Napawanie laserowe – wytwarzanie, ulepszanie i regeneracja części maszyn i narzędzi
YouTube – Laser Cladding SingaporeTechnologia wytwarzania przyrostowego, wykorzystywana do różnych zastosowań, w ciągu dwóch ostatnich dekad bardzo zyskuje na popularności w różnych branżach. Jedną z jej odmian, które najczęściej stosuje się w przemyśle, jest technologia bezpośredniego osadzania energii (directed energy deposition – DED). Jeśli źródłem jej energii jest laser, zwykło się ją także określać mianem napawanie laserowe.
- Za pomocą napawania laserowego można modyfikować, naprawiać, a także wytwarzać niektóre metalowe części.
- W procesie napawania laserowego powstaje połączenie (napoina) między dodatkowym materiałem a materiałem bazowym
- Napawanie laserowe można stosować do różnego rodzaju materiałów.
- Proces napawania pozwala przywrócić pierwotną geometrię i kształty obrabianego detalu.
- Oszczędność i przywrócenie pierwotnych właściwości to najważniejsze zalety, jakie zapewnia napawanie laserowe.
- Napawanie laserowe można połączyć z innymi technikami obróbczymi w ramach jednej maszyny CNC.
Napawanie laserowe jest procesem, w którego następstwie można uszlachetnić lub zmodyfikować właściwości fizykochemiczne powierzchni wykonanych z metali żelaznych lub nieżelaznych (dzieje się to poprzez nałożenie dodatkowej warstwy chroniącej np. przed korozją, szybkim zużyciem lub obciążeniem udarowym). Napawanie laserowe pozwala też dokonać naprawy bądź regeneracji takich powierzchni (poprzez wypełnienie ubytków).
Przy użyciu tej technologii można również wytwarzać niektóre metalowe komponenty. Metoda napawania laserowego w niektórych sytuacjach bywa często jedyną możliwą, która pozwala uzyskać zamierzony efekt, np. naprawić uszkodzony element.
Na czym polega napawanie laserowe?
W procesie napawania laserowego wiązka lasera (w innych rodzajach napawania stosuje się także wiązkę elektronów lub plazmę) o odpowiednio dobranej gęstości mocy jest źródłem ciepła, które jest niezbędne do lokalnego stopienia materiału podłoża i uformowania ciekłego jeziorka. Następnie do niego doprowadzany jest, również częściowo już stopiony, dodatkowy materiał w postaci sproszkowanego metalu lub drutu spawalniczego. W wyniku krystalizacji powstaje trwałe połączenie (napoina) między dodatkowym materiałem a materiałem bazowym.
Proces ten można powtarzać wielokrotnie. Materiał dodatkowy nakładany jest warstwa po warstwie, aż do uzyskania zakładanego efektu. Cały proces odbywa się w osłonie gazu obojętnego. Co istotne, w procesie napawania laserowego struktura krystaliczna obrabianego materiału nie ulega zmianie.
Po zakończeniu etapu nakładania kolejnych warstw niezbędna może się okazać jeszcze obróbka wykańczająca. W zależności od uzyskanego efektu napawania konieczna może być np. dalsza obróbka mechaniczna w celu uzyskania pożądanej dokładności wymiarowej lub obróbka, której celem będzie uzyskanie odpowiedniej gładkości/chropowatości i połysku powierzchni przedmiotu (np. polerowanie, szlifowanie lub piaskowanie).
Napawania laserowego można używać do różnych materiałów. Najczęściej napawane są stopy na bazie żelaza, niklu, kobaltu czy tytanu, a także różne rodzaje stali nierdzewnej i narzędziowej.
Uzyskany efekt napawania laserowego zależy od wielu czynników. Przede wszystkim od zastosowanego materiału dodatkowego i stopnia jego dyfuzji z materiałem bazowym.
Napawanie laserowe – typowe zastosowania
Generalnie napawanie laserowe stosuje się do naprawy i regeneracji uszkodzonych lub zużytych części, do wytwarzania elementów o określonych kształtach i wreszcie do nakładania dodatkowych warstw ochronnych. Metodę tę poleca się szczególnie do naprawy i regeneracji dużych i drogich komponentów, które występują najczęściej jako pojedyncze elementy. Są to np. łopatki turbin, śmigła napędowe czy głowice wiertnicze, które z czasem mogą się zużywać.
Proces napawania umożliwia przywrócenie ich pierwotnej geometrii i kształtów, dzięki czemu pozwala zaoszczędzić czas i pieniądze (do wytwarzania form odlewniczych). Z napawania laserowego warto jednak skorzystać także w przypadku drobnych uszkodzeń czy śladów zużycia mniejszych części, zamiast wymieniania ich na nowe.
Obecnie najczęściej po tę technologię sięgają przedsiębiorcy z takich branż, jak inżynieria mechaniczna, branża narzędziowa, przemysł lotniczy czy branża energetyczna (w tym związana z odnawialnymi źródłami energii). Napawane produkty można jednak spotkać także np. w branży medycznej (narzędzia chirurgiczne czy stomatologiczne), elektronicznej, metalurgicznej, motoryzacyjnej, a nawet tworzyw sztucznych.
Napawanie laserowe procesem o licznych zaletach
Napawanie laserowe może przynieść przedsiębiorstwu znaczne oszczędności – zwłaszcza w przypadku uszkodzenia lub zużycia drogich podzespołów, których wymiana naraziłaby firmę na duże koszty. Do tego możliwa jest obróbka elementów o bardzo dużych gabarytach lub skomplikowanych kształtach.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Ponadto dobrze dobrany materiał dodatkowy może sprawić, że po przeprowadzonej regeneracji narzędzie czy inny komponent nie będą odstawać jakościowo od ich oryginalnych odpowiedników. Co więcej, mogą nawet przekraczać wymagania, jakie stawia się oryginalnym częściom. Do tego można uzyskać warstwę napoiny o wysokim stopniu twardości i odporności na ścieranie.
W procesie napawania laserowego można użyć różnego rodzaju materiałów dodatkowych, dzięki czemu możliwe jest łatwiejsze dopasowanie powierzchni do zakładanej funkcjonalności i potrzeb przedsiębiorcy. Kolejną zaletą napawania laserowego jest lepsza i precyzyjniejsza kontrola uzyskiwanych w tym procesie kształtów i struktur obrabianych elementów. Ponadto samo napawanie laserowe jest dość szybkim procesem.
Napawanie laserowe w porównaniu z innymi metodami napawania daje także wiele korzyści. Przede wszystkim w procesie powstaje niewielka strefa wpływu ciepła, dzięki czemu niewielkie jest ryzyko pojawienia się dużych naprężeń czy zmian strukturalnych. Uzyskana napoina może być niewielkiej grubości (min. 0,2 mm), co jest istotne zarówno z punktu widzenia estetyki uzyskanego efektu napawania, jak i ewentualnej obróbki wykańczającej.
W procesie napawania następuje wymieszanie niewielkich ilości materiału dodatkowego z bazowym. Ponadto szybkie krzepnięcie umożliwia uzyskanie drobnoziarnistych struktur w napawanym materiale. Zautomatyzowane napawanie laserowe jest nie tylko procesem szybkim, ale zapewnia także precyzyjne i powtarzalne nanoszenie napoiny.
Produkcja hybrydowa z napawaniem laserowym
Napawanie laserowe należy do tych technologii wytwarzania przyrostowego, które można dość łatwo zintegrować z maszynami CNC. Do celów tzw. hybrydowej produkcji wieloosiowe centra obróbcze mogą być dodatkowo wyposażone w głowice laserowe i niezbędne podajniki sproszkowanego metalu lub drutu spawalniczego.
Możliwość prowadzenia produkcji zintegrowanej może przynieść przedsiębiorcy dodatkowe korzyści. Przede wszystkim złożone części metalowe, które wymagają bardziej skomplikowanej obróbki, mogą być wytwarzane i obrabiane dużo szybciej. Przy jednym mocowaniu możliwe jest wykonanie większej liczby niezbędnych czynności obróbczych.
Żeby można było w pełni wykorzystać połączenie technologii napawania laserowego z innymi technikami obróbczymi w ramach jednej maszyny CNC, niezbędne jest także zastosowanie innowacyjnego oprogramowania CAM. Musi ono umiejętnie połączyć różne etapy przetwarzania addytywnego z innymi procesami w jeden spójny i szybki proces technologiczny.
Zarówno napawanie laserowe, jak i cała gałąź wytwarzania przyrostowego jest wciąż stosunkowo młodą technologią. Już teraz jednak widać, że ma przed sobą dużą przyszłość. Liczne zalety tej metody – w tym przede wszystkim możliwość jej wykorzystania do różnych celów, zwiększanie trwałości wykorzystywanych części lub narzędzi, a także duże potencjalne oszczędności – powinny coraz częściej przekonywać przedsiębiorców do sięgania po napawanie laserowe.
O Autorze
