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Nimm zwei: Metallische Oberflächen effizient mit dem Laser strukturieren

15.03.2017

Im Automobilbereich bekommen immer mehr Oberflächen eine Mikrostruktur. Ob im Zylinder oder auf dem Armaturenbrett, solche funktionalen Oberflächen sind angesagt. Mit ihrer fast unbegrenzten Präzision sind Laser dafür die richtigen Werkzeuge. Damit auch die Produktivität stimmt, wird jetzt eine Maschine entwickelt, die mit zwei verschiedenen Pulsarten auch große Flächen effizient bearbeiten kann.

Laser mit ultrakurzen Pulsen, sogenannte UKP-Laser, gelten seit einigen Jahren als äußerst vielversprechend für die Mikromaterialbearbeitung: Unabhängig vom Material können sie hochpräzise bis in den Mikrometerbereich abtragen. Oftmals lässt für die industrielle Anwendung nur die Geschwindigkeit noch zu wünschen übrig.


Mit der Kombination aus Nano- und Pikosekundenpulsen lassen sich funktionale Oberflächen mit großer Genauigkeit auch effizient herstellen.

Fraunhofer ILT, Aachen


Die Bearbeitung erfolgt schrittweise: Erst wird eine Grundstruktur mit Nanosekundenpulsen erzeugt(rechts). Darauf werden Feinheiten mit hochpräzisen ultrakurzen Pikosekundenpulsen hergestellt(links).

Fraunhofer ILT, Aachen

Bislang versucht man diesen Zielkonflikt mit mehr Laserleistung, schnelleren Scannern oder einer Aufteilung des Laserstrahls in mehrere Teilstrahlen zu lösen. Ein neues Konsortium aus Forschung und Industrie geht einen anderen Weg: Die Partner entwickeln eine Lasermaschine, die nur für die allerfeinsten Teile den exakten UKP-Laser nutzt. Den Rest erledigt zuvor ein produktiver Nanosekundenlaser.

Neue Lasermaschine für die Automobilbranche

Beim Blick in das Innere eines Autos vermitteln feine Strukturen ein Gefühl von Wertigkeit. Lange Zeit dominierte eine Lederoptik, inzwischen kommen auch feine, eher technische Strukturen zum Einsatz. Hergestellt werden solche dreidimensionalen Teile meist im Spritzgussverfahren.

Die entsprechenden Werkzeuge mit Genauigkeiten im Mikrometerbereich stellt man oft noch mit photochemischen Ätzverfahren her. Die einzelnen Schritte werden mehrfach wiederholt, erfordern viel Fingerspitzengefühl beim jeweiligen Bearbeiter und sind nicht reproduzierbar.

Mit dem Laser lässt sich das auch machen, speziell Nanosekunden-Laser erreichen einen ähnlichen Durchsatz wie die Ätzverfahren. Bei der Präzision kommen sie jedoch an ihre Grenzen: Sie schmelzen das Material an, was gerade bei kleineren Strukturen zu unscharfen Konturen führt.

UKP-Laser mit Pikosekundenpulsen sind nicht so schnell, können dafür äußerst präzise abtragen. Eine Kombination aus Piko- und Nanosekundenpulsen ist nun das Ziel des Verbundprojektes eVerest. Gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung soll dabei die komplette Maschinen- und Systemtechnik zur effizienten Herstellung großformatiger 3D-Formwerkzeuge für Designoberflächen entwickelt werden.

Einsatz ohne wesentliche Kenntnisse der eigentlichen Technologie

Im Verbund arbeiten Forscher von zwei Universitäten mit verschiedenen Industriepartnern zusammen. Vom Laserhersteller über den Systemintegrator bis zum Automobilhersteller ist dabei alles vertreten. In der Projektlaufzeit von Anfang 2016 bis Ende 2018 wird von der Software über den Laser bis zum Maschinenkonzept mit einer 8-Achs-Simultanbearbeitung eine komplette Lösung entwickelt.

Ein besonderes Anliegen des Projektes ist der Einsatz der Maschine ohne wesentliche Kenntnisse der eigentlichen Technologie. Damit wird ein deutlicher Fortschritt gegenüber dem besagten Fingerspitzengefühl bei Ätzverfahren angestrebt. Letztlich wird mit der genau steuerbaren Lasertechnik ein voll automatisierbares Verfahren möglich.

Prozessverständnis ist der Schlüssel für die neue Technik

Das Verfahren als solches wird jetzt mit Partnern bei Volkswagen entwickelt, die Anwendungsfelder gehen jedoch weit über die Automobilbranche hinaus. Egal ob es um Prägewalzen für die Druckindustrie geht oder um Großlager für die Rotorwellen in Windkraftanlagen, funktionale Oberflächen sind in verschiedensten Bereichen gefragt.

Kernthemen bei der Entwicklung der neuen Lasersysteme sind ein genaues Prozess¬verständnis und die Anpassung der Prozesstechnik. Diese Fragen stehen auch im Mittelpunkt des diesjährigen UKP-Workshops: Ultrafast Laser Technology am 26. und 27. April 2017 in Aachen. Spezialisten aus der Laserentwicklung, der Verfahrenstechnik und der Industrie treffen sich dort inzwischen zum vierten Mal um neue Ergebnisse und Erfahrungen aus Forschung, Entwicklung und Anwendung der UKP-Laser auszutauschen.

Weiterführende Informationen:

UKP- Workshop: Ultrafast Laser Technology: www.ultrakurzpulslaser.de
Verbundprojekt eVerest: www.produktionsforschung.de/verbundprojekte/vp/index.htm?VP_ID=3976

Ansprechpartner

M.Sc. Andreas Brenner
Gruppe Mirko- und Nanostrukturierung
Telefon +49 241 8906-8365
andreas.brenner@ilt.fraunhofer.de

Dipl.-Phys. Martin Reininghaus
Gruppe Mikro- und Nanostrukturierung
Telefon +49 241 8906-627
martin.reininghaus@ilt.fraunhofer.de

Weitere Informationen:

http://www.ilt.fraunhofer.de

Petra Nolis | Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT

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