Гибридная водоструйно-лазерная обработка повышает эффективность для компонентов из УВП и КМК

По мере того как материалы из углеродного волокна с полимерной матрицей (CFRP) и керамических матричных композитов (CMC) пролиферируют в авиационных двигателях, космических компонентах и гиперзвуковых применениях, обработка становится проблемой, где точность и эффективность могут изменить исходы программ. Попытка обработать высоконадежные и высокоточные особенности в CFRP и CMC может быть сложной из-за их твердости и абразивности, приводя к медленным темпам обработки, нежелательным эффектам на материальные свойства, неспособности соответствовать спецификациям деталей и высоким операционным затратам, включая повторяющуюся замену инструмента.

Для решения этого вызова разработан ряд лазерных технологий для обработки таких передовых композитов. Хотя лазеры предлагают потенциал для повышенной эффективности и устранения повторяющихся затрат на инструмент, выделяемое тепло рассеивается в материал, создавая потенциал для микротрещин и изменения материала. Лазеры также режут в фокальной точке светового луча, что приводит к V-образным резам, которые могут быть проблематичными для точных допусков.

Технология Laser MicroJet, разработанная Synova (Дюлье, Швейцария), создает лазерный луч, полностью содержащийся в водоструе. Лазер отражается на границе воздух-вода, похоже в принципе на оптическое волокно, в то время как вода охлаждает зону реза и вымывает опилки из разреза. Преимущества Laser MicroJet по сравнению с обычными лазерами, как сообщается, включают отсутствие горения или термической деградации, меньше заусенцев для более гладких поверхностей, прямые боковые резы и более высокую точность.

CW впервые столкнулась с Laser MicroJet в своем туре 2017 года по производственному заводу GE Aviation в Эшвилл, Северная Каролина, США для CMC компонентов двигателя. Здесь он используется для обработки отверстий в CMC накладках для двигателей LEAP. «Эта технология помогает поддерживать высокий уровень точности в диаметре отверстия», — говорит Райан Хут, менеджер GE Aviation по производству CMC. «MicroJet может просверлить эти отверстия за две минуты против одного часа с обычной обработкой», — говорит Хут. Сестринский журнал CW, Modern Machine Shop, также опубликовал информативную статью о Laser MicroJet.

Сила воды и света

Synova была основана в 1997 году д-ром Бернольдом Рихерцагеном, который запатентовал технологию Laser MicroJet после своих исследований в Федеральном институте технологий (EPFL, Лозанна, Швейцария) в 1990-х. Технология была широко принята для раскроя полупроводниковых пластин в 2001 году. Synova затем создала местные дочерние компании в США, Японии, Индии и Корее в 2003 году. Они были расширены для включения микромеханических центров, с краткосрочной экспансией, запланированной для Тайваня и Китая. В 2009 году Synova установила партнерство по совместной разработке с Makino Milling Machine Co. Ltd. (Токио, Япония), вводя новый серию машин и продвигая их для обработки медицинских устройств, часов механизмов, лопаток газовых и реактивных турбин, полупроводниковых устройств и режущего инструмента из сверхтвердых материалов.

В системе Laser MicroJet лазерный луч проходит через прессуризованную водную камеру и фокусируется в сопло. Лазеры — обычный промышленный тип — твердотельный Nd:YAG — с мощностью 10-200 ватт и длиной волны 1064 (инфракрасный), 532 или 355 нанометров. Тонкий как волос водоструй — диаметр 50-70 микрон — из отфильтрованной, деионизированной воды используется при низком давлении 200-650 бар. Это приводит к низкому потреблению воды, порядка 2-3 л/ч, и пренебрежимой силе менее 0,1 ньютона, воздействующей на материал.

Как возможно достичь эффективной лазерной аblaции в воде? «Лазер пульсирует примерно 10 000 раз в секунду», — объясняет Жак Кодерре, менеджер Synova по бизнесу в США. «Для каждого лазерного импульса генерируется плазма, которая толкает воду вверх, позволяя аblaции произойти. В конце импульса плазма коллапсирует и вода теперь очищает поверхность и рассеивает тепло». Он отмечает, что водоструй также устраняет сложность и вариации процесса поддержания лазера в фокусе, обычно требуемого с сухими лазерными системами. «Это позволяет резать толстые или неплоские детали без необходимости беспокоиться о фокусе», — говорит Кодерре. «Технология также производит цилиндрический лазер, создающий идеально параллельные стенки с узкими ширинами реза».

Настройка для композитов

Laser MicroJet хорошо работает не только для CMC, но и для CFRP и слоистых ламинатов. Во время тестирования он производил отверстия диаметром 3 мм в 2,6-мм-толстом ламинате из углеродного волокна-усиленного пластика (CFRP) на скоростях до 1440 мм/мин. «С обычным лазером вы должны замедляться из-за тепла», — отмечает Кодерре. «Обычные фрезеры могут достичь похожих скоростей, но имеют более высокие операционные затраты из-за необходимой замены инструмента».

Laser MicroJet может резать 1-дюймовые толстые CMC ламинаты. «Скорость основана на довольно постоянной скорости аblaции 1 мм³/мин», — наблюдает Кодерре.

Synova имеет ряд машин, вводя свою пятиосевую ЧПУ систему LCS 305 в прошлом году. «Эта машина превосходна в высокоточных 3D резах и хорошо подходит для мелких CMC деталей», — объясняет Кодерре. «Но она не подходит для крупных CFRP деталей». Для этого Synova интегрировала свой Laser MicroJet в портальную машину, способную обрабатывать детали более 2 метров на 3 метра. «Это также легко интегрировать с роботами и легко программировать», — добавляет он. Для 2D резов ПО MicroJet конвертирует CAD файл в машинный код. После проверки оператор просто нажимает кнопку и машина выполняет рутину резки. Для 3D резов Кодерре объясняет, что постпроцессор извлекает необходимые 3D данные из CAD файла и форматирует их для Laser MicroJet.

Для способностей Factory 4.0, измеритель мощности лазера, датчик позиционирования и автоматическая коррекция угла струи интегрированы в систему Laser MicroJet. «Это очень гибко», — говорит Кодерре, «легко встроить в производство деталей как автономную систему или как часть полностью автоматизированных линий для беспилотного, крупносерийного производства». Технология уже доказана в CMC деталях для двигателей LEAP, он продолжает. «Для композитов она предлагает более низкие производственные затраты, достигаемые через более быстрые производственные скорости, сниженные операционные затраты, более высокую надежность и более высокие выходы». Такая эффективность действительно то, чего нужно композитам, как новые материалы, рынки и конкурирующие металлические технологии продолжают эволюционировать.