Fraunhofer IWS presenteert laserondersteund coatingproces
Fraunhofer IWS heeft met Laser Direct Plating een nieuw lasergebaseerd coatingproces ontwikkeld voor slijtage- en corrosiebestendige lagen op onder meer hydraulische cilinders, proces- en walsrollen en glijlagers. Ook voor reparatiewerkzaamheden biedt de technologie een gerichte oplossing, doordat ontbrekend materiaal plaatselijk kan worden opgebouwd. Dat bespaart materiaal en verkort stilstand. Volgens Fraunhofer IWS kunnen metalen lagen met dit proces bovendien sneller, energiezuiniger en goedkoper worden aangebracht dan met bestaande technieken.
Fraunhofer IWS heeft het nieuwe proces Laser Direct Plating ontwikkeld, waarbij een functionele laag direct op het basiscomponent wordt aangebracht door een stripvormig metaal spiraalvormig om rotatiesymmetrische onderdelen te wikkelen en dit lokaal met laserenergie aan het substraat te verbinden. (foto’s: Christoph Wilsnack/Fraunhofer IWS)
Onderzoekers van Fraunhofer IWS hebben de nieuwe technologie ontwikkeld door stripvormig metaal spiraalvormig om rotatiesymmetrische componenten te wikkelen en dit met behulp van laserenergie lokaal metallurgisch met het substraat te verbinden. Laser Direct Plating combineert een minimale warmte-inbreng met een gedefinieerde omvormkracht. In tegenstelling tot laseroplassen smelt de coating niet over een groot oppervlak, maar blijft het materiaal grotendeels in de vaste fase.
Dat verlaagt de energiebehoefte, verhoogt de opbouwsnelheid en stabiliseert de laagkwaliteit over de volledige componentlengte. “We willen de gesmolten fase tot een minimum beperken of zelfs helemaal vermijden”, zegt Marko Seifert, hoofd van de afdeling Heat Treatment and Thermal Coating bij Fraunhofer IWS. “Met zeer weinig energie activeren we de contactzone en realiseren we dichte, uniforme coatings in aanzienlijk kortere procestijden.”
Werkingsprincipe
Direct plating is gericht op rotatiesymmetrische componenten. De strip wordt met constante snelheid toegevoerd, spiraalvormig om het substraat gewikkeld en tijdens het wikkelen verbonden. De laserstraling verwarmt de contactzone slechts kortstondig tot de benodigde verbindingstemperatuur. Door de combinatie van warmte en druk ontstaat een metallurgische verbinding. Daarmee onderscheidt het proces zich van laseroplassen, waarbij het coatingmateriaal continu wordt gesmolten. Laser Direct Plating vormt de functionele laag direct op het component.
Procesprestaties en laagkwaliteit
Stripsnelheden van meerdere meters per minuut maken hoge opbouwsnelheden mogelijk, tot in de orde van honderden kilogrammen per uur. Door de beperkte thermische belasting blijft de warmtebeïnvloede zone beperkt tot de directe verbindingslijn en blijft de microstructuur van het substraat behouden. Het oppervlak heeft een homogene, gewalste textuur, waardoor draaien, slijpen en polijsten veel minder nabewerking vragen. In een industriële referentietoepassing daalde de coatingtijd voor een hydraulische cilinder van ongeveer twintig uur naar circa zes uur. Afhankelijk van de configuratie kan de energiebehoefte met maximaal 90% afnemen.
Fraunhofer IWS heeft patent aangevraagd op Laser Direct Plating en een pilotsysteem gebouwd voor componenten tot twee meter lengte, waarin het proces volledig is afgeschermd.
Meerlagige opbouw
De spiraalvormige opbouw creëert gedefinieerde stompe naden, die in een aansluitende verbindingsstap worden afgedicht. Voor corrosiegevoelige toepassingen is een meerlagige opbouw gunstig, omdat vanaf de tweede laag gelijksoortige materialen aan elkaar worden verbonden en verdunning minimaal blijft. De gebruikelijke laagdikte varieert van één tot drie millimeter. Meerdere lagen kunnen uitgroeien tot een totale dikte van meerdere centimeters. Ook is plaatselijke opbouw over de lengte van het component mogelijk, zodat gerichte profilering kan worden gerealiseerd. Door per laag verschillende materialen toe te passen ontstaan multifunctionele coatings.
Toepassingen in productie en onderhoud
Laser Direct Plating verbetert slijt- en corrosiebestendige coatings voor hydraulische cilinders, proces- en walsrollen en glijlagers. Bij het reviseren van versleten rollen kan met het proces ontbrekend volume gericht worden opgebouwd. Dat bespaart materiaal en verkort stilstand. “We willen energie- en kostenefficiëntie bundelen binnen een robuust procesvenster”, voegt Seifert toe. “Dat vereenvoudigt de integratie in bestaande lijnen en levert reproduceerbare kwaliteit op, ook bij grote componenten.”
Arbeidsveiligheid en systeemintegratie
Direct plating maakt poederhandling overbodig. Afzuiging en afscherming sluiten aan op gangbare concepten voor las- en laserveiligheid. Het systeem kapselt het proces volledig af, terwijl operators buiten de installatie werken. Daardoor neemt de benodigde randapparatuur af en wordt integratie in productieomgevingen met gestandaardiseerde veiligheidsmodules eenvoudiger. De investeringskosten dalen en de implementatie verloopt sneller.
Pilotsysteem
Fraunhofer IWS heeft patent aangevraagd op Laser Direct Plating en een pilotsysteem gebouwd voor componenten tot twee meter lengte. Het team kwalificeert toepassingen, definieert procesvensters en toont de economische haalbaarheid aan met demonstratoren. De opschaling vindt plaats in samenwerking met de machinefabrikant en industriële partners. Er zijn licentie- en overdrachtsmodellen beschikbaar. Het doel is een robuuste opzet voor serieproductie met duidelijk gedefinieerde cyclustijden en kwaliteitsparameters.
