Технология, специально разработанная для мелких, сложных элементов, таких как охладительные отверстия лопастей турбин, объединяет применение воды и света, что фактически исключает появление традиционных недостатков лазерной резки, не уменьшая при этом ее преимуществ.
Мэтт Денфорд
Просто добавь воды.
Согласно недавно опубликованному General Electric отчету, такая технология позволяет сделать лазерную обработку конкурентным процессом для производства охлаждающих отверстий усеивающих поверхность лопастей турбин, которые применяются как в газовой, так и в промышленной области. Как сообщается, уникальность и разнообразность возможностей лазерной резки, помогли GE сэкономить несколько часов на производство каждой детали, и теперь, разработчик этой технологии из Швейцарии и его партнеры из Северной Америки надеются донести ее преимущества также до других производителей лопастей турбин. Также сообщается, что помимо скорости и точности, благодаря которым лазерная резка известна уже давно, новая технология также позволяет устранить ряд имевшихся недостатков, а именно: устранить тепловое влияние на структуру материала и налипание механических осадков на поверхность образца.
Однако, перечисленные преимущества данной технологии не являются единственными, а области ее применения не ограничиваются высверливанием охладительных отверстий. Согласно вышеупомянутой статье, которая была опубликована на сайте GE Reports (gereports.com), GE также используют лазеры, работающие по этой технологии, для производства других компонентов турбин, сделанных из новых термостойких (и таким образом, трудно поддающихся машинной обработке) материалов. Другие производители, задачей которых является создание мелких, сложных элементов также будут в выигрыше от применения новой технологии. Скальпели, иглы и другие медицинские приборы; сопло впрыска автомобильного топлива и свечи зажигания; монокристаллические и поликристаллические алмазные (PCD) режущие инструменты. Это лишь несколько других подтвержденных примеров использования именно этой разновидности лазерной резки, которая оказалась обоснованной альтернативой другим процессам, начиная от шлифовки и заканчивая травлением и электроэрозионной резкой (технология EDM). В дополнение к холодному, не загрязняющему образец удалению материала, которое применяется GE, разработчик данной технологии обозначил, что производители отдельных частей могут извлечь выгоду из возможностей технологии, применяя ее для резки с поддержанием толщины реза во всем диапазоне глубин, не заботясь о фокусе.
Действуя как оптическое волокно, поток воды направляет луч лазера. Это обеспечивает точную резку с гладкими краями, устраняя риск термического влияния или налипания загрязнений к поверхности заготовки.
Технология Laser MicroJet (LMJ) основана на принципе полного отражения - лазерный луч непрерывно преломляется границей между воздухом и водой и направляется на образец. Максимальное рабочее расстояние 1000 × диаметр насадки.
Как все это возможно? Благодаря использованию небольшого потока воды повышенного давления, который полностью опутывает луч лазера, выступая, таким образом, одновременно в качестве направляющей, а также охлаждает и очищает поверхность.
Расширение области применения
В 1997 году, после разработки технологии лазерной микроструйной резки, которая на сегодняшний день называется Laser MicroJet (LMJ), Бернольд Рихерцхаген - аспирант Федерального технологического института (EPFL) в Лозанне, Швейцария, основал компанию Synova для того чтобы донести недавно запатентованную технологию до компаний-производителей. В течение следующих 20 с лишним лет, компания Synova вышла на новые рынки, начиная от рынка резки алмазов и драгоценных камней до рынка полупроводников и электроники. Опираясь на помощь партнеров, компания смогла создать специализированное для каждой отрасли оборудование, использующее технологию LMJ. Также, в 2003 году компания Synova основала офис в США, в Силиконовой долине, рядом со своей небольшой клиентской базой, обеспечивая продажи, техническое обслуживание и поддержку, которые необходимы для продвижения Laser MicroJet. Нам также необходимо было сосредоточиться на усилении сотрудничества с одним из ключевых партнеров, говорит Жак Кодерр, коммерческий директор офиса Synova в США.
Данным партнером стала фирма-изготовитель оборудования Makino, а усиление сотрудничества произошло благодаря недавней работе двух компаний с компанией GE над применением технологии LMJ в высверливании охладительных отверстий лопастей турбин. Результатом данной работы стала линейка оборудования MCS, работающая по технологии LMJ. Synova подписала дистрибьюторское соглашение с компанией Single Source Technologies (SST), которая является филиалом Makino и отвечает за разработку, реализацию и обслуживание собственных линеек фрезерного оборудования и оборудования для электроэрозионной резки. Установки серии MCS доступны в двух размерах: трехосная MCS 300 и пятиосная MCS 500. Они разработаны специально для 3D-операций, которые применяются компанией GE. Также компания Synova предлагает линейку оборудования серии LCS, для точной обработки более мелких изделий из металла и деталей из более жесткого материала.
В обеих линейках для резки используются твердотельные лазеры (Nd:YAG) с диодной накачкой, длительность импульса лазера измеряется в наносекундах, средняя мощность 50-200 Вт, а длина волны составляет 532 нм (для некоторых машин серии LCS 1064 нм). Ширина пропила точно соответствует диаметру насадки, а точность и повторяемость измеряются в микронах. Луч лазера заключен в поток чистой, фильтрованной деонизованной воды, которая проецируется при низком давлении, чтобы исключить риск неблагоприятного воздействия потока воды на образец. Действуя в качестве оптического волокна, этот поток гарантирует поддержание низкой температуры, чистоту образца и точность обработки.
Охлаждение, отсутствие загрязнений и точность
Технология «захвата» лазерного луча потоком воды основана на принципе полного внутреннего отражения. Данное явление происходит, когда волна энергии (в данном случае, лазерный луч) полностью отражается от границы менее плотной среды (в данном случае, от границы между водой и воздухом) таким образом, что энергия не проходит за эту границу. Как показано на изображении, приведенном выше, в технологии LMJ этот принцип используется, чтобы отразить луч от внутренней стенки потока воды, таким образом, струя воды не позволяет лазерному лучу отклоняться от заданных размеров, когда он достигает обрабатываемой детали.
И в реактивных двигателях и в газовых турбинах, лопасти усеяны крошечными охлаждающими отверстиями, которые улучшают воздушный поток в полой внутренней части.
Разработать и создать оборудование было сложнее, чем описать принцип его работы. Платформы машины должны иметь различные встроенные компоненты для очистки и безопасной подачи воды. Что касается лазерной головки, она должна была быть разработана таким образом, чтобы луч приближался к границе под определенным углом и не разрушался. Струя воды, следовательно, должна быть очень стабильной, с плотными границами, чтобы предотвратить выход луча за ее границы. В этих целях, в соответствии с одним из множества международных патентов SYNOVA, компания предлагает использовать струю жидкости, опутанную потоком воздуха для предотвращения турбулентности потока. Прочные насадки изготавливаются из сапфира или алмаза и имеют особую форму, обеспечивающую кроме всего прочего также правильное взаимодействие газа и воды. Для оптимизации формы водяной камеры потребовались годы экспериментов, говорит г-н Кодерр.
Чтобы проделать отверстие, показанное на рисунке, установка, работающая на технологии LMJ, разрушила керамическое покрытие. Данную задачу невозможно было выполнить на оборудовании EDM, так как покрытие не проводит ток. Эта возможность упрощает производственный процесс, что позволяет производителям лопастей турбин высверливать отверстия после нанесения покрытия.
Хотя Synova по понятным причинам неохотно рассказывает об этих и других важных конструктивных особенностях, книги, выпускаемые компанией, описывают, каким образом эта уникальная технология отличается от обычной механической обработки лазером по трем основным направлениям:
• Неконическая форма реза. Насадки для систем LMJ доступны в разных размерах от 25 до 120 мкм в диаметре, при этом диаметр формируемой струи воды низкого давления на 15 процентов меньше диаметра насадки. Максимально используя мощность постоянно отражающегося внутри луча, поток становится по существу цилиндрическим лезвием, которое может выполнять резку, образуя совершенно ровные края.
При отсутствии потока воды, выступающего в качестве направляющей, лазерные лучи имеют конусообразную форму, сужаясь от источника к конкретной фокусной точке, а затем снова расширяясь. В результате, глубина реза и положение фокусной точки должны строго контролироваться, чтобы избежать нежелательной конусности пропила. При добавлении воды исчезает необходимость уделять этому внимание. В соответствии с документацией Synova, рабочее расстояние лазера в потоке воды может достигать 1000 диаметров насадки (максимальный рабочий диапазон линии MCS составляет100 мм).
• Отсутствие зоны термического воздействия. Несмотря на то, что лазеры трудно превзойти с точки зрения технической скорости и точности, области их применения ограничены так, как только некоторые процессы допускают расплавление материала. Как правило, природа лазерной абляции исключает возможность ее использования на любой детали, которая может получить такие повреждения как микротрещины, деформация и т.д., возникающие в зоне термического воздействия вокруг зоны резания. В системе LMJ, используется поток воды толщиной с волос, вода окружает луч лазера и поглощает тепло в промежутках между лазерными импульсами, равных доле секунды.
• Отсутствие осаждения материала. Струя воды не только предотвращает появление термического воздействия в зоне резания, но также очищает остатки удаленного материала и любые другие загрязняющие вещества, которые могли бы налипнуть на поверхность образца. Как результат мы получаем чистую резку ровные края и качественное выполнение других последующих операций.
Сочетание этих трех преимуществ делает систему LMJ универсальной и позволяет применять ее для резки сложных изделий практически из любого материала, кроме стекла, дерева, бумаги, текстиля и прозрачного пластика. Все вышеописанные преимущества делают данную технологию обоснованной альтернативой не только для сухой лазерной резки, но и множества других процессов, говорит г-н Кодерр.
Альтернативы
С 2001 года после выхода на рынок серии LCS, которая расширила область деятельности компании на резку металлов и других твердых материалов, Synova фиксировала несколько случаев по всему миру, когда технология LMJ заменила другие процессы на предприятиях заказчиков. По отзывам, полученным Synova от заказчиков, было доказано, что лазер, работающий по технологии LMJ, справляется с обработкой микрочастей быстрее, чем высверливание. Кроме того, технология LMJ устраняет возможность появления сколов материала, а также поломки инструментов. В большинстве случаев, линия LCS справляется с поставленной задачей быстрее, чем оборудование, работающее по технологии EDM, которое может создавать микротрещины на некоторых поверхностях. Кроме того, для данного оборудования необходимо регулярно заменять электроды и/или проволоку. Еще одним недостатком является то, что оно работает только на проводящих материалах.
Объединяя оборудование EDM и LMJ можно создать гибкий автоматизированный участок, что, по мере необходимости, позволяет сбалансировать работу с обеими машинами, обеспечивая более высокую эффективность, чем любая из этих машин отдельно.
В дополнение к высверливанию отверстий в лопастях турбин, технология LMJ также применяется для резки трафаретов из листового металла и изготовления деталей для часов, таких как, изображенная на данной картинке шестеренка из бериллиево-медного сплава.
У технологии LMJ больше областей применения чем у гальванопластики или штамповки, кроме того она позволяет создавать изделия меньших размеров, чем штамповка. Возможность работать с такими материалами как нержавеющая сталь, алюминий, бериллиево-медный сплав, никель-титан, кубический нитрид бора делает технологию LMJ практически универсальной, так как она подходит для широкого спектра применений, в частности, в медицинской и автомобильной промышленности, а также как установка резки.
Кроме того, выпуск серии MCS в создании которой использовались опыт и технологии такого партнера как Makino открывает для компании Synova новые рынки, в частности рынок производства турбин. На основе концепции проверенной GE, сегодня компания SYNOVA предлагает комплексное решение, специально предназначенное для высверливания охлаждающих отверстий в литых лопатках и полых компонентах лопастей турбин, которое состоит из лазерной установки модели MCS 500 (SYNOVA) и установки EDBV от компании Makino. "Объединение технологий LMJ и EDM позволяет обрабатывать всю деталь полностью и оптимизировать производительность, в том числе при высверливании отверстий в условиях отсутствия их прямой видимости," говорит Марк Логан, директор Makino.
Лопасти и лопатки турбин обычно имеют керамической тепловой барьер, который служит для их защиты от высоких температур, объясняет он. Проблема заключается в том, что керамическое покрытие являются непроводящим, а установки, использующие технологию EDM, работают только с проводящими материалами. В результате, производители использующие такое оборудование обычно высверливают отверстия перед нанесением покрытия. Также, осложняет ситуацию тот факт, что в наши дни отверстия для охлаждения становятся все более сложными. Конструкторы все чаще применяют диффузоры с отверстиями конической, квадратной или иной формы, отличной от круглой, которые не всегда сосредоточенны к внешней форме диффузора.
Производители, которые предпочитают только оборудование для EDM технологии, при работе с деталями, имеющими толстое покрытие, часто вынуждены делать данные отверстия в большем размере, чем указано в технических требованиях. Также при использовании данной технологии велика вероятность, что некоторые из покрытий налипнут на образец и впоследствии их придется удалять вручную. Автоматизированное комплексное решение со схемой для передачи данных между машинами существенно упрощает этот процесс. С твердыми непроводящими покрытиями успешно справляется технология LMJ, в то время как технологию EDM лучше использовать для быстрого высверливания основной части отверстия.
Как правило, технология LMJ отлично справляется с неглубокими отверстиями и создает необходимую геометрию, также она намного быстрее технологии EDM. Однако, при необходимости выполнения более глубоких отверстий, технология EDM справляется быстрее, и является единственным возможным вариантом так, как в определенной точке поток воды начинает разрушаться. Установки EDBV имеют и другие преимущества. Электрические генераторы данных машин оснащены динамическими схемами обратной связи, которые определяют положение трубчатого электрода и увеличивают подачу по мере необходимости, чтобы свести к минимуму аэрацию, особенно при больших углах контакта. Также установки EDBV в течение одной секунды или при прохождении глубины в один миллиметр определяют, когда электрод проходит через внутреннюю полость, что позволяет поддерживать скорость а также предотвратить обратное проскакивание, которое может привести к нарушению воздушного потока внутри обрабатываемой детали. Специальные изогнутые направляющие, разработанные компанией Makino, также позволяют выполнять обработку изделий в условиях отсутствия прямой видимости, что особенно важно при высверливании отверстий в турбинах двигателей, говорит Брайан Пфлюгер, менеджер по продукции EDM.
Достаточно сказать, что обе технологии высверливания отверстий как LMJ так и EDM имеют свое место в данной области применения, и каждый производитель может самостоятельно определить какая технология лучше всего подходит для той или иной задачи. Объединение двух описанных систем в комплекс, позволяет сбалансировать нагрузку с помощью двух процессов, тем самым выводя качество и производительность на новый уровень, которого любая система в отдельности не может достигнуть. Тем временем, по словам GE Reports, компания уже использует технологию LMJ для высверливания отверстий на дискретных деталях турбин из керамических матричных композитов. Если Вы доверяете опыту GE, Вы так же сможете извлечь выгоду из применения технологии LMJ в дополнение к стандартной механической обработке или в качестве ее альтернативы.
С техническими характеристиками оборудования, описанного в данной статье, а также с представленными у нас системами лазерной резки, Вы можете ознакомиться в соответствующем разделе нашего сайта