Corrosietesten bij additive manufacturing: de aanpak van Laser Cladding Venture

Laser cladding coatings bieden tal van ijzersterke voordelen die in veel gevallen ongeëvenaard zijn. Hier staan nieuwe uitdagingen tegenover met betrekking tot corrosie. Over deze materie geven we graag het woord aan expert ter zake, technologisch verantwoordelijke (CTO) bij LCV: Stijn Clijsters.

Hij geeft een woordje uitleg over de werking van LCV, corrosieproblematiek binnen additive manufacturing en hoe dit door de juiste testen te laten uitvoeren kan verholpen worden.

Goedemorgen Stijn, LCV doet het goed zo te horen! Vertel eens, hoe is het begonnen?

“Laser Cladding Venture is opgestart in 2015 als spin-off van het Vlaams Instituut voor Technologische Ontwikkeling (VITO). In het begin waren we met 3 mensen maar ondertussen telt ons hecht team 9 medewerkers.”

Hoe wordt laser cladding ingezet bij LCV?

“Laser cladden (of laser metal deposition) is een lasproces waarbij een laser een smeltbad creëert op het doeloppervlak. Vervolgens wordt een metaalhoudend toevoegmateriaal (poeder of draad) ingesmolten op het substraat. Traditioneel werd dit proces gebruikt om turbine assen en dergelijke te repareren. Wat laser cladden interessant maakt is de minimale warmte-inbreng.

Nu streeft LCV ernaar om laser cladden te evolueren naar industriële serieproductie. Hierbij focussen we vooral op coatings aanbrengen op nieuwe stukken en soms op refurbishing in seriewerk. Laser cladding coatings verlengen de levensduur van de apparatuur waardoor ad hoc reparaties minder nodig zijn. De filosofie hierachter is om op industrieel niveau kosten-competitief een coating aan te brengen die zorgt voor een levensduurverlenging.

LCV voorziet coatings via laser cladden voor onder andere:

• Hydrauliek (grote zuigerstangen)
• Procesindustrie
• Staalnijverheid
• Compacting en grondverzet

LCV gebruikt een techniek die iets anders is dan het klassiek poederbedproces. Hoe gaat dit juist te werk?

“De poederbedmethode houdt in dat je op een plaat laagjes poeder aanbrengt en per laagje ga je smelten waar je het poeder wilt hebben. Bij LCV blazen we het poeder heel gericht via een nozzle in het laserlicht.

Deze techniek is interessant omdat je op grotere oppervlakten en meer hybride kunt werken waardoor je ook meer complexe oppervlakken kunt behandelen. Daarom gebruiken we het als coatingtechniek vanwege de flexibiliteit.”

Bij lasercladden kun je zowel draad als poeder gebruiken. Waarom opteert LCV eerder voor poeder?

“Poeder komt in veel meer varianten voor waardoor er meer ontwikkelvrijheid is om legeringen, samenstellingen en gradiënten te maken. Daarnaast kunnen we poeder ook wisselen tijdens het proces en is poeder nog altijd makkelijker om met de laser te smelten. Draad vraagt om meer warmte-inbreng wat een nadeel kan zijn voor de resulterende eigenschappen van het materiaal.”

Wat maakt jullie lasproces zo uniek?

“We gebruiken een laserbron waardoor er minder warmte-inbreng is. Dit zorgt voor minder vervormingen en een hardere microstructuur: typisch 20% harder en 4x slijtvaster. Er is ook minder materiaal nodig omdat er minder materiaal van het substraat mee opgemengd wordt. Er zijn immers typische criteria naar maximaal toegelaten opmenging vanuit corrosieperspectief.

Thermische spuitcoatings (zoals keramische coatings voor zuigerstangers) zijn enkel mechanisch gebonden waardoor ze niet impactbestendig zijn. Wanneer dan de coating beschadigd geraakt wordt het onderliggende materiaal blootgesteld met een risico op corrosie.

Ons lasproces resulteert in een metallurgische, en dus betere, binding terwijl we eveneens goede corrosie-eigenschappen kunnen garanderen juist dankzij de lage opmenging."

Zoals de naam suggereert is laser cladding de focus maar jullie zijn naast oppervlaktelagen ook bezig met 3D-printing. Gaat dit een even belangrijke positie innemen als cladding coatings voor LCV?

“Coatings cladden blijft nog steeds onze core business. Bij VITO deden we reeds een deel aan 3D-printing met laser cladding. Terwijl het toen voornamelijk om karakterisatie van de materiaaleigenschappen ging, ligt nu meer de focus op de ontwikkeling van het 3D-printingproces om het op industrieel niveau te kunnen gebruiken.

Zoals eerder vermeld, gebruikt LCV de poederbedmethode. Poederbed integreren in 3D-printen is complexer omdat er een reëel risico bestaat om uit focus te gaan, bijvoorbeeld bij vervormingen, waardoor constante supervisie nodig is. LCV werkt daarom aan ontwikkelingen om dit proces beter onder controle te houden.”

Hoe zien jullie jullie plaats binnen het 3D-printinglandschap?

“Traditioneel heeft 3D-printing als voordeel de grotere ontwerpvrijheid. Door de extra ontwerpmogelijkheden is het makkelijk om materiaal in het ontwerp weg te nemen waar het niet nodig is. Denk maar aan de lucht- en ruimtevaartsector waar men meer complexe structuren kan maken die veel lichter zijn.

We denken echter dat we onze eigen unieke plaats hebben binnen dit landschap. Onze resolutie bevindt zich, in tegenstelling tot die van andere bedrijven, eerder in de range van gegoten stukken met een eenvoudige geometrie. Voor een klant hebben we bijvoorbeeld de productiedoorlooptijd kunnen reduceren van 3 maanden tot 1 maand door over te gaan van een gietproces naar 3D-printing d.m.v. laser cladding. Als kers op de taart hadden we betere materiaaleigenschappen (harder en slijtvaster), minder materiaalverlies tijdens het proces en een lagere kost.

Op dit moment zijn we vooral bezig met relatief eenvoudigere rotatiesysmmetrische geometrieën  binnen onze R&D roadmap van 3D-printing. Dit vereist een minder complex toolpad waardoor het proces daarnaast ook eenvoudiger te controleren is.”

Hoe zijn de toepassingen geëvolueerd door de tijd?

“3D-printing was vroeger vooral gericht op rapid prototyping. Klanten hebben vaak iets dringend nodig maar volgens het traditionele proces moet dit gegoten worden. Het proces van mal maken, validatie van het gietproces duurt gemakkelijk 3 maanden. Rapid prototyping biedt dan een interessant alternatief omdat er op 1-3 weken iets even kwalitatief gemaakt kan worden. Dit proces heeft men steeds versneld. Hierbij is van rapid prototyping overgegaan naar een seriematige productietechniek.”

Wat is de belangrijkste uitdaging naar materiaaleigenschappen toe in dit proces?

“Thermische spanningen van het lasproces kunnen ervoor zorgen dat de stukken krom kunnen trekken en scheuren.  Warmtebehandeling helpt deze spanningen te relaxeren. Wanneer bepaalde stukken maattoleranties hebben worden ze typisch nog nagefreesd maar als gevolg van inwendige spanningen kunnen deze tijdens het frezen gaan bewegen zodat de maattoleranties niet meer helemaal kloppen.

De juiste microstructuur bekomen is zeker naar corrosieresistentie een belangrijk punt. We werken bijvoorbeeld veel met superduplex roestvaststaal voor reparaties in de petrochemie. De microstructuren van deze materialen zijn niet vanzelfsprekend dat maakt het een uitdaging om met een lasproces te garanderen dat je de juiste microstructuur behoudt tijdens het lasproces.“

Zijn er specifieke testen die jullie (laten) uitvoeren op laser cladding coatings of samples?

“Voor additive manufacturing laten we samples verifiëren om microdefecten in het materiaal in kaart te brengen. Deze hebben immers invloed op de mechanische eigenschappen van de producten. In de toekomst willen we daarvoor beroep op de expertise van METALogic waar we kunnen rekenen op een gunstige doorlooptijd die we al bij vorige projecten hebben ervaren.  

Daarnaast zijn er ook tal van standaardtesten die we laten uitvoeren op overlay weldings en hard facings. We leggen deze lagen typisch aan als coating om meer corrosieweerstand of slijtvastheid te creëren. Dit doen we volgens bepaalde normen.  Er worden in ISO en ASME standaarden (ISO 15614 & ASME_IX) een aantal testen vermeld zoals het meten van hardheid, samenstelling, opmenging opmeten, …

Met betrekking tot corrosieweerstand is er ASTM G28 om de weerstand tegen interkristallijne corrosie te testen. Als de resultaten hiervan niet goed zijn is de reden typisch dat de microstructuur niet voldoet. Mogelijke oorzaken hiervoor zijn bijvoorbeeld te hoge temperaturen tijdens het oplassen of te snel stollen van het materiaal.”

Stijn, bedankt voor je tijd en medewerking!

Neem zeker een kijkje op de website van LCV voor meer informatie! METALogic staat natuurlijk ook voor u klaar als expert in het testen van de corrosieweerstand van lassen, de karakterisatie van (3D-geprinte) materialen en biedt u een oplossing voor allerhande corrosiegerelateerde vraagstukken.