Lasercladden 2.0: nieuwe mogelijkheden

 

Lasercladden is geen nieuwe technologie. Al verschillende decennia wordt met een laserstraal metaalpoeder of -draad gesmolten om vervolgens op een bestaand materiaal een nieuwe oppervlaktelaag aan te brengen. Een aantal innovaties, zoals het high speed cladden, opent nieuwe mogelijkheden, net als het opbouwen van 3D-vormen.

Wat is lasercladden?

In de basis is lasercladden een lasproces. Twee metalen worden met thermische energie op elkaar gelast; in het jargon heet dat een metallurgische verbinding. Het grote voordeel van het gebruik van laser als energiebron is dat de warmte vrij goed gestuurd kan worden, met name om te voorkomen dat er te veel warmte in het werkstuk doordringt, waardoor de materiaalstructuur kan veranderen. Lasercladden is een proces dat nauwkeurig en goed controleerbaar is, met als resultaat een voorspelbare uitkomst.

Een belangrijk verschil tussen lasercladden en thermisch spuiten is dat er bij het cladden een atomaire verbinding tot stand komt doordat de bovenste laag van het substraat opgesmolten wordt. Zonder dit type verbinding bestaat het risico op corrosievorming onder de deklaag, die hierdoor op een bepaald moment los kan komen van het werkstuk. Een van de veel voorkomende toepassingen is het aanbrengen van slijtvaste of corrosiewerende lagen – of lagen met andere eigenschappen – op bestaande metalen componenten, bijvoorbeeld onderdelen die in de zware industrie worden gebruikt en aan slijtage onderhevig zijn. In Nederland gebruikt onder andere Bosch Rexroth lasercladden voor het aanbrengen van corrosiewering op de indus­triële aandrijfcomponenten die het produceert. Voor deze toepassing is de geringe warmte-inbreng een van de grote pluspunten.

Ultra high speed cladden

Een van de recente ontwikkelingen, waarin het Fraunhofer ILT in Aken, een belangrijk aandeel in heeft gehad, is het EHLA-proces, een ultra high speed laserclad proces. Het grote verschil met gewoon lasercladden zit in de snelheid waarmee de dunne lagen (25 tot 250 micrometer) metaal worden aangebracht: tot 500 meter per minuut. De snelheid is een factor 100 hoger.

 

Dat is mede te danken aan het feit dat het poeder al gesmolten wordt voordat het aan het oppervlak van het werkstuk komt. Dat stelt wel hoge eisen aan de nauwkeurigheid van de nozzle, omdat de baan waarin het poeder wordt gestuurd precies voorspelbaar moet zijn. Ook de snelheid van deze gas-poederstroom moet precies gecontroleerd kunnen worden. Omdat geringe afwijkingen in de poedertoevoer al tot grote kwaliteitsverschillen in het werkstuk kunnen leiden, is voor deze installatie een nieuwe claddingkop ontwikkeld. Deze zogenaamde coaxiale High Quality Powder Nozzle (HighNo) gebruikt een ringvormige of konische poeder-gas-straal, waarmee het gesmolten materiaal zeer precies op het werkstuk kan worden gedeponeerd. De nauwkeurige dosering en de snelheid zorgen ervoor dat er dunnere lagen kunnen worden aangebracht en er nog minder warmte in het werkstuk komt.

Ultra high speed lasercladden is liefst 100 keer sneller dan gewoon lasercladden

De gemiddelde laagdikte is bij EHLA een factor 20 lager dan gebruikelijk. Dat resulteert in een betere oppervlakteruwheid van de deklaag, wat het nabewerken vergemakkelijkt en versnelt. Deze EHLA-technologie heeft de laatste jaren z’n toepassing gevonden in onder andere de offshore-industrie, waar het een alternatief is voor het (verboden) coaten met Chroom 6. In plaats daarvan wordt een laag Inconel 625 of andere corrosievast materiaal aangebracht. Een bijzondere variant is dat hierna met thermisch spuiten op deze Inconel laag een keramische laag wordt aangebracht, waardoor de slijtvastheid verder verbetert. Door die hybridelaag kan het probleem van corrosievorming onder de metalen deklaag niet meer ontstaan.

 

3D-vormen lasercladden

De ultra high speed claddingtechniek wordt tot nog toe bijna uitsluitend toegepast bij symmetrische delen. De basis van de installatie is immers vaak een CNC-draaimachine. Een recente ontwikkeling op het vlak van EHLA-technologie is het 3D-cladden. Hiermee vervalt in principe de beperking van de symmetrische werkstukken. Deze ontwikkeling komt eveneens bij het Fraunhofer ILT vandaan. In plaats dat het symmetrisch werkstuk opgespannen wordt in een ‘uitgeklede’ draaimachine gebruikt men voor het 3D-cladden een hexapod, een machine met parallelle kinematica. Het werkstuk beweegt, de laserkop zit vast. De bijzondere constructie van de hexapod zorgt voor de nodige snelle bewegingen van het werkstuk.

Gepulste lasers

Een andere innovatie, waarmee men crackvorming of andere lasfouten voorkomt, is de inzet van gepulste lasers. De proeven hiervoor zijn gedaan met lasdraad, dus niet met poeder. De gepulste laser creëert een smeltbad aan het oppervlak van het werkstuk. Het pulsen van de straal voorkomt oververhitting, een gevaar dat tot microscheuren onder de deklaag kan leiden. Door de laser te pulsen, kan men de inbreng van de hoeveelheid energie beter controleren en reduceren.

 

Het lasproces kan aangepast worden aan de stollingskarakteristieken van het materiaal dat men gebruikt. Verbindt men hiermee twee verschillende materialen, dan blijkt de verbinding sterker te zijn. De onderzoekers zeggen zelfs dat bepaalde metalen die moeilijk lasbaar zijn met een gepulste laser beter lasbaar worden. Onder andere refractometalen, zoals Wolfraam en molybdeen of Tantalum, kan men hiermee gaan gebruiken bij lasercladden.

Een hoger laservermogen betekent meer productiviteit, maar vergt meer aandacht voor de optische componenten

In het Duitse onderzoeksproject heeft men gewerkt met een lasdraad van 0,8 mm, omdat een van de toepassingen in de medische in­dus­trie zit het coaten van medische componenten. De pulsduur varieert van 1,2 ms tot 2 ms. De totale cyclustijd kan enkele milliseconden duren en is instelbaar.

Hoog vermogen lasers

Een andere trend, eigenlijk aan de heel andere kant van het spectrum, is lasercladden met hoog vermogen lasers, bijvoorbeeld laserbronnen van 10 kW en meer. Aan de ene kant is dat mogelijk gemaakt door de komst van zeer sterke laserbronnen, anderzijds door de lagere prijzen.

Het hogere laservermogen betekent meer productiviteit, maar het vergt wel meer aandacht voor de optische componenten om de invloed van de warmte en terugkaatsing van het licht te vermijden.

Automatische reparatie van turbine-onderdelen

Een van de al langer bestaande toepassingen van lasercladden is het herstellen van de tip van turbinebladen. Het Amerikaanse Optomec is een van de pioniers op dit vlak en heeft recent de stap gezet naar het automatiseren van het proces. Dat doet het Amerikaanse bedrijf door de claddinginstallatie te combineren met vision en een 6-assige industrierobot, die de bladen laadt en uitneemt.

De vision-technologie wordt gebruikt om precies te bepalen hoeveel nieuw materiaal moet worden aangebracht, waarna de besturing hiervoor automatisch het programma genereert.

De claddingtechnologie zelf is al volop in gebruik in de luchtvaartindustrie en is daarvoor ook gecertificeerd. Afgelopen zomer heeft Optomec een order van de Amerikaanse luchtvaart in de wacht gesleept om een geautomatiseerde lijn te bouwen voor het repareren van turbinecomponenten met lasercladden. Het is voor het eerst dat geautomatiseerd onder andere titanium onderdelen geclad gaan worden.