Das Lasern bis zum Lotuseffekt behandelt eine Doktorarbeit der Universität von Twente in den Niederlanden. Es geht also um den Selbstreinigungseffekt: Ir. Max Groenendijk, Wissenschafter der Abteilung ›Mechanical Engineering‹ und Mitarbeiter der Spin-Off-Firma Lightmotif aus Enschede hat mit ultrakurz gepulsten Lasern (Pulsdauer: wenige Femtosekunden) eine Methode zum Erzeugen winziger geriffelter Muster im Nanometerbereich entwickelt. Die so strukturierte Oberfläche stößt nun Wasser oder Verschmutzung dank des Lotuseffektes ab. Das Verfahren kam bereits bei Stählen für Spritzgusswerkzeuge erfolgreich zum Einsatz. Vielleicht besucht der frischgebackene Doktor nach seiner Promotion Dr. Mario Kordt in Laudenbach. Der Experte befasst sich als »Head of Technology Management Toolshop« bei der Freudenberg Anlagen- und Werkzeugtechnik nämlich ebenfalls mit dem Mikrostrukturieren. Der Maschinenhersteller hat dazu mit dem Aachener Fraunhofer IPT die Flaser3D zum Fünf-Achs-Mikrostrukturieren geometrisch komplexer Bauteile und Werkzeuge entwickelt. Als Basismaschine dient eine Micron HSM 600 U. Es kommt ein Nd:YV04-Laser (Leistung 20 Watt) mit Zwei-Achsen-Galvano-Scanner und Varioscan zum Einsatz, der Material im 3D-Bereich mit kurzen Pulslängen von fünf bis 20 Nanosekunden und einer Frequenz von 50 Kilohertz abträgt.

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Gezieltes Mikrostrukturieren

Was unterscheidet diese Anlage von anderen Systemen? Die Antwort von Dr. Kordt: »Wir haben ein System zum Werkzeugvermessen integriert, das wir in anderen Maschinen zum Laserabtragen vermisst haben. Das ist meiner Ansicht nach eine wichtige Funktion beim Bearbeiten im Mikrometer-Bereich, denn der Anwender muss wissen, ob der Laser exakt zur Werkzeugachse steht.« Das Vermessen mit Kamerasystemen reiche dagegen nicht aus. Das dreidimensionale Mikrostrukturieren entfernt Schichten mit einer Dicke von weniger als einem Mikrometer mit einer Positioniergenauigkeit von mindestens zehn Mikrometern — bei einer Rauheit von etwa 0,5 Mikrometern. Ein in den Bearbeitungsprozess integriertes Qualitätsmanagementsystem übernimmt die Online-Überwachung. Das Problem beim Mikrostrukturieren: Es kennen sich nur wenige Mitarbeiter damit aus, weil es sich um eine noch sehr junge Laseranwendung handelt. Weil die Qualität aber mit den Kennwerten steht und fällt, hat das Unternehmen eine Technologiedatenbank entwickelt, die greifbare Prozessdaten zur Verfügung stellt. Zu den wichtigsten Parametern zählen: Schichttiefe pro Überlauf, Rauheit im Abtragrund und Abtragvolumen. Das System schlägt dem Anwender nach Eingabe von gewünschten Kennwerten die möglichen Bearbeitungskombinationen vor. Freudenberg entwickelte die Maschine auch zum Bearbeiten von Freiformflächen. Dazu verfügt die Anlage über entsprechende Messtechnik, die den Anwender vor Abweichungen warnt. So kann es vorkommen, dass er das Bauteil beispielsweise aufgrund geänderter Reflexionen oder Absorptionen nachjustieren muss. Das Verfahren eignet sich zum Ätzen und für galvanische Prozesse. Freudenberg nahm auch die Kosten im Vergleich zu den konventionellen Methoden unter die Lupe. Ergebnis des Benchmarkings: Die Kosten sinken laut Dr. Kordt um bis zu 80 Prozent und der Zeitaufwand um maximal 70 Prozent. Gesucht sind nun Kooperationspartner, die helfen, das Verfahren auch außerhalb des Elastomer-Bereichs weiter zu entwickeln. Ein interessanter Aspekt: Der Laserkopf lässt sich auch austauschen, wenn beispielsweise ein anderes Verfahren mit einer anderen Wellenlänge für das Bearbeiten eines neuen Werkstoffes ansteht. Dr. Kordt: »Wir suchen hochflexible Laserstrahlquellen, mit denen sich Pulslängen beispielsweise ›einfrieren‹ oder gezielt verändern lassen.«

Laserpolieren

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Im wahrsten Sinne um eine ›preiswerte‹ Entwicklung geht es bei einer Innovation aus Aachen, nämlich um das Laserpolieren: Das Glätten geschieht durch Umschmelzen einer Randschicht, die weniger als 100 Mikrometer dünn ausfällt. Neben der Beseitigung der Ausgangsrauheit kann jedoch aus dem Prozess eine ungewollte neue Rauheit entstehen. Es handelt sich dabei um ungewünschte Effekte wie Einbrandkerben oder Schuppen, die sich aber auch per Laserpolieren verringern lassen. Dr. Edgar Willenborg, Senior Scientist in der Abteilung Oberflächentechnik am Fraunhofer ILT, erhielt für seine Arbeiten auf diesem Gebiet den vom Industrie-Club Düsseldorf gestifteten Wissenschaftspreis 2006. Das enorme Potenzial des Laserpolierens zeigte der Experte auf dem International Laser Technology Congress AKL´08 anhand eines typischen Werkzeugstahls (Sorte 1.2343): Beim sogenannten Makropolieren mit dem kontinuierlich arbeitenden Laser sank die Rauheit Ra von 4,0 auf 0,1 Mikrometer; die Polierzeit dauerte zwei Minuten pro Quadratzentimeter. Das klingt nach langer Bearbeitungszeit, doch laut Willenborg benötigt ein Handpolierer für die gleiche Arbeit häufig zehn bis 30 Minuten. Das Institut hat übrigens auch schon Rauheitswerte von 0,05 Mikrometer erreicht, dann muss aber »alles perfekt stimmen«. Der gepulste Laser kann schneller arbeiten, aber grobe Rauheiten nicht beseitigen: Die Rauheit Ra einer geschliffenen oder fein gefrästen Oberfläche sinkt beispielsweise von 0,4 auf 0,1 Mikrometer. Dieser Bearbeitungsgang dauert nur noch rund drei Sekunden pro Quadratzentimeter.

Lasern statt Fräsen

Im Rahmen des BMBF-Projektes Polar entstand zusammen mit der Industrie eine Poliermaschine, die auf einer Fünf-Achs-Fräsmaschine von Hermle basiert. Die Aachener bestückten die Werkzeugmaschine nicht mit einer Frässpindel, sondern mit einem dreiachsigen Laserscanner. Der Anwender kann den Laser und das Prozessgas-System (Schutzgas zum Schutz des Werkstoffes vor Oxidation) direkt über die modifizierte Siemens-Steuerung bedienen. Es lassen sich Werkstücke mit einer Größe von maximal 300 Millimeter mal 300 Millimeter mal 200 Millimeter bearbeiten. _

Nikolaus Fecht

Background

Info für Schnellleser

Das Fraunhofer ILT, Aachen, entwickelte Technologien zum Polieren mit Lasern. Von Freudenberg Anlagen- und Werkzeugtechnik stammt die Anlage zum Abtragen von Metallschichten. An der Universität Twente entstanden Herstellmethoden für selbstreinigende Oberflächen.