Banbrytande teknologi lyfter lasersvetsning och 3D-printning till nya nivåer
Yongcui Mi har utvecklat banbrytande teknologi som gör det möjligt att i realtid forma och styra laserstrålen vid lasersvetsning och laserbaserad additiv tillverkning i metall. Innovationen bygger på samma spegelteknik som finns i avancerade teleskop för astronomi.
Inom några år kan ny teknologi skapa effektivare och mer tillförlitliga sätt att använda högeffektlaser vid svetsning och additiv tillverkning med tråd (även kallat 3D-printning). Tillverkningsindustrin får nya möjligheter att bygga mer robusta processer som uppfyller höga kvalitetskrav.
– Vi är först med att använda formbar spegelteknik för den här applikationen. Spegeloptiken klarar lasereffekter på flera kilowatt och med hjälp av datorseendeteknik och AI går det att forma laserstrålen i realtid så att den anpassas till variationer i stumfogar, förklarar Yongcui, ny doktor i produktionsteknik, Högskolan Väst.
Industrin har idag stora utmaningar när det gäller svetsning med högeffektlaser utan tillsatstråd. Det uppstår ofta defekter i fogarna eftersom fogspaltens bredd kan variera.
Dynamisk laserstrålformning
– För att få en stark och felfri fog krävs att laserstrålens form anpassar sig efter de olika bredder som uppstår längs en svetsfog. Med hjälp av den här teknologin kan man under svetsprocessen forma strålens form så att den överbryggar fogspalter på upp till 0,6 millimeter vid svetsning av stålplåtar som är 2 millimeter tjocka.
– Laserstrålens form kan växla inom 10 millisekunder och med olika ellipsformade laserstrålar kan vi också få högre kvalitet på svetsfogen än med vanlig cirkulär statisk laserstråle. Våra tester visar att det går att minska mängden deformationer i arbetsstycket med upp till 80 procent.
Yongcui har även testat den nya teknologin för laserbaserad additiv tillverkning med tråd. Även här kan dynamisk laserstrålformning skapa effektivare och mer tillförlitliga processer för högeffektlaser.
Spar tid och pengar
– Resultaten från min forskning visar att det finns stor potential för dynamisk laserstrålformning både vid lasersvetsning och laserbaserad additiv tillverkning. Med den här teknologin blir processen mer flexibel och når högre kvalitet. Dessutom minskas materialspillet och energiåtgången väsentligt, vilket spar tid och pengar.
Den formbara spegeln har tagits fram i nära samarbete med Dynamic Optics – ett italienskt företag som främst tillverkar spegeloptik till avancerade teleskop för astronomer. Spegeltekniken utvecklades på 1950-talet av italienska Padua universitet och bidrog till att teleskop ger mer exakt återgivning av stjärnor, planeter och andra himlakroppar.
Skräddarsydda speglar
– Spegeln för vårt projekt har anpassats för vår specifika applikation. Att integrera, felsöka och validera en prototyp för den här banbrytande teknologin var nog den mest utmanande och tidskrävande delen av forskningen.
Vårt arbete med att utveckla rätt design och material för högeffektlaser har nog varit den mest utmanande och tidskrävande delen av forskningsarbetet.
Yongcui har även samarbetat med högskolans industripartner GKN Aerospace, Brogren Industries och Procada. Intresset för teknologin är stort bland industrier som arbetar med högeffektlaser, exempelvis tillverkare av framtidens flygmotorer, elektrifierade fordon och andra industriellt utmanande tillämpningar.
– Nu krävs ytterligare forskning för att teknologin ska bli mogen för att implementera i skarp produktion inom några år. Jag hoppas kunna fortsätta min forskning och bidra med bredare och djupare kunskaper inom området.
——————————–
Ta del av Yongcui Mis avhandling ”Dynamic beam shaping with a deformable mirror for control of high power laser processes”
Kontakt: Yongcui Mi, doktor i produktionsteknik, Högskolan Väst