In 1974 introduceerde Gnanamuthu van ACVO EVERETT RES LAB INC in de Verenigde Staten de eerste octrooi op lasercladding (US3952180A), die het begin markeerde van fundamenteel onderzoek naar lasercladdingtechnologie. Door de beperkingen van de lasertechnologie verliep de industriële ontwikkeling van lasercladding echter lange tijd traag. Pas in de 21e eeuw, met de volwassenheid van de high-power lasertechnologie, werd de industrialisatie van lasercladding een feit. laserbekleding technologie begon te versnellen.

Lasercladdingtechnologie biedt tal van voordelen, zoals geringe verdunning, minimale warmte-inbreng en veelzijdigheid van het materiaal. Na verloop van tijd zijn verschillende soorten laserbekleding Er zijn technologieën ontwikkeld die op grote schaal worden toegepast op gebieden als additieve fabricage, herfabricage en oppervlaktetechniek. De gebruikelijke soorten laserbekleding technologieën kunnen worden geclassificeerd op basis van het materiaaltype en de koppelingsvorm van de laserstraal en het materiaal. Deze omvatten coaxiale poederlasercladding, off-axis poeder lasercladding (ook bekend als laterale poedertoevoer lasercladding), lasercladden met hoge snelheid (ook bekend als ultra-high-speed laser cladding), en hogesnelheidsdraadlasercladden.

Coaxiale poederlaserbekleding

Coaxiale poederlasercladding maakt meestal gebruik van een halfgeleider fiberlaser en een schijfvormige poederdoseerder met luchttoevoer. De claddingkop maakt gebruik van een cirkelvormige lichtspot met een centrale uitgang, waarbij het poeder rond de laserstraal of in meerdere stromen wordt toegevoerd. Er wordt een speciaal beschermend gaskanaal opgezet om ervoor te zorgen dat de poederstroom, de laserstraal en de beschermende gasstroom op één punt samenkomen. Dit vormt een smeltbad in het brandpunt en als de claddingkop ten opzichte van het werkstuk beweegt, wordt de claddinglaag op het oppervlak gevormd.

Voordelen van coaxiale poederlasercladding:

• Hoge vrijheid, eenvoudige automatisering: Omdat het cladden in elke richting kan gebeuren, is het proces eenvoudig te automatiseren. De claddingkop kan vrij bewegen over elk deel van het werkstuk, waardoor oppervlaktecladding van onderdelen met complexe vormen mogelijk is. Bij gebruik als 3D printkop, coaxiale poederlasercladding kan uitvoeren 3D laserprinten.
• Bescherming met inert gas voor de gesmolten pool: Het poeder wordt gedragen door gas en beschermd door inert gas, waardoor oxidatie tot een minimum wordt beperkt. Het cladproces in een gecontroleerde inerte atmosfeer zorgt voor een coating van hogere kwaliteit met minder oxiden.
• Kleine gesmolten pool, uniforme verwarming, goede barstweerstand: De coaxiale poederlasercladding proces zorgt voor een gelijkmatige verwarming van het poeder, wat resulteert in een kleiner smeltbad. Hierdoor is de bekledingslaag bestand tegen barsten, zelfs bij het werken met taaie materialen zoals wolfraamcarbide.

Toepassingen: Coaxiale poederlasercladding wordt vaak gebruikt voor precisieonderdelen zoals assen, tandwielen, behuizingen en complex gevormde onderdelen voor oppervlaktemodificatie en additieve herfabricage. In metaal 3D printen, Het wordt vaak gebruikt voor het vormen van grote delen in de buurt van netten en het prepareren van verloopmaterialen.

Poederlassen buiten de as

Off-axis poederlasercladden (ook bekend als laterale poederaanvoer lasercladding) maakt meestal gebruik van een halfgeleiderlaser met directe output of een halfgeleider fiberlaser met een zwaartekrachtpoederaanvoer. De claddingkop maakt gebruik van een rechthoekige lichtspot met laterale breedband poederaanvoer. Tijdens het proces wordt legeringspoeder op het oppervlak van het werkstuk gebracht, waar het door de laserstraal wordt gescand om een smeltbad te vormen, dat afkoelt om de claddinglaag te vormen.

Voordelen van poederlassen buiten de as:

• Hoog materiaalgebruik: Vergeleken met coaxiale poederlasercladding, het materiaalgebruik van off-axis poeder lasercladding kan meer dan 95% bereiken. Het poeder wordt vooraf gepositioneerd op het werkstuk en de laserstraal smelt het zonder poeder te verspillen, zoals vaak het geval is bij coaxiale voedingsmethoden.
• Hogere bekledingsefficiëntie: Door een rechthoekige lichtspot te gebruiken, verhoogt deze methode de claddingefficiëntie. Met een hoger laservermogen en een grotere spotbreedte kunnen claddingbreedtes tot 30 mm worden bereikt, met een claddingrendement tot 1m/u of 12kg/u.
• Geen inert gasverbruik: Off-axis poederlasercladden maakt gebruik van poedertoevoer door zwaartekracht en vereist geen gebruik van inert gas, waardoor materiaalkosten worden bespaard. De techniek vereist echter wel perslucht en is mogelijk niet zo effectief voor materialen die gevoelig zijn voor oxidatie.

Toepassingen: Deze techniek wordt meestal toegepast op grotere, eenvoudigere onderdelen zoals hydraulische cilinders, rollen en andere grote onderdelen bij oppervlaktebeplating en additieve herfabricage.

Lasercladding met ultrahoge snelheid

Ontwikkeld door het Fraunhofer Instituut voor Lasertechnologie (Fraunhofer ILT) in Duitsland, lasercladding met ultrahoge snelheid is een baanbrekende technologie die sinds 2017 in China wordt gepromoot. Deze technologie maakt gebruik van vezellasers van hoge kwaliteit en nauwkeurig ontworpen high-speed lasercladdingkoppen in combinatie met high-speed of high-speed bewegingssystemen. De laserstraal en de poederstroom zijn nauwkeurig gekoppeld, waardoor het poeder smelt voordat het in het smeltbad komt. 200 meter per minuut, vergeleken met traditionele snelheden van 2 meter per minuut.

Voordelen van Ultra-High-Speed Laser Cladding:

• Hoge efficiëntie van laserenergiegebruik: Het ontwerp van de laserstraal, de poederstroom en de koppeling met inert gas vermindert reflectie- en verstrooiingsverliezen aanzienlijk, waardoor de energie-efficiëntie verbetert. Terwijl traditionele laserbekleding technologieën zoals coaxiale en off-axis methoden hebben een energiegebruik van ongeveer 35%, lasercladding met ultrahoge snelheid bereikt een energiegebruik van ongeveer 65%.
• Hoge bekledingsefficiëntie: Vanwege de hogere energie-efficiëntie, lasercladding met ultrahoge snelheid maakt extreem hoge claddensnelheden en dunne lagen mogelijk, wat leidt tot een zeer hoge claddingefficiëntie (tot 0,7 m/s of meer).
• Laag verdunningspercentage: De korte tijd dat het smeltbad bestaat door de hoge scansnelheid resulteert in een lage verdunningssnelheid, waardoor de kwaliteit van de claddinglaag gewaarborgd blijft.
• Goede oppervlakteruwheid en scheurvastheid: De bekleding die met deze technologie wordt geproduceerd heeft een lage ruwheid en is uitstekend bestand tegen scheuren.

Toepassingen: Ultrahigh-speed lasercladding is ideaal voor het met hoge verwerkingscapaciteit bekleden van grote onderdelen en onderdelen die een minimale verdunning vereisen, zoals voor oppervlaktebescherming in nieuwe onderdelen of hoogwaardige coatings voor bestaande onderdelen.

Draadlaseren met hoge snelheid

De hogesnelheidsdraadlasercladden technologie is een lasercladdingtechniek van de volgende generatie die is ontwikkeld om tegemoet te komen aan de marktvraag naar milieuvriendelijke, zeer efficiënte en hoogwaardige productie. Deze technologie maakt gebruik van zeer nauwkeurige draadaanvoersystemen met fiberlasers om te cladden met metaaldraad als aanvoermateriaal.

Voordelen van high-speed draadlasercladden:

• Milieuvriendelijk: In tegenstelling tot traditionele lasercladding op poederbasis, hogesnelheidsdraadlasercladden genereert geen stof, dampen of metaalpoederafval en is dus milieuvriendelijker.
• Hoog materiaalgebruik: Metaaldraad wordt volledig gesmolten en vormt de bekledingslaag zonder morsen of afval, waardoor materiaalgebruikspercentages tot 99% worden bereikt.
• Hoge bekledingsefficiëntie: Dankzij het voorverwarmen van de draad is er aanzienlijk minder energie en tijd nodig om het materiaal te smelten, wat resulteert in een hogere claddingefficiëntie in vergelijking met traditioneel poederlasercladden.
• Lage warmte-inbreng, minimale vervorming: Deze methode vereist minder energie en biedt een lagere warmte-inbreng, waardoor de vervorming van het werkstuk tot een minimum wordt beperkt. De technologie is ideaal voor kwetsbare onderdelen zoals dunwandige of langwerpige onderdelen.

Toepassingen: Snelle draadlasercladding wordt veel gebruikt voor oppervlaktebescherming, additieve herfabricage en bekleding van onderdelen die gevoelig zijn voor vervorming, zoals lange assen of dunwandige onderdelen.

Conclusie

De evolutie van laserbekleding technologieën, van traditionele tot ultrasnelle methoden, heeft de industriële productiemogelijkheden aanzienlijk verbeterd. Deze vooruitgang in laserbekleding bieden een hoog materiaalgebruik, verbeterde efficiëntie en milieuvriendelijke processen, waardoor ze ideaal zijn voor diverse toepassingen in industrieën zoals ruimtevaart, auto's en zware machines.

Laserbekleding technologie blijft zich ontwikkelen en zal een steeds grotere rol gaan spelen in de ontwikkeling van geavanceerde fabricage, met aanzienlijke economische en milieuvoordelen. Naarmate de technologie breder wordt toegepast, zal het een revolutie teweegbrengen in de manier waarop industrieën oppervlaktebehandeling en additive manufacturing benaderen en een krachtig hulpmiddel bieden voor moderne productiebehoeften.