Het Fraunhofer ILT heeft het tweedimensionale EHLA (extreem hogesnelheid lasermateriaaldepositie) uitgebreid naar de derde dimensie. Dit maakt ook het 3D-printen van moeilijk te printen materialen mogelijk, zoals gereedschapsstaal, titanium, aluminium en legeringen op nikkelbasis. Door 3D-printen toe te passen in een aangepast 5-assig CNC-systeem kan de additieve vervaardiging van onderdelen aanmerkelijk sneller. Bovendien blijkt uit testen dat gerecycled poeder na het 3D-printen een even grote treksterkte oplevert als nieuw poeder. Met EHLA 3D komt productief en reproduceerbaar in serie 3D-printen van geavanceerde metalen onderdelen dichterbij.
Dat melden onderzoekers van het Fraunhofer Institut für Lasertechnik ILT.
LPBF en lMD
Van oudsher domineren twee efficiënte laserprocessen het 3D-printen en coaten van metalen onderdelen, geven de onderzoekers aan. Het gaat om LPBF (dat 26 jaar geleden door Fraunhofer ILT is gepatenteerd) en LMD.
Bij het laserpoederbedfusieproces (LPBF) smelt de laser het metaalpoeder dat wordt omgezet in een vaste laag die zich metallurgisch aan het basismateriaal hecht. Zo groeit een 3D-component laag voor laag uit het poederbed.
Bij lasermetaaldepositie/lasermateriaaldepositie (LMD of laser cladding) wordt op het onderdeeloppervlak een smeltbad gevormd, waarin het vulmateriaal (draad of poeder) voortdurend wordt ingebracht. Dit smeltbad smelt zowel het substraat als het vulmateriaal, waardoor een metallurgische verbinding ontstaat tussen de laag en het substraat van het onderdeel.
Economisch potentieel
Er ligt volgens de onderzoekers economisch potentieel in LMD. Ten eerste vanwege de mogelijkheid om basiscomponenten te upgraden met een functionele laag of om op een bepaalde plek additieve componentmodificaties uit te voeren.
Tweede belangrijke toepassingsgebied van LMD is de reparatie van dure componenten, bijvoorbeeld in de lucht- en ruimtevaartindustrie of de werktuigbouw. Versleten of defecte onderdelen kunnen na het plaatselijk cladden met LMD weer volledig functioneel worden gemaakt en hoeven dus niet meer te worden gesloopt.
LMD is aantrekkelijk dankzij de hoge productiviteit, terwijl LPBF kan worden gebruikt voor het 3D-printen van uiterst filigrane en complexe componenten.
Nieuwe weg: EHLA
Fraunhofer ILT en de leerstoel voor Digital Additive Production DAP van de RWTH Aachen University hebben in 2012 een geheel nieuwe weg ingeslagen met de ontwikkeling van Extreme High-speed Laser Material Deposition (EHLA).
In dit gepatenteerde proces smelt een laser de poederdeeltjes al boven het smeltbad. Dankzij die innovatie kon de processnelheid aanmerkelijk worden verhoogd, van de eerdere 0,5 tot 2,0 m/min (bij LMD) tot maximaal 200 m/min.
Ook kon de laagdikte worden teruggebracht van 500 tot maximaal 10 µm. Er kan nu tot 5 m2/uur worden opgebouwd. Bovendien zijn de oppervlakten gladder geworden, met een ruwheid die is teruggebracht tot een tiende van de waarde die in LMD gangbaar is.
Onder meer toegepast in Nederland
De uitvinding is duidelijk aangeslagen. Zo heeft het Nederlandse Hornet Laser Cladding uit Lexmond een laserbron, EHLA-bewerkingskop en poedertoevoersysteem in zijn draaibanken geïntegreerd om EHLA in industriële processen toe te passen.
Het Duitse Trumpf heeft het proces eveneens opgenomen in zijn productportfolio en biedt laserapparatuur en systeemtechnologieën voor het EHLA-proces aan.
De eerste gebruikers zijn bedrijven in Nederland, China, Duitsland en Turkije. De doorbraak kwam in 2015 voor de offshore sector. Sindsdien zijn vele honderden meterslange hydraulische cilinders 3D-geprint met slijt- en corrosiebestendige legeringen voor wereldwijd gebruik in maritieme omgevingen.
EHLA 3D
In 2019 volgde de stap naar de derde dimensie na verdere successen bij het snel en betrouwbaar van een laag voorzien bij remschijven, zuigers, cilinders en lagers.
Jonathan Schaible, voormalig onderzoeksmedewerker bij Fraunhofer ILT, nam in het kader van zijn promotie deel aan de verdere ontwikkeling. Centrale vraag was aan welke speciale eisen de machine- en systeemtechnologie moet voldoen om EHLA te combineren met hogesnelheids-3D-printen.
Zijn opvolger, Min-Uh Ko (groepsleider van Additive Manufacturing en Repair LMD aan het Fraunhofer ILT), heeft de proces-engineering verder verfijnd op een speciaal aangepast 5-assig CNC-systeem dat de hoogste precisie combineert met hoge voedingssnelheden voor additieve productie, het aanbrengen van een vrije-vorm en reparatie van onderdelen met behulp van EHLA.
Combineert snelheid en precisie
“EHLA 3D combineert de productiviteit van LMD – met zijn 500 tot 2000 µm dikke lagen – met de structureel gerichte, nauwkeurige opbouw van LPBF – met 30 tot 100 µm dikke lagen,” legt Ko uit. “EHLA 3D zit met 50 tot 300 µm in het middengebied.”
Ook de lage verdunningszone en de hoge afkoelsnelheid spreken in het voordeel van het proces. Dankzij deze eigenschappen kunnen ook onderdelen van moeilijk te lassen materialen en multimateriaalkoppelingen additief worden geproduceerd.
Het proces toont zijn sterke punten vooral bij daadwerkelijk 3D-printen. “Met EHLA 3D is het mogelijk om productief componenten te vervaardigen die al heel dicht bij de uiteindelijke contour komen”, vertelt Ko.
“Naast de ‘near-net shaping’ maakt het proces het ook mogelijk om snel en precies op te bouwen en lagen aan te brengen op vrije-vorm oppervlakken.”
Wisselwerking fly-in en fly-out
Complexe vormen snel printen is alleen mogelijk met de juiste machinetechniek en een aangepaste planning van het pad van de CNC-programma’s.
De productiviteit ‘zinkt’ of ‘zwemt’ hier als de ‘fly-in’ in wisselwerking staat met de daaropvolgende ‘fly-out’.
Fly-in geschiedt wanneer de laserkop met ingeschakelde laserstraal versnelt naar het gebruikspunt. Fly-out gebeurt als de laserkop uit de bewerkingszone juist in snelheid afneemt.
Onderzoek van Ko’s voorganger Schaible bewijst: bij een versnelling van 50 m/s² en een voedingssnelheid van 50 m/min voor een afstand van 100 mm is het rendement M-PDE (machinegebonden poederafzettingsefficiëntie) ongeveer 80%.
Bij een versnelling van 10 m/s² is de M-PDE ongeveer 40%.
Het rendement is het resultaat van de verhouding tussen de verwerkingstijd met ingeschakelde laserstraal en de totale verwerkingstijd.
Verdere ontwikkelingen van het EHLA 3D-proces wierpen hun vruchten af, bleek uit eerste demo’s die succesvol zijn afgesloten.
Minder nabewerken
Op het AKL’22 – International Laser Technology Congress in Aken ging Ko tijdens zijn presentatie in de huidige vooruitgang van de EHLA 3D-technologie.
Een video toonde de productieve, additieve vervaardiging van een vormgereedschap, waarbij de printtijd met een factor twee kon worden teruggebracht, in vergelijking tot LMD. Verdere voordelen vloeien voort uit het feit dat minder hoeft te worden nabewerkt.
Ook met gebruikt poeder
Onderdelen van Inconel 718 (dat wordt gebruikt in de ruimtevaart) werden 3D-geprint op het 5-assige CNC-systeem met een depositiesnelheid van meer dan 2 kg/u met een dichtheid van meer dan 99,5%.
De Akense wetenschappers onderzochten ook hoe de karakteristieke waarden veranderen als gewerkt wordt met gerecycled metaalpoeder in plaats van nieuw poeder. In beide gevallen bedroeg de treksterkte (Rm) ongeveer 1300 MPa. Volgens Ko is de treksterkte in beide gevallen net zo goed als bij gieten.
Goede resultaten werden ook verkregen door onderzoeker Schaible. Zijn werk omvat de ontwikkeling van EHLA 3D-processen voor componenten van 316L rvs en aluminium-siliciumlegeringen.
Ook hier zijn de verkregen mechanische eigenschappen in overeenstemming met die welke in de literatuur worden vermeld voor conventioneel geproduceerde monsters. De momenteel mogelijke structurele resolutie van dunwandige aluminium componenten geproduceerd met EHLA 3D is ongeveer 500 µm.
CNC-systeem is aangepast prototype
Het CNC-systeem bij Fraunhofer ILT is een speciaal aangepast prototype dat het gereedschap snel, nauwkeurig en zeer dynamisch in zijwaartse richting kan laten bewegen.
Met een draai- en zwenktafel is deze machine niet alleen geschikt voor additief produceren, maar ook voor het opbouwen van vrije vormen.
Geïnteresseerden kunnen deze fabriekstechnologie of andere mogelijke toepassingen van het EHLA 3D-proces, met eigen ogen zien bij het Fraunhofer ILT. Experts staan ook op de Fraunhofer-stand tijdens Laser World of Photonics.