Прямое лазерное выращивание

Развитием работ по лазерной наплавке в Институте лазерных и сварочных технологий стала разработка оборудования и технологий прямого лазерного выращивания изделий из металлических порошков, позволяющих создавать изделия сложной формы по заранее заданной 3D-модели.
 

Основной тенденцией развития аддитивных технологий является увеличение их производительности при сохранении требуемого качества выращиваемого изделия. Увеличение производительности также позволит увеличить и габариты изготавливаемых изделий.
 

Наиболее перспективной с этой точки зрения технологией является технология прямого лазерного выращивания обладающая конструктивной особенностью, позволяющей достигать частичное расплавление порошка при сохранении высоких скоростей изготовления изделия. При использовании данного метода изделие формируется из порошка, подаваемого сжатой газопорошковой струей в зону выращивания, причем газопорошковая струя может быть как коаксиальной, так и не коаксиальной сфокусированному лазерному лучу, обеспечивающему нагрев и частичное плавление порошка и подогрев подложки.  

Также возможно введение смеси порошков, что позволяет изменять состав подаваемых порошков в ходе процесса выращивания, обеспечивая высокоскоростное формирование изделий с градиентными свойствами. При этом, в рамках одного технологического процесса становится возможным формирование изделия, характеристики различных участков которого отличаются и определяются локальными условиями эксплуатации.

 

Преимущества технологии

  • Изготовление крупногабаритных деталей – диаметром до двух метров, весом до 4000 кг
  • Отсутствие пор, несплавлений и трещин
  • Механические свойства на уровне проката
  • Высокая производительность выращивания – до 2,5 кг/ч
  • Возможность создания сложнопрофильных тонкостенных изделий с одного нажатия кнопки
  • Возможность создания градиентных изделий – с переменным химическим составом и физическими свойствами
  • Минимальные припуски на последующую обработку
  • Создание гибридных конструкций: комбинация аддитивных и традиционных технологий (сварка, литье, штамповка,  механическая обработка и др.)
  • Нанесение функциональных покрытий в процессе выращивания
  • Многофункциональность технологических комплексов: лазерные сварка, наплавка, термоупрочнение, резка в одной машине

     

Переход к новым технологиям позволит устранить из технологического цикла промежуточные операции, например, фрезеровку, токарную обработку и сверление для получения качественных поверхностей сопрягаемых деталей. Снижение числа технологических операций при изготовлении деталей и конструкций сложной формы существенно увеличит производительность изготовления при меньших материальных, энергетических и трудозатратах.
 

Свойства изделий, полученных с применением технологии ПЛВ

  • высокая производительность, до 60 мм3/сек
  • градиентные свойства изделий
  • низкая пористость, менее 0,5%
  • мелкозернистая структура, размер зерна не более 100 мкн
  • механические свойства на уровне деформируемых и термообработанных сплавов
     

Технологические и конструкторские разработки ИЛИСТ реализованы в серии промышленных установок прямого лазерного выращивания «ИЛИСТ»
 

Семейство роботизированных установок прямого лазерного выращивания «ИЛИСТ»

 


 

ИЛИСТ-М

Малая установка ПЛВ для изготовления малогабаритных изделий
 
  • Размер выращиваемого изделия – до 600 мм, h – 400 мм
  • Максимальный вес изделия – 100 кг
  • Волоконный лазер мощностью 2 кВт
  • Производительность – до 50 см3/ч
  • Контролируемая атмосфера чистого аргона – 4,5 м3
  • Порошковый питатель на 1 колбу
  • Робот FANUC M10iD/12
  • Фильтровентиляционная установка
  • Вакуумируемый шлюз
  • Опционально: лазерная резка

 

 

ИЛИСТ-L

Средняя установка ПЛВ для изготовления среднегабаритных изделий
 
  • Размер выращиваемого изделия – до 1300 мм, h – 800 мм
  • Максимальный вес изделия – 400 кг
  • Волоконный лазер мощностью 6 кВт
  • Производительность – до 200 см3/ч
  • Контролируемая атмосфера чистого аргона – 4,5 м3
  • Порошковый питатель на 2 колбы
  • Робот FANUC M20iB/25
  • Фильтровентиляционная установка
  • 8 синхронно управляемых осей
  • Набор сопел подачи порошка с быстрой заменой
  • Вакуумируемый шлюз
  • Опционально: увеличенная высота изделия – до 1200 мм

 

 

ИЛИСТ-XL

Большая установка ПЛВ для изготовления крупногабаритных изделий
 
  • Размер выращиваемого изделия – до 2200 мм, h – 600 мм
  • Максимальный вес изделия – 1200 кг
  • Волоконный лазер мощностью 6 кВт
  • Робот FANUC M20iB/25
  • Позиционер FANUC c двумя осями
  • Производительность – до 250 см3/ч
  • Контролируемая атмосфера чистого аргона – 15 м3
  • Порошковый питатель на 2 колбы по 5 литров
  • Фильтровентиляционная установка
  • 9 синхронно управляемых осей
  • Набор сопел подачи порошка с быстрой заменой
  • Вакуумируемый шлюз

 

 

ИЛИСТ-2XL

Увеличенная установка ПЛВ для изготовления сверхкрупногабаритных изделий
 
  • Размер выращиваемого изделия – до 2200 мм, h – 1000 мм
  • Максимальный вес изделия – 8000 кг
  • Волоконный лазер мощностью 4 кВт
  • Два робота FANUC M20iB/25
  • Производительность – до 250 см3/ч
  • Контролируемая атмосфера чистого аргона – 20 м3
  • Порошковые питатели: 4 колбы по 5 литров
  • 13 синхронно управляемых осей
  • Набор сопел подачи порошка с быстрой заменой
  • Вакуумируемый шлюз

 

 

 

 

Перспективы исследований

 

В ИЛИСТ проводятся исследования влияния режимных параметров процесса и состава газовой атмосферы на формирование сложнопрофильных изделий и отрабатываются предварительные технологии прямого лазерного выращивания из сплавов на основе Fe, Co, Ni и Ti.
 

 

Исходные порошковые материалы и полученные образцы анализируются с использованием новейших методов металлографии, микроскопии и рентгенографии, проводятся механические испытания выращенных образцов.
 

Разрабатываемые технологии и оборудование прямого лазерного выращивания обладают потенциалом мультипликативного технологического влияния на развитие нескольких отраслей экономики – двигателестроение, медицина, предприятия ракетно-космической отрасли, транспортного, судового и энергетического машиностроения.