Zaawansowany technologicznie proces oszczędza koszty i chroni środowisko

Szybko i skutecznie: Jednoczesne powlekanie i obróbka mechaniczna za pomocą SMaC

Instytut Technologii Laserowej Fraunhofer ILT opracował nowy proces hybrydowy o nazwie Simultaneous Machining and Coating (SMaC), który łączy laserowe osadzanie materiału z toczeniem, szlifowaniem lub frezowaniem. SMaC umożliwia szybkie i wydajne nakładanie materiałów powłokowych o wysokiej wytrzymałości oraz jednoczesną obróbkę. SMaC umożliwi przemysłowi produkcję komponentów o wydłużonej żywotności i wydłużonym cyklu pracy, co jest zaletą bardzo atrakcyjną dla przemysłu energetycznego, sektora mobilności i przemysłu chemicznego.

SMaC umożliwia jednoczesne wytwarzanie addytywne i obróbkę mechaniczną komponentów. Między innymi powłoki chroniące przed korozją i zużyciem oraz powierzchnie funkcyjne można wytwarzać szybciej i przy mniejszym zużyciu narzędzi. © Fraunhofer ILT, Akwizgran, Niemcy

Powłoki są czymś w rodzaju ukrytych mistrzów: prawie nie zauważane, robią wielkie rzeczy. Pomagają chronić komponenty przed wszelkiego rodzaju uszkodzeniami i zużyciem. Poprawiają właściwości fizyczne lub chemiczne powierzchni elementów lub nadają im określone funkcje. Mogą również pomóc oszczędzać energię dzięki swoim właściwościom izolującym lub odbijającym światło.

Nowy, opatentowany proces kombinowany opracowany w Instytucie Technologii Laserowej Fraunhofer ILT – Simultaneous Machining and Coating (SMaC) – poprawia zużycie energii również w inny sposób. „Połączyliśmy obróbkę mechaniczną z ekstremalnie szybkim nanoszeniem materiału laserowego EHLA w jednym etapie procesu”, wyjaśnia Viktor Glushych, szef grupy Coating LMD and Heat Treatment w Fraunhofer ILT. „Pozwala nam to znacznie skrócić czas przetwarzania” — mówi. W zależności od profilu wymagań i materiału powłoki, czas procesu można skrócić o ponad 60 procent.

SMaC rozwiązuje fundamentalny problem wysokowytrzymałych powłok ochronnych, które chronią przed korozją i zużyciem: im twardsza powłoka, tym lepsza ochrona, ale tym bardziej skomplikowana jest obróbka końcowa. Wyjątkowość SMaC polega na wykorzystaniu ciepła resztkowego wytwarzanego w procesie EHLA.

Bezpośrednio po osadzeniu materiału laserowego, materiały powłokowe wykazują tylko ułamek swojej twardości, ponieważ istnieje ciepło resztkowe rzędu kilkuset stopni Celsjusza. W obróbce mechanicznej, która odbywa się równolegle, narzędzie może pracować z wyższymi prędkościami skrawania, ponieważ materiał powłokowy jest bardziej miękki, gdy jest obrabiany bezpośrednio po jego osadzeniu.

Technologia SMaC oferuje znaczne korzyści ekonomiczne i technologiczne, zwłaszcza w przypadku nakładania trudnych w obróbce powłok o wysokiej wytrzymałości. © Fraunhofer ILT, Akwizgran, Niemcy.

„Dzięki SMaC możemy ekonomicznie nakładać powłoki odporne na korozję i zużycie. Osiągamy znacznie wyższą jakość powierzchni i potencjalnie dłuższą żywotność narzędzia niż przy zwykłej obróbce sekwencyjnej”, wyjaśnia Glushych. Proces EHLA może być stosowany do obróbki materiałów powłokowych o wysokiej wytrzymałości – nawet stopów o wysokiej entropii lub szkła metalicznego, które trudno obrabiać konwencjonalnymi metodami.

Szeroki zakres zastosowań dla SMaC

SMaC umożliwia użytkownikom powlekanie elementów w wysoce produktywny, ekonomiczny i wszechstronny sposób. Jednak nowy proces jest interesujący również z ekologicznego punktu widzenia, ponieważ komponenty mogą pozostać nieuszkodzone podczas użytkowania znacznie dłużej, co sprawia, że ich wymiana jest rzadsza. „SMaC zdecydowanie wydłuża żywotność, cykle operacyjne i interwały konserwacyjne komponentów, zespołów i całych maszyn”, wyjaśnia Glushych. „Zwiększa to efektywność surowcową i energetyczną komponentów oraz minimalizuje przestoje maszyn”.

Mniej części zamiennych oznacza mniejsze zużycie surowców, mniej konserwacji, mniej transportu i magazynowania. Dla wielu firm oznacza to, że mogą pracować bardziej niezależnie i planować bardziej niezawodnie – innymi słowy, osiągają większą odporność produkcji. Na przykład w ostatnich latach niektóre firmy zostały spowolnione przez bardzo długie terminy dostaw funkcjonalnych komponentów metalowych. SMaC pomogłoby przeciwdziałać tej tendencji.

„SMaC jest wydajny i oszczędza energię, czas i zasoby”, mówi Glushych, opisując zalety. Zasadniczo proces ten nadaje się do wszystkich zastosowań, w których elementy były wcześniej powlekane, a następnie obrabiane. Może być stosowany na przykład do wytwarzania powłok chroniących przed korozją i zużyciem, powłok o właściwościach magnetycznie twardych i miękkich lub do produkcji wyjątkowo odpornych powłok łożysk ślizgowych i innych powierzchni funkcjonalnych.

Zastosowania można znaleźć na przykład w energetyce i całym sektorze mobilności – wszędzie tam, gdzie wymagane są mocno obciążone, obrotowo symetryczne komponenty. Na przykład w przemyśle chemicznym powierzchnie muszą być odporne na bardzo agresywne substancje. W górnictwie czy narzędziach SMaC skutecznie chroni przed zużyciem. Obszary zastosowań są nie tylko liczne, ale także różnorodne.

Schematyczne przedstawienie jednoczesnej obróbki i powlekania (SMaC). Materiały powłokowe o wysokiej twardości są obrabiane natychmiast po osadzeniu materiału laserowego. Nowy proces jest szybszy i bardziej ekonomiczny niż metody konwencjonalne. © Fraunhofer ILT, Akwizgran, Niemcy.

Glushych myśli o krok do przodu: „W kontekście nadchodzących przepisów Euro 7, powlekanie tarcz hamulcowych EHLA jest uważane za bardzo obiecujące rozwiązanie zmniejszające emisję cząstek stałych podczas hamowania. Dzięki jednoczesnemu powlekaniu i obróbce możemy wytwarzać niektóre powłoki tarcz hamulcowych szybciej i wydajniej”, i dodaje: „Kolejnym zastosowaniem, które chcemy przetestować, jest produkcja powłok wielomateriałowych w technologii akumulatorowej”. Naukowiec jest przekonany, że ten nowy proces łączenia otworzy w niedalekiej przyszłości wiele nowych obszarów zastosowań laserowej technologii powlekania.

Odwiedź nas na targach LASER World of PHOTONICS w Monachium
w dniach 27-30 czerwca 2023 r., stoisko: A3.441 i World of Quantum: A1.521.