Campus BMI, CTL, Practicum

productie en transformatietechnieken

Mr. De Henau Antoine

Opdracht productie en transformatietechnieken.

Hendrickx Wouter Project productie en transformatietechnieken.

Onderwerp: De mogelijkheden van lasertechnologie

Verslaggever: Hendrickx Wouter

Datum: 19/12/2003

1. Lasersnijden.

Principe;Tijdens het lasersnijden wordt de laserbundel op het te snijden (plaat)materiaal gefocust, samen met een sterke gasstraal. De energie van de laser zorgt voor het plaatselijk smelten van het materiaal. De gasstraal zorgt voor het uitdrijven van het materiaal. Door een relatieve beweging van het plaatmateriaal t.o.v. de laser- en gasstraal wordt een snede gegenereerd.

De voordelen van dit type snijden, t.o.v. andere methodes, zijn:- de hoge snij- snelheid- De kleine snedebreedte (meestal breedtes van 0,8mm. Tot 2,3mm.),- de braamvrije, gladde snede zonder oxidevorming- En het nauwelijks ontwikkelen van warmte van het product.

Als medium wordt gebruikelijk zuurstof, stikstof, argon, CO2 of gewoon lucht gebruikt. Dit is afhankelijk van het te snijden materiaal en de kwaliteitseisen. Zo wordt voor constructiestaal en roestvast staal vooral CO2 gebruikt.

Voorbeeld;

Lasertechnologie Pagina 1

Figuur 1: het principe van laser- snijden.

Figuur 2:tandwiel

Hendrickx Wouter Project productie en transformatietechnieken.

Speciaal tandwiel, is geproduceerd uit 1,5 mm.Roestvast staal met een tolerantie van 0,05mm.

2. Laserboren.

Principe;Tijdens het laserboren wordt het materiaal tot boven de smelttemperatuur gebracht. Het te verwijderen materiaal verdwijnt als damp en/of in de vorm van druppels uit de vloeistof. Het boren gebeurt meestal met een gepulste laser. Men maakt onderscheid in de volgende methodes:

- Boren met een enkele puls, waarbij de bundel stil staat t.o.v. het product, wordt voornamelijk toegepast voor het boren van gaatjes in dunne materialen. Gebruikelijke diameters verschillen van 20 tot 500 µm met een diepte tot 40 keer de gatdiameter.- Percursieboren.Hierbij staat eveneens het product stil t.o.v. de bundel, maar er worden verschillende pulsen per gat gegeven. Hier kunnen gaten van circa 0,1mm tot 1 mm geboord worden.- Gaten snijden. Wanneer de diameter van het te boren gat veel groter is dan de diameter van de laserstraal, dan wordt het gat “geboord” door het te snijden.

Het voordeel van laserboren t.o.v. gewoon boren is;- Hoge boorsnelheid- Zeer kleine, braamvrije gaten zonder oxidevorming- Nauwelijks warmteontwikkeling van het product- Ook moeilijk te bewerken materialen kunnen geboord worden.

Voorbeeld;Turbineblad uit een turbinemotor van een vliegtuig. De gaatjes (diameter 0,5 tot 0,8 mm) zijn geboord haaks en onder een hoek met het oppervlak.

Lasertechnologie Pagina 2 Figuur 3: het turbineblad.

Hendrickx Wouter Project productie en transformatietechnieken.

3. Lasermeten.

Principe;Het meten van een plat voorwerp, zoals een uitgesneden staalplaat via laser. Hierbij wordt een voorwerp op een speciale glasplaat gelegd. Vervolgens zal een vaste laserprojector die zich boven de plaat bevindt, de afmetingen van het voorwerp inlezen. Dit kan gebeuren in minder dan 20 seconden en is uiterst precies (afwijking van vijfhonderste t.o.v. één gemeten meter). De waardes worden ingelezen in een pc en kunnen vervolgens eenvoudig naar een DXF- file omgezet worden, of rechtstreeks worden afgeprint.

Voordelen:- Héél snelle metingen.- Uiterst precies- Gemakkelijk omzetbaar- Afwijkingen onmiddellijk zichtbaar.

Het nadeel is natuurlijk, zoals het meestal bij laser is, de hoge kost van de machine.

Lasertechnologie Pagina 3 Figuur 4:de laser.

Hendrickx Wouter Project productie en transformatietechnieken.

4. Laserlassen.

Principe;Tijdens het laserlassen wordt een gefocusseerde, hoogvermogen bundel over de naad, tussen de te lassen onderdelen bewogen. De hoge intensiteit van de laserbundel doet beide onderdelen (zeer) lokaal smelten.In het smeltbad vormt zich de zogenaamde keyhole, dat ervoor zorgt dat een diepe penetratie van de laserbundel wordt verkregen. Het smeltbad stolt snel nadat de laserbundel gepasseerd is. Een sterke verbinding met goede metallurgische eigenschappen is het gevolg.

De voordelen van laserlassen t.o.v. gewoon lassen (TIG, MIG, puntlassen), zijn:- Sterke lasverbinding;- Hoge las- en productiesnelheid:- Zeer smalle lasbreedte;- Eenvoudig te automatiseren (in combinatie met robot eventueel)- Geen contact tussen gereedschap en materiaal.

Voorbeeld;Laserlassen van messen die gebruikt worden in de voedingsindustrie voor het snijden van groenten. De scherpe snijrand wordt niet beïnvloed door het lasprocédé.

Lasertechnologie Pagina 4

Figuur 5: principe laser- lassen.

Figuur 6: de gelaste messen.

Hendrickx Wouter Project productie en transformatietechnieken.

5. Lasergraveren.

Principe;Laser graveren is een snelle manier om diverse materialen te graveren. Door gebruik te maken van scanners wordt de laserbundel enorm snel over het te graveren oppervlak bewogen. De bewegingen van de laserbundel worden verzorgd door het verdraaien van twee spiegels rond hun as. Hierdoor kan de laser in zowel X, als Y richting bewegen. De straal gaat vervolgens, voor het te bewerken oppervlakte bereikt is, eerst nog door een lens. De absorptie van het laserlicht brengt een onuitwisbare verandering aan op het oppervlak.

De voordelen van lasergraveren t.o.v. gewoon graveren, zijn;- Snel en flexibel,- Lage warmte – inbreng.- Onuitwisbaar.- Diverse materialen zijn geschikt voor het graveren.- Eenvoudig aan te passen voor het graveren van andere afbeeldingen.

Voorbeeld;

Het graveren van een parkeermeter. Dit heeft een goede kwaliteit van afbeelding, bestand tegen beschadiging.

Lasertechnologie Pagina 5 Figuur 8: de parkeermeter.

Figuur 7: het principe van graveert.

Hendrickx Wouter Project productie en transformatietechnieken.

6. Laserreinigen.

Principe;Met een laser is het mogelijk om oppervlakten te reinigen zonder het oppervlak te beschadigen. Deze toepassing is een hoge investering, maar de voordelen zijn groot.

Laserreinigen gaat het best met een Nd: YAG- laser. Het reinigingsproces zelf is afhankelijk van de intensiteit van de laserstraal en van de duur van de blootstelling aan het laserlicht. Meestal is er sprake van een puls met een hoge energie en een korte duur. Door de thermische schokgolf raakt het vuil los. Bij een te hoge energie kan de vuillaag verdampen of ioniseren.

De snelheid om een laag te verwijderen is niet alleen afhankelijk van de dikte ervan, maar ook van het verschil in energie – adsorptie tussen substraat en verontreiniging. Ook het beschikbare laservermogen geeft een invloed. In de praktijk varieert de reinigingssnelheid van enkele tienden van een vierkante meter / uur tot enkele vierkante meter / uur bij lichte aanslag.

Voorbeeld;Bij AUDI zal de kunststof buitenlaag van een remleiding verwijderd worden om montage van de leidingen mogelijk te maken.

7. Laser – transformatieharden.

Principe;Dit type harden wordt voornamelijk toegepast op staal en gietijzer met een koolstof percentage van circa 0,2 tot 1,5% en resulteert in de vorming van martensiet in het oppervlak van het product. Martensiet heeft een hogere corrosieweerstand, vermoeiingsweerstand en een lagere wrijvingsweerstand dan de oorspronkelijke microstructuur van het metaal. De maximaal bereikbare hardheid hangt af van de materiaaleigenschappen (koolstofgehalte, legeringsellementen, …), maar ook van de afkoelingsnelheid. De hardingsdiepte ligt ongeveer rond 1mm.

Voordelen van dit type harden;- Zeer lokaal harden en harden op moeilijke plaatsen.

Lasertechnologie Pagina 6

Hendrickx Wouter Project productie en transformatietechnieken.

- Warmte inbreng is goed controleerbaar.

Voorbeeld;Laserharden van een kantpersgereedschap. De slijtageweerstand van het gereedschap wordt hierdoor duidelijk verbeterd.

8. Laser – legeren.

Principe;Doel hiervan is het verbeteren van de oppervlakte eigenschappen van producten, waarbij te denken valt aan hardheid, slijtvastheid, vermoeiingsweerstand en corrosievastheid. Voordeel van deze aanpak is dat men de eigenschappen van het basismateriaal (b.v. economisch beter) kan combineren met de eigenschappen van de buitenlaag (b.v. slijtvaster). Tijdens het legeren wordt er materiaal toegevoerd dat door de energietoevoering smelt en zich vermengt met het basismateriaal.

Het snelle stollen van het smeltbad na het passeren in de laserbundel, resulteert in de inbedding van de harde deeltjes in de metaal – matrix. Inbedding in een basismateriaal met een relatief zachte matrix, dat zorgt voor de nodige taaiheid, voorkomt dat de deeltjes uitbreken bij slijtage.

De stromingen in het smeltbad zorgen voor een volledige menging van het toevoegmateriaal en het smeltbad.

De voordelen van lasergraveren t.o.v. gewoon legeren, zijn;- De warmte inbreng is goed controleerbaar, minder thermische vervorming.- Verkrijgen van betere lagen door deze methode.- Zeer lokale bewerkingen op moeilijk te bewerken plaatsen mogelijk (zoals binnenzijde buis).

Voorbeeld;

Dwarsdoorsnede van een met stikstof gelegeerde laag titaan. Het reactieproduct tin is zeer hard en slijtvast, in tegenstelling tot het onbehandelde titaan.

Lasertechnologie Pagina 7 Figuur 9: titaan met bovenlaag tin.

Hendrickx Wouter Project productie en transformatietechnieken.

9. Laser - polijsten.

Principe;De laserpolijstmachine kan een werkstuk met een oppervlakteruwheid van 2,5 µm Ra

in één behandeling opwaarderen tot een ruwheid van minder dan 0,1 µm R a. Dat gaat met deze machine gemiddeld zo’n twintig keer sneller dan met de hand. Daarnaast kan de kwaliteit van het afgeleverde werkstuk vooringesteld worden.

De laserspot trekt vlak naast elkaar gelegen sporen over het werkstukoppervlak. Dat gebeurt elke keer in één richting; niet heen en weer dus. Deze routing vraagt weliswaar meer tijd, maar voorkomt ook dat op het omkeerpunt een ongecontroleerde en ontoelaatbare opbouw van warmte optreedt. De nauwkeurigheid waarmee de opeenvolgende banen van de laserspot op elkaar aansluiten, is doorslaggevend voor het te behalen bewerkingsresultaat.

Op het moment van aanstralen wordt het oppervlak gedeeltelijk gesmolten en gedeeltelijk verdampt. Door de zeer korte tijd waarin dit gebeurt, treedt geen belangrijke verandering van materiaalstructuur of hardheid op.

De voordelen van dit type polijsten, t.o.v. andere methodes, zijn;- Hoge reproduceerbaarheid in combinatie met hoge snelheid.

Lasertechnologie Pagina 8

Figuur 10: de laser - polijstmachine.

Hendrickx Wouter Project productie en transformatietechnieken.

- Mogelijkheid tot het aanbrengen van structuren.

10. Laser – cladden (oplassen).

Principe;Dit systeem heeft véél gelijkenissen met het legeren. Deze methode wordt eveneens toegepast om de oppervlakte - eigenschappen van metalen en machineonderdelen plaatselijk te verbeteren. Het gaat hier vooral om het verhogen van de slijtvastheid en de weerstand tegen corrosie. De laser fungeert als warmtebron om het toegevoegde materiaal op het oppervlak van het basismateriaal te lassen. Door het plaatselijk smelten van de oppervlakte ontstaat een metallische verbinding tussen cladlaag en dragermateriaal.

Het cladlaag wordt doorgaans aangebracht in de vorm van een poeder. Maar dit kan ook een pasta zijn. De poeders kunnen nikkelhoudende poeders, kobalt of chroom zijn.

Het poeder kan eerst aangebracht worden, waarna men met de laser het poeder oplast, of met kan gelijktijdig de laserstraal met het poeder naar de oppervlakte brengen (zoals voorgesteld in figuur 11).

De voordelen van dit type cladden zijn;- Perfecte metallische hechting tussen cladlaag en basismateriaal.- Ook moeilijk te bereiken plaatsen kunnen voorzien worden van cladlaag

Lasertechnologie Pagina 9

Figuur 11: Principe cladden.

Hendrickx Wouter Project productie en transformatietechnieken.

Voorbeeld;Lasercladden van de rand van een uitlaatklepvan een vrachtauto. Het toevoegmateriaal bestaatvoornamelijk uit kobalt, hetgeen een goede slijtvastheid vertoont bij hoge temperaturen.

11. Bronnen.

Sites:- www.jetlaser.de - www.innotime.com - www.triumpf.com - www.vac-machines.be - www.zibb.nl - www.laseract.nl -

folders:- vac- innotime- triumpf- mazak

Lasertechnologie Pagina 10

Figuur 12:Laserkladden.