Laser Metal Deposition: 7 wichtige Faktoren im Zusammenhang damit

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Inhalte

  • Was ist Lasermetallabscheidung?
  • Wie funktioniert der Prozess der Lasermetallabscheidung?
  • Was sind die Vorteile der Lasermetallabscheidung?
  • Was ist die Arbeit von Faserlasern in LMD?
  • Was sind die Anwendungen der Lasermetallabscheidung?
  • Flexible Funktionen für Metall- und Legierungskomponenten in LMD
  • Warum werden CO2-Laser nicht für LMD verwendet?

Was ist Lasermetallabscheidung?

Lasermetallabscheidung oder LMD bezieht sich auf den Prozess der Bildung eines Pools geschmolzenen Metalls auf einem metallischen Substrat mit Hilfe eines Lasers. Ein Gasstrom wird zum Injizieren von Metallpulver in das Substrat verwendet. Dieses absorbierte Metallpulver bildet eine Metallablagerung auf dem Substrat des Metalls. Dieses Verfahren der additiven Fertigung wird für verschiedene Zwecke verwendet, z. B. zum Reparieren von Metallkomponenten, Formen von Metall- oder Legierungswerkzeugen, Metallschrauben, Ventilen usw. Die Lasermetallabscheidung wird auf dem Gebiet der Herstellung zu einer weit verbreiteten Technik.

Lasermetallabscheidung
Metallschichtabscheidung auf einer Oberfläche durch LMD. Bildquelle: http://Firstcomer, Роботизированная лазерная наплавка в импульсном режиме, CC BY-SA 4.0

Wie funktioniert der Prozess der Lasermetallabscheidung?

Der Lasermetallabscheidungsprozess beinhaltet die Verwendung von seitlichen oder koaxialen Düsen zum Einblasen von Pulver in die Prozesszone des Metalls. Im Allgemeinen ist das zum Laserbeschichten verwendete Pulver metallischer Natur. Das Pulver interagiert mit dem Laserstrahl, der die Partikel auf ihre Schmelzpunkte vorheizt. Das geschmolzene Pulver bildet dann den Metallpool auf der Oberfläche. Dieser Metallpool wird später abgekühlt, um nach Bedarf eine Metallschicht auf der Oberfläche zu bilden. Manchmal wird das Substrat bewegt, um die metallische Abscheidung zu verfestigen.

Die Substratbewegung wird mithilfe des CAD- oder Computer Aided Design-Systems gesteuert. Es wird zum Implantieren fester Materialien in ein Schienenmuster verwendet. Das gewünschte Muster wird erhalten, nachdem die Trajektorie endet. Bei einigen Konstruktionen ist das Laser- oder Düsensystem beweglich und bewegt sich über ein stationäres Substrat, um verfestigte Spuren zu erzeugen. Mehrere Schichten werden übereinander aufgebaut, um eine dreidimensionale Komponente zu bilden. Die geometrische Genauigkeit ist für diesen Prozess hoch.

Konfigurationen von Laserbeschichtungsdüsen
4 verschiedene Arten von Metallpulverzufuhrsystemen. !. Drahtsystem, 2. Seitliches Düsensystem, 3. Radiales Düsensystem, 4. konisches Düsensystem. Bildquelle: Materialgeeza, Konfigurationen von Laserbeschichtungsdüsen, CC BY-SA 3.0

Was sind die Vorteile der Lasermetallabscheidung?

Das Verfahren der Lasermetallabscheidung hat in den letzten Jahren gegenüber Verfahren wie thermischem Spritzen und Lichtbogenschweißen mit Gasmetall immer mehr an Beliebtheit gewonnen, weil:

  • Dieser Prozess ist eine gut geeignete Methode für Objekte jeder Form und Struktur.
  • Dieser Prozess erzeugt weniger Verzerrungen von der erforderlichen Flugbahn.
  • Dieser Prozess leitet nicht viel Wärme ab, wodurch der Wärmeschaden in den Materialien verringert wird.
  • Dieses Verfahren wird verwendet, um eine geringe Verdünnung zwischen dem Substrat und den Spuren zu erzielen und gleichzeitig eine starke metallurgische Bindung herzustellen.
  • Dieser Prozess hat eine hohe Abkühlrate, die feine Mikrostrukturen erzeugt.
  • Dieser Prozess ermöglicht eine hervorragende Kontrolle über die Laserstromversorgung und die Lasertrajektorie.
  • Die durch diesen Prozess gebildete Struktur ist frei von Rissen und Porosität.
  • Dieser Prozess verwendet kompakte Technologie.
  • Dieser Prozess ist für die abgestufte Materialanwendung geeignet.
  • Dieses Verfahren eignet sich gut für die Herstellung nahezu netzförmig.
  • Für die Reparatur von Teilen bietet dieser Prozess bestimmte Dispositionen.

Welche Rolle spielen Faserlaser bei der LMD?

Faserlaser, auch als optische Faserlaser bekannt, basieren auf dem Prinzip der Total Internal Reflection (TIR). Es nutzt das TIR-Phänomen in optischen Fasern zur Lichtdurchlässigkeit. Diese Laser können Licht über große Entfernungen übertragen und tragen auch dazu bei, die durch thermische Effekte verursachte Verzerrung des Laserstrahls zu verringern. Laser auf Glasfaserbasis können eine höhere Ausgangsleistung als die anderen verschiedenen Laservarianten liefern. Diese Laser müssen ein hohes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen aufweisen, um eine kontinuierliche Ausgangsleistung im Kilowattbereich mit effektiver Kühlung bereitzustellen. Der optische Faserwellenleiter wird verwendet, um die durch thermische Probleme verursachte Verzerrung des optischen Pfades zu verringern. Diese Laser sind im Vergleich zu anderen Lasertypen (Kohlendioxid- oder Nd: YAG-Laser) weitaus kontrollierbarer, zuverlässiger und konsistenter.

FiberDiskLaser
Lichtwellenleiterlaser. Bildquelle: http://Ken-ichi Ueda – from author 3 fiber disk lasers, fiber lasers with transversal delivery of pump.

Was sind die Anwendungen der Lasermetallabscheidung?

Die Lasermetallabscheidung oder LMD wird für eine Reihe industrieller Fertigungsvorgänge verwendet. Das Verfahren hat in den letzten Jahren gegenüber Verfahren wie thermisches Spritzen und Gas-Metall-Lichtbogenschweißen. Einige der weit verbreiteten Anwendungen der Lasermetallabscheidung:

  1. Es wird zur Reparatur von Sinterwerkzeugen verwendet.
  2. Es wird für die Reparatur von Luft- und Raumfahrt- und Automobilkomponenten verwendet.
  3. Es wird zur Reparatur von Turbinenschaufeln verwendet.
  4. Es wird zur Oberflächenbeschichtung von Ölbohrinstrumenten verwendet.
  5. Es wird zur Herstellung und Reparatur von medizinischen Implantaten verwendet.
  6. Es wird für das Rapid Prototyping verwendet.
  7. Es wird zur Herstellung von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen verwendet.
  8. Es wird zur selbstschmierenden Oberflächenherstellung verwendet.
  9. Es wird zur Reparatur korrodierter Werkzeuge verwendet.
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LMD im Lasersinterprozess. 1.Laser 2.Scannersystem 3.Pulverzufuhrsystem 4.Pulverförderkolben 5 Scooter 6 Fertigungskolben 7 Herstellung Pulverbett 8 Objekt, das hergestellt wird (siehe Einschub) A Laserscanrichtung B Gesinterte Pulverpartikel (brauner Zustand) C Laserstrahl D Lasersintern E Vorinstalliertes Pulverbett (grüner Zustand) F Ungesintertes Material in vorherigen Schichten. Bildquelle: Gringer, SLS-Schema, CC BY-SA 4.0

Flexible Funktionen für Metall- und Legierungskomponenten in LMD

Der Prozess der Lasermetallabscheidung oder LMD ermöglicht die Steuerung der zuvor angelegten Leistung. Das Metallpulver wird entsprechend der angegebenen Leistung eingespritzt. Dies wird zur Herstellung von kundenspezifischen Legierungen verwendet. Die richtige Materialzusammensetzung kann schwierig sein. Wenn die Zusammensetzung nicht genau ist, kann es schwierig sein, die erforderliche Legierung zu erhalten. Einige übliche Legierungen, die durch dieses Verfahren hergestellt werden, sind Eisen-Tantal, Eisen-Kupfer und Titan-Tantal.

Warum werden CO2-Laser nicht für LMD verwendet?

Als der Prozess der Lasermetallabscheidung zum ersten Mal eingeführt wurde, war CO2 Laser waren weit verbreitet. Kohlendioxidlaser können einen kontinuierlichen IR-Lichtstrahl mit sehr hoher Leistung mit Hauptwellenlängenbändern im Bereich von 9.6 bis 10.6 Mikrometer erzeugen. Mit der Entwicklung von Faserlasern wird jedoch die Verwendung von CO2 Laser wurde reduziert. Diese Laser waren vergleichsweise teurer und ermöglichten keinen kontrollierten Fluss der Laserleistung.

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