Die Absorptionslücke in modernen Verkleidungen

Im Bereich der gerichteten Energieabscheidung (DED) und des Laserauftragschweißens ist die Industrie an eine Materialgrenze gestoßen. Während Standard-Infrarotquellen (IR) Stahl und Titan mühelos verarbeiten können, hat der Anstieg der Nachfrage nach Kupfer- und Goldlegierungen – angetrieben durch den Markt für Elektrofahrzeuge und Wärmetauscher in der Luft- und Raumfahrt – die Grenzen herkömmlicher 1064-nm-Quellen aufgezeigt.

Die Physik ist unerbittlich. Bei 1 µm (Infrarot) absorbieren stark reflektierende Metalle wie Kupfer bei Raumtemperatur weniger als 51 TP3T der einfallenden Energie. Um dies auszugleichen, erhöhen die Bediener gefährlicherweise die Leistung ihrer Geräte. Diodenlasermodul, was zu übermäßiger Turbulenz im Schmelzbad und zu “Spritzern” führt. Die Lösung, die sich 2024 und 2025 durchsetzen wird, ist nicht nur mehr Leistung, sondern eine grundlegende Veränderung der Wellenlänge: die Blau Fasergekoppelte Laserdiode.

Der Vorteil der Wellenlänge: Blau vs. Infrarot

Für Ingenieure, die eine Faserlasermodul, ist es entscheidend, die Absorptionskoeffizienten-Kurve zu verstehen.

$$A(\lambda) = 1 – R(\lambda)$$

Wobei $A$ die Absorption und $R$ die Reflektivität ist.

• IR (1064 nm) auf Kupfer: $\ca. 5\%$ Absorption.
• Blau (450 nm) auf Kupfer: $\ca. 65\%$ Absorption.

Durch die Verwendung einer leistungsstarken blauen fasergekoppelter Laser Diode, Hersteller können den Schmelzbad mit einem Bruchteil der von IR-Systemen benötigten Energiedichte initiieren. Dies führt zu einer stabilen, leitungsbegrenzten Schweißnaht anstelle eines chaotischen Schlüssellochmodus.

Fallstudie: Der Durchbruch der Cincinnati-Turbine

Standort: Cincinnati, Ohio, USA

Unternehmen: AeroBlade Dynamics (MRO-Dienstleister für Flugzeugtriebwerke)

Datum: Januar 2024 – August 2024

Betreff: Technische Leiterin Sarah Jenkins und die Herausforderung “Inconel-Kupfer”

AeroBlade-Dynamik ist auf die Reparatur von Hochdruckturbinenschaufeln spezialisiert. Im Jahr 2023 erhielten sie einen Auftrag zur Reparatur von Raketentriebwerksbrennkammern aus einer proprietären Kupfer-Chrom-Niob-Legierung.

Das Problem:

Ihre vorhandene 4-kW-IR-Faser Lasermodulsystem versagte. Um das Kupfer zu schmelzen, mussten sie den Laser mit einer Leistung von 901 TP3T betreiben. Diese hohe Intensität führte dazu, dass das Kupferpulver vor dem Absetzen explosionsartig verdampfte, was zu einer Porositätsrate von 81 TP3T in den Beschichtungsschichten führte – was für Fluggeräte in der Luft- und Raumfahrt inakzeptabel ist.

Die Lösung:

Sarah Jenkins leitete die Integration eines Hybridsystems. Diodenlasermodul System. Diese benutzerdefinierte Konfiguration kombinierte:

1. Ein 2 kW Blau (450 nm) fasergekoppelt Laserdiode (um die Oberfläche zu befeuchten).
2. Eine 2-kW-IR-Diode (976 nm) (zur Erzeugung einer tiefen Volumenerwärmung).

Die Umsetzung:

Die Strahlen wurden zu einer einzigen 600-µm-Faser gebündelt. Das blaue Licht wurde effizient in die Kupferoberfläche eingekoppelt und erzeugte sofort ein Schmelzbad. Die IR-Energie hielt das Bad dann aufrecht und ermöglichte so eine schnelle Abscheidung.

Das Ergebnis (verifiziert im August 2024):

1. Porosität: Reduziert von 8% auf <0,1% (vollständig dichte Teile).
2. Geschwindigkeit: Die Beschichtungsgeschwindigkeit stieg um 300% (von 0,4 m/min auf 1,2 m/min).
3. Effizienz: Der gesamte Stromverbrauch sank um 40%, da der Prozess auf Absorptionseffizienz statt auf roher Gewalt basierte.

“Es ist, als würde man von einem Vorschlaghammer zu einem Skalpell wechseln”, berichtete Jenkins in einem Whitepaper, das auf der RAPID + TCT vorgestellt wurde. “Die blaue Diode heizt den Strahlengang vor und ebnet so den Weg für die Infrarotenergie. Wir kämpfen nicht mehr gegen die Reflektivität.”

Integration von Modulen für Hybridsysteme

Der Aufbau eines hybriden DED-Systems erfordert ausgefeilte Diodenlasermodul Auswahl. Man kann Fasern nicht einfach miteinander verbinden.

1. Architekturen zur Strahlkombination

Um Wellenlängen zu mischen (z. B. 450 nm + 976 nm), benötigen Sie einen dichroitischen Strahlkombinator im Modulgehäuse.

• Übertragungseffizienz: Hochwertige Module erreichen einen Wirkungsgrad von >98% an der Kombinatoroptik.
• Kühlung: Der Kombinator selbst absorbiert Streulicht und erfordert eine aktive Kühlung. Wenn der Faserlasermodul Da keine interne Überwachung der Temperatur des Kombinators vorhanden ist, führt eine thermische Verschiebung zu einer Fehlausrichtung der Strahlen.

2. Faserkern-Durchmesser und Strahldichte

Bei der Beschichtung ist die “Helligkeit” (Leistung pro Flächeneinheit/Raumwinkel) weniger entscheidend als beim Schneiden, aber die Gleichmäßigkeit ist von entscheidender Bedeutung.

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

Eine fasergekoppelte Laserdiode mit einem rechteckigen oder quadratischen Faserkern (Square Core Fiber) wird zunehmend für die Ummantelung bevorzugt. Ein kreisförmiger Strahl überlappt während des Rasterscans übermäßig in der Mitte, was zu einer Wärmeentwicklung führt. Ein quadratischer Strahl sorgt für eine perfekt gleichmäßige Wärmeverteilung und reduziert so die Restspannung im gedruckten Teil.

3. Rückreflexionsisolation

Bei der Bearbeitung von Kupfer mit hoher Leistung ist die Rückreflexion intensiv. Die Diodenlasermodul müssen mit speziellen Beschichtungen auf den Kollimatorlinsen ausgestattet sein, um zu verhindern, dass 450-nm-Licht in die 976-nm-Strahler zurückkehrt und umgekehrt. Standard-Antireflexbeschichtungen (AR) sind unzureichend; maßgeschneiderte Dualband-Beschichtungen sind zwingend erforderlich.

Schlussfolgerung

Die Zukunft der additiven Fertigung mit Metallen liegt in der Vielseitigkeit der Materialien. Der Ansatz “ein Laser für alle” ist überholt. Durch die Verwendung wellenlängenspezifischer fasergekoppelte Laserdiode Technologie – insbesondere hybride Blau-/IR-Systeme – können Hersteller reflektierende Metalle genauso einfach wie Stahl bearbeiten. Für MRO-Werkstätten wie AeroBlade-Dynamik, Hier geht es nicht nur um Qualität, sondern darum, völlig neue Einnahmequellen im Weltraum- und EV-Sektor zu erschließen.

Ist Ihre optische Engine für die Materialien von morgen optimiert oder kämpfen Sie immer noch mit Reflektivität?