فجوة الامتصاص في الكسوة الحديثة

في مجال الترسيب الموجه للطاقة (DED) والطلاء بالليزر، واجهت الصناعة عقبة في مجال المواد. في حين أن مصادر الأشعة تحت الحمراء (IR) القياسية تتعامل مع الفولاذ والتيتانيوم بسهولة، فإن الطلب المتزايد على سبائك النحاس والذهب - المدفوع بأسواق السيارات الكهربائية والمبادلات الحرارية الفضائية - كشف عن محدودية مصادر 1064 نانومتر التقليدية.

الفيزياء لا ترحم. عند 1 ميكرومتر (الأشعة تحت الحمراء)، تمتص المعادن عالية الانعكاس مثل النحاس أقل من 5% من الطاقة الساقطة في درجة حرارة الغرفة. للتعويض عن ذلك، يقوم المشغلون بزيادة الطاقة بشكل خطير على أجهزتهم. وحدة ليزر ديود, ، مما يؤدي إلى اضطراب مفرط في بركة الصهر و“تناثر”. الحل الذي يكتسب زخماً في عامي 2024 و2025 لا يقتصر على زيادة الطاقة فحسب، بل يشمل تغييراً جذرياً في الطول الموجي: أزرق ديود ليزر مقترن بالألياف.

ميزة الطول الموجي: الأزرق مقابل الأشعة تحت الحمراء

للمهندسين الذين يبحثون عن وحدة ليزر الليفي, ، فإن فهم منحنى معامل الامتصاص أمر بالغ الأهمية.

$$A(\lambda) = 1 – R(\lambda)$$

حيث $A$ هو الامتصاص و $R$ هو الانعكاسية.

• الأشعة تحت الحمراء (1064 نانومتر) على النحاس: $\حوالي 5\%$ الامتصاص.
• الأزرق (450 نانومتر) على النحاس: $\حوالي 65\%$ الامتصاص.

باستخدام ضوء أزرق عالي الطاقة ديود ليزر مقترن بالألياف, ، يمكن للمصنعين بدء عملية صهر المسبك باستخدام جزء بسيط من كثافة الطاقة التي تتطلبها أنظمة الأشعة تحت الحمراء. وينتج عن ذلك لحام مستقر ومحدود التوصيل بدلاً من وضع ثقب المفتاح الفوضوي.

دراسة حالة: اختراق توربينات سينسيناتي

الموقع: سينسيناتي، أوهايو، الولايات المتحدة الأمريكية

الشركة: AeroBlade Dynamics (مزود خدمات الصيانة والإصلاح والعمرة لمحركات الطيران)

التاريخ: يناير 2024 – أغسطس 2024

الموضوع: سارة جينكينز، رئيسة قسم الهندسة، والتحدي المتمثل في “الإنكونيل والنحاس”

ديناميكيات AeroBlade متخصصة في إصلاح شفرات التوربينات عالية الضغط. في عام 2023، حصلت على عقد لإصلاح غرف احتراق محركات الصواريخ المصنوعة من سبيكة نحاس-كروم-نيوبيوم خاصة بها.

المشكلة:

ألياف IR الحالية بقدرة 4 كيلوواط نظام وحدة الليزر كان الفشل حتمياً. لإذابة النحاس، كان عليهم تشغيل الليزر بقدرة 90%. تسببت هذه الكثافة العالية في تبخر مسحوق النحاس بشكل متفجر قبل أن يستقر، مما أدى إلى معدل مسامية 8% في طبقات التكسية — وهو أمر غير مقبول بالنسبة لمعدات الطيران الفضائي.

الحل:

قادت سارة جنكينز عملية دمج نظام وحدة ليزر الصمام الثنائي الهجين. جمع هذا الإعداد المخصص بين

1. 2 كيلوواط أزرق (450 نانومتر) مقترن بالألياف ديود ليزر (لترطيب السطح).
2. ديود IR (976 نانومتر) بقوة 2 كيلوواط (لتوفير تسخين عميق وكثيف).

التنفيذ:

تم دمج الحزم في ألياف توصيل واحدة بقطر 600 ميكرومتر. تم توصيل الضوء الأزرق بكفاءة إلى سطح النحاس، مما أدى إلى تكوين بركة منصهرة على الفور. ثم حافظت طاقة الأشعة تحت الحمراء على البركة، مما سمح بترسيب عالي السرعة.

النتيجة (تم التحقق منها في أغسطس 2024):

1. المسامية: انخفض من 8% إلى <0.1% (الأجزاء الكثيفة بالكامل).
2. السرعة: زادت سرعة التكسية بمقدار 300% (من 0.4 م/دقيقة إلى 1.2 م/دقيقة).
3. الكفاءة: انخفض إجمالي استهلاك الطاقة الكهربائية بمقدار 40% لأن العملية اعتمدت على كفاءة الامتصاص بدلاً من القوة الخام.

“إنه مثل التحول من مطرقة ثقيلة إلى مشرط جراحي”، كما ذكر جينكينز في تقرير رسمي قدمه في مؤتمر RAPID + TCT. “يقوم الصمام الثنائي الأزرق بتسخين المسار البصري مسبقًا، مما يمهد الطريق للطاقة تحت الحمراء. لم نعد نكافح الانعكاسية بعد الآن.”

دمج الوحدات النمطية للأنظمة الهجينة

يتطلب بناء نظام DED هجين تقنية متطورة وحدة ليزر ديود الاختيار. لا يمكنك ببساطة ربط الألياف معًا.

1. هياكل دمج الحزم

لخلط الأطوال الموجية (على سبيل المثال، 450 نانومتر + 976 نانومتر)، تحتاج إلى مدمج شعاع ثنائي اللون داخل غلاف الوحدة.

• كفاءة النقل: تحقق الوحدات عالية الجودة كفاءة تزيد عن 98% في البصريات المجمعة.
• التبريد: المُدمج نفسه يمتص الضوء الشارد ويتطلب تبريدًا نشطًا. إذا كان وحدة ليزر الليفي يفتقر إلى المراقبة الداخلية لدرجة حرارة المُدمج، وسيؤدي التغير الحراري إلى اختلال محاذاة الحزم.

2. قطر قلب الألياف وكثافة الحزمة

بالنسبة للكسوة، فإن “السطوع” (الطاقة لكل وحدة مساحة/زاوية صلبة) أقل أهمية من القطع، ولكن التوحيد هو المفتاح.

$$كثافة الطاقة (E) = \frac{P}{\pi \cdot r^2}$$

ألياف مقترنة ديود ليزر مع قلب ليفي مستطيل أو مربع (ليف ذو قلب مربع) يفضل بشكل متزايد للتكسية. يتداخل الشعاع الدائري بشكل مفرط في المركز أثناء المسح النقطي، مما يتسبب في تراكم الحرارة. يوفر الشعاع المربع “سجادة” حرارية متجانسة تمامًا، مما يقلل من الإجهاد المتبقي في الجزء المطبوع.

3. عزل الانعكاس الخلفي

عند معالجة النحاس بطاقة عالية، يكون الانعكاس الخلفي شديدًا. وحدة ليزر ديود يجب أن تكون مزودة بطبقات طلاء خاصة على العدسات الموازية لصد الضوء 450 نانومتر من العودة إلى بواعث 976 نانومتر، والعكس صحيح. طبقات الطلاء المضادة للانعكاس (AR) القياسية غير كافية؛ طبقات الطلاء المزدوجة المخصصة إلزامية.

الخلاصة

يكمن مستقبل التصنيع الإضافي للمعادن في تنوع المواد. فقد أصبح نهج “ليزر واحد يناسب الجميع” قديمًا. من خلال اعتماد طول موجي محدد ديود ليزر مقترن بالألياف التكنولوجيا — وتحديدًا الأنظمة الهجينة الزرقاء/الأشعة تحت الحمراء — يمكن للمصنعين معالجة المعادن العاكسة بنفس سهولة معالجة الفولاذ. بالنسبة لمتاجر الصيانة والإصلاح والعمرة مثل ديناميكيات AeroBlade, ، لا يتعلق الأمر بالجودة فحسب، بل يتعلق بفتح مصادر دخل جديدة تمامًا في قطاعي الفضاء والسيارات الكهربائية.

هل محركك البصري مُحسّن لمواد المستقبل، أم أنك لا تزال تواجه مشكلة الانعكاسية؟