Fraunhofer ILT: Produktiv strukturieren mit Ultrakurzpulslaser

Laser strukturiert deutlich produktiver

| Redakteur: Konrad Mücke

Effizienter zur Spritzgiessform: Mit dem Ultrakurzpulslaser können Werkzeug- und Formenbauer auch grosse Flächen wirtschaftlich strukturieren.
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Effizienter zur Spritzgiessform: Mit dem Ultrakurzpulslaser können Werkzeug- und Formenbauer auch grosse Flächen wirtschaftlich strukturieren. (Bild: Fraunhofer-Institut ILT)

Spritzgiesswerkzeuge für geprägte Verkleidungen lassen sich künftig dreimal produktiver herstellen. Dafür hat das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen zusammen mit Industrieunternehmen die Prozesse und eine Laseranlage entwickelt und verwirklicht.

Geprägte Verkleidungen wirken in Pkw besonders hochwertig. Je feiner die Textur der Kunststoffoberflächen ist, umso näher kommt sie der Anmutung von Leder oder anderen hochwertigen Werkstoffen. Spritzgiessen benötigt nur kurze Zykluszeiten, um solche Oberflächen herzustellen. Allerdings dauert das Herstellen der dazu erforderlichen Werkzeuge extrem lang. Um feine Strukturen in den metallischen Oberflächen einzubringen, sind Werkzeugbauer oft mehrere Wochen beschäftigt. Die dreidimensionale Texturierung wird entweder in Dutzenden Einzelschritten geätzt oder durch einen Laserprozess mit nur etwa 1 mm³/min Abtragrate generiert.

Effizienter mit Ultrakurzpulslaser

Fünf Unternehmen und drei Forschungseinrichtungen haben sich im Forschungsvorhaben «eVerest» zusammengeschlossen. Sie beabsichtigten, die Technologie für das Laserstrukturieren mit Auflösungen im Mikrometerbereich grundsätzlich zu verbessern. «Es ging uns darum, die Prozesse deutlich schneller zu machen und dabei sogar noch eine höhere Qualität der Texturierung zu erreichen», fasst Andreas Brenner vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT die Projektziele zusammen.

Zum Optimieren der Prozesse untersuchten die Spezialisten alle Komponenten auf deren Effizienz. Vor allem die Totzeiten der Scannerpfade zu verringern, erwies sich als lohnend. Neue Algorithmen wurden dafür getestet. Die Fachhochschule Münster evaluierte mehrere Konzepte zum hochdynamischen Fokussieren von Piezo-Wölbspiegeln. Am Ende verwirklichte man mit der innovativen Scannertechnologie vom Hersteller Scanlab dreifache Produktivität. Auch beim Laser optimierte man. Laser mit ultrakurzen Pulsen (UKP) gelten als sehr präzis – Genauigkeiten im Bereich weniger Nanometer. Allerdings arbeiten sie langsam.

Faser aktiv gekühlt

Mit einem besonders leistungsstarken UKP-Laser des Herstellers Amphos GmbH (Spin-off des Fraunhofer ILT und seit dem Jahr 2018 zum Hersteller Trumpf gehörend) mit einer Kopplung über eine aktiv gekühlte Spezialfaser gelang es den Prozessingenieuren am Fraunhofer ILT, eine dem Nanosekundenlaser vergleichbare Abtragsrate zu verwirklichen. Zusätzlich kann mit dem UKP-Laser die Oberflächenrauheit auf kleiner 0,5 μm reduziert werden. Zur Qualitätssicherung während und nach der Bearbeitung dienten zwei fasergekoppelte OCT-Systeme des Herstellers Precitec Optronik. Sie messen bei 5 μm (In-Line) beziehungsweise sogar 1 μm (post process) Auflösung.

Die Komponenten integrierte man in eine Maschine basierend auf der Lasertec 125 von DMG Mori. Dabei waren zwei Forderungen zu erfüllen. Insbesondere sollte die Maschine einfach und ohne spezielle Technologiekenntnisse bedienbar sein. Zudem sollten nur wenige, einfache Prozesse ausreichen, um die Werkstücke zu bearbeiten. Letzteres ist speziell im Vergleich zum Ätzen vorteilhaft. Denn dort basiert die Qualität der Bearbeitung auf dem Geschick der Bediener.

Software simuliert und steuert

Zur einfachen Bedienung der voll automatisierbaren 8-Achs-Maschine trägt vor allem eine ausgeklügelte Software bei. Die vom Team der RWTH Aachen entwickelte Software simuliert und visualisiert in Echtzeit exakt die gewünschten Strukturen auf den Oberflächen.

Mit der verwirklichten Prozesssteuerung in der Maschine lassen sich mehrere Arbeitsschritte nacheinander in gleicher Aufspannung durchführen. So kann zum Beispiel eine prozessbedingte schwarze Oxidschicht nach dem Laserstrukturieren mit dem Laser beseitigt werden. Eine im Rahmen des Projektes entwickelte Technologie zum Laserpolieren mit dem Ultrakurzpulslaser haben die Ingenieure vom Fraunhofer ILT zum Patent angemeldet. Durch das Aneinanderreihen der Prozesse Laserstrukturieren, Laserreinigen und Laserpolieren entsteht eine photonische Prozesskette.

Weitere Anwendungen beabsichtigt

Laserstrukturieren mit dem Ultrakurzpulslaser eignet sich für eine Vielzahl an Anwendungen. «Im Kern steht dabei immer ein detailliertes Prozessverständnis. Dazu kommt dann die Anpassung der Prozesstechnik und eine übergreifende Steuerungssoftware», erläutert dazu Andreas Brenner. So können beispielsweise Prägewalzen für die Druckindustrie bearbeitet werden. Auch die Oberflächen grosser Wälzlager für Rotorwellen in Windkraftanlagen lassen sich strukturieren und mit funktionalen Oberflächen versehen. Gezeigt werden die Prozesse und die Maschine zur Messe Laser World of Photonics in München vom 24. bis 27. Juni 2019. - kmu - SMM

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