eng
Выпуск #3/2015
А. Григорьянц, И. Шиганов, Р. Третьяков
Сила инноваций: старые традиции в новых условиях
Сила инноваций: старые традиции в новых условиях
Просмотры: 2631
У
ровень отечественных разработок в области лазерной техники и технологий позволяет России находиться в ряду ведущих мировых производителей в этом направлении. Но для развития производства на промышленных предприятиях России и, в частности, города Москвы необходимо существенное развитие инфраструктуры производства с разработкой и использованием новых наукоемких технологий и обрабатывающего оборудования. Широкое внедрение лазерных технологий на производственных предприятиях позволит резко поднять уровень конкурентоспособности выпускаемой продукции, повысить эффективность деятельности, расширить экспорт. Одним из родоначальников появления и развития лазерных технологий в России стала кафедра МГТУ им.Н.Э.Баумана "Лазерные технологии в машиностроении".
По инициативе академика Г. А. Николаева на кафедре "Сварка" МВТУ им. Н. Э. Баумана в 1978 году были начаты исследования возможностей применения мощного лазерного излучения для сварки металлов. Под его руководством было организовано глубокое изучение происходящих при этом физических процессов. Результаты исследований в области создания технологических лазеров и разработки технологий оказались настолько перспективными, что в 1981 году по данному направлению в МГТУ им.Н.Э.Баумана была организована первая в стране кафедра "Оборудование и технология лазерной обработки". С тех пор кафедру бессменно возглавляет заслуженный деятель науки РФ, лауреат Государственной премии РФ, двух премий Правительства РФ и премии Ленинского комсомола, доктор технических наук, профессор Александр Григорьевич Григорьянц.
На кафедре реализован комплексный подход к изучению и решению современных проблем лазерных технологий – от создания теоретических основ до разработки технологических процессов лазерной сварки, резки, наплавки, поверхностной обработки, прошивки отверстий и других видов лазерной обработки. Именно на кафедре, впервые в России, организована базовая система подготовки кадров высшей квалификации по разработке и использованию лазерных технологий в машиностроении, а также созданы учебно-методические основы новой специальности "Машины и технология высокоэффективных процессов обработки материалов". Разработанная образовательная программа вошла в Государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированных специалистов по специальности "Машиностроительные технологии и оборудование". По этой образовательной программе уже более 15 лет проводится обучение в 23 вузах России. В рамках указанной специальности и направления подготовки специалистов, бакалавров и магистров по лазерным технологиям и оборудованию разработано более 20 специальных программ с курсами лекций, лабораторными работами и семинарскими занятиями.
В 2009 году по предложению МГТУ им.Н.Э.Баумана и при поддержке Правительства Москвы, в рамках постановления Правительства РФ о развитии в ВУЗах малых инновационных предприятий, было принято решение создать на территории ОАО МТЗ ТРАНСМАШ малое инновационное предприятие ООО "Московский центр лазерных технологий" (МЦЛТ), генеральным директором которого стал д. т.н., профессор Григорьянц А. Г.
В основе предприятия ‒ многочисленные научные и технологические разработки кафедры – более 100 полученных патентов и авторских свидетельств, а также весь интеллектуальный потенциал профессорско-преподавательского состава кафедры.
Удачным оказалось территориальное расположение МЦЛТ – в Москве, на Лесной улице, 28. Близость к центру делает доступным обращение к нему жителей и организаций из Москвы и других городов России за услугами по лазерной обработке материалов. Отсутствие поблизости фирм, умеющих проводить подобные работы, потенциально обеспечивает большой приток заказчиков.
Таким образом, мы имеем мощный производственно-научный комплекс, способный интегрировать новейшие разработки в области лазерных технологий и производить на их базе продукцию. Перед МЦЛТ поставлены следующие задачи:
демонстрация возможностей современного отечественного лазерного оборудования и технологий, а также анализа их возможностей при модернизации технологических процессов предприятий;
создание в Москве современного высокотехнологичного производства наиболее востребованных на рынке лазерных комплексов с целью оснащения ими предприятий Москвы, Российской Федерации и стран СНГ;
создание в рамках МЦЛТ научно-исследовательского комплекса с привлечением ведущих российских ученых и специалистов для проведения прикладных исследований с целью разработки технологий и оборудования для новых сфер приложения лазерных технологий, в частности аддитивных;
анализ наиболее перспективных инновационных разработок других предприятий и отдельных авторов в области лазерных технологий с целью возможного внедрения их в производство и формирования соответствующих рынков;
предоставление услуг предприятиям Москвы по лазерной обработке материалов на оборудовании МЦЛТ;
формирование оснащенной передовым современным оборудованием учебно-производственной базы для подготовки высококлассных специалистов в области разработки лазерных технологий, а также специалистов для эксплуатации лазерных комплексов.
С момента создания МЦЛТ была проделана значительная работа. Произведена полная реконструкция выделенных площадей предприятия с проектированием сложных и современных инженерных коммуникаций. Осуществлен выбор и закупка серийного лазерного оборудования, а также осуществлена разработка собственных технологических установок. Следует отметить, что предприятие оснащено преимущественно оборудованием отечественного производства.
В настоящее время МЦЛТ состоит из пяти технологических участков, на которых выполняется широкий круг работ по заказам предприятий и собственных научно-исследовательских разработок. Коллектив – это более 20 сотрудников и несколько ученых, совмещающих работу в центре с работой в других научных организациях. Большинство из них – выпускники МГТУ им. Н. Э. Баумана, закончившие кафедру "Лазерные технологии в машиностроении". Студенты и аспиранты МГТУ им.Н.Э.Баумана являются постоянными участниками обучающих семинаров, организованных в центре.
Значительный объем заказов выполняется на участке лазерной резки. Участок оснащен современным лазерным комплексом для резки, созданным партнером нашего предприятия ООО "Промлазер" (г. Шатура). На этом комплексе возможен раскрой широкого круга металлов и неметаллов. Габаритный размер листов для раскроя 1,5×3,0 м. Участок работает в производственном режиме с полной загрузкой.
Технологический участок имеет несколько рабочих мест для осуществления процессов сварки, наплавки, гибридной обработки. Все установки на этом участке отечественного производства и оснащены преимущественно волоконными лазерами. Нами был разработан и изготовлен по заказу Правительства Москвы роботизированный лазерный многофункциональный комплекс. Основа его ‒ робот фирмы АВВ грузоподъемностью 16 кг. Лазерный источник – волоконный лазер мощностью 4,0 кВт. В комплексе применяются оптические головки фирмы Precitec для сварки, резки и наплавки. Сотрудники МЦЛТ прошли обучение на фирме АВВ по управлению роботами и на фирме Precitec по ремонту, эксплуатации и сборке оптических технологических головок, соответствующие сертификаты подтверждают их квалификацию. На созданном комплексе выполняются заказы по обработке деталей сложной формы. Простой сменой оптических головок на одном технологическом комплексе можно производить и сварку, и резку, и наплавку.
Для сварки материалов больших толщин, от 10 до 40 мм создан механизированный стенд, он оснащен волоконным лазером мощностью 15 кВт, силовой оптической головкой и специальным механизмом перемещения с усиленной системой защиты от окисления. В направлении разработок лазерных сварочных технологий в центре ведутся как технологические, так и научные работы по исследованию взаимодействия мощного лазерного излучения с различными конструкционными материалами.
Для осуществления порошковой наплавки деталей создан специализированный комплекс, оснащенный одновременно двумя лазерными источниками – импульсным твердотельным лазером отечественного производства и непрерывным волоконным лазером. С помощью этого комплекса выполняются работы по восстановлению изношенных деталей, в том числе и с минимальными дефектами. Отработаны технологии восстановления штампов, валов, шестерен, элементов приводов и других деталей различными составами наплавляемых порошков. В основном используется технология с коаксиальной подачей порошка, для чего разработаны специальные сопла и насадки. В области лазерной наплавки мы обладаем большим заделом благодаря результатам широкого круга проведенных исследовательских работ. В частности, разработаны составы функциональных покрытий и технологические режимы их получения, они обеспечивают высокие значения износостойкости, коррозионной стойкости и жаростойкости. Для изделий Балтийского завода изготовлены элементы запорной арматуры с поверхностями трения, полученные лазерной наплавкой. Разработана технология повышения износостойкости поверхностей алюминиевых сплавов, путем в внедрения в нее частиц SiC. Такие покрытия повышают износостойкость алюминиевых трущихся поверхностей в 6–10 раз.
Для отработки технологий гибридной лазерно–дуговой сварки создан комплекс, в котором применен волоконный лазер мощностью 5 кВт совместно с источником дуговой сварки плавящимся электродом фирмы Fronius. На данном комплексе выполнен ряд работ по гибридной сварке алюминиевых авиационных сплавов и высокопрочных сталей.
Совместно с немецкой фирмой LIMO, которая предоставила новую конструкцию своего лазера, проводятся работы по технологическому применению диодных лазеров для термической обработки, сварки и наплавки.
Участок маломощных лазеров оснащен отечественной лазерной установкой для сварки и резки производства ОКБ Булат (г. Зеленоград). На этой установке выполняются многочисленные заказы предприятий по сварке и резке материалов малых толщин от 0,1 до 2,0 мм из различных материалов.
Значительный объем работ приходится на маркировку деталей из металлов и пластмасс. Эти работы выполняются на лазерном маркере собственного производства, оснащенном твердотельным лазером. Также для маркировки используется плоттерная лазерная установка с газовым лазером. Маркировка так же, как и резка, является хорошо отработанным технологическим процессом и пользуется широким спросом у потребителей.
Маломощные лазерные установки также используются для очистки поверхностей от загрязнений и окисных пленок. В частности, лазерная очистка применяется для подготовки алюминиевых сплавов под сварку взамен химического фрезерования и механической зачистки.
Инновационные разработки проводятся на оптическом участке. Здесь разрабатываются конструкции новых мощных лазеров с высоким качеством излучения и мощностью генерации до 1 кВт для технологических целей. Также, совместно с ООО "ЦКСПА" – официальным представителем в России компаний Precitec и Scansonic, создан участок для ремонта и сборки лазерных оптических головок для сварки, резки и наплавки. Сертифицированные специалисты МЦЛТ оказывают услуги по ремонту оптических головок.
Конструкторы и технологи МЦЛТ создают новые лазерные комплексы. В рамках государственного контракта с Минпромторгом РФ совместно с ОАО "ЦТСС" выполнены работы по конструированию и изготовлению роботизированного лазерного комплекса для резки и сварки судовых конструкций больших габаритов. Особенностью комплекса является возможность перемещения по направляющим робота вдоль крупногабаритных сварных панелей, из которых собирается судно. Комплекс оснащен лазером мощностью 20 кВт и способен резать и сваривать материалы толщиной до 20 мм. Кроме этого, возможно осуществлять гибридную лазерно-дуговую сварку. Комплекс внедрен на предприятии судостроительной промышленности в Санкт-Петербурге.
Одним из основных направлений деятельности МЦЛТ являются аддитивные технологии, которыми коллектив начал заниматься в 1996 году с технологии лазерной стереолитографии. На предприятии был разработан и изготовлен комплекс получения металлических деталей по стереолитографическим моделям. Совместно с ИПЛИТ РАН создана стереолитографическая установка нового типа, в которой применен твердотельный лазер с длиной волны 0,573 мкм, в отличие от традиционных ультрафиолетовых лазеров. Для такого излучения мы разработали специальную фотополимеризующуюся композицию, которая изготавливалась из отечественных компонентов и по стоимости была значительно дешевле зарубежных. Это позволило получать модели с меньшей шероховатостью и повышенной точностью. Также в установке применен плоттерный механизм перемещения луча, что позволяло увеличить габариты изготавливаемых деталей.
На данном комплексе компьютерную модель создаваемой детали получают методом бесконтактного формометрирования, для этой цели специалистами МГТУ им. Н. Э. Баумана создана специальная установка, позволяющая копировать объект с точностью до 0,05 мм, а для превращения пластиковых моделей в металлические детали мы разработали технологию литья по стереолитографическим моделям. Все элементы комплекса обладают новизной, и на них получены соответствующие патенты.
В начале XXI века получили распространение аддитивные технологии выращивания деталей из металлических порошков. Мы развиваем две основных технологии – это коаксиальное лазерное плавление (КЛП) и селективное лазерное плавление (СЛП).
Наибольшие результаты достигнуты в области КЛП. В качестве научных основ этого процесса исследованы газодинамические потоки порошков и газов при вылете из сопла, а также их взаимодействие с подложкой. На этой основе созданы оптимальные конструкции сопел и выбраны научнообоснованные технологические режимы выращивания деталей.
Также проводится глубокий анализ порошков, применяемых для наплавки, их металлургические и технологические свойства, особенности кристаллизации и склонности к трещинообразованию. Изучаются возможности создания деталей из композиционных материалов. Среди композиционных материалов для авиационной промышленности следует особо отметить весьма перспективные карбидостали. Это новые композиционные материалы, состоящие из легированной стали и карбидов с массовой долей последних от единиц до нескольких десятков процентов. По свойствам они занимают промежуточное положение между высоколегированными сталями и твердыми сплавами.
Примером такого композита является сталь с добавлением карбида титана. Получить такой композит литейной технологией невозможно, так как титан не смешивается со сталью. Традиционно композиционные материалы данного типа получают методом порошковой металлургии. Однако при этом существует ряд технологических ограничений как по составу материала, так и по форме образца. Нами были получены детали из этого материала КЛП-технологией. Как показали металлографические исследования и механические испытания, материал имеет изотропные свойства, пределы текучести и прочности находятся на уровне литого материала. Полученный композиционный материал, не уступающий по показателям поверхностной твердости, но имеющий сниженную массу на 1–20%, перспективен в качестве замены традиционной стали 14XН3MA для деталей специального назначения, работающих в условиях интенсивного износа при повышенных температурах.
Для реализации технологии КЛП впервые в отечественной практике разработан, изготовлен и введен в эксплуатацию комплекс прямого выращивания деталей из порошковых материалов методом послойной лазерной наплавки. Эта работа выполнена по заказу Минпромторга РФ в рамках соответствующего контракта. Комплекс оснащен лазером со средней выходной мощностью 3 кВт. Размер пятна в процессе обработки может изменяться от 150 до 4000 мкм. Комплекс имеет механизмы вращения и перемещения, позволяющие выращивать детали в любом пространственном положении. Размер выращиваемых деталей 400×400×400 мм, максимальный вес до 500 кг. Скорость перемещения по осям до 40,0 м/мин. Для постоянного контроля параметров процесса комплекс оснащен датчиками слежения и системами обратной связи, благодаря чему достигается высокая точность и воспроизводимость операции. Для управления комплексом и подготовки технологического процесса создано специальное программное обеспечение.
Проводятся исследования и разработка оборудования по селективному лазерному плавлению. В данном направлении ставится задача разработки и изготовления промышленного образца отечественной установки для осуществления этого процесса. В проекте предусмотрено использование двух типов лазеров с различными значениями мощности и диаметра пятна, а также использование оптимальных для конкретных материалов длин волн. Предусмотрена встроенная печь для последующей термообработки. Установка будет оснащена бесконтактными методами контроля процесса с обратной связью для стабилизации параметров выращивания. В настоящее время создан исследовательский стенд, на котором отрабатываются технологические процессы и проверяются оригинальные элементы нового оборудования.
Наряду с традиционными технологическими процессами в области машиностроения ведутся работы по применению лазерного излучения и в других областях. Используя находящуюся в нашем распоряжении, уникальную установку лазерного осаждения материалов, мы проводим исследования в области нанотехнологий. В частности, у нас разработана технология импульсного лазерного осаждения микроразмерных структур с целью получения специальных пленок при изготовлении термоэлектрических элементов нового поколения.
Использованием лазерной установки с перестраиваемой длиной волны создаются технологии обработки тонких пленок для электронной промышленности. Эти работы ведутся совместно с НПО "Исток" (г. Фрязино).
Выполнен комплекс работ в области лазерной нефелометрии. Этот метод позволяет анализировать различные жидкие среды на предмет их химического состава, наличия примесей, изменения свойств под воздействием температуры и другие процессы. По заказу Департамента науки и промышленной политики Правительства Москвы был разработан новый метод лазерного фазового анализа жидких сред, в частности нефтепродуктов. Метод основан на анализе отраженного лазерного излучения, прошедшего через контролируемую среду. Особенностью метода является оценка помутнения продукта в процессе охлаждения, вплоть до замерзания. На основании этих исследований создан прибор и методики экспресс-контроля жидких нефтепродуктов. С помощью этого прибора можно определить по небольшому количеству контролируемого вещества (3–5 г) за 5–7 минут наличие в нем воды, механических примесей и соответствие химическому составу. Прибор полностью автоматизирован и выдает обработанную информацию на экран компьютера. На конструкцию данного прибора и методику анализа получен патент.
Метод лазерной нефелометрии также был использован при создании прибора для экспресс-контроля качества молочных продуктов. Этот прибор позволяет с высокой точностью оперативно определять жирность молока и содержание в нем белка. Прибор также был создан по заданию Правительства Москвы.
Необходимо отметить, что работой МЦЛТ активно интересуются многие предприятия различных отраслей – транспортное машиностроение, авиа- и судостроение, атомная промышленность и т. д. За прошедшие годы его посетили руководители и специалисты более 150 предприятий и ведомств.
Таким образом, использование научно-технических кадров, подготовленных на кафедре "Лазерные технологии в машиностроении" МГТУ им.Н. Э. Баумана, и использование научного потенциала в виде интеллектуального багажа – патентов, монографий и научных статей позволило малому инновационному предприятию ООО "Московский центр лазерных технологий" в короткое время стать эффективно развивающимся, быть полезным и востребованным промышленностью.
ровень отечественных разработок в области лазерной техники и технологий позволяет России находиться в ряду ведущих мировых производителей в этом направлении. Но для развития производства на промышленных предприятиях России и, в частности, города Москвы необходимо существенное развитие инфраструктуры производства с разработкой и использованием новых наукоемких технологий и обрабатывающего оборудования. Широкое внедрение лазерных технологий на производственных предприятиях позволит резко поднять уровень конкурентоспособности выпускаемой продукции, повысить эффективность деятельности, расширить экспорт. Одним из родоначальников появления и развития лазерных технологий в России стала кафедра МГТУ им.Н.Э.Баумана "Лазерные технологии в машиностроении".
По инициативе академика Г. А. Николаева на кафедре "Сварка" МВТУ им. Н. Э. Баумана в 1978 году были начаты исследования возможностей применения мощного лазерного излучения для сварки металлов. Под его руководством было организовано глубокое изучение происходящих при этом физических процессов. Результаты исследований в области создания технологических лазеров и разработки технологий оказались настолько перспективными, что в 1981 году по данному направлению в МГТУ им.Н.Э.Баумана была организована первая в стране кафедра "Оборудование и технология лазерной обработки". С тех пор кафедру бессменно возглавляет заслуженный деятель науки РФ, лауреат Государственной премии РФ, двух премий Правительства РФ и премии Ленинского комсомола, доктор технических наук, профессор Александр Григорьевич Григорьянц.
На кафедре реализован комплексный подход к изучению и решению современных проблем лазерных технологий – от создания теоретических основ до разработки технологических процессов лазерной сварки, резки, наплавки, поверхностной обработки, прошивки отверстий и других видов лазерной обработки. Именно на кафедре, впервые в России, организована базовая система подготовки кадров высшей квалификации по разработке и использованию лазерных технологий в машиностроении, а также созданы учебно-методические основы новой специальности "Машины и технология высокоэффективных процессов обработки материалов". Разработанная образовательная программа вошла в Государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированных специалистов по специальности "Машиностроительные технологии и оборудование". По этой образовательной программе уже более 15 лет проводится обучение в 23 вузах России. В рамках указанной специальности и направления подготовки специалистов, бакалавров и магистров по лазерным технологиям и оборудованию разработано более 20 специальных программ с курсами лекций, лабораторными работами и семинарскими занятиями.
В 2009 году по предложению МГТУ им.Н.Э.Баумана и при поддержке Правительства Москвы, в рамках постановления Правительства РФ о развитии в ВУЗах малых инновационных предприятий, было принято решение создать на территории ОАО МТЗ ТРАНСМАШ малое инновационное предприятие ООО "Московский центр лазерных технологий" (МЦЛТ), генеральным директором которого стал д. т.н., профессор Григорьянц А. Г.
В основе предприятия ‒ многочисленные научные и технологические разработки кафедры – более 100 полученных патентов и авторских свидетельств, а также весь интеллектуальный потенциал профессорско-преподавательского состава кафедры.
Удачным оказалось территориальное расположение МЦЛТ – в Москве, на Лесной улице, 28. Близость к центру делает доступным обращение к нему жителей и организаций из Москвы и других городов России за услугами по лазерной обработке материалов. Отсутствие поблизости фирм, умеющих проводить подобные работы, потенциально обеспечивает большой приток заказчиков.
Таким образом, мы имеем мощный производственно-научный комплекс, способный интегрировать новейшие разработки в области лазерных технологий и производить на их базе продукцию. Перед МЦЛТ поставлены следующие задачи:
демонстрация возможностей современного отечественного лазерного оборудования и технологий, а также анализа их возможностей при модернизации технологических процессов предприятий;
создание в Москве современного высокотехнологичного производства наиболее востребованных на рынке лазерных комплексов с целью оснащения ими предприятий Москвы, Российской Федерации и стран СНГ;
создание в рамках МЦЛТ научно-исследовательского комплекса с привлечением ведущих российских ученых и специалистов для проведения прикладных исследований с целью разработки технологий и оборудования для новых сфер приложения лазерных технологий, в частности аддитивных;
анализ наиболее перспективных инновационных разработок других предприятий и отдельных авторов в области лазерных технологий с целью возможного внедрения их в производство и формирования соответствующих рынков;
предоставление услуг предприятиям Москвы по лазерной обработке материалов на оборудовании МЦЛТ;
формирование оснащенной передовым современным оборудованием учебно-производственной базы для подготовки высококлассных специалистов в области разработки лазерных технологий, а также специалистов для эксплуатации лазерных комплексов.
С момента создания МЦЛТ была проделана значительная работа. Произведена полная реконструкция выделенных площадей предприятия с проектированием сложных и современных инженерных коммуникаций. Осуществлен выбор и закупка серийного лазерного оборудования, а также осуществлена разработка собственных технологических установок. Следует отметить, что предприятие оснащено преимущественно оборудованием отечественного производства.
В настоящее время МЦЛТ состоит из пяти технологических участков, на которых выполняется широкий круг работ по заказам предприятий и собственных научно-исследовательских разработок. Коллектив – это более 20 сотрудников и несколько ученых, совмещающих работу в центре с работой в других научных организациях. Большинство из них – выпускники МГТУ им. Н. Э. Баумана, закончившие кафедру "Лазерные технологии в машиностроении". Студенты и аспиранты МГТУ им.Н.Э.Баумана являются постоянными участниками обучающих семинаров, организованных в центре.
Значительный объем заказов выполняется на участке лазерной резки. Участок оснащен современным лазерным комплексом для резки, созданным партнером нашего предприятия ООО "Промлазер" (г. Шатура). На этом комплексе возможен раскрой широкого круга металлов и неметаллов. Габаритный размер листов для раскроя 1,5×3,0 м. Участок работает в производственном режиме с полной загрузкой.
Технологический участок имеет несколько рабочих мест для осуществления процессов сварки, наплавки, гибридной обработки. Все установки на этом участке отечественного производства и оснащены преимущественно волоконными лазерами. Нами был разработан и изготовлен по заказу Правительства Москвы роботизированный лазерный многофункциональный комплекс. Основа его ‒ робот фирмы АВВ грузоподъемностью 16 кг. Лазерный источник – волоконный лазер мощностью 4,0 кВт. В комплексе применяются оптические головки фирмы Precitec для сварки, резки и наплавки. Сотрудники МЦЛТ прошли обучение на фирме АВВ по управлению роботами и на фирме Precitec по ремонту, эксплуатации и сборке оптических технологических головок, соответствующие сертификаты подтверждают их квалификацию. На созданном комплексе выполняются заказы по обработке деталей сложной формы. Простой сменой оптических головок на одном технологическом комплексе можно производить и сварку, и резку, и наплавку.
Для сварки материалов больших толщин, от 10 до 40 мм создан механизированный стенд, он оснащен волоконным лазером мощностью 15 кВт, силовой оптической головкой и специальным механизмом перемещения с усиленной системой защиты от окисления. В направлении разработок лазерных сварочных технологий в центре ведутся как технологические, так и научные работы по исследованию взаимодействия мощного лазерного излучения с различными конструкционными материалами.
Для осуществления порошковой наплавки деталей создан специализированный комплекс, оснащенный одновременно двумя лазерными источниками – импульсным твердотельным лазером отечественного производства и непрерывным волоконным лазером. С помощью этого комплекса выполняются работы по восстановлению изношенных деталей, в том числе и с минимальными дефектами. Отработаны технологии восстановления штампов, валов, шестерен, элементов приводов и других деталей различными составами наплавляемых порошков. В основном используется технология с коаксиальной подачей порошка, для чего разработаны специальные сопла и насадки. В области лазерной наплавки мы обладаем большим заделом благодаря результатам широкого круга проведенных исследовательских работ. В частности, разработаны составы функциональных покрытий и технологические режимы их получения, они обеспечивают высокие значения износостойкости, коррозионной стойкости и жаростойкости. Для изделий Балтийского завода изготовлены элементы запорной арматуры с поверхностями трения, полученные лазерной наплавкой. Разработана технология повышения износостойкости поверхностей алюминиевых сплавов, путем в внедрения в нее частиц SiC. Такие покрытия повышают износостойкость алюминиевых трущихся поверхностей в 6–10 раз.
Для отработки технологий гибридной лазерно–дуговой сварки создан комплекс, в котором применен волоконный лазер мощностью 5 кВт совместно с источником дуговой сварки плавящимся электродом фирмы Fronius. На данном комплексе выполнен ряд работ по гибридной сварке алюминиевых авиационных сплавов и высокопрочных сталей.
Совместно с немецкой фирмой LIMO, которая предоставила новую конструкцию своего лазера, проводятся работы по технологическому применению диодных лазеров для термической обработки, сварки и наплавки.
Участок маломощных лазеров оснащен отечественной лазерной установкой для сварки и резки производства ОКБ Булат (г. Зеленоград). На этой установке выполняются многочисленные заказы предприятий по сварке и резке материалов малых толщин от 0,1 до 2,0 мм из различных материалов.
Значительный объем работ приходится на маркировку деталей из металлов и пластмасс. Эти работы выполняются на лазерном маркере собственного производства, оснащенном твердотельным лазером. Также для маркировки используется плоттерная лазерная установка с газовым лазером. Маркировка так же, как и резка, является хорошо отработанным технологическим процессом и пользуется широким спросом у потребителей.
Маломощные лазерные установки также используются для очистки поверхностей от загрязнений и окисных пленок. В частности, лазерная очистка применяется для подготовки алюминиевых сплавов под сварку взамен химического фрезерования и механической зачистки.
Инновационные разработки проводятся на оптическом участке. Здесь разрабатываются конструкции новых мощных лазеров с высоким качеством излучения и мощностью генерации до 1 кВт для технологических целей. Также, совместно с ООО "ЦКСПА" – официальным представителем в России компаний Precitec и Scansonic, создан участок для ремонта и сборки лазерных оптических головок для сварки, резки и наплавки. Сертифицированные специалисты МЦЛТ оказывают услуги по ремонту оптических головок.
Конструкторы и технологи МЦЛТ создают новые лазерные комплексы. В рамках государственного контракта с Минпромторгом РФ совместно с ОАО "ЦТСС" выполнены работы по конструированию и изготовлению роботизированного лазерного комплекса для резки и сварки судовых конструкций больших габаритов. Особенностью комплекса является возможность перемещения по направляющим робота вдоль крупногабаритных сварных панелей, из которых собирается судно. Комплекс оснащен лазером мощностью 20 кВт и способен резать и сваривать материалы толщиной до 20 мм. Кроме этого, возможно осуществлять гибридную лазерно-дуговую сварку. Комплекс внедрен на предприятии судостроительной промышленности в Санкт-Петербурге.
Одним из основных направлений деятельности МЦЛТ являются аддитивные технологии, которыми коллектив начал заниматься в 1996 году с технологии лазерной стереолитографии. На предприятии был разработан и изготовлен комплекс получения металлических деталей по стереолитографическим моделям. Совместно с ИПЛИТ РАН создана стереолитографическая установка нового типа, в которой применен твердотельный лазер с длиной волны 0,573 мкм, в отличие от традиционных ультрафиолетовых лазеров. Для такого излучения мы разработали специальную фотополимеризующуюся композицию, которая изготавливалась из отечественных компонентов и по стоимости была значительно дешевле зарубежных. Это позволило получать модели с меньшей шероховатостью и повышенной точностью. Также в установке применен плоттерный механизм перемещения луча, что позволяло увеличить габариты изготавливаемых деталей.
На данном комплексе компьютерную модель создаваемой детали получают методом бесконтактного формометрирования, для этой цели специалистами МГТУ им. Н. Э. Баумана создана специальная установка, позволяющая копировать объект с точностью до 0,05 мм, а для превращения пластиковых моделей в металлические детали мы разработали технологию литья по стереолитографическим моделям. Все элементы комплекса обладают новизной, и на них получены соответствующие патенты.
В начале XXI века получили распространение аддитивные технологии выращивания деталей из металлических порошков. Мы развиваем две основных технологии – это коаксиальное лазерное плавление (КЛП) и селективное лазерное плавление (СЛП).
Наибольшие результаты достигнуты в области КЛП. В качестве научных основ этого процесса исследованы газодинамические потоки порошков и газов при вылете из сопла, а также их взаимодействие с подложкой. На этой основе созданы оптимальные конструкции сопел и выбраны научнообоснованные технологические режимы выращивания деталей.
Также проводится глубокий анализ порошков, применяемых для наплавки, их металлургические и технологические свойства, особенности кристаллизации и склонности к трещинообразованию. Изучаются возможности создания деталей из композиционных материалов. Среди композиционных материалов для авиационной промышленности следует особо отметить весьма перспективные карбидостали. Это новые композиционные материалы, состоящие из легированной стали и карбидов с массовой долей последних от единиц до нескольких десятков процентов. По свойствам они занимают промежуточное положение между высоколегированными сталями и твердыми сплавами.
Примером такого композита является сталь с добавлением карбида титана. Получить такой композит литейной технологией невозможно, так как титан не смешивается со сталью. Традиционно композиционные материалы данного типа получают методом порошковой металлургии. Однако при этом существует ряд технологических ограничений как по составу материала, так и по форме образца. Нами были получены детали из этого материала КЛП-технологией. Как показали металлографические исследования и механические испытания, материал имеет изотропные свойства, пределы текучести и прочности находятся на уровне литого материала. Полученный композиционный материал, не уступающий по показателям поверхностной твердости, но имеющий сниженную массу на 1–20%, перспективен в качестве замены традиционной стали 14XН3MA для деталей специального назначения, работающих в условиях интенсивного износа при повышенных температурах.
Для реализации технологии КЛП впервые в отечественной практике разработан, изготовлен и введен в эксплуатацию комплекс прямого выращивания деталей из порошковых материалов методом послойной лазерной наплавки. Эта работа выполнена по заказу Минпромторга РФ в рамках соответствующего контракта. Комплекс оснащен лазером со средней выходной мощностью 3 кВт. Размер пятна в процессе обработки может изменяться от 150 до 4000 мкм. Комплекс имеет механизмы вращения и перемещения, позволяющие выращивать детали в любом пространственном положении. Размер выращиваемых деталей 400×400×400 мм, максимальный вес до 500 кг. Скорость перемещения по осям до 40,0 м/мин. Для постоянного контроля параметров процесса комплекс оснащен датчиками слежения и системами обратной связи, благодаря чему достигается высокая точность и воспроизводимость операции. Для управления комплексом и подготовки технологического процесса создано специальное программное обеспечение.
Проводятся исследования и разработка оборудования по селективному лазерному плавлению. В данном направлении ставится задача разработки и изготовления промышленного образца отечественной установки для осуществления этого процесса. В проекте предусмотрено использование двух типов лазеров с различными значениями мощности и диаметра пятна, а также использование оптимальных для конкретных материалов длин волн. Предусмотрена встроенная печь для последующей термообработки. Установка будет оснащена бесконтактными методами контроля процесса с обратной связью для стабилизации параметров выращивания. В настоящее время создан исследовательский стенд, на котором отрабатываются технологические процессы и проверяются оригинальные элементы нового оборудования.
Наряду с традиционными технологическими процессами в области машиностроения ведутся работы по применению лазерного излучения и в других областях. Используя находящуюся в нашем распоряжении, уникальную установку лазерного осаждения материалов, мы проводим исследования в области нанотехнологий. В частности, у нас разработана технология импульсного лазерного осаждения микроразмерных структур с целью получения специальных пленок при изготовлении термоэлектрических элементов нового поколения.
Использованием лазерной установки с перестраиваемой длиной волны создаются технологии обработки тонких пленок для электронной промышленности. Эти работы ведутся совместно с НПО "Исток" (г. Фрязино).
Выполнен комплекс работ в области лазерной нефелометрии. Этот метод позволяет анализировать различные жидкие среды на предмет их химического состава, наличия примесей, изменения свойств под воздействием температуры и другие процессы. По заказу Департамента науки и промышленной политики Правительства Москвы был разработан новый метод лазерного фазового анализа жидких сред, в частности нефтепродуктов. Метод основан на анализе отраженного лазерного излучения, прошедшего через контролируемую среду. Особенностью метода является оценка помутнения продукта в процессе охлаждения, вплоть до замерзания. На основании этих исследований создан прибор и методики экспресс-контроля жидких нефтепродуктов. С помощью этого прибора можно определить по небольшому количеству контролируемого вещества (3–5 г) за 5–7 минут наличие в нем воды, механических примесей и соответствие химическому составу. Прибор полностью автоматизирован и выдает обработанную информацию на экран компьютера. На конструкцию данного прибора и методику анализа получен патент.
Метод лазерной нефелометрии также был использован при создании прибора для экспресс-контроля качества молочных продуктов. Этот прибор позволяет с высокой точностью оперативно определять жирность молока и содержание в нем белка. Прибор также был создан по заданию Правительства Москвы.
Необходимо отметить, что работой МЦЛТ активно интересуются многие предприятия различных отраслей – транспортное машиностроение, авиа- и судостроение, атомная промышленность и т. д. За прошедшие годы его посетили руководители и специалисты более 150 предприятий и ведомств.
Таким образом, использование научно-технических кадров, подготовленных на кафедре "Лазерные технологии в машиностроении" МГТУ им.Н. Э. Баумана, и использование научного потенциала в виде интеллектуального багажа – патентов, монографий и научных статей позволило малому инновационному предприятию ООО "Московский центр лазерных технологий" в короткое время стать эффективно развивающимся, быть полезным и востребованным промышленностью.
Отзывы читателей
