Polieren von 3D-Geometrien per Laserstrahl
Wirtschaftliche und zeitliche Vorteile
Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT nutzt Laserstrahlung zum automatisierten Polieren von Bauteilen mit komplexen 3D-Oberflächen. Mit dem neuen Verfahren kann der Anwender langwierige manuelle Arbeit vermeiden und damit wirtschaftliche und zeitliche Vorteile erschließen. Dazu wurde ein spezielles Maschinenkonzept entwickelt, um den hohen Anforderungen gerecht zu werden.
Polieren mit Laserstrahlung beruht auf dem Umschmelzen einer dünnen Randschicht der Werkstücke und Glättung der Oberfläche infolge der Grenzflächenspannung. Die Innovation des Laserpolierens liegt in dem grundlegend anderen Wirkprinzip (Umschmelzen) gegenüber konventionellen Schleif- und Polierverfahren (Abtragen). Für metallische Werkstoffe werden in der Regel diodengepumpte Festkörperlaser und für Gläser und Kunststoffe CO2-Laser eingesetzt.
Weisen metallische Oberflächen bereits eine geringe Rauheit auf, zum Beispiel nach dem Schleifen, können gepulste Laser mit Pulsdauern von einigen 100 ns eingesetzt werden. Sind die Oberflächen dagegen rauer, zum Beispiel nach dem Fräsen oder Erodieren, werden kontinuierliche Laser verwendet. Die Umschmelztiefe liegt zwischen einigen 100 nm bei Verwendung von gepulsten Lasern bis hin zu 100 µm bei Verwendung von kontinuierlichen Lasern.
Verfahrensmerkmale
Das automatisierte Laserpolieren hat viele Vorteile gegenüber der manuellen Politur. Während die manuelle Politur häufig mehr als 10 min/qcm in Anspruch nimmt, werden beim Laserpolieren Bearbeitungszeiten von etwa 1 min/qcm erreicht. Beim Mikropolieren mit gepulster Laserstrahlung kann diese noch um mehr als eine Größenordnung kleiner ausfallen. Darüber hinaus wird beim Polieren mit Laserstrahlung eine hohe Ortsauflösung (zur Zeit 150 µm) erreicht, die nicht nur eine selektive Politur ausgewählter Bereiche, sondern auch die Erzeugung von Zwei- oder Mehrglanzeffekten erlaubt. Bei dem neuartigen berührungslosen Verfahren fallen anders als bei der manuellen Politur keinerlei Schleif- und Polierabfälle an.
Verschiedene Werkzeugstähle mit gefrästen und erodierten Oberflächen mit Ausgangsrauheiten von Ra = 1-4 µm können mittels Laserstrahlung auf eine Rauheit von Ra = 0,1 bis 0,4 µm geglättet werden. Aber auch andere Stähle und Gusslegierungen können poliert werden. Allerdings hängt die erreichte Rauheit stark von der Art und insbesondere der Homogenität des Werkstoffes ab.
Maschinentechnik und CAM-NC-Datenkette
Zusammen mit der Maschinenfabrik Arnold und der S&F Systemtechnik entwickelt das Fraunhofer ILT eine Werkzeugmaschine für das Laserpolieren metallischer Bauteile. Ziel ist, die Ergebnisse und Erfahrungen aus dem Labor in eine robuste Maschinentechnik umzusetzen, die für eine industrielle Fertigung geeignet ist. Basis der Maschine bildet eine Fünfachsen-Portalmaschine, die die Werkstücke positioniert und langsame Vorschubbewegungen ausführt. Kombiniert wird dieses Achssystem mit einem hochdynamischen Dreiachsen-Laserscanner, der die erforderlichen Prozessgeschwindigkeiten von bis zu 1 m/s ermöglicht. Im Vergleich zu den konventionellen mechanischen Achsen erreicht der Laserscanner mit über 100 g deutlich größere Beschleunigungen. Mittels diesem hochdynamischen System lässt sich die Laserleistung punktgenau auch auf großen Bauteilen ortsaufgelöst einstellen.
Aufgrund der Maschinenkinematik mit 5+3 Achsen werden besondere Anforderungen an die CAM-NC-Datenkette und an die Anlagensteuerung gestellt. Dazu entwickelt das Fraunhofer ILT Lösungen, bei der der Anwender sein vom Fräsen bekanntes CAM-System auch für die Bahnplanung beim Laserpolieren verwenden kann. Ein sogenannter „Technologieprozessor“ portiert die generierten Werkzeugbahnen in ein für die Maschine lesbares Format und führt verschiedene Anpassungen durch, um die Prozessparameter und Bearbeitungsstrategien des Laserpolierens zu berücksichtigen. Er übernimmt dabei unter anderem die Rolle eines Postprozessors, die »Fräsbahnen« werden faktisch in »Laserpolierbahnen« konvertiert.
Da die Rauheit tendenziell bei größer werdendem Einstrahlwinkel der Laserstrahlung steigt, muss bei komplexen Geometrien die gesamte Oberfläche sequentiell in Teilflächen poliert werden. Das führt in den aneinandergrenzenden Bereichen zu sichtbaren Ansatzkanten und erfordert besondere Bearbeitungsstrategien. Die eleganteste Lösung besteht darin, die Orientierung des Bauteils mittels der mechanischen Achsen während der Bearbeitung zu ändern. Ähnlich zum Fündachsen-Simultan-Fräsen ergibt sich beim Laserpolieren eine Achtachsen-Simultan-Bearbeitung, deren komplexe Transformationen durch den „Technologieprozessor“ vorausberechnet werden. Hierbei sind alle acht Achsen gleichzeitig in Bewegung, wodurch sich während der Bearbeitung der Einstrahlwinkel des Laserstrahls auf ein Minimum reduzieren lässt.
Die Bearbeitung der Bauteile erfolgt unter Schutzgasatmosphäre. Das zu bearbeitende Bauteil befindet sich in einer Schutzgaskammer, die sich zur einfachen Bestückung seitlich öffnen lässt, um diese für große Bauteile bei Bedarf auch einem Kran zugänglich zu machen. Da für das Polieren mit Laserstrahlung je nach Bauteil verschiedene Laserstrahldurchmesser erforderlich sind, ist in der Maschine eine flexible Zoomoptik integriert. Alle Komponenten der Maschine - sowohl optische als auch mechanische - lassen sich über eine einheitliche NC-Steuerung bedienen.
Mehr Informationen zum Fraunhofer ILT:
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Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT |
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Steinbachstr. 15 |
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52074 Aachen |
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Telefon +49 241 8906-0 |
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www.ilt.fraunhofer.de |
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