Waarom lasercladden en WAAM geen synoniemen zijn

sneller en nauwkeuriger metaalprinten door combinatie

Sinds de opmars van 3D-printen neemt de belangstelling voor cladden toe, want daarmee kan men meer doen dan enkel slijtlagen aanbrengen. Er komen steeds meer toepassingen waarin met cladden 3D-vormen worden gemaakt. In principe zijn hiervoor twee technologieën: lasercladden en WAAM. Waarin verschillen ze? En is de ene technologie aantrekkelijker dan de andere?

De verschillen

Om te beginnen: waarin verschillen WAAM en lasercladden? Het antwoord zit vervat in de bewoording zelf. WAAM (Wire-Arc Additive Manufacturing) gebruikt een lasinverter als energiebron voor de gas- of plasmalichtboog om het materiaal te smelten. En dat materiaal is lasdraad. WAAM is feitelijk een geavanceerd lasproces, niet bedoeld om twee componenten met elkaar te verbinden, maar om lagen gesmolten op elkaar te stapelen en deze te verbinden.

Lasercladden gebruikt een laser als energiebron. Het oppervlak van het stuk waarop men materiaal wil aanbrengen, smelt door de warmte-inbreng en er wordt via een nozzle poeder gedeponeerd dat eveneens smelt. Zo ontstaat er een metallurgische verbinding. Lasdraad kan eveneens als materiaal worden ingezet.

Traditioneel wordt lasercladden met poeder vooral ingezet voor het aanbrengen van slijtlagen. WAAM wordt vaak als een grovere technologie gezien, terwijl lasercladden een fijnere structuur creëert.

Microscheuren vermijden met procesparameters

Heeft dit effect op de dichtheid van het uiteindelijke materiaal? Nee, zo blijkt uit onderzoeken. Porositeit of microscheuren omdat lagen onvoldoende aan elkaar hechten, ontstaan vooral door de snelheid van het proces en minder door de energiedichtheid. Aan dat laatste wordt vaak de hogere kwaliteit van lasercladden toegeschreven, maar een recente vergelijking door Chinese onderzoekers¹ laat zien dat de porositeit, of beter gezegd het ontbreken hiervan, gestuurd kan worden door de energie die vrijkomt goed te doseren en te distribueren tijdens het cladden. De procesparameters zijn bepalend en niet de energiebron. De onderzoekers hebben specifiek gekeken naar het cladden van Inconel 718.

Een andere conclusie die in het onderzoek naar voor kwam, is dat WAAM een efficiënter proces is qua materiaalgebruik. Onlogisch is dat niet. De draad die gesmolten wordt, komt zo goed als volledig in het werkstuk terwijl bij het gebruik van poeder altijd een deel verloren gaat, ook al is dat met de huidige generatie claddingkoppen beperkt.

High- en lowtech

De laserbron of de gas- of plasmabron zijn om nog een andere reden dan de technologie wezenlijk verschillend. Laserbronnen blijven, ondanks dat de technologie toegankelijker is geworden, toch hightech, terwijl de lasbron niet alleen vele malen goedkoper is qua aanschaf en gebruik, maar ook toegankelijker. Dat is direct terug te zien in de investering die nodig is voor beide systemen. WAAM vergt een aanzienlijk lagere investering dan een lasercladdingsysteem.

De crux om tot een goed resultaat te komen zit in de procesaansturing en dan vooral de feedbackloop

Beide technologieën worden vaak toegepast in combinatie met een robot, omdat men zo minder beperkt is qua afmetingen van de werkstukken. De crux om tot een goed resultaat te komen zit met name in de procesaansturing en dan vooral de feedbackloop. Hoe goed is de besturing in staat om de procesdata die sensoren genereren realtime te analyseren en om te zetten in aanpassing van de parameters?

Controle over het smeltbad is de sleutel om tot een goed eindresultaat te komen. De laatste jaren hebben de aanbieders van WAAM-technologie op dit vlak veel vooruitgang geboekt. Onder andere door de temperatuur in het smeltbad te monitoren en daarop de snelheid af te stemmen waarmee de lagen worden gelegd, ontstaat een consistentere opbouw van het werkstuk. Hierdoor kan men met WAAM veel fijnere structuren printen dan enkele jaren geleden.

Combinatie van laser en lichtboog in één kop

Een recente doorbraak in Duitsland is de combinatie van laser en lichtboog in één kop. De onderzoekers van Fraunhofer ILT combineren het GMA lasproces (gasbooglassen) met een laser. Daarmee combineert men het beste van beide technieken: WAAM is sneller doordat de materiaaldepositie veel hoger ligt dan bij het smelten van draad met een laser. Hier staat tegenover dat het smelten van lasdraad met een laser nauwkeuriger is en er minder warmte wordt ingebracht. Met name de vliegtuigindustrie is hierdoor gecharmeerd. Beide technieken samen vormen LB-GMA hybrid welding.

Collar Hybrid

Een nadeel van deze techniek is dat het proces afhankelijk is van de richting waarin men print. Het is slechts beperkt mogelijk om 3D-vormen te maken. Deze beperking nemen de Duitse onderzoekers weg met hun nieuwe Collar-kop (coaxiaal laser arc). In het hybrideproces wordt de gaslichtboog tussen het uiteinde van de draad en het substraat omsloten door de ringvormige laserstraling, een soort kraag. Het idee achter deze combinatie is dat de boog niet uit deze kraag kan breken en gedwongen naar het smeltbad wordt geleid. Hiermee wordt de depositie per uur met 150% verhoogd, zodat men ook grotere componenten kan produceren.

Indien zeer fijne en grove structuren vereist zijn, kunnen de verhoudingen tussen de beide processen variëren: de boog wordt volledig uitgeschakeld of op laag vermogen gezet. Zo kunnen in bepaalde delen van het werkstuk fijne structuren worden afgezet; heeft het boogproces de overhand, dan kunnen de grovere structuren, zoals brede ribben of gebieden met een grote afzettingssnelheid, aanzienlijk sneller, kostenefficiënter en met een lagere energie-input worden afgezet. Doordat de buitenste lagen nauwkeuriger worden geprint dan met enkel WAAM, is minder nabewerking nodig. Collar Hybrid zoals het nieuwe proces genoemd wordt, is ontwikkeld in samenwerking met het RWTH Aachen University Institute for Welding and Joining (ISF).

Materialen

Waarin beide technieken – WAAM en lasercladden – verschillen, is het te bewerken of te gebruiken materiaal. Met lasercladden kan men materialen als keramiek en bioactieve coatings aanbrengen als het om de klassieke toepassing gaat. Voor 3D-metaalprinten komen de gangbare metaalpoeders in aanmerking.

WAAM beperkt zich tot de metaallegeringen die als lasdraad beschikbaar zijn. Het laatste heeft dan wel als voordeel dat er veel materialen beschikbaar zijn tegen lagere prijzen dan poeder. Ook zijn veel lasdraden gecertificeerd waardoor één horde in het certificeringsproces overwonnen is.

Sommige fabrikanten kunnen meerdere materialen mixen. Dit geldt zowel voor lasdraad als voor poeder. Hiermee kunnen de eigenschappen in een product variëren; in feite maakt men zelf het materiaal, afgestemd op de specifieke eisen aan het werkstuk. Poeder heeft het voordeel dat men de menging heel nauwkeurig kan sturen. Met sommige systemen kan men tot wel zes poeders heel nauwkeurig mengen gedurende langere tijd. Bij WAAM met lasdraad wordt bijvoorbeeld voor slijtvakken een ander materiaal toegepast dan in de kern. De overgangen van het ene naar het andere materiaal zijn evenwel abrupter dan bij poeder.

Sommige fabrikanten kunnen meerdere materialen mixen. Dit geldt zowel voor lasdraad als voor poeder. Hiermee kunnen de eigenschappen in een product variëren; in feite maakt men zelf het materiaal, afgestemd op de specifieke eisen aan het werkstuk

Toepassingen

De typische toepassing voor het klassieke lasercladden is het aanbrengen van slijtvaste lagen of andere functionaliteiten aan een product. WAAM wordt vooral ingezet voor het vormen van 3D-features, een toepassing die men ook steeds vaker terugziet bij de lasergebaseerde systemen.

Een van de applicaties die men vaak ziet, is het repareren van gereedschappen of kostbare onderdelen. Bij gereedschappen gaat het om bijvoorbeeld smeedmatrijzen die zover zijn afgesleten dat ze niet langer gebruikt kunnen worden. In plaats van het materiaal weg te gooien, brengt men met WAAM of lasercladden het afgesleten materiaal terug op het oppervlak, waarna het gereedschap mechanisch wordt nabewerkt. De verwachting is dat deze toepassing belangrijker wordt naarmate de overheid via regelgeving bedrijven dwingt om minder materialen en energie te gebruiken.

¹ Lu, X., Li, M.V. & Yang, H. Comparison of wire-arc and powder-laser additive manufacturing for IN718 superalloy: unified consideration for selecting process parameters based on volumetric energy density. Int J Adv Manuf Technol 114, 1517–1531 (2021).