28/07/2021
Door Ad Spijkers
Fraunhofer-instituut test bundelvorming die duizend keer sneller is.
Laserexperts uit Duitsland en Israël testen een nieuw type laser voor industrieel gebruik bij het Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden. Het systeem is gebaseerd op de Coherent Beam Combining (CBC) methode. Als onderdeel van een Europees netwerkproject werkt het instituut samen met Civan Lasers in Jeruzalem en A. Kotliar Laser Welding Solutions in Haifa om de versnelde bundelvorming te onderzoeken voor additive manufacturing.
Duizend keer sneller
Een klassieke laser kan de meeste energie alleen in het midden van de straal genereren. Het systeem uit Israël daartentegen kan energiepatronen op de werkstukken genereren, bijvoorbeeld in de vorm van een ring, een acht of een hoefijzer. In principe was dit in het verleden mogelijk met bundelafbuigende optica of snel oscillerende spiegels. Maar zelfs de snelste spiegels hebben milliseconden nodig om het energiepatroon in de straal opnieuw uit te lijnen. De Dynamic Beam fiberlaser kan dat binnen microseconden.
De Dynamic Beam fiberlaser combineert tientallen individuele bundels tot een krachtige laserbundel van hoge kwaliteit. Met kleine faseverschuivingen (Optical Phased Array = OPA) van de golfdalen en -pieken in de deelbundels kan de laser snel verschillende energieverdelingspatronen genereren in de resulterende bewerkingslaserstraal. Deze snelheid maakt het mogelijk om dynamische bundelvorming te gebruiken voor de additieve fabricage van metalen.
Betere eigenschappen
De onderzoekers testen het nieuwe lasersysteem om betere materiaaleigenschappen te bereiken. Concreet gaat het om de additieve fabricage van titanium- en aluminiumlegeringen, zoals die worden gebruikt voor ruimtevaartcomponenten, implantaten en lichtgewicht componenten voor mobiliteit. De partners willen dynamische bundelvorming gebruiken om defecten te elimineren en zo een hogere kwaliteit van de 3D-printresultaten te bereiken. Ze willen nieuwe bundelvormen en besturingsfrequenties gebruiken die niet met andere methoden kunnen worden bereikt om de uitdagingen van scheurgevoelige materialen te overwinnen.
De tests in Dresden zijn bedoeld om de mogelijkheden en limieten van de dynamische bundellaser te bepalen. In eerste instantie zijn basistesten met verschillende balkprofielen, materialen en processen gepland. Vervolgens testen de onderzoekers specifieke toepassingen, bijvoorbeeld hoe goed het systeem verschillende werkstukken kan scheiden, verbinden of additief vervaardigen van materialen en materiaalcomposieten die anders moeilijk te bewerken zijn.
Dubbele werksnelheid
Het is te voorzien dat met de nieuwe laser de dynamiek van het smeltbad in veel additieve en verbindingsprocessen sneller en nauwkeuriger kan worden gecontroleerd. Dat betreft niet alleen het oppervlak maar ook in diepte. Ook op het gebied van lasersnijden verwacht Fraunhofer IWS voordelen op het gebied van braamvrij snijden met een hoge snijkantkwaliteit, met een dubbele werksnelheid in vergelijking met conventionele fiberlasers.
De proeffase in Dresden zal uitwijzen of de nieuwe laser in de praktijk ook aan deze verwachtingen zal voldoen. De kwaliteits- en snelheidsvoordelen maken de technologie interessant voor toepassing in de metaalverwerkende industrie, medische technologie, elektromobiliteit en de lucht- en ruimtevaartindustrie.
Foto: René Jungnickel, Fraunhofer IWS