznych to przykłady zastosowań dla bardzo dużych systemów topnienia laserowego.

Lotnictwo i kosmonautyka konsekwentnie korzystają z metod generatywnych

Innowacje coraz częściej pochodzą z branży lotniczej i kosmicznej, które poszukują wysokiej jakości rozwiązań. Wykorzystanie reaktywnych materiałów, takich jak tytan czy stopów aluminium, które można bezpiecznie i wysokiej jakości wytwarzać tylko w zamkniętym systemie, jest bardzo pożądane w lotnictwie i kosmonautyce. Wszyscy użytkownicy, tacy jak NASA, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., Honeywell, Snecma, Aerojet/Rocketdyne czy Astrium Space Transportation z grupy EADS, postrzegają metodę generatywną jako kolejny krok rozwoju nowoczesnej produkcji na szeroką skalę. Inżynierowie NASA nawet rozważają produkcję elementów addytywnych na ISS, czyli na orbicie. To pozwoliłoby na wytwarzanie elementów na podstawie danych CAD w przestrzeni kosmicznej. W USA można zaobserwować duże zaangażowanie kapitałowe i personalne. Dotyczy to zarówno badań i nauki, jak i przemysłu. Europejczycy mogą wnosić swoje wkłady z zakresu badań i technologii maszynowej głównie w USA i Europie. W Europie UE wspiera ten proces poprzez projekty takie jak AMAZE, ponieważ jest przekonana o ich trwałości i innowacyjności.

Technika medyczna jako ważny filar

Laserowe topnienie metali rewolucjonizuje technikę medyczną na trwałe: tradycyjne łańcuchy procesowe są całkowicie odwracane. Takie elementy LaserCUSING są poszukiwane w implantach, które dobrze integrują się z porowatymi powierzchniami, a jednocześnie pozwalają na potrzebną elastyczność. Rosnącym zastosowaniem jest tańsza i szybsza produkcja protez z materiałów biokompatybilnych. Trwałe, wysokoprzepuszczalne rozwiązania dentystyczne zamiast ręcznie wykonywanych protez.

Utrzymanie wartości jako opcja

Także w retrofit można osiągnąć sukces: zużyte części turbin z energetyki lub przemysłu lotniczego można szybko i tanio zregenerować. Na podstawową strukturę można nanieść warstwy addytywnie tym samym materiałem, tworząc rozwiązania hybrydowe. Oprócz regeneracji, powstają także zupełnie nowe części w technice turbinowej.

Wzrost wysiłków badawczo-rozwojowych

Aby przyspieszyć działalność rozwojową i sprostać zwiększonemu popytowi rynku, Concept Laser pod koniec 2013 roku otworzył nowoczesne centrum rozwoju. Topienie laserowe metali wywołuje duże zainteresowanie konstruktorów i inżynierów rozwoju z różnych branż, jeśli chodzi o kształtowanie elementów. Celem producentów urządzeń jest towarzyszenie tej zmianie rynku poprzez innowacje. Przy złożonych systemach konieczne jest intensywne współdziałanie optyki, mechaniki, sterowania, oprogramowania i materiałów proszkowych. W nowym centrum rozwoju Concept Laser pracuje się nad „dyskretnymi innowacjami”, które nie mają być pokazywane szerokiej publiczności.

Nowe opcje dla konstruktorów

Z LaserCUSING można wbudować funkcje takie jak kanały chłodzące. Jest to interesujące dla elementów narażonych na duże obciążenia termiczne lub w celu skrócenia cykli produkcyjnych w formach wtryskowych do przetwórstwa tworzyw sztucznych. W przemyśle offshore rozważa się instalację systemów topnienia laserowego na platformach wiertniczych, aby autonomicznie produkować określone elementy na miejscu. Technologia jest niezależna od lokalizacji i może działać lokalnie.

Zapewnienie jakości w czasie rzeczywistym

Concept Laser oferuje moduły zarządzania jakością dla swoich systemów. Istnieją dwa podejścia: QMmeltpool i QMcoating. Dr Bechmann wyjaśnia: „W QMmeltpool system za pomocą kamery i fotodiody rejestruje sygnały podczas procesu budowy. Dane te można porównać później z referencją. System optyczny jest ustawiony koaksjalnie. Pozwala to kamerze na rejestrowanie topnienia w bardzo małym obszarze około 1x1mm². Redukcje mocy lasera spowodowane zanieczyszczeniem soczewki F-Theta lub naturalnym starzeniem się lasera, a także odchylenia od współczynnika dozowania, można wykryć w ten sposób.” Drugi sposób to moduł QMcoating: zapewnia on, że stosowana jest optymalna ilość proszku, aby zaoszczędzić niepotrzebny materiał (do 25%) i umożliwić krótsze czasy przygotowania. QMcoating kontroluje powierzchnię warstwy podczas nanoszenia proszku. Przy zbyt niskim lub wysokim dozowaniu proszku, czynnik dozowania jest odpowiednio dostosowywany, aktywnie przeciwdziałając odchyleniom. Oba moduły QM monitorują i dokumentują proces w czasie rzeczywistym, zapewniając powtarzalną jakość.

Ważne czynniki kluczowe dla wyższej jakości

W Concept Laser charakterystyczne jest rozgraniczenie przestrzeni produkcyjnej od przestrzeni obsługi: jak mówi Dr Florian Bechmann, ma to zapewnić maksymalne bezpieczeństwo pracy i ergonomię. Systemy wyposażone są w zautomatyzowany transport proszku w kontenerach. Technologia systemów zamkniętych w laserowym topnieniu metali ma liczne zalety: dotyczy to jakości elementów, ponieważ unika się zanieczyszczeń tlenem, a także bezpieczeństwa, gdy przetwarza się reaktywne materiały, takie jak tytan czy stopy tytanu. Wymagania bezpieczeństwa są określane przez dyrektywę ATEX UE.

Perspektywy przyszłości laserowego topnienia

Doskonałe perspektywy na przyszłość
Zastosowania laserowego topnienia metali rozwijają się szeroko, a wraz z nimi zakres materiałów. To wymaga silnych usług doradczych, które Concept Laser musi świadczyć dla rynku. Dr Florian Bechmann: „Technologia systemów musi być ciągle dostosowywana do nowych materiałów. Jednocześnie rosną wymagania konstrukcyjne elementów. Od lekkich struktur lub struktur quasi-pianowych po integrację funkcji, np. obiegi chłodzenia w elementach.” Rozszerzanie się tej technologii ponad granice branż przyspiesza tempo innowacji producentów systemów. Innym aspektem jest rosnące znaczenie jakości w percepcji użytkowników. Klienci oczekują aktywnego nadzoru procesu i gotowości do seryjnej produkcji, czyli powtarzalności na poziomie przemysłowym.

Wzrastające wymagania jakościowe
„Obecnie spojrzenie klientów koncentruje się na wymaganiach jakościowych. To wymaga wysokiego poziomu współpracy optyki, mechaniki, sterowania i oprogramowania systemu,” wyjaśnia Dr Bechmann. Kluczowe czynniki to szeroko rozumiany nadzór jakości. Patentowane moduły zarządzania jakością („QM-Modules”) od Concept Laser decydują o jakości, obsłudze i wpływie w czasie rzeczywistym na dynamiczny proces budowy. Użytkownicy oprócz geometrii, gęstości i wydajności, coraz bardziej interesują się jakością końcowego produktu. Jak wyjaśnia Dr Bechmann: „Dwa podejścia są kluczowe dla wyższej jakości: aktywny nadzór procesu przez technologię maszynową i rozwój materiałów. Do tego należą certyfikacja materiałów, np. w technice medycznej, czy specyficzne wymogi producentów, jak w branży motoryzacyjnej czy lotniczej.”

Przyszłe kierunki rozwoju

Dr Florian Bechmann dostrzega kluczowe przyszłe kierunki rozwoju w mapowaniu, czyli „mapie elementu”. 2D-mapy będą generowane podczas procesu budowy i później przedstawiane w modelach 3D. To porównywalne z obrazami z tomografii komputerowej (CT) stosowanymi w technice medycznej. Dr Bechmann: „Ta trójwymiarowa prezentacja zwiększy przejrzystość procesu i obejmie cały element w jego strukturze. To oznacza przejrzystość w bardzo dynamicznym, szybkim procesie, który operator może opanować tylko przy użyciu specjalnych narzędzi.” Klienci oczekują w przyszłości szybszego budowania elementów: „Są dwa sposoby: wyższa moc lasera, jak w X line 1000R, czyli skok z 400W do 1000W, oraz użycie wielu laserów.” W przyszłości wiele źródeł laserowych może znacząco zwiększyć tempo produkcji elementów, choć trzeba rozważyć korzyści z użycia znanych parametrów procesu wobec rosnącej złożoności optycznej konstrukcji. W tych koncepcjach nie tylko laser, ale także większość innych elementów optycznych będzie mnożona.

Dodatkowa informacja: Dwa aspekty brzegowe laserowego topnienia

Zielona technologia: zrównoważony rozwój i aspekty ekologiczne generatywnej produkcji
Laserowe topnienie jest procesem produkcyjnym o wysokiej zrównoważoności. Liczne czynniki potwierdzają skok jakościowy laserowego topnienia pod względem ekologicznym i bilansu CO2:

• eliminacja konieczności formowania lub odlewania
• dzięki lokalnej lub zdecentralizowanej produkcji zmniejsza się logistyka (np. na platformach wiertniczych lub stacji kosmicznej)
• oszczędność materiału podczas procesu
• brak szczególnych emisji hałasu
• szybka produkcja prototypów lub próbnych egzemplarzy
• możliwość retrofitowania części turbinowych za pomocą technologii hybrydowej
• brak emisji olejów i środków chłodzących, jak w konwencjonalnej technice maszynowej
• resztkowe ciepło lasera może być wykorzystywane jako ogrzewanie w budynkach
• korzystne zużycie energii przez system
• produkcja „na żądanie”
• wytwarzanie unikatów (małe serie 1)
• mniejsza ilość odpadów

Cała gama możliwości dla bardziej zrównoważonej produkcji. Nie bez powodu laserowe topnienie jest nazywane „zieloną technologią” i jest uznawane przez UE za kluczową technologię europejskiej produkcji przyszłości.

Przemysłowy druk 3D kontra druk konsumencki 3D

Na wszystkich targach drukarki 3D są główną atrakcją. Potencjalni użytkownicy już dziś pytają, czy można drukować klocki Lego lub, jeszcze bardziej odważnie, jedzenie. To wynika z logiki, aby zamiast 2D, korzystając z drukarki laserowej, drukować także trójwymiarowe obiekty. W przypadku elementów technicznych, do określonych rozmiarów, dostępne są już dziś niedrogie drukarki za mniej niż 1000 euro.

Oczywiście nie ma to nic wspólnego z przemysłowym podejściem do laserowego topnienia metali. Do odróżnienia są aplikacje konsumenckie i przemysłowe: przemysłowa technologia systemowa opiera się na wyjątkowo wysokiej jakości, rozmiarach elementów lub równoczesnym budowaniu wielu części w jednym obszarze produkcyjnym, a także na innych prędkościach budowy niż w segmencie konsumenckim. Wymagania jakościowe i materiałowe, aż po certyfikację materiałów i procesów, wynikają z branż, które potrzebują przemysłowego poziomu, takich jak lotnictwo, producenci turbin, technika medyczna i dentystyczna, przemysł samochodowy, producenci zegarków i biżuterii. W tych branżach oczekuje się wysokiej wydajności metali i stopów, aż po reaktywne materiały, przy dużej powtarzalności i wysokich wymogach bezpieczeństwa. Do tego konieczna jest precyzyjna współpraca optyki, mechaniki, sterowania i oprogramowania, z elementami kontroli jakości, zapewniającymi wysoką dynamikę produkcji w czasie rzeczywistym.

Podstawowa zasada jest podobna, lecz rozwiązania konsumenckie w 3D są mniej więcej tak, jak rakiety Wernhera von Brauna V2 w porównaniu do nowoczesnej techniki rakietowej. Chodzi więc nie o słynne „jabłka czy gruszki”, lecz o dwa zupełnie różne filozofie i zastosowania.

Informacje tła LaserCUSING®

Temat: LaserCUSING®
Metoda LaserCUSING® pozwala na tworzenie wytrzymałych mechanicznie i termicznie elementów metalowych z dużą precyzją. W zależności od zastosowania używa się stali szlachetnych i narzędziowych, stopów aluminium lub tytanu, superstopów niklowych, stopów kobaltu i chromu, a także metali szlachetnych, takich jak złoto czy srebro.

Opis procesu
W LaserCUSING® drobne proszkowe metalowe elementy lokalnie topi się za pomocą wysokoenergetycznego lasera światłowodowego. Po ostygnięciu materiał twardnieje. Kontur elementu jest tworzony przez odchylanie wiązki laserowej za pomocą jednostki odchylającej (skaner). Budowa elementu odbywa się warstwa po warstwie (z grubością warstwy od 15 do 100 μm) przez obniżanie podstawy komory, nanoszenie nowej warstwy proszku i ponowne topnienie.

Charakterystyczną cechą systemów Concept Laser jest sterowanie losowe segmentami warstw (zwanymi „Wyspami”), które są kolejno przetwarzane. Patentowana metoda zapewnia znaczące zmniejszenie naprężeń podczas produkcji bardzo dużych elementów.