Лазерное выращивание металла и селективное лазерное плавление — важнейшие направления аддитивных технологий

В числе областей развития аддитивных технологий наиболее актуальным для России, США и ЕС является металлообрабатывающее направление - изготовление деталей для сложных узлов аэрокосмической, транспортной и оборонной техники, в особенности жаропрочных элементов турбореактивных двигателей. С помощью лазерных станков можно не только выращивать металл, но и наносить на него гравировку, резать и маркировать.

Два основных класса технологий трехмерного изготовления металлов

Технология Bed Deposition подразумевает создание равномерного слоя порошка на подложке, а затем лазерное сплавление порошка в сформированный слой. Термин "селективное лазерное плавление" (SLM) довольно точно описывает эту технологию.

Технология Direct Deposition - метод прямого осаждения материала из газопорошковой струи металлических частиц. Струя частиц поступает прямо в ту же область, куда подается энергия лазера. Лазерный луч оплавляет участок выращиваемого изделия, формируя локальную ванну жидкого расплава. Часть металлического порошка вдувается в расплав струей инертного транспортирующего газа (обычно высокочистого аргона). Это несколько напоминает бумажный струйный принтер или аэрограф для графических дизайнеров.

Рис. 1. Схема лазерного выращивания по технологии Bed Deposition и Direct Deposition

Лазерное выращивание - мировой опыт

Основным рабочим элементом установки для лазерного выращивания является лазерная головка. Это сложное устройство ,которое содержит систему фокусировки лазера, охлаждающую систему , механизм подачи материала, а также элементы системы управления (датчики, видеокамеры и т.д.). В ходе изготовления детали требуется координирование нескольких параметров: 

• мощность лазера;
• размер пятна расплава;
• интенсивность подачи материала;
• рассеивание порошкового материала; 
• скорость движения головки. 

При этом необходимо обеспечить точную фокусировку газопорошковой струи, поступающей в зону расплавления. Для снижения износа сопла высокоскоростным абразивным потоком применяют вкладыши из твердых износостойких сплавов (карбид вольфрама на кобальтовой связке).

Лазерное выращивание - российская разработка

В России действует несколько научно-технических центров, занимающихся разработкой технологий выращивания металлических деталей в Москве и области, в Воронеже, Санкт-Петербурге, Самаре, Уфе и некоторых других городах. 

Исследования ведутся по пяти направлениям: 

• приборы для лазерного выращивания; 
• металлические порошки; 
• технологии выращивания, контроля и управления,
• программное обеспечение для 3D-технологий; 
• образование структуры выращиваемых изделий.

Основной задачей проекта является создание научно-технических основ для промышленного освоения технологии прямого лазерного выращивания рабочих узлов и элементов авиационных двигателей с лучшими эксплуатационными параметрами и рабочим ресурсом. 

Технолгические изобретения в данной сфере повышают эффективность процесса изготовления деталей авиационных двигателей, а также повышает производительность процесса изготовления.

Лазерное выращивание - области применения

Технологии и оборудование прямого лазерного выращивания обладают широким спектром возможностей применения и могут существенно повлиять на развитие многих отраслей экономики. Применение:

• Двигателестроение;
• Ракетно-космичесмическая промышленность;
• Транспортная промышленность;
• Судовая промышленность,
• Машиностроение;
• Медицинская промышленность.

Также новые технологии могут быть применены при разработке и модернизации смежных отраслей инженерии поверхности. Технологии лазерной порошковой наплавки поверхностных слоев, актуальны для атомной, нефтегазовой, нефтехимической и химической промышленности.