Свет в волокне

Как в приморскую промышленность внедряют лазерные технологии

15 июль 2015 Электронная версия газеты "Владивосток" №3769 от 15 июль 2015

Во Владивостоке, на базе Института автоматики и процессов управления (ИАПУ) ДВО РАН, готовится к открытию Лазерный технологический центр. Вначале он будет обслуживать Дальзавод, но потенциал у центра огромен: он способен выйти на обслуживание предприятий всего Дальнего Востока. Причем и крупных, и малых.

«Мускулы» есть, ума еще больше

– Лазерный центр – это, по сути, полигон, где испытываются возможности технологических лазеров, – рассказывает директор ИАПУ академик Юрий Кульчин.

Для сотрудников Дальзавода составляется своеобразная инструкция, или, как модно сейчас говорить, дорожная карта: какое оборудование и программное обеспечение должны быть установлены для выполнения конкретных задач с заданным качеством. Учитываются все нюансы – вплоть до нагрузки на фланцы (соединительные элементы).

Лазер выполняет огромный функционал: режет материалы, сваривает их, наплавляет, производит очистку поверхности и т.д. Используемый метод лазерно-порошковой наплавки позволяет в короткий срок провести ремонт и восстановление деталей.

Причем основная работа происходит на атомарном уровне. За тысячные доли секунды к поверхности прикладывается гигантское количество энергии: лазер расплавляет три верхних слоя атомной решетки. Больше не требуется. В этих слоях происходит смешивание порошка и металлической основы. Спайка настолько крепка, что металл в итоге кажется однородным.

Лазерный центр состоит из двух основных частей. Первая – робот-манипулятор. Он представляет собой металлическую «руку» со сменными узлами (механической и лазерной обработки) и блоком управления. По сути, это «мускулы» установки, рабочая сила. А «интеллект», то есть вся научная часть, сосредоточен в нескольких закрытых щитках. В них и располагается технологический лазер.

Одним таким комплексом можно обеспечивать выполнение задач для многих предприятий. С экономической точки зрения это гораздо выгоднее, чем если бы каждая компания проводила подобные работы самостоятельно.

Обработка лазером – это в первую очередь качество: работы ведутся с микронной точностью. Во вторую – сокращение времени производственного цикла и себестоимости продукции. Но главное – это появление таких возможностей, которые раньше были просто недоступны.

Например, на Дальзаводе есть детали ответственного назначения: гребные винты, клапаны диаметром несколько метров. Стоимость подобных изделий – миллионы долларов. Их восстановление связано с огромными денежными и временными затратами. С помощью лазерной технологии эти же задачи решаются в течение нескольких дней. Кроме того, некоторые детали сейчас просто не выпускаются: закрылись профильные заводы. Единичное же производство этих деталей в десятки раз дороже серийного.

Лазерный комплекс, используя современные аддитивные технологии (послойного синтеза), позволяет изготовить любую деталь. Узел механической обработки убирает из куска металла все лишнее, а лазер затем «наращивает» то, что необходимо. Причем открывается возможность использования материалов с любыми наперед заданными свойствами: диамагнетиков, ферромагнетиков, цветных и черных металлов. Лазеру поддается практически все. Например, он может сплавлять даже бронзу со сталью – то, что невозможно сделать другими методами.

Первые шаги

Все это стало реальным благодаря тому, что лазерная технология пережила оптоволоконную революцию: свет научили двигаться по проводам. Дальневосточная наука взяла это на вооружение и приступила к внедрению в производство.

– Как в мире, так и в России лазерным технологиям уделяется самое серьезное внимание, – отмечает академик Кульчин. – В чем особенность нашего центра? Во-первых, налажено конструктивное сотрудничество с компанией IPG Photonics – одним из лидеров в данной сфере.

Кстати, латинская аббревиатура имеет вполне российские корни. IPG – это предприятие, созданное на основе Института радиоэлектроники (ИРЭ) и компании «Полюс» – лидера в разработке технологических лазеров. Первые две буквы как раз и посвящены этим отечественным организациям. Кстати, владелец компании – бывший сотрудник ИРЭ. Сейчас предприятие осуществляет свою деятельность по всему миру. Отделения имеются в Японии, США, Германии, других странах. Очень важно, что компания создает новые – волоконные – виды лазеров.

– Волоконные лазеры в своей области сделали то же самое, что и микрочипы в электронике: резко уменьшили размеры аппаратов, – объясняет Юрий Кульчин. – Например, если раньше в электронике использовались большие транзисторы, а первые компьютеры могли занимать несколько комнат, то теперь миллион транзисторов может содержаться только на одном микрочипе, а соответствующие устройства помещаются в карман. То же самое и с волоконными лазерами. Волокно является активной проводящей и генерирующей средой. От его длины, в частности, зависит мощность установки. Но «длину» эту, то есть волоконные провода, можно свернуть, скрутить и спрятать в щиток.

Еще одно превосходство – высокая эффективность преобразования излучения. Если КПД углекислотного лазера составляет доли процента, то у современных его «коллег» – больше 30 процентов. Это значит, что к аппарату не надо подводить целую электростанцию.

– Перед нами открылись новые возможности применения, – продолжает Юрий Николаевич. – Что может делать лазер? Резать материалы, сваривать их, наплавлять, производить очистку поверхности. Новизна заключается в том, что раньше под лазерным лучом требовалось перемещать саму деталь. А если она громоздкая, весит несколько тонн, как гребной винт? Да еще необходимо соблюдать точность до одного микрона. Возникают проблемы, как ее установить, как правильно закрепить, как добиться надежности и прочее. Сейчас, с появлением новых технологий, лазер можно установить на робота-манипулятора и проводить работы с высокой точностью. Главная задача сегодня – внедрить эти технологии в промышленность Дальнего Востока. Поэтому совместно с ДВФУ и Дальзаводом был разработан крупный проект по организации технологии лазерного восстановления деталей.

И первым шагом к продвижению технологии стало создание на базе ИАПУ лазерного технологического центра. Надо отметить, что ближайший подобный объект расположен в Новосибирске, а у наших ближайших соседей – в Южной Корее и Китае – они и вовсе отсутствуют.

От спутника до плуга

Наработки института в области лазерных технологий можно использовать в судостроительной и судоремонтной отраслях, в сельском хозяйстве, градостроительстве и многих других сферах деятельности.

–Например, мы занимаемся системами спутникового мониторинга, – говорит академик Кульчин. – Но качество показаний спутника зависит от протекающих в атмосфере процессов: какая погода, есть ли облака, рассеяние проходящего излучения или прочие помехи. Поэтому получить при помощи спутника абсолютные значения чрезвычайно сложно. Лазерные технологии позволяют откалибровать произведенные при помощи спутников измерения. С этой целью мы в институте разработали лазерные (лидарные) технологии зондирования атмосферы. В результате комбинирования спутниковых и лидарных измерений мы можем получить полноценную картину.

В будущем планируем создание регионального ситуационного центра спутникового и лидарного мониторинга, который будет следить за состоянием поверхности суши и океана. Благодаря этому, например, возникает возможность контроля рубки лесов с точностью до одного дерева. Также будет возможно осуществлять контроль пожаров, возникающих на территории региона, производить наблюдение за урожаем, следить за использованием земель по назначению, выполнять мониторинг загрязнений.

В прошлом году, например, произошел выброс нефтепродуктов в водной акватории Хасанского района. Определить виновника оказалось невозможно, так как никто не признался в содеянном. Используя разработанные в институте технологии, мы можем не только засечь случаи разлива нефтепродуктов и прочих загрязнений, но и найти виновника.

Также в институте подготовлен большой проект по использованию лазерных технологий, направленных на развитие ТОР на острове Русском. Сейчас эта инициатива отправлена на рассмотрение в администрацию Приморского края. Авторы видят ее развитие в рамках создаваемого на острове Русском технопарка.

– Созданный центр даст малым предприятиям доступ к высоким технологиям, – подчеркивает Юрий Кульчин. – Например, в Приморье существует множество небольших фермерских хозяйств, использующих плуги и прочее оборудование по обработке почвы. От режущей кромки таких приспособлений зависит производительность и качество вспахивания и обработки земли. А земля у нас, как правило, каменистая, лемехи быстро затупляются. Если их обработать с помощью лазера, то износостойкость увеличивается в десятки раз. Естественно, одному фермеру покупать лазер и все приспособления невыгодно. Поэтому с помощью центра мы создадим малое предприятие, которое и будет предоставлять фермерским хозяйствам прямо на месте высокотехнологичные услуги: лазерную заточку, восстановление оборудования и т.д.

Широкое поле деятельности

Чтобы внедрить технологию в производство, одной воли ученых мало. Тут должна быть инициатива руководителей предприятий. Поэтому сотрудничество с Дальзаводом – хороший зачин, способный стать примером.

– Дело новое, и на старте директора предприятий относились к нему с настороженностью. В случае с Дальзаводом, я думаю, сработал профессионализм руководителей, – говорит Юрий Кульчин. – Многие из тех, кто сейчас стоит у руководства заводом, – выпускники политехнического института, профессора, кандидаты наук, инженеры высокой квалификации. Это, наверное, позволяет им видеть ситуацию несколько глубже и объемнее, рассмотреть потенциал применения последних научных достижений. Кроме того, у нас прекрасные отношения с Дальневосточным федеральным университетом. Получился, на мой взгляд, удачный симбиоз образования, науки, промышленности. Сейчас создан костяк – профессиональный и технический. Есть специалисты, которые прошли переподготовку, есть оборудование, есть лазерный центр. Мы полностью готовы к работе. И, в свою очередь, понимаем, что задача перед таким центром будет ставиться шире.