Sandstrahlen – das war gestern. Laserstrahlen können Oberflächen präziser, kostengünstiger und umweltfreundlicher reinigen und strukturieren als herkömmliche Systeme. Das Fraunhofer-Institut für Material- und Strahltechnik IWS in Dresden hat dafür die Technologie "LIGHTblast" entwickelt, die nun in die Halbleiterfertigung, Automobilzulieferer und andere Industriezweige überführt wird.
Die Forscher des Fraunhofer IWS sehen erhebliches ökologisches und wirtschaftliches Potenzial: "Das ist wie Sandstrahlen mit Lichtgeschwindigkeit", erklärt Dr. Patrick Herwig, Leiter der Laserschneidgruppe am Institut. "Wir ermöglichen es der Industrie, Anlagen und Komponenten schneller, umweltfreundlicher und sauberer als bisher zu verarbeiten." Berücksichtigt man die gesamte Produktionskette, ist unser Verfahren kostengünstiger als klassisches Sandstrahlen, wenn es in der Serienproduktion eingesetzt wird. Wir sind sicher, dass sich die Lasertechnologie für Unternehmen auszahlen wird. Das Fraunhofer IWS bereitet derzeit erste Anwendungsbeispiele mit verschiedenen Endnutzern vor. Lasersysteme könnten dort bald Schritt für Schritt Sandstrahlsysteme ersetzen.
Hochenergetisches Licht ersetzt Sandkörner
Das Marktpotenzial ist beträchtlich. Tatsächlich nimmt die Zahl der Industrien, die klassische Sandstrahlsysteme verwenden, zu. Sie entfernen nicht nur Verunreinigungen verschiedenster Bauteile, sondern veredeln diese auch definiert vor der Beschichtung und optimieren so das Ergebnis des Beschichtungsprozesses. Gelegentlich werden Sandpartikel in die behandelte Oberfläche eingebettet, die auch nach intensiver Reinigung als Defekt verbleiben. Bei herkömmlichen Verfahren beschleunigt ein Druckluftstrahl den Sand mit hoher Geschwindigkeit auf die Targetoberfläche. Die scharfkantigen Sandpartikel reißen Teile der Oberfläche weg, wodurch die scharfen Kanten verschleißen und sich mit dem resultierenden Staub vermischen. Bei jedem Einsatz verschmutzt das Strahlmittel mehr und stetig runde Schleifen. Das Verfahrensergebnis verschlechtert sich kontinuierlich. Letztendlich muss das Gemisch als Sonderabfall entsorgt werden, was die Umwelt belastet und zusätzliche Kosten verursacht.
Das Fraunhofer IWS verwendet hochenergetisches Licht anstelle von Sandkörnern zum Reinigen und Aufrauhen. Hierfür entwickelten die Forscher den laserbasierten Prozess „LIGHTblast, der Reinigungs- und Strukturierungsaufgaben deutlich schneller als herkömmliche Prozesse realisiert und zu geringeren Betriebskosten in der Serienfertigung führen soll. Der Prozess kann auch einfacher automatisiert werden, was sich positiv auf Qualität, Prozesskontrolle und Arbeitssicherheit auswirkt. Darüber hinaus arbeitet das System viel präziser als ein Sandstrahlsystem, da ein Laserstrahl mit einem Durchmesser von weniger als 50 Mikrometern (d.h. Tausendstel Millimeter) einen mehrere Zentimeter breiten Teilchenstrom ersetzt. "In gewisser Weise arbeiten wir mit einem Skalpell anstelle eines Clubs", erklärt Patrick Herwig metaphorisch. Wie rau die Oberfläche endet, kann mit der neuen Methode auch sehr fein eingestellt werden.
Umweltschutzmaßnahmen
Neben den Kosten- und Qualitätsvorteilen wird die ökologische Balance ihrer Herstellungsprozesse für viele industrielle Anwender immer wichtiger. Somit entfallen viele Vor- und Nachbearbeitungsschritte: Die lichtbasierte Verarbeitung erfordert keine Chemikalien zur Reinigung. Das Laserstrahlsystem verarbeitet genau nur die gewünschten Oberflächen, verbraucht weder Sand noch Material zur Maskierung und spart somit gefährliche Abfälle und Klebebandabfälle. Der Laserstrahl verdampft Teile der Oberfläche, der expandierende Dampf führt feste Bestandteile ab und erreicht auch eine definierte Rauhigkeit.
Mehrere Industrieunternehmen haben diese und weitere Vorteile des leichten Sandstrahlens bereits erkannt. Sie wollen die Technologie nun gemeinsam mit den Fraunhofer-Forschern schrittweise in die Fertigungspraxis überführen. So entwickeln das Fraunhofer IWS und ein Partner das Verfahren weiter, um Hartstoffbeschichtungen mittels Lasertechnik zu strukturieren und den Veredelungsprozess hinsichtlich Kosten und Umweltverträglichkeit entscheidend zu verbessern. "Jede Bremsscheibe ist anders", sagt René Bischoff, Chief Technology Officer bei C4 Laser Technology aus Freital bei Dresden. Faktoren wie die chemische Materialzusammensetzung, Abkühlgeschwindigkeiten, der Zustand der Bearbeitungswerkzeuge oder die oberflächennahe Graphitstruktur sind nur einige wenige Parameter, die den Beschichtungsprozess von Graugussoberflächen erheblich beeinflussen. Gemeinsam mit dem Fraunhofer IWS haben wir einen Weg gefunden, die Reibbandoberfläche des Bremsscheibenrohlings vor der Beschichtung zu standardisieren. Damit ist es uns gelungen, den Normalisierungsprozess vollautomatisierbar sowie kosteneffizient zu gestalten und die Prozessfähigkeit zu erhöhen. Als Teil der Produktionskette trägt das Verfahren somit zu einer kostengünstigen Bremsscheibe bei, deren deutlich verlängerte Lebensdauer dafür sorgt, dass im Straßenverkehr künftig weniger Feinstaub produziert wird. Das Dresdner Institut bringt unter anderem seine Expertise in der Gestaltung laserbasierter Fertigungsprozesse und in der Softwareentwicklung zur Prozesssteuerung ein.
Generell kann das neue Verfahren überall dort angewendet werden, wo Bauteile gereinigt, vorstrukturiert oder für die nachfolgende Beschichtung aufgerauht werden müssen. Dazu sind weitere Entwicklungsschritte geplant.
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