L'écart d'absorption dans les revêtements modernes

Dans le domaine du dépôt d'énergie dirigé (DED) et du revêtement laser, l'industrie s'est heurtée à un obstacle en matière de matériaux. Alors que les sources infrarouges (IR) standard traitent sans difficulté l'acier et le titane, la forte augmentation de la demande en alliages de cuivre et d'or, stimulée par les marchés des véhicules électriques et des échangeurs de chaleur pour l'aérospatiale, a mis en évidence les limites des sources traditionnelles de 1064 nm.

La physique est impitoyable. À 1 µm (infrarouge), les métaux hautement réfléchissants comme le cuivre absorbent moins de 51 TP3T de l'énergie incidente à température ambiante. Pour compenser, les opérateurs augmentent dangereusement la puissance de leurs module laser à diode, ce qui entraîne une turbulence excessive du bain de fusion et des “ projections ”. La solution qui s'impose en 2024 et 2025 ne consiste pas seulement à augmenter la puissance, mais aussi à modifier fondamentalement la longueur d'onde : le Bleu Diode laser couplée à fibre optique.

L'avantage de la longueur d'onde : bleu contre infrarouge

Pour les ingénieurs à la recherche d'un module laser à fibre optique, il est essentiel de comprendre la courbe du coefficient d'absorption.

$$A(\lambda) = 1 – R(\lambda)$$

Où $A$ correspond à l'absorption et $R$ à la réflectivité.

• IR (1064 nm) sur cuivre : $\environ 5\%$ Absorption.
• Bleu (450 nm) sur cuivre : $\environ 65\%$ Absorption.

En utilisant un bleu haute puissance laser à fibre optique diode, les fabricants peuvent initier le bain de fusion avec une fraction de la densité énergétique requise par les systèmes IR. Il en résulte une soudure stable, limitée par conduction, plutôt qu'un mode chaotique en trou de serrure.

Étude de cas : la percée technologique de Cincinnati Turbine

Lieu : Cincinnati, Ohio, États-Unis

Entreprise : AeroBlade Dynamics (prestataire de services MRO pour moteurs aéronautiques)

Date : janvier 2024 – août 2024

Objet : Sarah Jenkins, responsable ingénierie, et le défi “ Inconel-cuivre ”

Aérodynamique AeroBlade est spécialisée dans la réparation d'aubes de turbines haute pression. En 2023, elle a obtenu un contrat pour réparer des chambres de combustion de moteurs de fusée fabriquées à partir d'un alliage exclusif de cuivre, de chrome et de niobium.

Le problème :

Leur fibre IR 4 kW existante système de module laser échouait. Pour faire fondre le cuivre, ils devaient faire fonctionner le laser à une capacité de 90%. Cette intensité élevée provoquait la vaporisation explosive de la poudre de cuivre avant qu'elle ne se dépose, ce qui entraînait un taux de porosité de 8% dans les couches de revêtement, ce qui était inacceptable pour le matériel de vol aérospatial.

La solution :

Sarah Jenkins a dirigé l'intégration d'un système hybride. Module laser à diode système. Cette configuration personnalisée combinait :

1. Bleu 2 kW (450 nm) couplé par fibre optique diode laser (pour humidifier la surface).
2. Une diode IR (976 nm) de 2 kW (pour assurer un chauffage en profondeur).

La mise en œuvre :

Les faisceaux ont été combinés en une seule fibre de transmission de 600 µm. La lumière bleue s'est couplée efficacement à la surface en cuivre, créant instantanément un bain de fusion. L'énergie infrarouge a ensuite maintenu le bain, permettant un dépôt à grande vitesse.

Le résultat (vérifié en août 2024) :

1. Porosité : Réduit de 8% à <0,1% (pièces entièrement denses).
2. Vitesse : La vitesse de revêtement a augmenté de 300% (de 0,4 m/min à 1,2 m/min).
3. Efficacité : La consommation électrique totale a diminué de 401 TP3T, car le processus reposait sur l'efficacité de l'absorption plutôt que sur la force brute.

“ C'est comme passer d'un marteau à un scalpel ”, a déclaré Jenkins dans un livre blanc présenté lors du salon RAPID + TCT. “ La diode bleue préchauffe le chemin optique, ouvrant la voie à l'énergie infrarouge. Nous ne luttons plus contre la réflectivité. ”

Intégration de modules pour systèmes hybrides

La construction d'un système DED hybride nécessite des compétences sophistiquées. module laser à diode sélection. Vous ne pouvez pas simplement raccorder des fibres entre elles.

1. Architectures de combinaison de faisceaux

Pour mélanger des longueurs d'onde (par exemple, 450 nm + 976 nm), vous avez besoin d'un combineur de faisceaux dichroïque à l'intérieur du boîtier du module.

• Efficacité de transmission : Les modules de haute qualité atteignent un rendement supérieur à 98% au niveau du combinateur optique.
• Refroidissement : Le combineur lui-même absorbe la lumière parasite et nécessite un refroidissement actif. Si le module laser à fibre optique En l'absence de surveillance interne de la température du combineur, le décalage thermique désalignera les faisceaux.

2. Diamètre du cœur de fibre et densité du faisceau

Pour le revêtement, la “ luminosité ” (puissance par unité de surface/angle solide) est moins importante que pour la découpe, mais l'uniformité est essentielle.

$$ Densité de puissance (E) = \frac{P}{\pi \cdot r^2}$$

Couplé par fibre optique diode laser avec un cœur fibreux rectangulaire ou carré (fibre à cœur carré) est de plus en plus privilégié pour le revêtement. Un faisceau circulaire chevauche excessivement le centre lors du balayage tramé, provoquant une accumulation de chaleur. Un faisceau carré fournit un “ tapis ” de chaleur parfaitement uniforme, réduisant ainsi les contraintes résiduelles dans la pièce imprimée.

3. Isolation par réflexion arrière

Lors du traitement du cuivre à haute puissance, la réflexion arrière est intense. Le module laser à diode doivent être équipées de revêtements spécifiques sur les lentilles de collimation afin d'empêcher la lumière de 450 nm de revenir vers les émetteurs de 976 nm, et vice versa. Les revêtements antireflets (AR) standard sont insuffisants ; des revêtements double bande personnalisés sont obligatoires.

Conclusion

L'avenir de la fabrication additive métallique réside dans la polyvalence des matériaux. L'approche “ un laser pour tout ” est désormais obsolète. En adoptant des longueurs d'onde spécifiques diode laser couplée à fibre optique technologie, en particulier les systèmes hybrides bleu/IR, les fabricants peuvent traiter les métaux réfléchissants aussi facilement que l'acier. Pour les ateliers de maintenance, réparation et révision (MRO) comme Aérodynamique AeroBlade, Il ne s'agit pas seulement d'une question de qualité, mais aussi de débloquer de toutes nouvelles sources de revenus dans les secteurs de l'espace et des véhicules électriques.

Votre moteur optique est-il optimisé pour les matériaux de demain, ou êtes-vous toujours confronté à des problèmes de réflectivité ?