View
393
Download
1
Category
Preview:
Citation preview
24/11/2010
Opbouwen van materiaal via lasercladden in de praktijk
Marleen Rombouts
Lasercentrum Vlaanderen, Vito, Mol (België)
Marleen.Rombouts@vito.be
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
3 © 2010, VITO NV All rights reserved
Themadag ‘Additive Manufacturing voor metaal en
keramiek’, 15 nov. 2011
Laseroplassen/cladden: basisprincipe
Tool path generation
Laser Materiaal
Machine: Robot / CNC
Oplaskop
Opgebouwd materiaal
4 © 2010, VITO NV All rights reserved
Themadag ‘Additive Manufacturing voor metaal en
keramiek’, 15 nov. 2011
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
5 © 2010, VITO NV All rights reserved
Themadag ‘Additive Manufacturing voor metaal en
keramiek’, 15 nov. 2011
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)
6 © 2010, VITO NV All rights reserved
Themadag ‘Additive Manufacturing voor metaal en
keramiek’, 15 nov. 2011
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
7 © 2010, VITO NV All rights reserved
Themadag ‘Additive Manufacturing voor metaal en
keramiek’, 15 nov. 2011
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
8 © 2010, VITO NV All rights reserved
Themadag ‘Additive Manufacturing voor metaal en
keramiek’, 15 nov. 2011
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
9 © 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
10 © 2010, VITO NV All rights reserved
Themadag ‘Additive Manufacturing voor metaal en
keramiek’, 15 nov. 2011
Lasercladden aan het oppervlak
» Beschadigde component herstellen
» Duurzaam product
» ‘Goedkoop’ basismateriaal (staal) met corrosie- / slijtagevaste (nikkel, kobalt legering) coating
Matrijsherstelling via draadoplassen
11 © 2010, VITO NV All rights reserved
Themadag ‘Additive Manufacturing voor metaal en
keramiek’, 15 nov. 2011
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 …
12 © 2010, VITO NV All rights reserved
Themadag ‘Additive Manufacturing voor metaal en
keramiek’, 15 nov. 2011
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
13 © 2010, VITO NV All rights reserved
Themadag ‘Additive Manufacturing voor metaal en
keramiek’, 15 nov. 2011
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
14 © 2010, VITO NV All rights reserved
Themadag ‘Additive Manufacturing voor metaal en
keramiek’, 15 nov. 2011
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!
19 © 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
20 © 2010, VITO NV All rights reserved
Themadag ‘Additive Manufacturing voor metaal en
keramiek’, 15 nov. 2011
Opbouw van drie-dimensionale structuren
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
21 © 2010, VITO NV All rights reserved
Themadag ‘Additive Manufacturing voor metaal en
keramiek’, 15 nov. 2011
Klassieker: herstellen van turbine bladen
Inconel superlegering / titanium legeringen
Bron: BCT GmbH
Digitalisatie
via scan Voorbewerking
van oplaszone Cladden Scannen &
Nabewerking
22 © 2010, VITO NV All rights reserved
Themadag ‘Additive Manufacturing voor metaal en
keramiek’, 15 nov. 2011
Herstellen compressor wiel van stoomturbine
23 © 2010, VITO NV All rights reserved
Themadag ‘Additive Manufacturing voor metaal en
keramiek’, 15 nov. 2011
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
24 © 2010, VITO NV All rights reserved
Themadag ‘Additive Manufacturing voor metaal en
keramiek’, 15 nov. 2011
Lasercladden: additief vormgeven
Filmpje
Vito Vito Vito
25 © 2010, VITO NV All rights reserved
Themadag ‘Additive Manufacturing voor metaal en
keramiek’, 15 nov. 2011
Lasercladden: additief vormgeven
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
26 © 2010, VITO NV All rights reserved
Themadag ‘Additive Manufacturing voor metaal en
keramiek’, 15 nov. 2011
Lasercladden: additief vormgeven
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
27 © 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
29 © 2010, VITO NV All rights reserved
Themadag ‘Additive Manufacturing voor metaal en
keramiek’, 15 nov. 2011
» = 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
Recommended