V roce 1974 Gnanamuthu z ACVO EVERETT RES LAB INC ve Spojených státech představil první patent na laserové plátování (US3952180A), což znamenalo začátek základního výzkumu technologie laserového pláště. Vzhledem k omezením laserové technologie byl však průmyslový vývoj laserového plátování dlouhou dobu pomalý. Teprve ve 21. století, kdy dozrála technologie vysoce výkonných laserů, se podařilo industrializovat laserové opláštění technologie se začala zrychlovat.

Technologie laserového plátování nabízí řadu výhod, jako je nízké ředění, minimální tepelný příkon a univerzálnost materiálu. V průběhu času se různé typy laserové opláštění byly vyvinuty technologie, které se široce uplatňují v oblastech, jako je aditivní výroba, repasování a povrchové inženýrství. Běžné typy laserové opláštění technologie lze rozdělit podle typu materiálu a formy spojení laserového paprsku a materiálu. Patří sem koaxiální práškové laserové plátování, mimoosé práškové laserové plátování (známé také jako boční laserové plátování s podáváním prášku), vysokorychlostní laserové navařování (známý také jako ultrarychlý laserový plášť) a vysokorychlostní laserové plátování drátem.

Koaxiální práškové laserové plátování

Koaxiální práškové laserové plátování obvykle používá polovodičový vláknový laser a kotoučový podavač prášku se vzduchovým přívodem. Plátovací hlava využívá kruhový světelný bod s centrálním výstupem, do kterého je prášek dodáván kolem laserového paprsku nebo ve více proudech. Speciální kanál ochranného plynu je nastaven tak, aby se proud prášku, laserový paprsek a proud ochranného plynu setkávaly v jednom bodě. Tím se v ohnisku vytvoří louže roztaveného materiálu, a jak se plátovací hlava pohybuje vzhledem k obrobku, vytváří se na povrchu plátovací vrstva.

Výhody koaxiálního práškového laserového plátování:

• Vysoká svoboda, snadná automatizace: Vzhledem k tomu, že obkládání lze provádět v libovolném směru, je snadné proces automatizovat. Plátovací hlava se může volně pohybovat po libovolné části obrobku, což umožňuje povrchové plátování dílů složitých tvarů. Při použití jako 3D tisková hlava, koaxiální práškové laserové plátování může provádět 3D laserový tisk.
• Ochrana roztaveného bazénu inertním plynem: Prášek je přenášen plynem a je chráněn inertním plynem, což minimalizuje oxidaci. Proces plátování v řízené inertní atmosféře zajišťuje kvalitnější povlak s menším množstvím oxidů.
• Malý bazén taveniny, rovnoměrný ohřev, dobrá odolnost proti prasklinám: Na koaxiální práškové laserové plátování proces zajišťuje rovnoměrné zahřívání prášku, což vede k menšímu množství roztavené lázně. Díky tomu je plátovací vrstva odolná proti praskání, a to i při práci s houževnatými materiály, jako je karbid wolframu.

Aplikace: Koaxiální práškové laserové plátování se běžně používá pro přesné díly, jako jsou hřídele, ozubená kola, pouzdra a složitě tvarované součásti, pro úpravu povrchu a aditivní repasování. V kovu 3D tisk, často se používá pro tvarování velkých částí blízkých síti a přípravu gradientních materiálů.

Laserové plátování práškem mimo osu

Práškové laserové plátování mimo osu (známý také jako laserové plátování s bočním podáváním prášku) obvykle používá polovodičový laser s přímým výstupem nebo polovodičový vláknový laser s gravitačním podavačem prášku. Plátovací hlava používá obdélníkový světelný bod s bočním širokopásmovým podáváním prášku. Během provozu je prášek slitiny dodáván na povrch obrobku, kde je skenován laserovým paprskem a vytváří roztavenou louži, která se ochlazuje a vytváří plátovací vrstvu.

Výhody mimoosého plátování práškovým laserem:

• Vysoké využití materiálu: V porovnání s koaxiální práškové laserové plátování, využití materiálu mimoosé práškové laserové plátování může dosáhnout více než 95%. Prášek je předem umístěn na obrobku a laserový paprsek jej roztaví, aniž by docházelo k plýtvání práškem, jak je tomu často u koaxiálních metod podávání.
• Vyšší účinnost opláštění: Použitím obdélníkového světelného bodu zvyšuje tato metoda účinnost opláštění. Při vyšším výkonu laseru a větší šířce skvrny lze dosáhnout šířky opláštění až 30 mm s účinností opláštění až 1 m/h nebo 12 kg/h.
• Žádná spotřeba inertního plynu: Práškové laserové plátování mimo osu využívá gravitační podávání prášku a nevyžaduje použití inertního plynu, což šetří náklady na materiál. Tato technika však vyžaduje stlačený vzduch a nemusí být tak účinná u materiálů náchylných k oxidaci.

Aplikace: Tato technika se obvykle používá u větších a jednodušších dílů, jako jsou hydraulické válce, válce a jiné velké díly, při povrchové úpravě a aditivní repasi.

Velmi rychlé laserové plátování

Vyvinul ho Fraunhoferův institut pro laserové technologie (Fraunhofer ILT) v Německu, ultrarychlé laserové plátování je průlomová technologie, která je v Číně propagována od roku 2017. Tato technologie využívá vysoce kvalitní vláknové lasery a přesně navržené vysokorychlostní laserové plátovací hlavy spolu s vysokorychlostními nebo vysokorychlostními pohybovými systémy. Laserový paprsek a tok prášku jsou přesně propojeny, což umožňuje roztavení prášku před vstupem do roztaveného bazénu, což vede k výrazně vyšší rychlosti plátování - až do 200 metrů za minutu, ve srovnání s tradiční rychlostí 2 metry za minutu.

Výhody vysokorychlostního laserového plátování:

• Vysoká účinnost využití energie laseru: Konstrukce laserového paprsku, toku prášku a spojení s inertním plynem výrazně snižuje ztráty odrazem a rozptylem, čímž se zvyšuje energetická účinnost. Zatímco tradiční laserové opláštění technologie jako koaxiální a mimoosé metody mají míru využití energie kolem 35%, ultrarychlé laserové plátování dosahuje míry využití energie přibližně 65%.
• Vysoká účinnost opláštění: Díky vyšší energetické účinnosti, ultrarychlé laserové plátování umožňuje extrémně vysoké rychlosti oplášťování a tenké vrstvy, což vede k velmi vysoké účinnosti oplášťování (až 0,7 m/s nebo více).
• Nízká míra ředění: Krátká doba existence roztavené lázně díky vysoké rychlosti skenování vede k nízké míře ředění, což zajišťuje kvalitu plášťové vrstvy.
• Dobrá drsnost povrchu a odolnost proti prasklinám: Obklad vyrobený touto technologií má nízkou drsnost a vynikající odolnost proti prasklinám.

Aplikace: Ultrarychlé laserové navařování je ideální pro vysoce výkonné pokovování velkých dílů a dílů vyžadujících minimální ředění, například pro povrchovou ochranu nových dílů nebo vysoce výkonné pokovování stávajících součástí.

Vysokorychlostní laserové plátování drátem

Ten/Ta/To vysokorychlostní laserové plátování drátem je laserová plátovací technika nové generace, která byla vyvinuta s cílem splnit požadavky trhu na ekologickou, vysoce účinnou a vysoce kvalitní výrobu. Tato technologie využívá vysoce přesné systémy podávání drátu s vláknovými lasery k provádění plátování s kovovým drátem jako podávaným materiálem.

Výhody vysokorychlostního laserového plátování drátem:

• Šetrné k životnímu prostředí: Na rozdíl od tradičního laserového plátování na bázi prášku, vysokorychlostní laserové plátování drátem nevytváří prach, výpary ani odpad z kovového prášku, takže je šetrnější k životnímu prostředí.
• Vysoké využití materiálu: Kovový drát se zcela roztaví a vytvoří plášťovou vrstvu bez rozlití nebo odpadu, čímž se dosáhne využití materiálu až 99%.
• Vysoká účinnost opláštění: Díky předehřevu drátu se výrazně snižuje energie a čas potřebný k roztavení materiálu, což vede k vyšší účinnosti plátování ve srovnání s tradičním plátováním práškovým laserem.
• Nízký příkon tepla, minimální deformace: Tato metoda vyžaduje méně energie a nabízí nižší příkon tepla, čímž se minimalizuje deformace obrobku. Tato technologie je ideální pro jemné součásti, jako jsou tenkostěnné nebo podlouhlé díly.

Aplikace: Vysokorychlostní laserové plátování drátem se široce používá pro ochranu povrchu, aditivní repasování a oplášťování dílů, které jsou náchylné k deformaci, jako jsou dlouhé hřídele nebo tenkostěnné součásti.

Závěr

Vývoj laserové opláštění technologií, od tradičních až po ultrarychlé metody, výrazně rozšířil možnosti průmyslové výroby. Tyto pokroky v laserové opláštění nabízejí vysoké využití materiálu, vyšší efektivitu a procesy šetrné k životnímu prostředí, takže jsou ideální pro různé aplikace v různých průmyslových odvětvích, jako je letectví, automobilový průmysl a těžké strojírenství.

Laserové opláštění technologie se neustále vyvíjí a bude hrát stále větší roli v rozvoji pokročilé výroby, což přináší značné ekonomické a environmentální výhody. S tím, jak se tato technologie bude rozšiřovat, bude znamenat revoluci v přístupu průmyslových odvětví k povrchovým úpravám a aditivní výrobě a poskytne výkonný nástroj pro potřeby moderní výroby.