Данная статья является продолжением обзора лазерных технологических систем, опубликованного в журнале «РИТМ машиностроения» № 6’2024. В прошлом номере были рассмотрены системы лазерной резки, сварки, наплавки, очистки, а также универсальные системы. Во второй части будут показаны не менее эффективные решения, представленные на российском рынке. 

Аддитивные технологии сегодня являются наиболее бурно развивающимся процессом лазерной обработки в мире и в России. 3D-печать в металле постепенно стала воплощать мечты технологов в реальность. Послойное создание цельных металлических изделий уже изменило организацию производства в металлообрабатывающей промышленности, в том числе в машиностроительном и литейном производстве [1].

Консалтинговая фирма по аддитивному производству из Колорадо Wohlers Associates опубликовала Wohlers report — 2024, который освещает ключевые тенденции и прогнозы в области 3D-печати [14]. В выпуске отмечается, что индустрия аддитивного производства выросла на 11,1% до оценочной стоимости в 20,035 миллиарда долларов. Поставки 3D-принтеров по металлу выросли на 24,4% в 2023 году (рис. 1). Wohlers Associates подсчитала, что в 2023 году было продано 3793 3D-принтера по металлу по сравнению с 3049 в 2022 году.

Рис. 1. Динамика мирового роста продаж 3D-принтеров по металлу [3]

SLS (Selective Laser Sintering — селективное лазерное спекание), SLM (Selective Laser Melting — 3D-печать металлом), SLA (Stareolithography — стереолитография), DMD (Direct Metal Deposition — прямое лазерное выращивание) — это наиболее распространенные технологии аддитивного производства, которые используют лазерный луч для создания физических объектов из различных материалов [2].

SLM — одна из технологий аддитивного производства с использованием металлов, которая широко представлена в России отечественными производителями. Она основана на выборочном расплавлении металлического порошка под действием лазера в соответствии с заданной моделью, в результате чего получается готовая деталь с точностью печати 20–100 микрон (рис. 2). При этом обеспечивается создание объектов со сложнейшей геометрией, снижение веса, сокращение элементов в сборке, экономия материала до 90%. Отходы сводятся к минимуму, а оставшийся после печати порошок можно использовать повторно [4]. Ожидается переход от 3D-печати к крупносерийному производству деталей конечного использования и появление новых приложений [5].

Рис. 2. Авиационные детали, выполненные SLM-печатью: импеллер (а), рама крепления двигателя (б) и сопло (в) [4]

Благодаря усовершенствованиям в 3D-принтерах и постобработке производство вырастет с тысяч деталей до сотен тысяч, а объемы производства небольших компонентов должны составить миллионы деталей. Предполагается, что это будет обусловлено в том числе увеличением скорости 3D-принтеров, что снизит стоимость деталей. Ожидается, что конкурентное давление также приведет к снижению цен на материалы, а следовательно, и дальнейшему снижению производственных затрат. Кроме того, появление новых материалов и их качество окажут существенное влияние на аэрокосмическую, оборонную, медицинскую и энергетическую отрасли. Отмечается, что сертификация новых разработок и разработка отраслевых стандартов будут способствовать дальнейшему росту мирового рынка 3D-печати. Рассмотренные выше тенденции проявляются и на российском рынке аддитивных технологий. В работе [6] был подробно рассмотрен российский рынок оборудования для 3D-печати из 55 производителей.

В рамках масштабного российского мероприятия — форума «Аддитивные технологии — новая реальность», проходившего в ноябре 2023 года в Казани на площадке ИТ-парка имени Башира Рамеева, состоялось более десяти тематических мероприятий, посвященных применению аддитивных технологий в различных отраслях промышленности, медицине и строительстве. Было представлено более 80 выступлений, более 120 экспонатов оборудования и десятки изготовленных образцов (рис. 3). Участие приняли более 2000 гостей, восемь ведущих технических вузов страны [7]. Перспективы и технологические проблемы аддитивных технологий рассмотрены в статье [8].

Рис. 3. Образцы печати, представленные докладчиками и участниками выставочной экспозиции «Аддитивные технологии — новая реальность»: кольцо наружное от двигателя ПД‑14 (максимальный диаметр 2070 мм, высота 250 мм, порошок ВТ‑6, масса наплавленного материала 86 кг, время выращивания 128 часов), ИЛИСТ (а); штуцер (биметаллическая печать), представлен отраслевым комитетом «Аддитивные технологии» (б); заготовка детали «Сопловой аппарат», НПО «Центротех», «Росатом» (в); корпус со стойками (SLM), АО «ЦАТ» (г); образец SLM-печати, ЦТКАТ (д), сепарационный элемент для атомных ледоколов, НПО «ЦНИИТМАШ», 
ИЛИСТ и «ЗИО-Подольск» (е) [7]

В таблице 1 приведены данные о некоторых ведущих производителях и дилерах 3D-лазерных принтеров в России, см. более подробно в [9, 10, 11–14].

Рис. 4. Промышленные 3D-принтеры по технологии SLM: М‑450 компании «Лазерные системы» (а), МЛ61 компании «Лазеры и аппаратура» (б), AM350 и AM150 компании «Онсинт» (в), Maxi 2.0 компании 3DLAM (г), RusMelt 310M компании «Росатом Аддитивные технологии» (д), AMT‑32 компании ГК НПО «3Д-Интеграция» (е), Russian SLM FACTORY компании 3DSLA (ж), опытный образец установки ВТСЛП АО НПО «ЦНИИТМАШ» (9)

а) 

б) 

Рис. 5. Напечатанный методом SLM на принтере ONSINT AM150 химический реактор для проведения органического синтеза в проточном режиме (а),
каркас БПЛА из порошкового полиамида, спроектированный методом топологической оптимизации для облегчения конструкции, изготовленный на принтере ONSINT SM400 (б)

а) 

б) 
Рис. 6. Крупногабаритный 3D-принтер «Росатом Аддитивные технологии» (а) и изготовленный макет среза выгородки активной зоны атомного реактора ВВЭР-ТОИ, напечатанный в ЦАТ «Росатома» по технологии ПЛВ/DMD (б)

Одним из направлений в развитии аддитивных технологий, например, в ракетно-­космической отрасли является замена трудоемких в изготовлении деталей и заготовок, полученных литьем или штамповкой. Так, в ПАО РКК 
«Энергия» были проведены опытные работы по изготовлению деталей методом селективного лазерного плавления, их исследованию и испытаниям (рис. 7) [14].

Рис. 7. Детали для ракетно-­космической техники, выполненные АТ до (а, в) и после механической обработки (б, г) [14]

Компания ООО «Новые дисперсные материалы» выпускает оборудование для производства металлических порошков микро- и нанодисперсности — плазменные атомайзеры (рис. 8). Технология, предлагаемая ООО «НДМ», — это замкнутый цикл плазменного распыления, конденсации и сортировки. Технология позволяет получать бескислородные сферические нано- и микропорошки металлов и сплавов. Металлические порошки —  базовое сырье для 3D-печати, для развития отечественного рынка аддитивных технологий.

Рис. 8. Плазменный атомайзер для получения металлических порошков для аддитивных технологий 

а) 

б) 

в) 

Рис. 9. Выставочные образцы, напечатанные по SLM-технологии: кольчуга, выполненная на 3D-принтере компании 3DSLA (а), движущийся дракон, выполненный на 3D-принтере 3DLAM (б), блок цилиндра летательного аппарата из алюминиевого сплава РС300, «Росатом Аддитивные технологии» (в)

Рис. 10. Установка FL-CPM НТО «ИРЭ-Полюс» для лазерной закалки бандажей колесных пар [16]

Лазерное поверхностное легирование и термо-упрочнение позволяют в несколько раз повышать износостойкость деталей и ресурс их работы, см. рис. 10 и 11, таблицу 2 [15, 16].

Например, 5‑координатные станки серии ЛК производства ООО «ТермоЛазер» (рис. 11а) имеют свои преимущества, которые заключаются в равномерном распределении закаленного слоя, возможности проведения наплавки, закалки и лазерной рихтовки, высокой степени координатной свободы и наличии встроенного модуля 3D-сканирования. Кроме того, в оборудовании используется значительное количество отечественных комплектующих, включая СО2‑лазер с оригинальной компоновкой трубок излучателя.

а) 

б) 

Рис. 11. Лазерные системы ООО «ТермоЛазер»: технологический комплекс ЛК‑5В (а), робототехнический комплекс МЭЛ‑3.0 для термообработки и ремонтно-­восстановительной наплавки (б)
 

а)

б) 

Рис. 12. Лазерные роботизированные термоупрочняющие комплексы Paladin (а) и Laserhard (б) компании «Лассард» (г. Москва)

а) 

б) 

Рис. 13. 5‑осевой комплекс FL-Hydro НТО «ИРЭ-Полюс» для гидролазерной микрорезки и сверления широкого спектра материалов (a), образцы резки (б)
 

Мобильные комплексы серии МЭЛ (рис. 11б), включающие роботизированный манипулятор и диодный лазер мощностью до 9 кВт, предназначены для термической обработки, лазерной наплавки и лазерного легирования различными присадочными материалами. Эти комплексы обладают высокой степенью автоматизации и возможностью адаптации под конкретные условия производства.

Технологии лазерного темоупрочнения и наплавки используются в самых разных сферах, включая железнодорожный транспорт (рис. 10), металлургию, машиностроение, нефтегазовую промышленность, газотурбинные двигатели, инструментальное производство, моторостроение, сельское хозяйство и другие отрасли.

Прецизионная микрообработка успешно применяется в промышленности и других отраслях народного хозяйства. В последнее десятилетие пико-, фемто- и наносекундные лазеры с ультракороткими импульсами (УКИ) вытесняют непрерывные лазеры за счет более высокого качества изделий и эффективности процесса. Появились уникальные возможности по прецизионному сверлению и высокоточной резке (таблица 3, [17–19]).

а) 

б) 

Рис. 14. Система прецизионной лазерной резки RX‑150 (а) и лазерная система «МикроСЕТ» (б) компании «Лазерный центр»
 

Рис. 15. Прецизионный станок для микрообработки МЛП1-УФ компании «Лазеры и аппаратура» [11]

Рис. 16. Мобильный лазерный маркер LDesigner Fm для крупногабаритных деталей компании АТЕКО [20] 

Лазерная маркировка и гравировка сегодня являются одними из наиболее широко распространенных технологий лазерной обработки стали, сплавов и неметаллических материалов как в промышленности, так и при изготовлении приборных панелей, пластиковых кнопок и световодов, маркировке корпусов, подшипников, инструмента, нанесении серийных номеров на оружие, ювелирные, медицинские и другие изделия 
(см. таблицу 4 и [19, 20]). Современные маркеры/граверы обеспечивают скорость перемещения фокального пятна до 10 м/с с разрешением до 2000 dpi. При этом маркировка может выполняться не только на малогабаритных изделиях для их индификации и защиты от фальсификации за счет нанесения штрих-­кодов и изготовления этикеток. Маркировка крупногабаритных изделий возможна и в металлообрабатывающей промышленности. Так, маркировку металлических крупногабаритных листов внедрял Александр Скрипченко на «Адмиралтейских верфях» в Санкт-Петербурге еще в 80‑х годах, то есть сорок лет назад.

Рис. 17. Лазерный маркиратор MF-E-A со встроенным компьютером (а), лазерный маркиратор MF-B-A для конвейерных лент (б) и СО2-лазерный гравер портального типа (в) производства YUEMING HAN'S Laser Group (КНР)

Рис. 18. Настольный лазерный МиниМаркер 2 (а) [20], система маркировки на базе ультрафиолетового лазера (б), портальный станок лазерной гравировки с расширенным полем обработки 
MaxiGraver (в), система лазерной маркировки на конвейере (г) Лазерного центра

Для маркировки изделий с высокими массогабаритными показателями разработаны и поставляются на рынок мобильные (перемещаемые) лазерные маркеры. Основным элементом такого маркера является мобильная головка, связанная волоконным кабелем длиной несколько метров с блоком управления и питания, перемещаемым на тележке или в переносном кейсе по производственному участку для маркировки различных изделий. Мобильная головка смонтирована в прочном защитном корпусе с установочными элементами для базирования и закрепления головки на изделие и выполняет функцию защиты оператора от отраженного лазерного излучения. Программный пакет обеспечивает широкий набор функций. При необходимости лазерный маркировщик можно установить на стационарный пост и работать как с обычной стационарной системой.

Лазерное технологическое оборудование применяется в промышленности и других отраслях народного хозяйства уже полвека. Начиналось всё со сверления рубинов и алмазов. Мощность применяемых лазеров увеличилась с сотен ватт до десятков кВт, появились эффективные нано-, пико- и фемтосекундные лазеры с ультракороткими импульсами. Применение лазерной резки, сварки и наплавки, перфорирования и термоупрочнения, микрообработки становится обычным делом. Аддитивные технологии имеют взрывной характер развития и применения и начинают менять облик металлообрабатывающей промышленности. Можно обоснованно полагать, что за лазерными технологиями обработки материалов большое будущее.

Литература

1. Макаров М. Дорогие игрушки, или чудо машиностроения. Обновляем литейные цеха // Фотоника.  2015. № 6 /54.  С. 10–31.
2. Аддитивные технологии для автомобильной отрасли // Ритм машиностроения.  2024. № 2.  С. 52–58.
3. Статистика мирового рынка 3D-печати // Ритм машиностроения.  2024. № 3.  С. 6.
4. Попадюк С. SLM-печать в авиастроении: часто задаваемые вопросы // Ритм машиностроения.  2024. № 3.  С. 72–75.
5. Карпова Т. Инновационные сварочные технологии в метровагоностроении // Ритм машиностроения.  2023. № 2.  С. 30–33.
6. Российский рынок оборудования для 3D-печати // Аддитивные технологии.  2023. № 2.  С. 22–25.
7. Карпова Т. Аддитивные технологии — один из драйверов развития промышленности // Аддитивные технологии.  2024. № 2.  С. 19–33.
8. Берюхов А. Отечественный рынок аддитивного производства: окно возможностей и технологические барьеры // Аддитивные технологии.  2024. № 2.  С. 14–16.
9. Металлобработка‑2023. Впечатления с выставки // Ритм машиностроения.  2023. № 4.  С. 7–15.
10. Карпова Т. Лазерные технологии впечатляют // Ритм машиностроения.  2024. № 1.  С. 30–34.
11. ООО НПЦ «Лазеры и аппаратура»: 25 лет развиваем новые возможности // Ритм машиностроения.  2023. № 3.  С. 14–19.
12. Металлическая аддитивная установка HBD 350T — флагман рынка РФ во времена санкционной политики // Ритм машиностроения.  2023. № 3.  С. 48–49.
13. Как 5D-принтеры оперативно печатают функциональные детали в полевых условиях // Ритм машиностроения.  2023. № 4.  С. 5.
14. Зайцев А.М., Шачнев  С.Ю., Гудков  А.Н. Применение технологии селективного лазерного плавления для изготовления деталей ракетно-­космической техники, получаемых методом штамповки // Ритм машиностроения.  2023. № 3.  С. 54–58.
15. Журавель В.М. Лазерное армирование // Ритм машиностроения.  2018. № 5. С. 34–35.
16. Упрочнение колесных пар: сравнение технологий // Ритм машиностроения.  2023. № 1.  С. 4.
17. Игнатов А.Г., Спивак И. А., Буров Н. В. Обработка оптических материалов лазерами с ультракороткими импульсами // Ритм машиностроения.  2022. № 1.  С. 20–27.
18. Игнатов А.Г., Елисеев А.П., Комаров В.Г., Буров Н.В. Обработка материалов лазерами с милли- и наносекундными импульсами // Ритм машиностроения.  2022. № 2.  С. 32–36.
19. Игнатов А.Г. Обработка материалов пико- и фемтосекундными лазерами // Ритм машиностроения.  2022. № 3.  С. 22–29.
20. Технологии физико-­химической маркировки для ответственных изделий // Ритм машиностроения.  2017. № 9.  С. 22–32.

Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 7-2024