Fotonen en dus ook laserlicht worden in de moderne wereld als precies en snel werktuig gebruikt voor een brede waaier aan toepassingen gaande van chirurgie, telecommunicatie tot industriële materiaalbewerking. Onder dit laatste verstaan we processen zoals het snijden, boren, lassen, graveren, markeren, herstellen, aanbrengen van deklagen en harden van een breed gamma aan materialen op micro- en macroschaal ( from chips to ships ).. Marleen Rombouts, Jo Verwimp, Jan Gedopt, Filip Motmans, Rosita Persoons Laserlicht als flexibel wer Sinds de eerste laserdemonstratie door Theodore Maiman in 1960 hebben onderzoekers en ingenieurs ijverig gezocht naar praktische toepassingen van deze stralingsbron. Laser is de afkorting van Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Ondertussen zijn lasers niet meer weg te denken uit het dagelijkse leven, de medische wereld en de industriële productieomgeving. Bijna iedereen heeft tegenwoordig wel een CD of DVD-speler in huis waar een laser dient om de informatie, die onder de vorm van kleine putjes aanwezig is, te lezen. De meeste huidige medische toepassingen zijn gebaseerd op het aanbrengen van de juiste hoeveelheid energie met de juiste golflengte om een bepaald weefsel te beschadigen of te vernietigen zonder schade te berokkenen aan naburige cellen. Dit wordt toegepast voor het behandelen van cariës in tandheelkunde, het vernietigen van kankertumors, oogcorrectie, het verwijderen van tatoeages, rimpels en haargroei en prostaatchirurgie. Daarnaast worden in de geneeskunde lasers ook gebruikt als hulpmiddel voor diagnose via lasermicroscopie en -spectroscopie. In de meettechniek zijn lasers een nuttig werktuig voor het bepalen van posities over een grote afstand met een hoge precisie. Voor ingenieurs zijn lasers een onmisbaar werktuig geworden voor het bewerken van materialen. Het gebruik van laserlicht als warmtebron biedt voor materiaalbewerking volgende algemene voordelen: Proper proces Snel, vereist weinig voorbewerking Hoge accuraatheid Non-contact methode / weinig slijtage Het Ingenieursblad 2/2008
ktuig Smalle en complexe geometrieën Flexibel proces Eenzelfde laserbron kan gebruikt worden voor verschillende bewerkingen Beperkte warmte-inbreng door lokale opwarming 81% van de in 2006 wereldwijd verkochte lasersystemen voor materiaalbewerking vinden hun toepassing in lassen, snijden, markeren en graveren, 13% in microbewerkingen en 7% in andere macro-bewerkingstoepassingen (figuur 1). Het gebruik van een laser voor het functioneel of decoratief markeren van een product is één van de meest voorkomende industriële lasertoepassingen (figuur 1). Hiervoor worden gepulste lasers met een laag gemiddeld uitgangsvermogen (typisch 1-100 Watt) gebruikt. Daarnaast vinden laagvermogen lasers steeds meer hun toepassingen in micro-bewerking, dit is bijvoorbeeld het op kleine schaal snijden en lassen van componenten (figuur 2). Het veranderen van de oppervlaktestructuur op micro-schaal (lasertextureren) is een ander belangrijk toepassingsdomein. Hierbij wordt d.m.v. een kort-gepulste laser, materiaal lokaal verwijderd om zo bijvoorbeeld minuscule kuiltjes die dienst doen als oliereservoirs te creëren met als doel de smering te verbeteren (figuur 2). Zeer korte interactietijden die vereist zijn om een hoge nauwkeurigheid te bekomen zijn momenteel mogelijk met gepulste lasers met nano- (10-9 s) tot zelfs femtoseconden (10-15 s) pulsduur. Naast het produceren van componenten door materiaal weg te nemen, kunnen componenten ook vervaardigd worden door materiaal toe te voegen ( Rapid Prototyping ). Bij Rapid 2/2008 Het Ingenieursblad 3
Figuur 1: Industriële lasertoepassingen wereldwijd in 2006 [1]. Lasersnijden van metalen is momenteel veruit het meest ingeburgerde industrieel proces waarbij hoogvermogen lasers (> 1 kw uitgangsvermogen) gebruikt worden. In dit artikel zal dieper ingegaan worden op andere bewerkingen die mogelijk zijn met hoogvermogen lasers, namelijk het lassen, harden en oplassen om zo de grote flexibiliteit van lasertechnologie te illustreren. Het Lasercentrum Vlaanderen (Vlaamse Instelling voor Technologisch Onderzoek - VITO, Mol) heeft meer dan 15 jaar ervaring in deze domeinen. Eerst zullen kort de basisprincipes die aan de basis van deze processen liggen toegelicht worden. Figuur 2: Voorbeelden van toepassingen met laag-vermogen lasers: 2a) Snijden medische stent 2 mm buisdiameter [2] 2b) Lassen titanium oorimplantaat 2c) Textureren dimpel diameter 0.075 mm (bron: MLPC) a b Gamma aan laserbronnen Laserlicht heeft enkele interessante eigenschappen die het onderscheidt van gewoon licht zoals dit van een gloeilamp. Laserlicht is monochromatisch, d.w.z. het heeft maar één golflengte. Daarnaast sturen lasers een relatief smalle bundel licht uit in een bepaalde richting. Een derde eigenschap van laserlicht is dat het coherent is: alle stralen zijn in fase in plaats en tijd. Een belangrijk gevolg van deze karakteristieken is dat een laserbron veel energie kan uitsturen over een klein oppervlak, wat het een efficiënt werktuig maakt. Laserlicht kan op verschillende manieren geproduceerd worden (zie kaderstuk opwekken van laserlicht). Men kan een indeling maken tussen de verschillende lasers naargelang: het medium waarin het licht wordt opgewekt: gas-, vaste stof- en vloeistoflaser de golflengte van het licht: infrarood, zichtbaar of ultraviolet de uitgang: continue en gepulste lasers het vermogen: laag, middelmatig of hoog Voor hoogvermogen toepassingen onderscheiden we de CO 2 gaslaser en de vaste stof Nd:YAG (Neodymium Yttrium Aluminum Garnet)-, diode-, fiber- en schijflasers waarbij de relatief oude CO 2 laser momenteel nog steeds hét werkpaard is voor materiaalbewerking. De golflengte van CO 2 laserlicht is 10,6 µm, wat in het midden-infrarode gebied is. Dit is een grootte orde groter dan het licht van de Nd: YAG-, diode-, fiber- en schijflaser die licht met een golflengte van de orde van 1 µm uitsturen. De golflengte van het laserlicht heeft bij materiaalbewerking een grote impact op de nauwkeu- c Prototyping processen kunnen complexe driedimensionale componenten vervaardigd worden door opeenvolgend dunne lagen vloeistof, poeder of plaatmateriaal laag na laag met elkaar te verbinden. Selectief Laser Sinteren is een voorbeeld van zo n proces waarbij lasers gebruikt worden als warmtebron om poederdeeltjes aan elkaar te binden. Figuur 3: Typische waarden voor laservermogensdichtheid en interactietijd bij verschillende materiaalbewerkingen [4]. Het Ingenieursblad 2/2008
Opwekken van laserlicht Laser is de afkorting van Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Gestimuleerde emissie treedt op wanneer deeltjes (atomen of molecule) zich in een geëxciteerde toestand bevinden. Indien deze deeltjes reageren met licht (= fotonen) waarvan de energie overeenkomt met het verschil tussen deze geëxciteerde toestand en een lager niveau kunnen de deeltjes gestimuleerd worden om op dit lager niveau terug te vallen. Vermits het invallend foton niet wordt opgenomen betekent dit dat er na deze interactie twee fotonen worden uitgestraald: het niet geabsorbeerd invallend foton en het nieuwe foton dat ontstaan is door het terugvallen van het geëxciteerd deeltje. Deze interactie wordt teweeggebracht door een extern invallend foton en wordt gestimuleerde emissie genoemd. Deze interactie versterkt dus de intensiteit van het invallende licht. Treft het uitgezonden foton een elektron in een ander atoom in dezelfde aangeslagen toestand, dan zal ook dit elektron terugvallen, onder uitzending van een foton dat dan in de pas loopt met het eerste. Kan men dus een verzameling deeltjes krijgen waarin het merendeel van de elektronen in de hoge-energietoestand is, (populatieinversie) dan is het mogelijk om die elektronen collectief te laten terugvallen naar de grondtoestand onder het uitzenden van een sterke lichtpuls, die bovendien, doordat de fotonen in fase zijn, allemaal in de pas lopen en daarnaast nog eens allemaal dezelfde golflengte hebben (monochromatisch), namelijk overeenkomend met het energieverschil tussen de elektronenbanen. Om de ontlading op te wekken laat men het licht heen en weer kaatsen in een trilholte tussen twee exact parallelle spiegels die een heel aantal golflengten uit elkaar staan. De populatie-inversie wordt opgewekt door van buiten af energie in het stelsel te pompen, bijvoorbeeld door het met licht met een andere golflengte te bestralen, door er stroom doorheen te laten lopen of door een chemische reactie. Het resultaat is een sterke coherente bundel licht die uit de trilholte kan ontsnappen door een van de spiegels in de lasercaviteit gedeeltelijk doorlatend te maken. righeid en de efficiëntie (zie kaderstuk Interactie materie en licht). De golflengte bepaalt daarnaast ook de mobiliteit van het systeem: licht van een CO 2 -laser kan niet via een glasvezel getransporteerd worden terwijl dit wel kan voor de hierboven vermelde vaste stoflasers. Bij materiaalbewerking is de laservermogensdichtheid, die bepaald wordt door het vermogen van de laser en de diameter van de laserbundel, een belangrijke factor. Deze bepaalt immers samen met de interactietijd de warmte-invoer in het materiaal en dus of het materiaal lokaal verdampt, smelt of enkel opwarmt. Dit is geïllustreerd in figuur 3 voor verschillende materiaalbewerkingen. Voor het laserharden is de laagste vermogensdichtheid vereist aangezien het materiaal slechts tot onder het smeltpunt moet worden opgewarmd terwijl alle andere processen gepaard gaan met smelten en in sommige gevallen zelfs verdampen. De mate waarin laserlicht tot een smalle bundel kan gefocusseerd worden, wordt aangegeven door de straalkwaliteit van de laser. De relatief nieuwe fiber- en schijflaser hebben een zeer goede straalkwaliteit en kunnen dus tot een zeer fijne bundel gefocusseerd worden [3]. Zo zijn er fiberlasers op de markt die bij 10 kilowatt vermogen een bundel met een diameter van 200 µm kunnen uitsturen. Dit biedt de mogelijkheid de productiesnelheid te verhogen, dikkere platen te lassen of te snijden, een hogere nauwkeurigheid te bekomen en scheurgevoelige materialen succesvol te bewerken. Verbinden van metalen en kunststoffen Het laserlassen is een uiterst geschikt proces voor het verbinden van een breed gamma aan metalen zoals staal, aluminium, titanium, koper- en nikkellegeringen. De laser fungeert als warmtebron voor het aan elkaar smelten van de te verbinden metalen onderdelen. Er wordt in tegenstelling tot bij conventioneel lassen geen toevoegmateriaal gebruikt. De voordelen van het laserlassen zijn de hoge lassnelheid, smalle lassen, geringe warmte-inbreng met daaruit volgend een kleine warmtebeïnvloede zone en lage vervormingen. Het proces heeft met betrekking tot het verbinden van staal zijn deugdelijkheid al veelvuldig aangetoond (tailored blanks voor de automobielsector, carrosseriebouw, warmtewisselaars, ). Bijvoorbeeld, in een Volkswagen Golf auto wordt in totaal over een lengte van 70 meter staalplaat met elkaar verbonden via laserlassen. Doch de voor- Figuur 4: Hybride laserlassen van aluminium gietstuk-as verbinding (Bron: PCI) 2/2008 Het Ingenieursblad 5
worden. Door de combinatie te maken van een laser met een klassiek booglasproces zoals MIG/MAG (Metal Inert Gas/Metal Active Gas) kunnen dergelijke problemen vermeden worden. Bij MIG/MAG lassen wordt er tijdens het lassen continu een draad aangevoerd. Tussen deze draad en het werkstuk wordt de boog in stand gehouden terwijl het ontstane smeltbad wordt beschermd door een beschermgas. Figuur 5: Schematische voorstelling van het hybride laserlasproces (Bron: Fronius). delen van het proces kunnen in een aantal industriële toepassingen niet ten volle benut worden. Eén van de belangrijkste redenen hiervoor is dat er relatief hoge eisen gesteld worden aan de maattoleranties op de te verlassen onderdelen bij het laserlassen. Dit zal vaak een belemmering zijn voor het inzetten van de techniek voor het verbinden van grote componenten (tank- of ketelbouw, constructie, buisverbindingen, ) waar dergelijke hoge eisen aan de maattoleranties niet kunnen gehaald Het hybride laser-mig/mag lassen combineert de snelheid en de productiviteit van de laser met de robuustheid van het MIG/MAG-proces terwijl de nadelen van beide processen worden geëlimineerd. Sterker nog: wanneer de beide lasprocessen met elkaar interageren krijgt men een stabieler en dus sneller proces in vergelijking met het laserlassen, en a fortiori met het MIG-lassen. Bovendien kent hybride laserlassen een hogere energetische efficiëntie dan het conventioneel laserlassen, en er kan (duur) laservermogen bespaard worden bij de aanschaf Het hybride laserlassen kent echter ook zijn beperkingen: relatief hoge investeringskosten en alleen gemechaniseerd toe te passen. In figuur 6 is het verschil tussen laserlassen, hybride lassen en conventioneel MAG booglassen geïllustreerd. Door de lage warmte-inbreng bij laserlassen is de grootte Interactie materie en licht In onderstaande figuur staat de interactie tussen materie en licht schematisch geïllustreerd: een deel wordt door een materiaal doorgelaten, geabsorbeerd, verstrooid en gereflecteerd. 1 A + R + T + V A R: Reflectie A: Absorptie T: Transmissie V: Verstrooiing Absorptie van laserlicht door verschillende materialen als functie van de golflengte. 0 R V 0 d De fractie van deze verschillende bijdrages is niet alleen afhankelijk van het materiaal dat bestraald wordt maar ook van de golflengte van het laserlicht. Zoals bijgaande illustratie aangeeft varieert de absorptie van het laserlicht zeer sterk. Zo is glas een goede beveiliging voor CO 2 laserlicht maar heeft het nauwelijks effect op laserlicht afkomstig van de diode- of Nd:YAG laser. In de praktijk betekent dit dat glas geen beveiliging biedt tegenover licht van deze laatste lasers maar dat anderzijds het licht ervan kan geleid worden door glasvezels. Warmte in aluminium of koper brengen (bv. voor het lassen) gaat zeer slecht met de CO 2 laser, maar beter met de Nd:YAG of diode laser. IJzer daarentegen neemt meer licht op van een CO 2 laser, zodat deze laser efficiënter inzetbaar is voor ijzer en staal. A Het absorptiegedrag van kunststoffen is volkomen verschillend van deze van metalen. In onderstaande figuur staat het typisch verloop van de fractie licht die door transparante thermoplastische kunststoffen wordt doorgelaten. Om deze kunststoffen met elkaar te kunnen verbinden via laserlassen met een diodelaser, zal tussen de kunststoffen een absorberende laag moeten aangebracht worden of moet aan één van de twee te verbinden onderdelen absorberende vulstoffen toegevoegd worden. Transmisxie (%) 100 60 20 eximeer diode YAG CO 2 0,1 1 10 μm Transmissie van laserlicht bij transparante thermoplastische kunststoffen als functie van de golflengte van het laserlicht. 6 Het Ingenieursblad 2/2008
Figuur 6: Microstructuur van lassen in 1.4 mm dikke staalplaat na verschillende lasprocessen [5]. van kunststoffen kan op zeer veel bijval rekenen in de industrie doordat lasertechnologie een snelle en schone technologie is die weinig onderhoud vereist. De basisvereiste is het smelten van de kunststoffen. Materialen die niet smelten, zoals rubbers en thermoharders (bijvoorbeeld epoxyhars, bakeliet, ) kunnen niet lasergelast worden. Daarenboven, als men twee niet-identieke thermoplastische materialen wil lassen, dan dienen die compatibel te zijn wat betreft hun smeltpunt. Zo moet de temperatuur waarbij de ene kunststof verdampt of verbrandt, hoger zijn dan de smelttemperatuur van de andere kunststof. Ook moeten deze kunststoffen chemisch compatibel zijn, wat er op neerkomt dat ze mengbaar dienen te zijn in de gesmolten toestand. Slecht een beperkt aantal materiaalcombinaties is onderling lasbaar, meestal deze die enige chemische gelijkenis vertonen. Als men spreekt over laserlassen van polymeren bedoelt men meestal transmissielaserlassen. Bij transmissielaserlassen zal de laserstraal weinig of niet geabsorbeerd worden door het bovenste materiaal, maar wel door het onderste. Aan het grensvlak tussen beide materialen wordt het laserlicht geabsorbeerd en omgezet in warmte. Hierdoor smelten beide materialen ter hoogte Figuur 7: Schematische voorstelling van transmissielassen van kunststoffen (boven) ; lasergelast transparant GSM-frontje. van de las en van de warmte-beïnvloede zone naast de las duidelijk het kleinste terwijl die bij het MAG booglasproces het grootste is. Hybride laserlassen is geschikt voor het verbinden van zowel staal als aluminium. Bij conventionele lastechnieken worden vaak strenge eisen opgelegd aan de warmtehuishouding bij het lassen van geavanceerde staalsoorten (hoge sterkte staalsoorten, geavanceerde roestvaste staalsoorten ), wat een beperking vormt voor het gebruik en de ontwikkeling van deze stalen met veelbelovende sterkte- en/of corrosie-eigenschappen. De karakteristieken van het hybride laserlasproces laten daarentegen toe om deze materialen op een efficiënte manier te verbinden. Bij het lassen van aluminium is een beperkte warmte-inbreng eveneens essentieel, vermits warmte gepaard gaat met een verlies aan mechanische eigenschappen. Door de beperkte warmte-inbreng zal het hybride laserlassen dus ook voor aluminium een zeer efficiënt lasproces zijn. In de scheepvaart wordt hybride laserlassen reeds in productie toegepast. Naast metalen kunnen ook kunststoffen met elkaar verbonden worden d.m.v. laserlassen. Hiervoor zijn niet de hoge vermogens vereist als bij metalen. Het laserlassen Figuur 8: Laserharden met diodelaser. 2/2008 Het Ingenieursblad 7
Figuur 9: Toepassing van laserharden: Lokaal lasergeharde (blauwachtig spoor) injectiematrijs (Bron: LBBZ). Terwijl vroeger vaak roet gebruikt werd om de bodemlaag absorberend te maken, is er tegenwoordig een aantal pigmenten in verschillende kleuren beschikbaar die deze taak kunnen overnemen. Daardoor zal het toepassingsgebied van laserlassen alleen maar uitbreiden. Laserlassen van kunststoffen kan onder meer een voordeel zijn voor toepassingen zoals waterdicht textiel, airbags, meubilair enz. Naast transmissielaserlassen bestaat ook nog direct laserlassen (butt welding), waarbij de uiteinden van de te lassen materialen tegen elkaar gedrukt en vervolgens bestraald worden. Deze techniek heeft echter zijn beperkingen aangezien het enkel toepasbaar is bij minder dikke componenten. Figuur 10: Principe van het laseroplasproces waarbij poeder in een transportgas coaxiaal met de laser wordt toegevoerd. van het grensvlak, waardoor daar na afkoeling een lasnaad ontstaat. Als geen van de te verbinden kunststoffen het laserlicht absorbeert, kan men gebruikmaken van een absorberende film die men aanbrengt tussen beide materialen. De absorberende film zet dan de laserstraling om in warmte waardoor de kunststofmaterialen smelten en er een las kan gevormd worden. Harden van stalen en gietijzeren machinecomponenten Laserharden wordt voornamelijk toegepast op staal en gietijzer met een koolstofpercentage van circa 0.2 tot 1.5%. De bewegende laserstraal warmt het materiaal op tot circa 1050 C-1300 C. In dit temperatuursgebied zijn de atomen volgens het kubisch vlakgecentreerde atoomrooster gestapeld. Deze structuur noemt men austeniet. De temperatuur tot waar wordt opgewarmd is aanmerkelijk hoger dan bij normaal harden. De dosering van de warmte is echter exact en de opwarmtijd zeer kort, waardoor de geringe warmte-inbreng geen oververhitting teweegbrengt en de vervorming beperkt blijft. Het harden gebeurt vervolgens, zoals bij conventioneel harden, door de snelle afkoeling van het materiaal. Bij trage afkoeling zou het austeniet transformeren tot een tweefazige structuur bestaande uit koolstof-arm ferriet en koolstof-rijk cementiet (Fe3C). Bij snelle afkoeling vanuit austeniet is er geen tijd voor koolstofdiffusie en dus geen tijd om cementiet te vormen. De fase die dan ontstaat noemt men martensiet. Bij een martensitische structuur zijn de ijzeratomen kubisch ruimtelijk gecentreerd (krg), zoals bij ferriet, maar wegens de koolstofatomen op de assen zijn de roosterparameters ongelijk dus tetragonaal ruimtelijk gecentreerd. Deze metastabiele fase is veel harder en sleetbestendiger dan niet-warmtebehandeld staal en gietijzer. De bewegingssnelheid van de laser is procesen productafhankelijk en kan oplopen tot 120 mm/min bij een hardingsdiepte van circa 1 mm. Door de zeer hoge opwarm- en afschriksnelheden en de afwezigheid van een ontlaatbehandeling, ligt de oppervlaktehardheid van lasergeharde staalsoorten hoger dan bij conventionele hardingsprocessen. De breedte van het hardingsspoor wordt bepaald door de breedte van de laserbundel. Door de laserbundel via aangepaste optieken tot op het werkstuk te brengen, kan de grootte van de laserbundel en dus van het gehard spoor gewijzigd worden tussen typisch 2-50 mm. Grotere oppervlakken kunnen gehard worden door meerdere laserbanen met een bepaalde overlap naast elkaar te plaatsen of door gebruik te maken van een aangepaste opstelling waarmee de breedte van het spoor kan gevarieerd worden d.m.v. bewegende spiegels ( scanning optiek ). Om een homogeen hardingsprofiel te bekomen, wordt tijdens het harden het laservermogen bijgestuurd a.h.v. het signaal van een pyrometer. 8 Het Ingenieursblad 2/2008
Enkele praktijkvoorbeelden zijn het lokaal harden van snijgereedschappen, injectiematrijzen, plooigereedschap, drijfassen, tandwielnaven, nokken, Voordelen van laserharden ten opzichte van conventionele hardingstechnieken als vlamharden en inductieharden zijn: Het afkoelen vindt plaats door warmtegeleiding naar het koude basismateriaal ( self-quenching ). Er is dus geen water of olie nodig De warmte-inbreng is goed controleerbaar, waardoor de thermische vervorming van het product gering is Er kunnen hogere hardheden bereikt worden Zeer lokaal harden en harden op moeilijk bereikbare plaatsen (bijvoorbeeld in matrijzen) is mogelijk. a Figuur 11: Illustratie van laseroplassen. (a): Doorsnede van Ni + WC deklaag aangebracht op stalen substraat. (b): Opgelaste kleppen. Herstellen en aanbrengen van deklagen De functionaliteit van moderne componenten kan vaak verbeterd worden door materialen met verschillende eigenschappen te combineren. Zo kan het bulkmateriaal van de component gekozen worden i.f.v. de vereiste stijfheid, sterkte, bewerkbaarheid en kost. Het oppervlak van deze component kan dan gewijzigd worden om te voldoen aan bijkomende eisen op vlak van slijtage, corrosie, magnetische eigenschappen, Een mogelijk proces om het oppervlak van componenten te wijzigen is laseroplassen. Bij dit proces wordt toevoegmateriaal onder de vorm van poeder of draad ter hoogte van een substraat gesmolten door een laser zodat daar een dikke deklaag (typisch 0.2-1 mm dik) ontstaat (zie figuur 10). Laseroplassen wordt vaak gebuikt in sectoren zoals de petrochemie, lucht- en ruimtevaart, machine- en matrijzenbouw, transport, voor: b Vergelijking tussen klassiek oplassen, laseroplassen en thermisch spuiten Oppervlaktebehandelingen kunnen in twee groepen onderverdeeld worden: processen die dunne (< 10 µm) of dikke (10 µm 10 mm) deklagen produceren. Dikke deklagen worden vaak verkozen indien de performantie van de deklaag moet gegarandeerd blijven gedurende de volledige levensduur van de component. In onderstaande tabel is laseroplassen vergeleken met twee andere belangrijke processen waarna een dikke deklaag bekomen wordt. Klassiek oplassen Laseroplassen Thermisch spuiten Ontwerpaspecten: Opmenging met substraat 5-60% 5-10% Geen Warmtetoevoer Laag - hoog Laag en lokaal Zeer laag Restspanningen Hoog Laag Laag (in de deklaag) Hechting Hoog (metallilsch) Hoog (metallilsch) Laag (mechanisch) Porositeit -0-0 0.5-20% Eindbewerking Ja Ja Ja Productiesnelheid 0.5 10 kg/h 0.2 7 kg/h 0.5 7 kg/h Dikte basismateriaal > 5 mm > 1 mm > 0.5 mm Laagdikte 1 10 mm 0.1 2 mm 0.1 2 mm Materialen Metallisch Keramisch 2/2008 Het Ingenieursblad 9
Herstelling van beschadigde machineonderdelen zoals turbineschoepen, matrijzen, onderdelen van sluisdeuren, motoren,.. Aanbrengen van een deklaag ter verhoging van de slijtage- en/of corrosieweerstand van bestaande metallische componenten zoals extrusieschroeven, snijbladen, turbineschoepen, pompen, kleppen, walsrollen, boorpijpen uit de petrochemische industrie De meeste activiteiten hebben zich toegespitst op het behandelen van stalen substraten aangezien in veel gevallen de bedoeling is de oppervlakte eigenschappen van relatief goedkope componenten te verbeteren. De aard van het toevoegmateriaal is volledig gestuurd door de functie die de component dient te vervullen. De meest gebruikte toevoegmaterialen bij laseroplassen zijn metalen zoals titanium-, nikkel-, kobalt- en staallegeringen en metaal-keramiek mengsels ( metaalmatrixcomposiet MMC materialen ). Deze laatste bestaan uit een metallische matrix waarin tot typisch 50 volume percent keramische deeltjes aanwezig zijn. MMCs worden reeds geruime tijd als bulkmateriaal gebruikt in sectoren zoals de luchtvaart, automobiel en electronica. Het gebruik van MMC deklagen in plaats van bulkmaterialen heeft in bepaalde gevallen als voordelen dat de kost lager is en dat de goede taaiheid van het bulkmateriaal behouden blijft. Een veelgebruikt keramisch materiaal in MMCs is wolfraamcarbide, welke een hardheid heeft die meer dan drie keer hoger is dan die van gehard staal. Zulke MMC deklagen zijn dankzij de combinatie van harde deeltjes in een taaie metallische matrix zoals nikkel of kobalt uitermate geschikt voor het verhogen van de slijtageweerstand [6]. De troeven van het laseroplassen zijn de sterke metallurgische binding tussen deklaag en substraat, de lage opmenging met het substraat, lage porositeit in de deklaag, de lage warmtetoevoer, lage thermische spanningen en de hoge resulterende dichtheid (zie inzetstuk 3). Deze karakteristieken maken dat laseroplassen uitermate geschikt is voor hoogwaardige producten die moeten voldoen aan strenge eisen wat betreft nauwkeurigheid en functionele eigenschappen zoals mechanische sterkte en corrosieweerstand. Referenties [1] D.A. Belforte, Markets keep getting better, Industrial Laser Solutions for Manufacturing, 8-13, January 2007. [2] A. Hoult, Gaining momentum, Industrial Laser Solutions for Manufacturing, 19-21, January 2006 [3] E. Steiger, What is the best choice for laser material processing rod, disk, slab or fiber?, Proceedings ICALEO 2007 conferentie, 71-76 (2007). [4] J. Meijer, Laser beam machining, state of the art and new opportunities, Journal of Materials Processing Technology 149, 2-17 (2004). [5] J. Verwimp, J. Gedopt, E. Geerinckx, W. Van Haver, A. Dhooge, D. Criel, Hybrid laser welding of dual phase steel DP600: microstructural and mechanical properties, Proceedings ICALEO 2007, 325-334 (2007). [6] K. Van Acker, D. Vanhoyweghen, R. Persoons and J. Vangrunderbeek, Influence of tungsten carbide particle size and distribution on the wear resistance of laser clad WC/Ni coatings, Wear 258 (1-4), 194-202 (2004). De auteurs Marleen ROMBOUTS is burgerlijk metaalkundig ingenieur (KUL 2001) en behaalde in 2006 haar doctoraat ( Selective Laser Melting of iron based powders ). Ze is onderzoeker in het expertisecentrum Materialen van de Vlaamse Instelling voor Technologisch Onderzoek te Mol. Haar voornaamste activiteit in het Lasercentrum Vlaanderen is laseroppervlaktebehandeling. e-mail: Marleen.Rombouts@vito.be Jo VERWIMP is burgerlijk metaalkundig ingenieur (RUG 1997) en onderzoeker in het expertisecentrum Materialen van de Vlaamse Instelling voor Technologisch Onderzoek te Mol. Zijn voornaamste activiteit is het laserlassen van aluminium- en staallegeringen in het Lasercentrum Vlaanderen. e-mail: jo.verwimp@vito.be Jan GEDOPT is burgerlijk metaalkundig ingenieur (RUG 1975) en projectverant-woordelijke in het expertisecentrum Materialen van de Vlaamse Instelling voor Technologisch Onderzoek te Mol en is meer dan 10 jaar actief op gebied van lasertechnologie in het Lasercentrum Vlaanderen. Jan Gedopt is tevens technologisch adviseur op gebied van lasertechnologie. e-mail: jan.gedopt@vito.be Filip MOTMANS is doctor in de scheikunde (LUC 2004) en projectverantwoordelijke in het expertisecentrum Materialen van de Vlaamse Instelling voor Technologisch Onderzoek in Mol. Hij houdt zich binnen het Lasercentrum Vlaanderen voornamelijk bezig met laserbewerkingen van kunststoffen. e-mail: Filip.motmans@vito.be Rosita PERSOONS is doctor in de fysica (RUG 1990) en projectverantwoordelijke in het expertisecentrum Materialen van de Vlaamse Instelling voor Technologisch Onderzoek in Mol. Zij is verantwoordelijk voor laseroppervlaktebehandeling en materiaalkarakterisering. e-mail: Rosita.Persoons@vito.be n 10 Het Ingenieursblad 2/2008