2011 11-15 themadag am voor metaal en keramiek - lasercladden - marleen rombouts - vito

24/11/2010

Opbouwen van materiaal via lasercladden in de praktijk

Marleen Rombouts

Lasercentrum Vlaanderen, Vito, Mol (België)

[email protected]

Themadag ‘Additive Manufacturing voor metaal en keramiek’, 15 nov. 2011

2 © 2010, VITO NV All rights reserved

Themadag ‘Additive Manufacturing voor metaal en

keramiek’, 15 nov. 2011

Lasercladden

Intro

Lasercladden aan het oppervlak

Opbouw van drie-dimensionale structuren

Slotwoord




Laseroplassen/cladden: basisprincipe

Tool path generation

Laser Materiaal

Machine: Robot / CNC

Oplaskop

Opgebouwd materiaal




Lasers

CO2 Nd:YAG Diode Fiber Schijf

Absorptie door

Fe

7% 30% >40% 30% 30%

Spot Rond Rond Rechthoekig Rond Rond

Glasvezel Nee Ja Ja Ja Ja

El. efficiëntie 10% 3-10% 50% 30% 30%

Vrij recente lasers Klassieke lasers




Lasercladden: materiaaltoevoeging

Poeder + inert gas of

draad

V

Poeder- en transportgas

Beschermgas

Laser

Smeltbad

Poederdebiet gecontroleerd via volumetrische feeders identiek als bij

thermisch spuiten

(Inerte kamer) (Inerte kamer)




Lasercladden: bewerkingskop

» Bewerkingskop te kiezen a.f.v. vereisten

» Coaxiaal met rotatie van kop tot 90°

» Coaxiaal fijn focusseerbare poederstroom

» Inwendige oppervlakken

» Efficientie / productiviteit

» …

Fraunhofer ILT Coherent




Lasercladden: tool path generation

» Bij eenvoudige vormen zoals buizen: handmatig programmeren mogelijk

» Software die omgekeerde doet van 3D frees software

» Maakt deel uit van geheel bij aankoop commerciële machine

» Enkele software pakketten afzonderlijk beschikbaar en integreerbaar op eigen robot, CNC machine

» Ook voor multi-laag opbouw; scanstrategie controleerbaar

…

Build

direction




Lase

r sp

ot

Toepassingen: macro micro

0.05 mm

12 mm

Laser spot + poedertoevoer (+ machine) aan te passen aan toepassing

Nauwkeurig en traag -

Opbouw van drie-

dimensionale structuren

Grof en snel -

Lasercladden aan het

oppervlak

10 mm




Lasercladden

Intro



Slotwoord





» Beschadigde component herstellen

» Duurzaam product

» ‘Goedkoop’ basismateriaal (staal) met corrosie- / slijtagevaste (nikkel, kobalt legering) coating

Matrijsherstelling via draadoplassen




Laseroplassen/cladden: toepassingen

Lokaal aanbrengen van deklaag met hoge weerstand tegen corrosie en/of slijtage Landbouw en constructie machines Petrochemische industrie Zware industrie Medische instrumenten Turbine motoren …




Lasercladden aan het oppervlak: materialen

Substraten: staal met hoog koolstofequivalent voorverwarming vereist (bv. inductief)

Ni-Cr-B-Si

M2 steel Stellite 21

Ni + WC

Fe –based

Stainless, tool, …

Co –based

Stellites

Ni –based

Inconel, NiCrBSi, …

MMC = Metal Matrix

Composite

Ti + WC

Ti-based Al-based

Al-12Si




Laseroplassen/cladden: materiaalkarakteristieken

• Hoge kwaliteit :

• Geringe vermenging van het substraat met het deklaagmateriaal (5-10%)

samenstelling aan oppervlak na 1 laag = samenstelling toevoegmateriaal (in tegenstelling tot bij klassiek oplassen)

sterke metallurgische binding (veel beter dan bij thermisch spuiten)

• Weinig tot geen porositeiten

• Homogene samenstelling

• Hoge opwarm- en afkoelsnelheid fijne microstructuur (hardheid )

• Geschikt voor grote waaier aan materialen




Slijtvaste carbide houdende deklagen

Slijtvaste metaal matrix composiet deklaag

Laser cladding

Metaal poeder

Keramisch poeder: bv. 20-150µm wolfraam carbide

Door snelle afkoeling en geringe warmte-inbreng: carbides lossen

minimaal op hoge hardheid in ductiele matrix behouden!




Lasercladden

Intro



Slotwoord





CAD design Additief Proces

Ook bruikbaar voor 3D herstellingen

Evt. uit scandata ‘reverse engineering’

CAM software

• Meestal CNC machine • Evt. in inerte kamer •Coaxiale materiaal-toevoer Nabewerking

Bron: Wikipedia

Near-net shape techniek

Nauwkeurigheid < SLM

http://nl.wikipedia.org/wiki/Bestand:Gleichlauffr%C3%A4sen.jpg




Klassieker: herstellen van turbine bladen

Inconel superlegering / titanium legeringen

Bron: BCT GmbH

Digitalisatie

via scan Voorbewerking

van oplaszone Cladden Scannen &

Nabewerking




Herstellen compressor wiel van stoomturbine




Herstellen compressor wiel van stoomturbine Vereisten / uitdagingen

• lokale herstelling op buitendiameter, totale hoogte opbouw = 4 mm

• minimale vervorming: mechanische verankeringen mogen niet loskomen

• geen scheuren in laag of substraat (30CrNiMo8 staal)

• goede hechting van cladlaag op wiel (mechanische binding onvoldoende)

• materiaal met hoge slijtage weerstand

Lasercladden met stelliet 21 (Co -28Cr-5Mo-0.25C-2.5Ni)

13 lagen voor opbouw van 4 mm hoogte (laser spot 3.8 mm)

Wiel getest bij 20.000 toeren/minuut in vacuüm




Lasercladden: additief vormgeven

Filmpje

Vito Vito Vito

F:/bilnil/3D opbouwen buizen.wmv





Bulk materiaal eigenschappen

Mechanische eigenschappen RVS 316L

Horizontaal Verticaal Horizontaal Verticaal

Sterkte en ductiliteit zijn beter dan conventioneel uitgegloeid roestvast staal 316L

1.2 mm laserspot; 300 mm³/min; zonder inerte kamer





Bulk materiaal eigenschappen

Mechanische eigenschappen Inconel 625

Horizontaal Verticaal

Horizontaal Verticaal

Sterkte en ductiliteit zijn beter dan gegoten en van zelfde orde dan conventioneel

uitgegloeid roestvast staal Inconel 625




Lasercladden

Intro



Slotwoord




» = toevoegen van materiaal via laser smelten van poeder toegevoerd met gasstroom via nozzle

» Karakteristieken:

» 3-dimensionale toevoeging van materiaal mogelijk (7-assig)

» Multi-materiaal gradiënt

» Hoge kwaliteit van toegevoegd materiaal

» Breed toepasbaar:

» Near-net shape productie van nieuwe functionele componenten

» Toevoegen van drie-dimensionale structuren

» Hybride, efficiënte productie

» Lokale herstelling

» Corrosie- / slijtvaste coating

Slotwoord lasercladden

2011 11-15 themadag am voor metaal en keramiek - lasercladden - marleen rombouts - vito

Documents

Transcript of 2011 11-15 themadag am voor metaal en keramiek - lasercladden - marleen rombouts - vito