Прямое лазерное выращивание (ПЛВ) – аддитивная технология, заключающаяся в наплавке лазерным лучом металла, подаваемого в виде порошка.
Термин ПЛВ общеупотребителен в нашей стране, зарубежом единой терминологии нет, каждый производитель оборудования, каждый разработчик использует свое наименование процесса, самые распространенные аббревиатуры – LENS и DMD.
При выращивании детали по этой аддитивной технологии лазерный луч нагревает металл до расплавления (появления «ванны расплава»), в расплав подается струя инертного газа с металлическим порошком, порошок захватывается расплавом и после остывания формируется наплавленный валик – как при других видах сварки с присадкой.
Газ, транспортирующий порошок в зону наплавки, называется несущим газом.
Кроме несущего газа в зону наплавки может подаваться и защитный газ, для создания защитной атмосферы в зоне наплавки.
Точнее, должен подаваться. Защитный газ не подается только в одном случае – когда наплавка осуществляется в герметичной камере, заполненной защитным газом.
Схематично процесс наплавки показан на рисунках ниже:
Для наплавки используют «обычные» головки для лазерной сварки – в этом случае подача порошка идет сбоку.
Но чаще используются специальные головки, в которой подача порошка осуществляется «по оси». Они могут быть:
- с щелевой подачей порошка,
- с коаксиальной сопловой,
- с коаксиальной кольцевой подачей порошка.
При коаксиально-сопловой подаче порошка может быть различное количество сопел, но не менее трех сопел.
Фотографии, поясняющие конструкцию головок.
Головки имеют достаточно сложную конструкцию из-за необходимости фокусировки лазерного луча, охлаждения готовки и т.п.
Ниже приведены фотографии некоторых головок в сборе, вместе со всеми системами:
Разные фирмы выпускают немного разное оборудование, со своими особенностями, ниже пример некоторых технологий прямого лазерного выращивания:
В работе установки выглядят красиво, их любят фотографировать с рекламными целями, примеры таких рекламных фотографий в работе:
В качестве транспортирующего и защитного газа в основном используется аргон, как самый универсальный газ.
Если вы внимательно посмотрели фотографии, то обратили внимание на то, что в на части фотографий есть искры, а на части - нет. Вот еще одна фотография:
Очень красиво! Вот только - абсолютно нефункционально. Когда появляются искры? Когда нагретый порошок выходит за пределы защитной атмосферы и попадает в атмосферу с кислородом.
Искры - на установках, где процесс наплавки происходит на воздухе, и только в зоне наплавки подается защитный газ. Без искр - там, где процесс наплавки производится в закрытой камере, полностью заполненной защитным газом.
Потери порошка есть в обоих случаях, но в первом - порошок непригоден для повторного использования, т.к. загрязнен сгоревшими частицами. Во втором - на текущем этапе развития считается непригодным к повторному использованию, но теоретически может быть использован повторно после просеивания и очистки.
Металлические порошки – без жестких требований к форме частиц и фракционному составу. Общее требование – размер частиц не более 200 мкм, порошок должен быть достаточно текучим для «вытекания» из бункера и захвата струей несущего газа.
Для SLM-машин требования к порошка гораздо жестче.
Материал – титан, сталь, бронза. Невозможно наплавлять медь и медные сплавы красного цвета.
Примечание: медь нельзя наплавлять при использовании «обычных» лазеров с длиной волны 1070 нм, при использовании «зеленых» и «синих» лазеров возможна наплавка меди, чистого алюминия, серебра, золота.
Опыты по выращиваю деталей по этой технологии начаты в 1994 году в Ливерпульском университете и в Фраунгоферском институте прикладных технлогий.
В Ливерпуле технологию назвали 3DLC (3D Laser Cladding) – объемная лазерная наплавка, а в Германии - 3DLG (3D Laser generating) – объемная лазерное выращивание.
Потом эстафету принял Южно-методисткий Бниверситет в США, в 1999 году, там технологию назвали 3D Laser Welding – 3D лазерная сварка.
Как всегда – западные университеты не способны производить оборудование. Они могут дать толчок, но не способны сами наладить производство.
Фактически эра этой технологии началась в конце 1990-х, когда фирма Optomec выпустила свои первые серийные 3D-принтеры по технологи и LENS - Laser Engeneered Net Shaping (лазерное конструирование формированием сети).
Вторым на рынок вышли Irepa Laser (BeAM — Be Additive Manufacturing) с технологией CLAD (Construction Laser Additive Directe – прямое аддитивное лазерное конструирование)
Следующими была фирма POM с технологией DMD (Direct Metal Deposition – прямое наращивание металлом)
Далее – компания InssTek (Ю.Корея) с технологией DMT ((Laser-aided) Direct Metal Tooling – (лазерный) прямой станок для (наплавления) металла)
В NASA эту технологию окрестили BPDED (Blown-Powder Direct Energy Deposition – прямое осаждения подаваемого струей порошка)
Aeromet Corporation’s обозвала это Lasform Technology-процесс
Ну вы поняли – каждый производитель называл свою технологию по-другому, и немного изменял конструкцию и способ выращивания, чтобы избежать патентных ограничений.
Еще небольшой перечень названий этой технологии:
LDC (Laser Direct Casting) – прямое лазерное литье
DLF (Directed Light Fabrication) – производство направленным светом (Лос-Аламосовская национальная лаборатория, США)
HSDLD (high-speed direct laser deposition) – высокоскоросное прямое лазерное выращивание.
ALPD (Automated Laser Powder Deposition) – автоматическая лазерная наплавка порошка.
LPD (Laser Powder Deposition) – лазерная наплавка порошка.
DLC (Direct Laser Casting) – прямое лазерное литье.
LMD (Laser Metal Deposition) – лазерное наращивание металлом
Чтобы дать понимание , небольшая таблица основных производителей оборудования прямого лазерного выращивания на 2018 год:
«Наших» еще нет – они выйдут на рынок чуть позже, о них – в следующей статье:
Несмотря на то, что технология достаточно популярна, примеры выращенных изделий не любят публиковать в прессе.
Примеры изделий:
Основное достоинство технологии прямого лазерного выращивания – быстрота. На сегодняшний день – это одна из самых «быстрых» аддитивных технологий – скорость выращивания изделий измеряется килограммами в час.
Два дополнительных достоинства – возможность ремонта/восстановления деталей наплавкой и возможность выращивания деталей из нескольких металлов с градиентным переходом. При этом используется два или больше бункера с разными порошками.
Качество поверхности – лучше, чем при дуговой наплавке, но все равно – выращивается, по сути, заготовка для последующей механической обработки.
Минимальная толщина стенки – примерно 2мм, нависания - зависит от оборудования, но в целом технология не любит нависаний более 30°С. Мосты – недопустимы. Поддержки – не желательны, т.к. они имеют большую толщину и прочность основного металла.
Все это требует многоосевой кинематики – минимум 4…5 осей (перемещение лазерной головки по двум-трем осям и повороты по двум осям платформы построения).
Основные недостатки – дороговизна, низкая энергоэффективность, большой расход инертных газов, невозможность повторно использовать порошок (КИМ – коэффициент использования материала – составляет от 30 до 95% и зависит от эффективности сопла, системы управления подачи порошка и режима наплавки).
Строго говоря опыты по повторному использованию порошка проводятся, и показывают, что повторное использование порошка принципиально возможно, но сами производители оборудования настаивают на использовании только «свежего» порошка, без подмешивания «старого».
Еще одним недостатком данной технологии являются высокие температурные напряжения.
Применяется прямое лазерное выращивание в самых различных отраслях – аэрокосмическая отрасль, судостроение/судоремонт, машиностроение.
Внешний вид 3D-принтеров по данной технологии:
Путеводитель по каналу:
Вводная статья про группу технологи "Прямой подвод энергии и материала"
Продолжение статей:
