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Werkzeuge aus Hartstoffen und Keramiken wie Wolframcarbid sind besonders verschleißfest. Dafür verschleißen für ihre Fertigung eingesetzte Werkzeuge umso schneller – es sei denn, das Werkzeug ist Licht. Forschende des Fraunhofer ILT haben nun eine Prozesskette entwickelt, in der sich die Formgebung und Politur von Hartstoffbauteilen mit einem Ultrakurzpuls-(UKP)-Laser umsetzen lassen, ohne die Aufspannung zu wechseln.
Bohrer, Fräsköpfe, Walzen oder auch Stanzeinsätze aus keramischen Hartstoffen haben nicht nur Biss, sondern halten auch signifikant länger durch. Doch so positiv sich ihre Verschleißfestigkeit auf die Standzeiten in der Produktion auswirkt, so problematisch ist sie in der Fertigung dieser Werkzeuge. Denn jene Werkzeuge, die für ihre Formgebung und Oberflächenbearbeitung eingesetzt werden, beißen sich an den hier eingesetzten Mischcarbid-Hartmetallen, Cermets und Keramiken die Zähne aus. Entsprechend hoch ist der Verschleiß, wenn Hersteller auf mechanische Bearbeitungsverfahren setzen.
UKP-Laser wirkt, wo mechanische Verfahren an Grenzen stoßen
Das ist mit ultrakurzen Laserpulsen anders. Schon marktübliche UKP-Laser mit 20 bis 40 Watt Leistung sind in der Lage, die im Werkzeugbau eingesetzten Hartstoffe effizient abzutragen. Wo ihre wenige Pikosekunden kurzen, hochenergetischen Pulse auf die Oberflächen treffen, verdampft das Material. Da dies mit Frequenzen im MHz-Bereich geschieht, erreicht der Lasermaterialabtrag Flächenraten bis 100 cm² pro Minute. Doch mit dieser formgebenden Evaporation der Werkstoffe ist das Potenzial der UKP- Bearbeitung nicht erschöpft. Forschende des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT in Aachen haben eine Prozesskette entwickelt, in der derselbe UKP-Laser sowohl den formgebenden Materialabtrag als auch die anschließende Politur der Werkzeugoberflächen umsetzt. »Der UKP-Laser ist ein universelles Werkzeug, mit dem wir unterschiedliche Bearbeitungsschritte realisieren, teils in derselben Aufspannung«, sagt Sönke Vogel, Teamleiter 3D-Strukturabtrag am Fraunhofer ILT, der das Verfahren zusammen mit Astrid Saßmannshausen, Teamleiterin Strukturierung transparenter Materialien vorangetrieben hat.
Der Schlüssel für die Verknüpfung der Prozessschritte liegt in der Parametrierung des Lasers: Während der Materialabtrag mit hoher Pulsenergie und geringer Repetitionsrate erfolgt, ist es bei der Politur umgekehrt. Der UKP-Laser bringt mit einer Pulsfrequenz von bis zu 50 MHz Energie in die Oberfläche des Werkstücks ein, die dort akkumuliert und die obersten 0,2 – 2 Mikrometer aufschmelzen lässt. Das Material verdampft nicht, sondern es bildet einen Schmelzfilm, der sich infolge der Oberflächenspannung von selbst glattzieht und beim Abkühlen erstarrt. Auch die Oberflächeneigenschaften sind über die Prozessführung steuerbar. »Mit der UKP-Laserpolitur ist es beispielsweise möglich, Mikro-Unebenheiten unter Beibehaltung makroskopischer Strukturen zu glätten«, erklärt Saßmannshausen. Außerdem ist es mit dem Laserverfahren möglich, komplexe 3D-Oberflächen mit Mikrometer-Präzision zu polieren. Auch eine selektive Politur von ausgewählten Arealen ist möglich, um die Oberflächeneigenschaften gezielt lokal einzustellen oder nur die notwendigen Areale zu polieren, was wiederum Zeit spart. Das UKP-Polieren ergänzt das Lasermakro- und -mikropolieren damit um einen noch präziseren und lokal anwendbaren Ansatz zum Oberflächenpolieren.
Effizientes Verfahren für industrielle Hartstoff-Bearbeitung
Je nach Prozessanforderungen erreicht die Laserpolitur Oberflächenraten von zehn bis 100 cm² pro Minute und hält damit nahezu mit den Flächenraten des vorangestellten Materialabtrags mit. »Die Kombination beider Prozesse mit einem Laser in derselben Aufspannung ermöglicht es Unternehmen, ihr Angebot mit bereits vorhandenen UKP-Lasern auszuweiten oder die Amortisation nach einer Neuanschaffung signifikant zu beschleunigen«, erklärt Saßmannshausen.
Vor allem aber ist sie dazu geeignet, mechanische Verfahren in der Bearbeitung von Hartstoffen abzulösen und so den teilweise immensen Werkzeugverschleiß in ihrer Herstellung zu beenden. Das trägt nicht nur zur Kostensenkung, sondern auch konkret zu mehr Ressourcen- und Energieeffizienz bei. Laut Saßmannshausen und Vogel ist das Potenzial der Prozesskombination noch bei Weitem nicht ausgereizt. Mit schnelleren Polygon-Scannern, höheren Laserleistungen und vergrößerten Laserspots sei es möglich, die Flächenraten deutlich zu steigern. Interessierte Industriepartner sind eingeladen, die Optimierungsschritte gemeinsam mit dem Forschungsteam des Fraunhofer ILT in Angriff zu nehmen.
Sönke Vogel
Teamleiter 3D-Strukturabtrag
Telefon +49 241 8906-180
soenke.vogel@ilt.fraunhofer.de
Astrid Saßmannshausen
Teamleiterin Strukturierung transparenter Materialien
Telefon +49 241 8906-638
astrid.sassmannshausen@ilt.fraunhofer.de
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
Steinbachstraße 15
52074 Aachen
www.ilt.fraunhofer.de
Wenige Pikosekunden kurze, hochenergetische Pulse lassen das Material beim UKP-Strukturieren verdamp ...
Copyright: © Fraunhofer ILT, Aachen.
In der neuentwickelten Prozesskette strukturiert ein UKP-Laser Hartstoffbauteile wie dieses Formwerk ...
Copyright: © Fraunhofer ILT, Aachen.
Criteria of this press release:
Business and commerce, Journalists, Scientists and scholars
Materials sciences, Mechanical engineering
transregional, national
Research results
German
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