Результат англоязычной встречи экспертов Аахенского института лазерных технологий им. Фраунгофера ILT впечатляет. Более 70 экспертов со всего мира снова встретились в октябре 2022 года на «5-й конференции по лазерной полировке LaP», чтобы виртуально обсудить последние достижения в области лазерных альтернатив для окончательной обработки компонентов из стекла, металла и пластик, между прочим. Основное внимание уделялось лазерному удалению заусенцев и лазерной полировке, а также смежным темам, таким как измерительная техника и управление технологическим процессом.
Исследователи со всего мира полагаются на те же рецепты, что и традиционное полировальное сообщество, которое все чаще прощается с аналоговой шлифовкой и теперь также сосредотачивается на оцифровке с помощью Индустрии 4.0, цифровых двойников и ИИ. Все эти темы находятся в повестке дня международной «Конференции по лазерной полировке LaP», на которой д. Эдгар Вилленборг, руководитель группы полировки Fraunhofer ILT, с 2014 года приглашает каждые два года. Из-за неопределенной ситуации с поездками участников из Азии и Америки LaP 2022 снова прошла в формате онлайн-конференции.
Нацеливание на стекло и пластик
Все дело в смеси: в первый день LaP номер 5 был в первую очередь нацелен на компании, которые, например. Б. производить оптические поверхности и полировать стекло и пластик.
Начала работу презентация из Йены, одного из международных центров производства стекла и оптики: перед ними выступили участники LaP Анетт Ян, управляющий директор ShapeFab, и Томас Шмидт, инженер-лаборант Института соединительных технологий и испытаний материалов (ifw). смелость начать с лазерной полировки. ShapeFab и ifw полагаются на комбинацию фрезерной обработки с ЧПУ и лазерной полировки при полировке оптических поверхностей размером до 250 мм x 400 мм. С помощью этого гибридного метода можно надежно, экономично и быстро обрабатывать любой контур и даже сложные поверхности произвольной формы. Большой сложный демонстрационный компонент был создан в общей сложности примерно за семь часов, из которых только около десяти минут было потрачено на лазерную полировку. Обычно процесс механической полировки занимал бы до десяти часов.
Мониторинг процесса с помощью пирометрии играет важную роль в Йене. Мануэль Юнг из Fraunhofer ILT, который представил структуру замкнутой схемы управления с низким уровнем шума для лазерной полировки оптики в LaP, также полагается на цифровой мониторинг с этой технологией измерения. Научный сотрудник группы Вилленборга рекомендовал использовать программное обеспечение, с помощью которого лазерная полировка может надежно выполняться с максимальным отклонением температуры менее 0,5 процента. Таким образом, люди из Аахена даже смогли уменьшить волнистость (MSFE) в 10 раз. Ученый надеется на дальнейшие улучшения от построения термически еще более стабильного и малошумного процесса управления, который работает уже не с пирометром, а с тепловизионной камерой и изощренными статистическими методами.
Создавайте поверхности произвольной формы с помощью ультракороткоимпульсного лазера
Др. Джи Цяо, доцент Рочестерского технологического института, США. Секрет успеха заключается в динамической математической модели, которую можно использовать для прогнозирования развития эрозии и изменения температуры. Плотность энергии служит мерой дальнейшего масштабирования процесса. Процесс, продемонстрированный на плоских образцах, теперь прокладывает путь к высокоточному производству более сложных поверхностей.
Эмра Улуз, научный сотрудник Fraunhofer ILT в Laser Beam Figuring LBF, также нацелился на субнанодиапазон. Его презентация была посвящена уменьшению волнистости полированных поверхностей кварцевого стекла посредством абляции с точностью до нанометра. Ключевым фактором здесь является использование высокостабильного лазера, который работает с постоянной мощностью лазера (стандартное отклонение: ≈ 0,1 процента).
При классической механической полировке стекла всегда остаются мелкие и крупные царапины, ухудшающие качество поверхности. Согласно д-ру инж. Керстин Гетце, руководитель группы полировки лазерным лучом в Университете Эрнста Аббе в Йене, надежно удаляет до 99,9% с помощью CO 2 -лазера, особенно когда он работает с низкой скоростью подачи. Процесс оказался особенно эффективным для улучшения качества изогнутых и структурированных поверхностей.
Зеленый лазер устраняет «подземные повреждения»
Профессор Дживанг Ян из Университета Кейо в Иокогаме (Япония) наблюдал тепловые эффекты при классической механической полировке пластин монокристаллического кремния, которые вызывали повреждения непосредственно под поверхностью. Японским специалистам удалось устранить «подземные повреждения» без удаления материала и загрязнения окружающей среды зеленым лазерным светом путем переплавки. Переплавленный слой стал монокристаллическим на нижележащем материале. Однако это было возможно только после предварительного моделирования молекулярной структуры. После успешных испытаний в Йокогаме были созданы различные лазерные системы, которые подходят не только для ремонта поверхностей, но и для создания функциональных поверхностей.
Интересное явление вдохновило ученого Д. Bowei Luo из Шэньчжэньского института информационных технологий в Китае о сочетании холодной и горячей лазерной полировки карбида кремния. Полировка этого керамического материала УФ-лазером уменьшает шероховатость поверхности до 1,4 мкм при мощности лазера 15 Вт. Однако результат полировки можно уменьшить до 1,082 мкм путем предварительного нагрева керамики ИК-лазером до 1400 °C. Однако также необходимо адаптировать и оптимизировать «холодный» УФ-лазерный процесс к «горячему» ИК-процессу. По словам Др. Луо форма лазерного луча: Таким образом, равномерный цилиндрический лазерный луч z. Б. диаметром от 0,32 до 0,54 мм эффективно снижают термический удар, особенно по краям зоны полирования.
Ученый Карстен Браун из Fraunhofer ILT также интересуется формой лазерного луча при разработке технологических стратегий для пластиковых деталей, напечатанных на 3D-принтере, шероховатость Sa которых варьируется от 14 мкм (PA12) до 42 мкм (PEEK) в зависимости от материала. При полировке CO 2 -лазером мощностью 120 Вт в среднем ИК-диапазоне (длина волны: 10 600 нм) Braun использует быстрое квазитофатическое сканирование (5-10 м/с) с большого расстояния (от 100 до 1000 мм). Процесс сканирования выполняется до 20 раз с контролем температуры. В зависимости от материала шероховатость Sa после лазерной полировки составляет от 0,8 до 0,25 мкм.
Второй день конференции был в первую очередь нацелен на компании, которые обрабатывают металлические компоненты, изготовленные традиционным способом или напечатанные на 3D-принтере. Перед доктором стояла очень сложная задача. Сафак Нельсон. Доцент OSTİM Teknik Üniversitesi из Анкары (Турция) рассказал о лазерной полировке аэрокосмического компонента (Ti48AL2Cr2Nb), изготовленного методом электронно-лучевой плавки (Arcam A2X EBM). В этом совместном проекте с промышленным партнером удалось уменьшить часто очень шероховатую поверхность компонента, изготовленного методом аддитивного производства, примерно на 95 процентов до всего лишь 1,6 мкм. Использовался волоконный лазер IPG мощностью 600 Вт (длина волны: 1070 нм), который полировал поверхность со скоростью сканирования 220 мм/с. Трудностями при испытаниях были поверхностные трещины, волнистость и окисление.
Лазерная полировка в режиме замочной скважины и проводимости
Проф. Др. Франк Э. Пфефферкорн из Университета Висконсин-Мэдисон совместно с Бременским институтом прикладных лучевых технологий BIAS: Компоненты LPBF часто имеют плохое качество поверхности из-за частичного прилипания частиц, эффекта наслоения и образования комков. В ходе экспериментов с компонентом из хром-кобальта (Stellite 21) немецко-американская группа обнаружила, что обычно используемая лазерная полировка в режиме проводимости (CM) имеет здесь свои ограничения. С другой стороны, наилучшие результаты с точки зрения шероховатости и волнистости были получены при лазерной полировке в режиме замочной скважины (KM), а на последнем этапе выполнялась тонкая полировка с помощью процесса CM.
Шероховатость металлических компонентов, созданных с помощью процессов лазерной 3D-печати в порошковом слое (Laser Powder Bed Fusion LPBF), можно уменьшить с помощью лазерной полировки. Волнистость, по-видимому, является проблемой, как обнаружила Лаура Крайнест, сотрудник Fraunhofer ILT, при лазерной полировке компонента LPBF, изготовленного из инструментальной стали 1.2343. Даже после 16-кратной лазерной полировки волнистость Wa все еще составляла около 1 мкм. Ученый решил проблему с помощью разработанного в институте процесса «WaveShape», который использует лазерный переплав для создания обратной структуры нежелательной волнистости на поверхности металла, тем самым уменьшая волнистость.
Лазер увеличивает усталостную долговечность
Профессор Yingchun Guan из Бейханского университета в Пекине исследовал влияние лазерной полировки компонентов LPBF, изготовленных из Inconel 718, известного материала в аэрокосмической промышленности, на усталостные характеристики. Она сослалась на более раннее исследование компонентов турбины, которое уже было представлено на LaP 2020, в котором лазерная полировка смогла уменьшить шероховатость Ra с более чем 10 до менее чем 0,1 мкм. Новые анализы теперь показали, что прочностные характеристики также улучшились: лазерная полировка увеличивает усталостную долговечность при механическом напряжении 840 МПа на 15–20 процентов по сравнению со значениями для фрезерованных поверхностей, при 500–600 МПа она падает так же, как высокий из.
Особыми материалами являются стали AHSS (усовершенствованная высокопрочная сталь), которые представляют интерес для легких конструкций в автомобильном секторе из-за их высокой прочности (> 1000 МПа). Однако при резке ножницами или лазерной резке на кромке появляются микродефекты, что делает компоненты подверженными растрескиванию кромок. Ученый Донгсонг Ли из Института черной металлургии (RWTH Aachen University) представил процесс удаления заусенцев и скругления кромок с помощью лазерного излучения, который был разработан совместно с Fraunhofer ILT. Лазер оплавляет край, устраняя микродефекты и сглаживая их. В ходе испытаний диодный лазер непрерывного действия мощностью 4 кВт использовался для обработки листа толщиной 1,5 мм из высокопрочной двухфазной стали (прочность: 1000 МПа) со скоростью 3,6 м/мин. Испытания на расширение отверстий и диаболо-тесты показывают значительно улучшенные характеристики после лазерной обработки. Это позволяет увеличить деформацию более чем на 200 %, прежде чем появятся первые краевые трещины.
Мониторинг процесса играет все более важную роль в лазерной полировке: д-р. Евгений В. Бордачев, руководитель группы Национального исследовательского совета Канады в Лондоне (Онтарио), и Свен Линден из Fraunhofer ILT. Для автоматизации настройки процесса полировки в лазерный полировальный станок был интегрирован интерферометр белого света (WLI), который с высокой точностью регистрирует структуру поверхности. Также в рамках сотрудничества в другую машину была интегрирована термографическая высокоскоростная камера. Данные с камеры в режиме реального времени используются для замыкания контура управления и настройки параметров. Явно очарованные, гости ЛаП увидели видео высокоскоростной камеры, которое на 42.
Даниэль Бейфус, ученый из Университета Западного Онтарио в Лондоне (Канада), использовал тепловизионную камеру для наблюдения за процессом процессов лазерного переплава (laser remelting LRM). Канадец проанализировал влияние термодинамических нестабильностей на процесс LRM, используя коаксиальные оптические измерения. Важным результатом является ключевая роль термодинамического баланса между подводимой мощностью лазера и ее реализацией в процессах переплава, поскольку он оказывает существенное влияние на стабильность процесса.
Анализ ванны расплава на синхротроне
Американский ученый Патрик Дж. Фауэ из Университета Висконсин-Мэдисон сообщил об исследовательском проекте Бременского института прикладных лучевых технологий BIAS. Основное внимание было уделено высокоскоростным рентгеновским изображениям в синхротроне известной Аргоннской национальной лаборатории (ANL), что привело к интересным выводам о динамике сварочной ванны при лазерной полировке. Например, исследовательская группа наблюдала за тем, как накапливаются вибрации ванны расплава, которые также влияют на замочную скважину.
