Немецкие инженеры сконструировали гибридный лазерно-дуговой 3D-принтер для печати металлами

Новая аддитивная система за авторством ученых Института лазерных технологий общества Фраунгофера (Fraunhofer ILT) комбинирует две технологии 3D-печати методом прямого подвода энергии и материала — электродуговое и лазерное наплавление металлической проволоки. Такой подход позволяет балансировать производительность и разрешение.

Немецкие инженеры сконструировали гибридный лазерно-дуговой 3D-принтер для печати металлами

Технология лазерного осаждения металлической проволоки (Wire Laser Material Deposition, WLMD) позволяет добиваться высокой точности в нанесении слоев с относительно низким тепловложением, но при этом страдает от низкой производительности. С электродуговым наплавлением проволоки (Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM) все с точностью до наоборот: быстро, но ценой низкого разрешения с вытекающей необходимостью в интенсивной механической постобработке.

Инженеры Fraunhofer ILT решили объединить обе технологии в одной аддитивной системе, что позволило повысить производительность примерно на 150% в сравнении с лазерными 3D-принтерами, но при этом добиться более высокого качества, чем при электродуговом наплавлении.

«Дуга не может быть сфокусирована так же точно, как лазерный луч. Ее нельзя использовать для получения таких же тонких и точных следов, как с помощью лазера. Поскольку [в гибридном варианте] волнистость поверхностей уменьшается, сокращается объем необходимой постобработки в сравнении с WAAM», — поясняет научный сотрудник Fraunhofer ILT Макс Фабиан Штайнер.

Оборудование использует оптическую систему с кольцевым лазерным излучателем и аргоновую горелку. Оба источника энергии имеют жидкостное охлаждение для работы на высоких мощностях и накладываются друг на друга, позволяя реализовывать сильные стороны двух методов.

Немецкие инженеры сконструировали гибридный лазерно-дуговой 3D-принтер для печати металлами

Технология лазерно-дуговой сварки известна с конца 1970-х, однако особенность новой разработки в кольцевом излучателе, позволяющем более точно контролировать дугу за счет привязки к анодному факелу, создаваемому лазером. Такая соосная схема более эффективна, чем ранние варианты с боковом расположением электродов. Новая разновидность методики получила название COLLAR Hybrid.

Пока ученые Fraunhofer ILT концентрируются на аддитивном производстве, коллеги из Рейнско-Вестфальского технического университета Ахена работают над параллельным проектом по применению усовершенствованной технологии в сварке.

«Когда речь идет о сварке нелинейных швов, все становится сложнее: на углах и закруглениях необходимо поворачивать всю систему, что значительно усложняет программирование траектории. Мы ожидаем, что управление дугой позволит упростить сварку толстых листов», — рассказывает Макс Штайнер.

Точность и производительность системы можно балансировать на лету: при ослаблении или даже полном отключении дуги можно получать участки с повышенной детализацией, а при смещении энергозатрат в сторону электродугового наплавления — быстро выстраивать участки, где разрешение не играет большой роли.

Кроме того, технология повышает эффективность работы с некоторыми металлами и сплавами, с трудом поддающимися обработке инфракрасными лазерами, например медью и алюминием. При работе с этими металлами зачастую требуются более дорогие синие или зеленые излучатели, но подойдет и лазерно-дуговой метод.

«Например, дугу можно использовать для разрушения оксидной пленки с температурой плавления порядка 2200°C. У чистого алюминия под пленкой температура плавления уже намного ниже, всего около 660°C, так что его можно обрабатывать лазером с меньшими энергозатратами», — поясняет Штайнер.  

KazakhRussianUkrainian