Kształtowanie laserowe wspomagane mechanicznie – alternatywa dla obróbki plastycznej?

Obróbka plastyczna stanowi podstawową metodę kształtowania metali, pozwalającą na uzyskanie skomplikowanych kształtów przy jednoczesnym poprawieniu adekwatności mechanicznych materiału. Wysokie koszty i ograniczenia produkcji małoseryjnej skłaniają do poszukiwania alternatywnych rozwiązań. Jednym z nich jest innowacyjna technologia hybrydowego kształtowania laserowego wspomaganego mechanicznie, która pozwala na efektywne formowanie cienkościennych elementów rurowych.

Z artykułu dowiesz się:

• na czym polega tradycyjna obróbka plastyczna i jakie są jej zalety oraz ograniczenia,
• jak działa hybrydowe kształtowanie laserowe wspomagane mechanicznie,
• w jaki sposób przebiega proces gięcia i odkształcania obwodowego cienkościennych elementów rurowych.

Osiąganie zaprojektowanych kształtów produktów tradycyjnie odbywa się na drodze obróbki plastycznej. Materiałami, które kształtuje się poprzez obróbkę plastyczną, są głównie stopy metali żelaznych i nieżelaznych. Obróbka plastyczna to proces kształtowania materiałów poprzez trwałe odkształcenie pod wpływem działania sił zewnętrznych. Są one przykładane do obrabianego materiału za pośrednictwem odpowiednich maszyn (hydraulicznych, mechanicznych) zaopatrzonych we adekwatne narzędzia (stemple i matryce, segmenty do rur, ciągadła, walce, wyoblarki, kowadła i inne). Ponadto w trakcie procesu dochodzi do zmiany struktury krystalicznej materiału, co wpływa na zmianę adekwatności mechanicznych gotowego elementu. Często jest to zjawisko pożądane, ale w niektórych przypadkach należy stosować odpowiednią obróbkę, np. cieplną, aby uzyskać pożądane adekwatności mechaniczne gotowego wyrobu [1-5].

Charakterystyka obróbki plastycznej

Obróbka plastyczna zaliczana jest do technologii bezubytkowych. Technologie te nie generują odpadu lub odpad jest zredukowany do niezbędnego minimum. To standardowa, bardzo dobrze opanowana technologia wytwarzania, którą można podzielić na: walcowanie, kucie, tłoczenie, gięcie, ciągnienie i wyciskanie.

Zaletą obróbki plastycznej jest nie tylko możliwość uzyskania skomplikowanych kształtów elementu, ale także polepszenie adekwatności fizycznych i mechanicznych materiału, niskie koszty wyrobu przy produkcji wielkoseryjnej czy wspomniana już oszczędność materiału. Główną wadą technologii są natomiast wysokie koszty inwestycyjne związane z wytworzeniem i zakupem maszyn oraz oprzyrządowania.

Kształtowanie laserowe jako alternatywa

Ze względu na wysokie koszty inwestycji alternatywą dla obróbki plastycznej może być kształtowanie laserowe, szczególnie o ile chodzi o szybkie prototypowanie oraz w aplikacjach małoseryjnych i specjalnych.

Kształtowanie laserowe (ang. laser forming, laser shaping, laser bending) jest jedną z metod bezstykowego wywoływania naprężeń w materiale, prowadzących do powstania trwałych odkształceń plastycznych. Mechanizmem, który to umożliwia, jest zjawisko rozszerzalności cieplnej. Dzięki niemu można wywołać naprężenia cieplne wystarczające do uzyskania trwałych deformacji [6]. Metodę kształtowania laserowego bez udziału sił zewnętrznych nazywamy kształtowaniem laserowym swobodnym. Jest to metoda powolna, dlatego zaproponowano podejście hybrydowe. Hybrydowe kształtowanie laserowe wspomagane mechanicznie to rodzaj kształtowania laserowego, w którym dodatkowo przykładana jest zewnętrzna siła pozwalająca na przyspieszenie procesu formowania. Poniżej zostaną zaprezentowane dwa przykłady zastosowań tej technologii.

Kształtowanie elementów cienkościennych – gięcie

Rozważmy gięcie elementu cienkościennego (np. rury) na zadany kąt α oraz promień gięcia R.

Elementem wyjściowym będzie prostoliniowy odcinek rury o odpowiedniej długości. W przypadku gięcia mechanicznego przyłożone siły zewnętrzne wywołują znaczne naprężenia oraz plastyczne odkształcenia w rozległym obszarze kształtowanego detalu. Niezbędne jest przy tym zastosowanie narzędzi mechanicznych w celu odwzorowania wymaganego kształtu. Natomiast podczas gięcia laserowego deformacje ograniczają się do strefy znajdującej się w pobliżu toru wiązki laserowej, gdzie pod wpływem wysokiej temperatury lokalnie obniża się granica plastyczności materiału.

Metoda hybrydowa, łącząca oddziaływanie sił mechanicznych z nagrzewaniem laserowym, umożliwia stopniowe wywoływanie plastycznych odkształceń w ściśle określonych, lokalnych obszarach elementu. Koncepcja takiego podejścia zakłada, iż gięciu podlega tylko ta część detalu, która w danej chwili znajduje się pod działaniem wiązki. Laser nagrzewa wybrany obszar materiału do określonej temperatury, tym samym polepszając jego adekwatności plastyczne. Następnie, wskutek przyłożenia siły zewnętrznej F, następuje deformacja nagrzanej, uplastycznionej strefy. Reszta elementu, pozostająca w niższej temperaturze, nie ulega odkształceniu. W efekcie w każdej fazie procesu odkształcany jest jedynie wąski „pasek” materiału. Jego szerokość zależy od średnicy, mocy i prędkości przemieszczania się wiązki laserowej po powierzchni elementu. Schemat idei formowania zgodnie z tymi założeniami zilustrowano na rys. 1.

Technicznie koncepcja urządzenia i procesu przewiduje (rys. 2), iż element (1) przeznaczony do obróbki jest zainstalowany na sztywno pomiędzy siłownikiem pchającym (2) a ramieniem gnącym swobodnym (3). Głowica laserowa (4) nagrzewa element wiązką laserową w płaszczyźnie gięcia, na całym obwodzie elementu. Jednocześnie siłownik (2) oddziałuje na element (1) siłą F skierowaną w kierunku X. Na skutek polepszenia adekwatności plastycznych w miejscu nagrzewania laserem element ulega zgięciu na promień R, określony odległością osi rury od osi obrotu ramienia (3). Koncepcja ta zakłada, iż napędzany będzie wyłącznie siłownik (2), a ruch ramienia gnącego (3) będzie ruchem wynikowym (swobodne ramię gnące). Ponadto temperatura procesu jest kontrolowana (za pomocą pirometru) i stała.

Na podstawie zaprezentowanej koncepcji wykonano projekt techniczny manipulatora, którego schemat zaprezentowano na rys. 3. Natomiast koncepcyjny projekt urządzenia przedstawiono na rys. 4.

Na tak przygotowanym stanowisku zostały wykonane badania doświadczalne procesu gięcia cienkościennych elementów rurowych o średnicy 20 mm i grubości ścianki 1 mm. Promień gięcia ustalono na R ≈ 215 mm. Elementy wykonano ze stali kwasoodpornej X5CrNi18-10. Doświadczenie zostało wykonane na 5-osiowym laserowym centrum obróbczym Trumpf LaserCell 1005. Parametry pracy użytego lasera CO₂ TruFlow 6000 zaprezentowano w tab. 1. Aby uzyskać powtarzalną, wysoką absorpcyjność promieniowania laserowego, powierzchnię elementu pozostawiono w stanie surowym. Temperatura procesu była stała, kontrolowana pirometrem (moc lasera była dobierana w czasie rzeczywistym na podstawie wskazań pirometru). Rozkład pola temperatury w elemencie pokazano na rys. 5, natomiast na rys. 6 przedstawiono gotowe elementy po procesie kształtowania.

Może Cię również zainteresować: Aplikacja optrel zapewniająca inteligentną ochronę i pełną kontrolę

Kształtowanie elementów cienkościennych – odkształcenie obwodowe

Innym przykładem kształtowania laserowego wspomaganego mechanicznie jest odkształcenie obwodowe elementu rurowego. Taki sposób odkształcenia może być zastosowany np. do produkcji kompensatorów metalowych [7]. Koncepcje wytwarzania kompensatorów hybrydową metodą kształtowania laserowego wspomaganego mechanicznie opisano w artykule Metal Expansion Joints Manufacturing by a Mechanically Assisted Laser Forming Hybrid Method – Concept [8]. Poniżej zaprezentowano ogólny opis koncepcji wykonania kompensatorów celem przybliżenia czytelnikowi założeń technologii. Na rys. 7 przedstawiono schemat stanowiska do wytwarzania kompensatorów. Opis metody podano poniżej.

Ogólna koncepcja wytwarzania kompensatorów przedstawia się następująco (rys. 7):

1. Elementem wyjściowym jest rura (1) o znanej średnicy oraz grubości ścianki, wykonana z materiału o odpowiednim gatunku.
2. Rura (1) umieszczona jest pomiędzy siłownikiem (5) a uchwytem obrotowym (6).
3. Rura (1) zostaje wprawiona w ruch obrotowy ω.
4. Głowica laserowa (2) doprowadzająca promieniowanie laserowe o mocy P nagrzewa rurę (1) w zadanym obszarze do temperatury uplastycznienia T.
5. Temperatura uplastycznienia T jest kontrolowana w czasie rzeczywistym przez pirometr (3) sprzężony z urządzeniem laserowym. Pozwala to na utrzymanie temperatury uplastycznienia na stałym poziomie.
6. Po osiągnięciu odpowiedniej temperatury uplastycznienia T siłownik (5) naciska na rurę z siłą F przy prędkości ν (1).
7. Siła nacisku jest rejestrowana przez czujnik siły (4) zainstalowany pomiędzy siłownikiem (5) a rurą (1). Efektem jest powstanie „wybrzuszenia” – mieszka – na obwodzie rury, stanowiącego podstawę kompensatora. Poszczególne etapy powstawania mieszka zostały zaprezentowane na rys. 8.

Zaprezentowana powyżej koncepcja została poddana weryfikacji w drodze eksperymentu. Wyniki eksperymentu przedstawiono poniżej.

Koncepcja została zweryfikowana eksperymentalnie. Do eksperymentu użyto rury stalowej o wymiarach ϕ 20 x 1 mm (DN20) oraz ϕ 50 x 1,5 mm (DN50). Elementy zostały wykonane ze stali austenitycznej X5CrNi18-10. Powierzchnię próbek pokryto specjalnym absorberem w celu zwiększenia pochłaniania promieniowania laserowego. Próbki zostały zamocowane w urządzeniu, którego rzeczywisty widok zaprezentowano na rys. 9.

Do eksperymentu użyto 5-osiowego laserowego centrum obróbczego Trumpf LaserCell 1005 z rezonatorem lasera CO₂ TruFlow 6000. W celu dobrania odpowiednich parametrów obróbki wykonano szereg eksperymentów. Parametry obróbki, które dawały zadowalający efekt, zostały zaprezentowane w tab. 2. Na rys. 10 przedstawiono gotowe kształty kompensatora (po polerowaniu).

Podsumowanie

Przeprowadzone badania potwierdzają wysoką elastyczność i efektywność opracowywanej hybrydowej technologii kształtowania laserowego wspomaganego mechanicznie. Zaprezentowane powyżej badania dotyczące gięcia rury oraz jej odkształcenia obwodowego potwierdzają poprawność opracowanych koncepcji hybrydowego kształtowania laserowego wspomaganego mechanicznie. Technologia uzyskiwania elementów o wymaganej geometrii została poprzedzona licznymi próbami empirycznymi, które umożliwiły dobór parametrów procesu. Do kluczowych czynników determinujących jakość wytwarzanych elementów należą: temperatura i szerokość strefy uplastycznienia oraz długość i prędkość ściskania. Parametry te mają istotny wpływ na ostateczny kształt elementu. W dalszej perspektywie planowane jest udoskonalenie stanowiska badawczego poprzez zwiększenie sztywności konstrukcji oraz wykorzystanie przyrządów pomiarowych o wyższej rozdzielczości, co pozwoli na dokładniejsze rozpoznanie mechanizmów zachodzących podczas procesu kształtowania. W obecnej chwili technologia ta jest w trakcie rozwoju i nie zastępuje obróbki plastycznej. Jednakże w przyszłości może być alternatywą dla technologii konwencjonalnych.

Podziękowanie

Przedstawione w niniejszej publikacji badania kształtowania elementów cienkościennych były finansowane przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach prowadzonego grantu numer PBS3/A5/47/2015.

Przedstawione w niniejszej publikacji badania kształtowania kompensatorów metalowych były finansowane przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach prowadzonego grantu numer LIDER/44/0164/L-11/19/NCBR/2020.

Piśmiennictwo

1. Jiqing P., Xiaoming Z., Hongshuang D., Plastic Working of Metal. In: Kuangdi X. (eds) The ECPH Encyclopedia of Mining and Metallurgy. Springer, (2024). Singapore. https://doi.org/10.1007/978-981-99-2086-0_844
2. Lee M.-G., Korkolis Y. P., Advances in Plastic Forming of Metals, Metals 2018, 8, 272. https://doi.org/10.3390/met8040272
3. Behrens, B.-A.; Chugreev, A.; Awiszus, B.; Graf, M.; Kawalla, R.; Ullmann, M.; Korpala, G.; Wester, H. Sensitivity Analysis of Oxide Scale Influence on General Carbon Steels during Hot Forging. Metals 2018, 8, 140.
4. Qiao, H., Lei, S., Cui, S. et al. Research on thermoforming process of WE43 rare earth magnesium alloy plate. Discov Appl Sci 7, 800 (2025). https://doi.org/10.1007/s42452-025-07259-9
5. Mrzygłód B. , Łukaszek-Sołek A., Olejarczyk-Wożeńska , Pasierbiewicz K., Modelling of Plastic Flow Behaviour of Metals in the Hot Deformation Process Using Artificial Intelligence Methods, ARCHIVES of FOUNDRY ENGINEERING, 2022, pp. 41-52
6. Kurp P., Niekonwencjonalne technologie wytwarzania – kształtowanie laserowe. Cz. I – wprowadzenie, STAL Metale & Nowe Technologie, 9-10/2020, s. 76-85
7. Standards of the Expansion Joint Manufacturers Association, 10^th Edition 10^th EJMA
8. Kurp P., Danielewski H., Metal expansion joints manufacturing by a mechanically assisted laser forming hybrid method – concept, Technical Transactions, 2022

dr inż. Piotr Kurp
Politechnika Świętokrzyska