Laserlassen 3D geprinte componenten

LTJ ontwikkelt maakproces voor laserlassen hightech samenstelling van frees-, draai- en AM-delen

Kun je 3D geprinte onderdelen met microlaserlassen verbinden aan frees- en draaidelen? Zodanig dat ze lekdicht zijn en aan de hoogste reinheidseisen uit de precisie industrie voldoen? Acht maanden nadat de vraag van een hightech klant bij Toon Janssen van LTJ op het bureau belandde, weet hij het antwoord.

Een kleine acht maanden hebben Toon Janssen, directeur-eigenaar van Laser Technology Janssen, en zijn team gewerkt aan een vrij bijzondere hightech applicatie: het laserlassen van een dunne, holle buis (gedraaid uit stafmateriaal) aan twee 5-assig gefreesde componenten én aan een 3D geprint manifoldachtig product. Alle materialen zijn 316L; maar wel staf, vol en poedermateriaal. Om het nog complexer te maken: het geheel moet lekdicht zijn, aan te tonen met een heliumlektest, en een drukvaltest ondergaan tot 15 bar. De nauwkeurigheid van de lassamenstelling bedraagt enkele honderdsten millimeter. “En om het eisenpakket af te ronden: het onderdeel moet afgeleverd worden conform de hoogste reinheidseisen. Dat betekent voor het laserlassen bijvoorbeeld dat we niet door de buis heen mogen laserlassen”, voegt Toon Janssen toe aan het rijtje specificaties.

We mogen maximaal 0,6 mm diep in het materiaal lassen, omdat anders verontreinigingen aan de binnenzijde kunnen ontstaan. Dan zou het onderdeel niet meer aan de hoge reinheidseisen voldoen

Kan het wel of niet?

Het is de eerste keer dat Laser Technology Janssen aan de slag is gegaan met het microlaserlassen van een onderdeel dat additief is geproduceerd in 316L. Toen Toon Janssen in zijn netwerk polste of iemand wist of dit technisch haalbaar zou zijn, kreeg hij telkens de reactie “het zou mogelijk moeten zijn”. Niemand die hem een bevestiging kon geven; laat staan een pas en klare oplossing. “Vanaf de start van LTJ hebben we gezegd laserlassen naar een hoger niveau te brengen, door in de cleanroom te laserlassen én door holle producten te laserlassen. Dan kom je vroeg of laat bij 3D geprinte onderdelen uit, want dat is de technologie van de toekomst als ergens gassen of vloeistoffen door heen stromen. Holle producten is 3D printen”, zegt Toon Janssen. Dit zijn de uitdagingen die hij met zijn opgebouwde kennis en ervaring met micro laserbewerken van precisiecomponenten niet meer uit de weg gaat. De metaalondernemer had zelf ook een aantal vragen bij het project. Zoals: is het 3D geprinte onderdeel wel lekdicht, anders heeft het geen zin om te gaan lassen. Met gewalst 316L dat met CNC-frezen wordt bewerkt, weet je vrijwel zeker dat het materiaal dicht is, of je moet een slechte batch hebben. Maar met 3D printen kan de geringste crackvorming al aanleiding zijn om niet volledig dicht te zijn. De andere vraag was: hoe spannen we de onderdelen op? Het gaat namelijk niet om één buisje dat aan het 3D geprint onderdeel gelast moet worden, maar om twee dunwandige buisjes. Aan één kant worden ze aan twee freesdelen gelast, aan de andere kant aan het 3D geprint onderdeel. Toon Janssen: “Bij laserlassen staat de laserstraal zo veel mogelijk loodrecht op het te lassen product. De laserstraal mag niet te veel onder een hoek op het product komen te staan. Dat lukt niet meer als je twee buisjes aan een onderdeel last. Met een speciale opspanning hebben we dat probleem opgelost.”

Toon Janssen: het microlaserlassen van AM-onderdelen zal toenemen, want alles waar gassen of vloeistof door heen stromen, gaat 3D geprint worden.

Technische reinheid

Een van de belangrijkste voordelen van laserlassen is in de ogen van Toon Janssen dat de hoeveelheid warmte die je in het werkstuk brengt, gering is én dat je dit heel nauwkeurig kunt regelen. In dit geval is dat eens te meer nodig omdat de wand van de buisjes 1 millimeter dik is. “We mogen maximaal 0,6 mm diep in het materiaal lassen, omdat anders verontreinigingen aan de binnenzijde kunnen ontstaan. Dan zou het onderdeel niet meer aan de hoge reinheidseisen voldoen. Voor deze technische reinheid zijn klantspecifieke normen opgesteld waar we aan moeten voldoen”, zo verduidelijkt Toon Janssen. Door de juiste parameters voor het laserlassen te ontwikkelen, lukt het om een voldoende diepe las te maken zonder dat men door het materiaal heen gaat of inwendige verkleuring. De warmte die hiervoor nodig is, heeft geen of minimale invloed op de maatnauwkeurigheid. Wel worden er hoge eisen aan de opspanning gesteld omdat de samenstelling een aantal gaten heeft die binnen enkele honderdste millimeter parallel ten opzichte van elkaar moeten staan. De plaats- en vormtoleranties luisteren zeer nauw. “Ook laserlassen zorgt voor krimp. We weten nu precies hoe we deze kunnen opvangen met de speciale opspantools die we in huis ontwikkelen en produceren”, vertelt de specialist in microbewerken. “Hierdoor kunnen we een compleet product afleveren inclusief alle meetrapport en first article inspection.”

Lektest en drukvaltest

De ontwikkeling van de maaktechnologie voor dit complex onderdeel heeft het LTJ-team maanden werk gekost. Uiteindelijk is het gelukt om het 3D geprint onderdeel aan de uit stafmateriaal gemaakte buisjes te lassen en daarop de 5-assig gefreesde onderdelen. De helium lektest (die de lekdichtheid van buiten naar binnen meet) heeft zelfs een beter resultaat opgeleverd dan de specificatie van de opdrachtgever eist. De samenstelling moet lekdicht zijn tot 10 tot de macht -9. Toon Janssen: “Tijdens de helium lektest bleek de lasnaad zo goed te zijn dat we een dichtheid tot de macht -11 halen.” Ook de drukvaltest leverde geen enkel probleem op voor het hightech onderdeel. In een cyclus van 2,5 uur is de samenstelling getest met 15, 10 en 5 bar druk. Toon Janssen: “Anders gezegd: als een gewone aansteker zo dicht is als dit 3D geprint en gelast onderdeel, duurt het een miljoen jaar voordat de aansteker leeg is gelopen.” Wel heeft de druktest een speciale lektester gevergd vanwege de hoge nauwkeurigheid en de reinheidseisen. Er mag geen enkele verontreiniging vanuit de lektester in het onderdeel komen. Daarom zijn een (droge) vacuümtester en lektester/ drukvaltester voor onder andere medische toepassingen gebruikt.

Laser Technology Janssen beschikt over een eigen meetkamer voor meten op micrometerniveau.

Laserlassen AM-delen kan dus

Laser Technology Janssen heeft inmiddels een tiental prototypes van het onderdeel geproduceerd. Deze worden momenteel door de klant getest. Toon Janssen heeft er alle vertrouwen in dat dit uiteindelijk tot meerdere opdrachten voor soortgelijke delen zal leiden. Het bedrijf heeft de laserlastechnologie voor 3D geprinte onderdelen nu op punt staan. “We weten de parameters voor 316L en we weten hoe we lekdicht moeten werken. Dat kunnen we dus ook met andere legeringen doen.” Sterker nog, hij denkt dat bijvoorbeeld het laserlassen van een titanium onderdeel relatief zelfs eenvoudiger zal zijn, omdat titanium geprint wordt onder een beschermgas. “Het belangrijkste is dat we hebben aangetoond dat het laserlassen aan 3D geprinte onderdelen tot lekdichte verbindingen leidt. En de 3D geprinte onderdelen zelf zijn ook lekdicht en blijven dat ook.” En dat laatste is een minstens net zo belangrijke constatering, als je zoals Toon Janssen verwacht dat producten waar vloeistof of gassen door heen stromen in de komende jaren steeds meer 3D geprint gaan worden. Het hele proces staat of valt echter met de voorbereidingen en de nabewerking. “In die stappen hebben we grote sprongen gemaakt met dit project.”