Laser poliert Bauteile auf Hochglanz

Bald könnte das automatisiert und damit viel schneller gehen: Vom 29.11. bis zum 2.12. präsentieren Fraunhofer-Forscher auf der Messe EuroMold 2011 in Frankfurt (Halle 11, Stand C66) eine Werkzeugmaschine, die auch komplexe 3D-Oberflächen mittels Laserstrahlung auf Hochglanz bringt.

Millimeter für Millimeter glättet die Fachkraft mit Schleifsteinen und Polierpasten die Oberfläche einer Metallform. Etwa zehn Minuten pro Quadratzentimeter benötigt sie dafür – eine zeitintensive und damit kostspielige Angelegenheit. Viele Unternehmen haben es zudem schwer, Nachwuchskräfte für diese anspruchsvolle, aber gleichzeitig monotone Tätigkeit zu finden.

Die Zeiten mühsamer Handarbeit könnten bald der Vergangenheit angehören: Gemeinsam mit der Maschinenfabrik Arnold und der S&F Systemtechnik haben Forscher des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT eine neuartige Werkzeugmaschine entwickelt, die auch komplexe Oberflächen poliert – mit Hilfe von Laserstrahlen. »Während konventionelle Verfahren Unebenheiten an der Oberfläche abtragen, schmilzt der Laser eine dünne Randschicht von etwa 20 bis 100 µm an der Oberfläche an«, erklärt Dr.-Ing. Edgar Willenborg, Gruppenleiter am ILT in Aachen. »Diese verflüssigt sich und wird anschließend durch die physikalisch immer vorhandene Oberflächenspannung glatt gezogen«.

Abhängig vom Werkstoff erreichen die Projektpartner mit ihrem Verfahren bereits eine Oberflächengüte von einem Mittenrauhwert Ra von 0,1 bis 0,4 µm. »Beim manuellen Polieren lassen sich zwar noch bessere Ergebnisse erzielen«, räumt Willenborg ein. »Für viele Branchen ist aber eine mittlere Oberflächenqualität ausreichend – etwa beim Fertigen von Formen für die Glasherstellung, Umform- oder Schmiedewerkzeuge.« Solche Produktionen könnten sich mit der Neuentwicklung des Aachener Instituts zukünftig viel Zeit und Geld sparen: Die Maschine bearbeitet eine Fläche bis zu zehnmal schneller als ein Handpolierer und ist bestens für die Serienproduktion sowie das Polieren kleiner Stückzahlen geeignet.

Die neue Laserpolieranlage besteht aus einer 5-achsigen Portalmaschine und einem zusätzlichen 3-achsigen Laserscanner. Dank dieser Konstruktion ist das Werkstück von allen Seiten zugänglich. Ein Spiegelsystem lenkt die Laserstrahlung dabei so um, dass hohe Vorschubgeschwindigkeiten – der Weg, den der Laserstrahl in Vorschubrichtung in einer bestimmten Zeit am Werkstück entlang zurücklegt – von über einem Meter pro Sekunde auch auf kleinen Flächen erreicht werden. Auch eine durchgängige CAM-NC-Datenkette existiert bereits: Ausgangspunkt der Datenkette ist ein 3D-CAD-Modell des zu polierenden Bauteils. Anhand dieses Modells werden die Bahndaten für den Laserstrahl berechnet. »Für diesen Schritt nutzen wir konventionelle CAM-Programme (Computer Aided Manufacturing), wie sie auch beim Fräsen eingesetzt werden. Das hat den Vorteil, dass das Programm in der Regel bereits im Betrieb vorhanden ist und die Mitarbeiter in der Bedienung geschult sind«, erläutert Willenborg. Anschließend werden die ermittelten Bahndaten an eine spezielle, am ILT entwickelte Postprozessor-Software übergeben. Diese passt beispielsweise den Laser an den jeweiligen Einstrahlwinkel oder die Bauteilkanten an.

Nicht zuletzt bietet die neue Bearbeitungstechnologie Vorteile bei der Maschinenentwicklung: »Indem wir mit einem völlig neuen Wirkprinzip arbeiten, können die entsprechenden Maschinen viel leichter gebaut werden«, sagt Willenborg. »Denn im Gegensatz zu konventionellen Verfahren ist beim Laserpolieren nicht die Steifigkeit der Maschine ausschlaggebend für die Bauteilqualität, sondern die Physik der Oberflächenspannung.«

Aktuell steht die Laserpolieranlage kurz vor der Einsatzreife. Auf der diesjährigen EuroMold zeigen die Forscher ihre Neuentwicklung erstmals der Öffentlichkeit.