Werkzeuge aus Hartstoffen und Keramik wie Wolframcarbid sind besonders verschleißfest. Die zur Herstellung verwendeten Werkzeuge verschleißen jedoch umso schneller – es sei denn, das Werkzeug ist leicht. Forscher am Fraunhofer ILT haben nun eine Prozesskette entwickelt, die es ermöglicht, Hartstoffkomponenten mit einem Ultrakurzpulslaser (USP) zu formen und zu polieren, ohne den Klemmaufbau zu verändern.
Bohrer, Fräser, Walzen oder Stanzwerkzeuge aus keramischen Hartstoffen haben nicht nur einen Biss, sondern halten auch deutlich länger. So positiv ihre Verschleißfestigkeit für die Lebensdauer in der Produktion ist, so problematisch ist sie auch bei der Herstellung dieser Werkzeuge. Die Werkzeuge, die für die Formgebung und Oberflächenveredelung verwendet werden, werden schnell abgenutzt, wenn man an Hartmetallen, Cermets und Keramiken arbeitet. Dementsprechend ist der Verschleiß hoch, wenn Hersteller auf mechanische Bearbeitungsmethoden setzen.
USP Laser arbeiten dort, wo mechanische Prozesse ihre Grenzen erreichen
Dies ist bei ultrakurzen Laserpulsen anders. Selbst kommerziell erhältliche USP-Laser mit 20 bis 40 Watt Leistung können harte Materialien im Werkzeugbau effizient entfernen. Wo ihre hochenergetischen Impulse von nur wenigen Pikosekunden auf die Oberfläche treffen, verdampft das Material. Da dies bei Frequenzen im MHz-Bereich geschieht, erreicht die Laserablation Flächenraten von bis zu 100 cm2 pro Minute.
Das Potenzial der USP-Verarbeitung geht jedoch weit über die Gestaltung der Ablation hinaus. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT in Aachen haben eine Prozesskette entwickelt, in der derselbe USP-Laser sowohl den formgebenden Materialabtrag als auch das anschließende Polieren von Werkzeugoberflächen durchführt. "Der USP-Laser ist ein universelles Werkzeug, mit dem wir verschiedene Bearbeitungsschritte zum Teil im selben Setup realisieren können", sagt Sönke Vogel, Teamleiterin für 3D-Strukturablation am Fraunhofer ILT, die den Prozess gemeinsam mit Astrid Saßmannshausen, Teamleiterin für Strukturierung transparenter Materialien, entwickelt hat.
Der Schlüssel zur Verknüpfung der Prozessschritte liegt in der Laserparametrierung. Während der Materialabtrag bei hoher Pulsenergie und niedriger Wiederholungsrate stattfindet, verwendet das Polieren die entgegengesetzte Einstellung. Der USP-Laser bringt Energie mit Pulsfrequenzen von bis zu 50 MHz in die Werkstückoberfläche ein. Die Energie sammelt sich an und schmilzt die oberen 0,2 bis 2 Mikrometer. Das Material verdampft nicht; stattdessen bildet sich ein geschmolzener Film, der sich unter Oberflächenspannung glättet und beim Abkühlen erstarrt.
Oberflächeneigenschaften können auch durch Prozessmanagement gesteuert werden. "Mit dem USP-Laserpolieren ist es beispielsweise möglich, Mikrounregelmäßigkeiten zu glätten und dabei makroskopische Strukturen zu erhalten", erklärt Saßmannshausen. Der Laserprozess ermöglicht auch das Polieren komplexer 3D-Oberflächen mit Mikrometer-Präzision. Ebenso ist ein selektives Polieren bestimmter Bereiche möglich, wodurch eine lokale Einstellung von Oberflächeneigenschaften oder ein Polieren nur bei Bedarf ermöglicht wird, was Zeit spart. Das USP-Polieren ergänzt somit das Makro- und Mikrolaserpolieren mit einem noch präziseren und lokal anwendbaren Ansatz zur Oberflächenveredelung.
Effizientes Verfahren zur industriellen Hartstoffbearbeitung
Je nach Prozessanforderungen erreicht das Laserpolieren Oberflächenraten zwischen 10 und 100 cm2 pro Minute, die nahezu den Geschwindigkeiten des vorhergehenden Materialabtrags entsprechen. "Die Kombination beider Prozesse mit einem einzigen Laser im selben Setup ermöglicht es Unternehmen, ihr Angebot mit bestehenden USP-Lasern zu erweitern oder die Amortisation einer Neuinvestition deutlich zu beschleunigen", sagt Saßmannshausen.
Vor allem ist der Ansatz gut geeignet, mechanische Bearbeitungsverfahren bei der Verarbeitung harter Materialien zu ersetzen und damit dem mitunter immensen Werkzeugverschleiß ihrer Herstellung ein Ende zu setzen. Dies reduziert nicht nur die Kosten, sondern erhöht auch direkt die Ressourcen- und Energieeffizienz. Laut Saßmannshausen und Vogel ist das Potenzial dieses kombinierten Prozesses noch lange nicht ausgeschöpft. Mit schnelleren Polygonscannern, höherer Laserleistung und größeren Laserfleckgrößen könnten die Flächenraten noch weiter erhöht werden. Interessierte Industriepartner sind eingeladen, gemeinsam mit dem Fraunhofer ILT-Forschungsteam die nächsten Optimierungsschritte gemeinsam anzugehen.
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