Высокоскоростное лазерное нанесение покрытий покоряет мировую промышленность.

Процесс даёт увеличение скорости и снижает затраты по сравнению с обычными методами. Скорость обработки может быть увеличена от 0,5 до 500 м/мин. Технология EHLA позволяет уменьшить толщину покрытия до 25-250 мкм.

Инженеры из Института Фраунгофера лазерных технологий (Fraunhofer ILT) и университета RWTH Aachen (оба - Аахен, Германия) разработали экстремальный высокоскоростной лазерный процесс нанесения покрытий, который был удостоен трех престижных премий. Под немецкой аббревиатурой EHLA этот процесс не только завоевывает рынок покрытий, но также ускоряет и металлическую 3D печать.

Рецепт звучит просто: взять лазер, создать расплав на поверхности детали, подать в него частицы металлического порошка и, в итоге, создать плотный защитный слой. Процесс лазерного нанесения покрытий: напыление, наплавка, поверхностное легирование - применяются уже много лет. Появившееся новое изобретение сегодня становится эффективным решением основных проблем для многих компаний в индустрии покрытий.

Стандартные процессы, такие термического напыление, методы сварки и др. имеют свои недостатки, а начиная с сентября 2017, покрытия на основе хрома (VI) требуют специального разрешения. Это привело к изменению мышления в технологии обработки поверхностей. Новое требование влияет на производителей, которые используют покрытия для защиты металлических деталей, подверженных коррозии и износу. Это особенно актуально в морских приложениях, когда окружающая среда (морская вода и влажный морской воздух) вызывают повышенный износ и коррозию металлоконструкций, в результате - незапланированные остановки и простои, например, на морских платформах.

IHC Vremac Cylinders B.V. (Apeldoorn, Нидерланды), дочерняя компания Royal IHC, известная голландская компания в области морских технологий - разрабатывает и изготавливает гидравлические цилиндры, поршневые аккумуляторы. Размеры деталей достигают до 20 м в длину. Они должны справляться с чрезвычайно трудными условиями в экскаваторах и тяжелой технике, в оффшорном оборудовании, на морских платформах.

Голландская компания очень рано отреагировала на требования о получении разрешения для покрытия хромом (VI) - в сентябре 2017. «В прошлом на наши гидравлические компоненты наносили покрытия подрядчики»,- говорит Андрес Вельдман, менеджер IHC Vremac Cylinders B.V. «Нам пришлось искать новые компании, которые могут эффективно применять ковку и сложные покрытия». Для нанесения пластичного покрытия электролитическое методы являются хорошим выбором, а для твердых покрытий распыление - хороший вариант. Однако, эксперты в Apeldoorn обратили внимание на лазерные технологии.

Первоначальное тестирование в 2006 году показало, что обычные лазерные технологии нанесения покрытий слишком дороги и сложны. «Но мы были убеждены в том, что эта техника была будущего», вспоминает Вельдман. «В 2014 году Hornet Laser Cladding B.V. (Lexmond, Нидерланды) установили наши контакты с Fraunhofer ILT и ознакомили со сверхскоростным EHLA процессом нанесения покрытий».

IHC Vremac Cylinders B.V. решили пойти с Fraunhofer ILT на экстремальное высокоскоростное лазерное нанесение покрытий. EHLA процесс выиграл приз (Joseph von Fraunhofer Prize) в 2017 году, занял второе место в Steel in Research and Development category of the German steel industry federation’s Steel Innovation Award и выиграл престижный приз Berthold Leibinger Innovationspreis в 2018 году. Во время этого запатентованного EHLA процесса, частицы порошка плавятся лазером над расплавом, подлетая к детали.

Тот факт, что частицы больше не нужно расплавлять в ванне расплава означает, что скорость обработки может быть увеличена от 0,5 - 2,0 м/мин до 500 м/мин. EHLA позволяет уменьшить толщину покрытия до 25-250 мкм. Ранее было невозможно производить покрытия < 500 мкм. Эта технология позволяет получать покрытия с более гладкой поверхностью, на порядок с меньшей шероховатостью, чем с обычными технологиями. «EHLA технологии могут быть легко интегрированы в токарном станке»,- объясняет Thomas Schopphoven, который возглавляет исследовательскую группу в ILT Fraunhofer в Аахене. Лазерный источник, EHLA головка и система подачи порошка - установлены на станке и подключены к системе управления (см.рисунок) Исследователи в Аахене первоначально опробовали процесс на небольшом станке, с возможностью покрывать трубы со скоростью до 3000 об/мин. Их поиск производителя оборудования в конечном итоге привёл их к Hornet Laser Cladding, известной компании на протяжении многих лет. В итоге, первая система EHLA была создана в 2014 году.

IHC Vremac Cylinders B.V., совместно с Hornet Laser Cladding создали первую крупномасштабную промышленную EHLA систему, которая теперь используется в серийном производстве. После завершения нескольких проектов, Вельдман может утверждать, что технология EHLA в настоящее время аналогична термическому напылению. После 2015 года, IHC Vremac Cylinders B.V. покрыты коррозионностойкими сплавами несколько сотен гидравлических цилиндров, длиной до 10 м и диаметром до 500 мм, для удовлетворения самых требовательных морских приложений во всем мире.

В настоящее время популярность технологии EHLA растёт в Китае, по тем же причинам, что и в Европе. Это быстрая, экологически чистая технология. Китай планирует принять европейскую разработку для твердого хромирования. В 2017 году, Fraunhofer ILT, совместно с ACunity выбрал для стратегического сотрудничества Китайскую академию наук (China Academy of Machinery Science and Technology Group Co. Ltd. (CAM; Beijing, China) и 5-осевую систему с технологией сопла EHLA, адаптированную Fraunhofer ILT.

После первоначального успешных применений на CAM in Beijing, Hebei Jingye Additive Manufacturing Technology Co., Ltd. (Shijiazhuang City, China) получила три и заказала ещё две системы для нанесения покрытий на оффшорные гидравлические цилиндры длиной до пяти метров, с максимальным диаметром до 1 м. Компания также заказала системы EHLA для внутренних покрытий).

«Китайские компании уделяют большое внимание надежной обработке, поэтому мы разрабатываем технологические процессы для Заказчиков, применительно к их деталям»,- говорит Чэнь Хун, управляющий директор компании ACunity,- «мы применяем покрытия для компонентов нашего заказчика, с использованием метода EHLA, после проверки качества обработки с точки зрения защиты от коррозии и износа. Конечно, это также включает в себя выбор или разработку металлического порошка и доработку сопла EHLA».

Еще одним направлением основных применений для EHLA является производство новых систем, используя инновационные гибридный подход, сочетающий методы обычного производства — например, литья и ковки и аддитивного производства, для оптимизации производства, конструкции деталей, для уменьшения отходов. До сих пор технологию EHLA использовали только для вращательно-симметричных деталей. Предполагается также использовать преимущества EHLA при производстве деталей с 3D геометрией. Прототип системы в настоящее время строится в Аахене, где заготовки двигаются очень динамично, до пятикратного ускорения, под EHLA сопло подачи порошка.

Известная компания TRUMPF Laser- und Systemtechnik (Ditzingen, Germany) теперь тоже предлагает лазерные системы в ее TruLaser ячейках, которые включают EHLA технику, для различных размеров деталей.

Рисунок - Интеграция лазерного источника и EHLA головки с системой подачи порошка на токарном станке - для лазерного экстремального высокоскоростного нанесения покрытий. Фото: Fraunhofer ILT, Aachen, Германия / Volker Lannert.

THOMAS SCHOPPHOVEN, ANDRES GASSER and GERHARD BACKES - Fraunhofer Institute for Laser Technology (Fraunhofer ILT), Aachen, Germany; www.ilt.fraunhofer.de

Источник: Extreme high-speed laser material deposition conquers industry / THOMAS SCHOPPHOVEN, ANDRES GASSER, GERHARD BACKES // Industrial Laser Solutions, JANUARY/FEBRUARY 2019, p.27-29; www.industrial-lasers.com.