Onderzoek om het lasproces voor de productie-industrie te verbeteren
Booglassen en additive manufacturing zijn enorm belangrijk voor het relatief goedkoop en snel fabriceren van grote metalen onderdelen. Nieuw onderzoek door een team van de Universiteit van Leicester, de Technische Universiteit Delft, Diamond Light Source, University College Dublin en TATA Steel Research UK heeft laten zien hoe dit proces kan worden geoptimaliseerd om de efficiëntie te verbeteren en de kosten te verminderen. Een artikel met de bevindingen is onlangs gepubliceerd in Nature Communications.
Het onderzoek gaat over het interne stroomgedrag bij additive manufacturing van metalen en booglassen, het meest gebruikte lasproces in de moderne productie-industrie. Het richt zich met name op de smeltbaden die tijdens het lasproces ontstaan.
Hiertoe voegde het team kleine deeltjes wolfraam en tantaal toe aan het smeltbad. Vanwege het hoge smeltpunt van deze materialen bleven de deeltjes lang genoeg in vaste toestand in het smeltbad om ze te kunnen volgen met behulp van intense röntgenstralen. Deze röntgenstralen werden gegenereerd met behulp van de synchrotron-deeltjesversneller bij Diamond Light Source, de nationale Britse faciliteit voor synchrotronlicht. Voor dit onderzoek werd Beamline I12 gekozen vanwege zijn gespecialiseerde beeldvormingscapaciteit met hoge energie en hoge snelheid, met duizenden frames per seconde.
Met behulp van Beamline I12 konden de onderzoekers hogesnelheidsfilms maken die laten zien hoe oppervlaktespanning de vorm van het lassmeltbad en de bijbehorende snelheid en stroompatronen beïnvloedt. De resultaten tonen voor het eerst dat het smeltstroomgedrag lijkt op eerdere waarnemingen via computersimulaties.
Anton Kidess, promovendus bij de Technische Universiteit Delft, ontwikkelde nieuwe algoritmen voor het volgen van deeltjes, waarmee de gerapporteerde stroompatronen in de lasbaden kunnen worden gevisualiseerd. Samen met de Delftse hoogleraren Ian Richardson en Chris Kleijn gaf hij de theoretische verklaringen voor en interpretaties van de impact van chemische sporencomponenten op variaties in oppervlaktespanning in het smeltbad, en toonde hij aan dat deze de stroompatronen sterk beïnvloeden.
Uit de resultaten blijkt dat booglassen kan worden geoptimaliseerd door de stroom van het smeltbad te controleren en de bijbehorende actieve elementen op het oppervlak te veranderen. Professor Hongbiao Dong van de Universiteit van Leicester legt uit: “Het blijft een uitdaging om te begrijpen wat er gebeurt met vloeistoffen in smeltbaden tijdens lassen en additive manufacturing met metaal. De bevindingen zullen ons helpen bij het ontwerpen en optimaliseren van las- en additive-manufacturingprocessen, zodat we onderdelen kunnen maken met betere eigenschappen en tegen lagere kosten. Lassen is de zuinigste en effectiefste manier om metalen permanent te verbinden en vormt een essentieel onderdeel van onze productie-economie.”
Naar schatting bevatten wereldwijd meer dan 50% van de huishoudelijke en technische producten gelaste verbindingen. In Europa ondersteunt de lasindustrie van oudsher een breed scala aan bedrijven in de scheepsbouw, pijpleidingenproductie, auto-industrie, lucht- en ruimtevaart, defensie en bouw. De inkomsten uit lasapparatuur en verbruiksgoederen bedroegen in 2017 in Europa € 3,5 miljard.
De resultaten zullen bijdragen aan toekomstig ontwerp en optimalisatie van lassen en additive manufacturing.