Прямое лазерное выращивание: Идея

93q0edlgmybkvhw14aunubnpz9e.jpeg


В основе всех красивых вещей лежит идея. «А давайте ездить без лошадей?», «А давайте летать как плиты?», «А давайте сделаем сверхтяжелую полностью повторно используемую ракеты на метане и полетим на марс?»… В основе описанной дальше истории тоже лежит простая и красивая идея: «А давайте печатать крупногабаритные металлические изделия из порошка?». Действительно, почему бы и нет? Если существует технология послойного лазерного сплавления (SLM) для изделий до полуметра диаметром, то почему не получится напечатать изделие побольше?
На КДПВ показан процесс прямого лазерного выращивания изделий диаметром 2 метра из титана. Для того чтобы сделать эту фотография потребовалось пять лет упорной работы, пять лет проб, ошибок, разочарований, выкидывания всех наработок и начинания всего с начала. Но прежде чем начать, давайте вернемся к самому началу — к Идее и постараемся понять, в чем она заключается.
С момента появления первых технологий 3Д печати из полимеров люди мечтали о возможности использования металлов. Реализация не заставила себя долго ждать — с развитием мощных лазеров появилась возможность выборочно спекать металлические порошка, зародилась технология Selective Laser Sintering (SLS). Мощность и качество излучения лазеров росли, их стоимость падала и в середине 90х годов появилась техническая возможность сплавлять металлические порошки в сплошное изделие, появилась технология Selective Laser Melting (SLM). Суть метода проста — насыпаем тонкий слой металлического порошка, пробегаем по нему сфокусированным лазерным излучением, которое расплавляет порошинки, оставляет сплавленные «треки», опускаем платформу построения и повторяем процесс. Так, слой за слоем создается изделие требуемой геометрии.

0ribcfg-aegasuvcktjpgr5jhfw.jpeg


На текущий момент это самая освоенная, изученная и широко применяемая технология 3Д печати из металла. Сотни компаний производителей оборудования, тысячи кейсов внедрения, большое научное сообщество, сертификация, материаловедение и так далее. Но как говорится есть проблема (да и не одна) —, а можно ли делать большие изделия? Основная проблема масштабирования — для этой технологии требуется поле построения, полностью заполненное порошком. Именно размер поля ограничивает размер изделия. На текущий момент большие установки SLM имеют размер поля до 400×400х400 мм (EOS M400) или 500×280x365 мм (SLM500), да есть больше, но это тема для отдельной статьи. А если хочется больше? А если хочется производительность не 100 г/ч, а хотя бы 1 кг/ч, чтобы изделие в пару сотен килограмм не печатать полгода? Тогда надо менять подход.

bt7--mdabizytsgbpibpz6o30ns.jpeg


Возьмем лазерную технологическую головку — устройство для фокусировки лазерного излучения, такие используются например для лазерной сварки, добавим к ней сопло подачи порошка, которое будет подавать порошок от специального питателя и повесим все на какой-нибудь манипулятор. Лазерное излучение фокусируется головкой в пятно размером в пару миллиметров, оно поглощается металлом подложки и энергия тратится на создания ванночки расплавленного металла — как сварочная ванна при обычной сварке. Теперь подадим в эту ванну металлический порошок, он будет захвачен расплавом после остывания сформирует наплавленный валик. Процесс похож на обычную сварку с присадкой — дуговую, газовую, лазерную, какую угодно.
А теперь будем накладывать валики друг на друга по определенной траектории и из этих валиков сформируем изделие. Все просто!

Спойлер

Нет.


У технологии только с названием не сложилось. Почему то все разработчики решили давать свое уникальное имя: первыми были Optomec с их Laser Engeneered Net Shaping, потом Irepa Laser с их Construction Laser Additive Directe, затем пришли названия Laser Metal Deposition, Direct Metal Deposition, Direct Metal Tooling, Blown-Powder Direct Energy Deposition и многие другие. На русском с терминологией еще веселее (например кальки типа прямого лазерного осаждения), поэтому наше название — Прямое Лазерное Выращивание.

Пять лет назад наше путешествие с просмотра видео компании BeAM Machines на ютубе, сейчас мы создаем оборудование и разрабатываем технологии изготовления красивых, больших заготовок и выглядит все примерно вот так:

lgw0dgcscesm30aohvl0rcgjvw8.jpeg


А изделия выглядят например вот так:

foalc7_hbzwpsfn0wipzq_yugbu.jpeg


В чем же состоит самое интересное?

Можно за часы изготавливать большие заготовки — от согласования 3Д модели до готовой детали проходят дни. Свойства материала — на уровне стандартов на прокат. Размер изделия ограничен только смелостью заказчика (и его жадностью). Можно делать довольно сложные изделия, хотя сложность геометрических форм и не сравнивается с возможностью SLM, но они в разных лигах находятся. Можно изготавливать биметаллические и градиентные изделия — за счет комбинации разных порошков. Можно кастомизировать установку, адаптируя ее под требования изделия.

А так самая обычная аддитивная технология, для разработки которой потребовалось:

  • Шесть раз проектировать с нуля технологический инструмент
  • Семь раз выкидывать и создавать с нуля систему автоматического управления
  • Научится программировать ПЛК B&R и осознать всю предыдущую боль
  • Подружиться с техподдержкой Фанука. Привет, Владимир Майский!
  • Переизобрести герметичные кабины
  • Заняться техническим шпионажем
  • Долго страдать при создании управляющих программ, искать решение, найти его и словить эйфорию. Привет, Александр Рагулин!
  • Десятки раз осознавать, что чем больше ты занимаешься технологией, тем меньше ты ее понимаешь
  • Наконец осознать собственную ограниченность, смириться с этим и поверить в процессы
  • Собрать лучшую команду и научится творить чудеса


Если было интересно — пишите в комментариях, чему посвятить следующую статью? Технология? Физика процесса? Железо? Система управления? Создание управляющих программ? Или обзор того, что делается в мире по этой технологии и почему все машины разные и какая из них лучше?

© Habrahabr.ru