К.М. Жилин, к.ф-м.н. - ООО НПЦ «Лазеры и аппаратура»
С 1998 года НПЦ «Лазеры и аппаратура» разрабатывает и производит лазерное оборудование для промышленности, в том числе для нужд двигателестроения. Такое оборудование требует соблюдения высоких стандартов исполнения и высокой точности в работе. За свою более чем 25-летнюю историю компания поставила свыше 800 единиц оборудования более чем 400 предприятиям в России и за рубежом. Такие высокие показатели стали возможны благодаря тому, что специалисты НПЦ постоянно ведут разработки и развивают производственную базу.
НПЦ «Лазеры и аппаратура» сегодня – это около 6000 м2 производственных площадей в Зеленограде и Рязани; более 150 сотруд-ников; около 300 млн рублей, вложенных в создание нового оборудования только в 2023 году.
В апреле этого года в г. Рыбинске прошел международный технологический форум «Инновации. Технологии. Производство», в рамках которого также были представлены доклады о решениях, которые готовы предложить производители российского оборудования для двигателестроительной отрасли.
В связи с этим важно отметить, что компания «Лазеры и аппаратура», предлагая свои решения, имеет в виду полный цикл производства и сопровождение серийного и специализированного лазерного оборудования. Это включает анализ задачи, разработку конструкторской документации и программного обеспечения, выбор технологии обработки, изготовление основных узлов и компонентов, полное изготовление, сборку и отладку станков, запуск у заказчика с обучением персонала, а также дальнейшее сопровождение в течение всего срока службы.
На сегодня в России и за рубежом работает более 800 станков производства компании «Лазеры и аппаратура» на более чем 400 предприятиях, эксплуатирующих оборудование в своем производственном цикле. Заказчиками являются компании из различных отраслей – двигателестроения, авиационно-космического сектора, общего машиностроения, атомной энергетики, ОПК и других.
Разработка, изготовление, поставка и сопровождение продукции обеспечиваются высококвалифицированными сотрудниками. Важной частью деятельности НПЦ являются постоянно ведущиеся разработки: доля НИОКР составляет ежегодно до 40% объема, а число патентов и свидетельств на сегодня – более 50.
Компания поставляет оборудование вместе с технологическим решением. Самое главное, чтобы станок выполнял ту функцию, которую он должен выполнять непосредственно на предприятии. Иногда возникают ситуации, когда станок успешно работает достаточно продолжительное время, но затем кардиналь-ным образом меняется производственная программа. В таком случае НПЦ всегда поддерживает своих заказчиков, оснащая их оборудованием для решения новых задач. Иногда это можно решить путем изготовления новой оснастки, новым ПО и т.д.
Технологические возможности НПЦ для применения в двигателестроении
К основному оборудованию, выпускаемому компанией «Лазеры и аппаратура» и востребованному на предприятиях двигателестроительной отрасли, относятся:
- автоматизированные пятикоординатные комплексы лазерной обработки: многоко-ординатная резка, сварка, перфорация и т.д. Эти станки обрабатывают изделия из металлов, металлов с теплоизолирующими покрытиями, а также из композитных материалов (в т.ч. доводка керамических стержней);
- системы прецизионной 2D-резки и сварки;
- комплексы SLM 3D-печати металло-порошками и станки коаксиальной порошковой наплавки (LMD).
Оборудование НПЦ «ЛиА» используется в производственных процессах при выполнении самых различных технологических операций – от резки до сварки (рис. 1).
Помимо процессов, связанных с перфорацией и резкой, выполняются также операции по лазерной абляции УКИ-лазерами, когда воздействие совершается серией коротких импульсов, в результате чего можно говорить о «холодной» обработке, обеспечивающей наименьший измененный слой.
Поскольку абляцию можно охаракте-ризовать, прежде всего, как процесс удаления слоя (например, керамического), необходимо предельно точно его контролировать. Чтобы не повредить изделие более мощным лазером, при абляции используют УКИ-лазеры: пико-и фемтосекундные.
Пикосекундные лазеры имеют более короткую длительность импульса – 10-12 секунд. Уменьшение длительности импульса сводит к минимуму тепловое повреждение и обеспечивает более качественную обработку материала. Поэтому такие лазеры предпочтительны для применения в областях, требующих высокой точности и меньшего термического воздействия на обрабатываемый материал.
Фемтосекундные лазеры предлагают самую короткую длительность импульса – 10-15 секунд. Сверхбыстрые импульсы создают уникальные возможности для обработки материалов, поскольку длительность фемтосекундного импульса лазера меньше времени проводимости целевого материала. Эта характеристика и позволяет использовать «холодную» технологию обработки, при которой материал удаляется путем сублимации, не вызывая повреждений, вызванных нагревом.
Работа с заказчиком
Каждый заказчик формирует индивидуальные требования к оборудованию. Зачастую в двигателестроении они близки к требованиям микроэлектроники, где дефектные зоны варьируются максимум от 5 до 15 мкм: некоторые решения можно переносить из одной области в другую.
Заказчики не всегда готовы на смягчение требований, поэтому реализация проектов в отрасли требует крайне взвешенного подхода и учета большого количества факторов.
Прежде чем взять какой-либо проект в работу, необходимо провести лабораторные исследования. Для этого на производственных площадях имеются три лаборатории: одна для отработки решений в сфере аддитивных технологий, вторая – для микрообработки и третья – для объемных сварки и резки. На этом оборудовании всегда тестируется та или иная задача, чтобы четко понимать, насколько применимо решение. Далее начинается комплектование оборудования для полной реализации того или иного проекта.
НПЦ «ЛиА», как производитель лазерного оборудования для нужд двигателестроения, всегда находит решения, соответствующие запросам своих заказчиков.
Работа в условиях серийного производства
В решении задач для нужд двигателестроения очень важно помнить о том, что производимые детали одни из самых сложных. Обработка требует использования специализированной оснастки. При обработке нужно определить отклонения размера детали и сравнить ее с моделью. Специалисты компании отказываются от обработки изделия, если понимают, что оно не соответствует тем характеристикам, которые были заложены в конструкторской документации.
Одно из важных преимуществ всего спектра оборудования компании – это система управления и программное обеспечение собственной разработки, которые при этом совместимы с целым рядом продуктов, используемых на заводах. Собственная линейка ПО обеспечивает выполнение всех основных технологических операций, производимых на оборудовании НПЦ «ЛиА». А поскольку программное обеспечение реализовано на единой базе, то на станках и лазерной резки, и наплавки проволокой технологи и операторы будут иметь дело с одним и тем же ПО.
Решения НПЦ «Лазеры и аппаратура» в двигателестроении
Рынок становится более требовательным к качеству готовой продукции и оборудованию, на котором она производится, поэтому предприятия постоянно повышают технологичность производимого оборудования. В основе станков НПЦ «ЛиА» – собственные унифицированные решения, обеспечивающие широкий круг возможностей по конфигурации систем. Выбор типа станины, конфигурации кинематической или лазерно-оптической системы, периферийных модулей определяется поставленной задачей и требованиями, заложенными в техническом задании. Система позволяет интегрировать различные инструменты внутри одной машины: одни станки становятся универсальными, другие – специализированными.
Сегодня компания занимается созданием собственной линейки комплектующих для разрабатываемых узлов, модулей и систем, чтобы повысить уровень локализации и снизить зависимость от поставщиков ключевых компонентов. Кроме того, многие решения перерабатываются или унифицируются с целью сокращения времени поставки готового продукта для близких или идентичных технологических процессов. Однако унификация имеет ограничения из-за большого различия в производственных операциях и технологическом воздействии на обрабатываемый материал. Разные процессы в материалах проходят под различным воздействием, а значит, требуют разных пространственно-временных характеристик излучения, то есть длительность воздействия может изменяться от десятка секунд до фемтосекунды. Соответственно, для сварки, наплавки и перфорации требуются принципиально разные решения.
Для решения задач двигателестроения компания «Лазеры и аппаратура» готова представить линейку собственного оборудования СЛП для пятикоординатной многоосевой обработки сложноконтурных изделий.
На обрабатывающих комплексах этой серии можно выполнять работы по сварке, резке и перфорации.
Установка СЛП520 (рис. 2) предназначена для пятикоординатной многоосевой обработки металлических и неметаллических изделий – это решение актуально для предприятий авиадвигателестроительного комплекса.
В зависимости от необходимого функционала можно сделать комплекс с разным набором опций, например, для резки и перфорации. Именно такой комплекс сейчас работает на одном из предприятий ОДК.
Для обеспечения максимальной точности и качества обработки используется кинематическая система на линейных двигателях, виброустойчивое основание, а также заводская калибровка всех осей лазерным интерферометром. Интегрированная система машинного зрения на основе бесконтактного датчика и анализа видеоизображения позволяет распознавать профиль обрабатываемой поверхности, позиционировать инструмент относительно базовых поверхностей. В установке, поставленной на предприятие в г. Рыбинск, реализовано шесть осей, пять из которых обеспечивают одновременную интерполяцию, то есть несколько осей для позиционирования заготовки и несколько осей для позиционирования инструмента.
Установки этой серии разрабатывались специально с учетом отраслевых требований авиационного двигателестроения, а также задач, связанных с производством газовых турбин. На них можно обрабатывать детали различной конфигурации, в том числе резкой под углами не менее 20о к поверхности и цилиндрических деталей изнутри. Конфигурация установки позволяет работать в автоматическом режиме и сократить время подготовительных операций, обеспечить точность и повторяемость обработки.
Машина СЛ580 (рис. 3) для сварки, резки и перфорации в металлах и композитных материалах очень схожа с предыдущими моделями, но изначально была разработана под более габаритные объекты. На такого рода машинах можно обрабатывать детали длиной до 2 м и высотой до 1 м, причем машинное зрение позволяет работать не только с металлическими, но и с композиционными материалами.
С 2022 года НПЦ «Лазеры и аппаратура» работает над созданием оборудования для перфорации деталей различных типов: как рабочих и сопловых лопаток, так и деталей типа камер сгорания или переходных секций. СЛП530 – комплекс с пятью одновременно интерполируемыми координатами и восьмью осями (max), он может применяться для перфорации отверстий и формирования 3D-структур в изделиях из керамики, повторного вскрытия запыленных отверстий и сверления отверстий с высоким аспектным отношением как в металлических изделиях, так и в изделиях, покрытых диэлектриками. На СЛП530 можно обработать изделия массой до 15 кг и диаметром 200х300 мм.
В настоящее время, несмотря на то что архитектура оборудования развивалась на протяжении более чем 20 лет и существует номенклатура отработанных решений, компания перешла к платформенному подходу в создании обрабатывающих комплексов. Это позволяет сократить сроки производства и внедрения продукта, упрощает его обслуживание.