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Prozessduo UKP-Laser bearbeitet harte Werkstoffe doppelt produktiv

Von Fraunhofer-ILT 3 min Lesedauer

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Fraunhofer-Institut für Lasertechnik
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Mit dem berührungsfrei arbeitenden Werkzeug Laserlicht können Keramiken & Co. sowohl strukturiert als auch poliert werden, informiert das Fraunhofer-ILT aus Aachen ...

Was man hier sieht, ist eine Wendeschneidplatte für die spanende Bearbeitung. Sie besteht aus Wolframcarbid-Kobald. Doch dieses Material ist mechanisch nur schwer in Form zu bringen. Fraunhofer-Forscher setzen deshalb auf UKP-Laser, um es zu strukturieren und gleich zu polieren.(Bild: Fraunhofer-ILT)
Was man hier sieht, ist eine Wendeschneidplatte für die spanende Bearbeitung. Sie besteht aus Wolframcarbid-Kobald. Doch dieses Material ist mechanisch nur schwer in Form zu bringen. Fraunhofer-Forscher setzen deshalb auf UKP-Laser, um es zu strukturieren und gleich zu polieren.
(Bild: Fraunhofer-ILT)

Bohrer, Fräsköpfe, Walzen oder auch Stanzeinsätze aus harten Werkstoffen wie Keramik, Cermets oder Wolframcarbid haben nicht nur Biss. Sie halten auch signifikant länger durch als Pendants aus Hartmetall. Doch genau diese für den Einsatz positive Eigenschaft macht jenen Werkzeugen zu schaffen, mit denen sie hergestellt werden sollen. Entsprechend hoch ist der Verschleiß, wenn Hersteller auf mechanische Bearbeitungsverfahren setzen. Der Laser räumt diesen Nachteil aber aus, wie Forscher vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) betonen. Vor allem wenn es um Ultrakurzpuls-Laser (UKP) geht.

Formgebender Materialabtrag und Polieren in einer Aufspannung

Schon marktübliche UKP-Laser mit 20 bis 40 Watt Leistung sind demnach in der Lage, die im Werkzeugbau eingesetzten Hartstoffe effizient abzutragen. Denn wo ihre nur wenige Pikosekunden kurzen, hochenergetischen Laserpulse auf die Oberflächen treffen, verdampft das Material. Weil das mit Frequenzen im MHz-Bereich geschieht, erreicht der Materialabtrag per Laser Flächenraten bis 100 Quadratzentimeter pro Minute. Doch mit der gezielten Verdampfung an der Werkstoffoberfläche sei das Potenzial der UKP- Bearbeitung nicht erschöpft. Deshalb hat man am ILT eine Prozesskette entwickelt, in der derselbe UKP-Laser sowohl den formgebenden Materialabtrag als auch die anschließende Politur der Werkzeugoberflächen übernimmt, wie die Aachener betonen. Der UKP-Laser ist demnach ein universelles Werkzeug, mit dem auch unterschiedliche Bearbeitungsschritte realisiert werden können – teilweise sogar in derselben Aufspannung.

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Das Laserpolieren läuft anders als das Strukturieren per Laser

Der Schlüssel für die Verknüpfung der Prozessschritte liege in der Parametrierung des Lasers. Denn während der Materialabtrag mit hoher Pulsenergie und geringer Wiederholungsrate erfolgt, ist es bei der Politur umgekehrt, wie die Forscher erklären. Der UKP-Laser bringt mit einer Pulsfrequenz von bis zu 50 MHz die Energie nämlich dabei in die Oberfläche des Werkstücks ein, wo sie akkumuliert und die obersten 0,2 bis zwei Mikrometer aufschmilzt. Das Material verdampft also nicht, sondern es bildet sich ein Film aus Werkstoffschmelze, der sich infolge der Oberflächenspannung von selbst glattzieht und schließlich erstarrt. Auch die Oberflächeneigenschaften sind im Übrigen über die Prozessführung steuerbar, merken die Wissenschaftler dazu an. Mit der UKP-Laserpolitur ist es etwa möglich, mikrofeine Unebenheiten zu glätten, ohne die makroskopische Struktur zu beeinträchtigen. Außerdem ist es mit dem Laserverfahren möglich, komplexe 3D-Oberflächen mit einer Präzision im Mikrometerbereich zu polieren. Auch eine selektive Politur von ausgewählten Arealen kann stattfinden, um die Oberflächeneigenschaften gezielt lokal einzustellen, oder nur die notwendigen Areale zu polieren, was Zeit spart. Das UKP-Polieren ergänzt das Lasermakro- und -mikropolieren damit um einen noch präziseren und bei Bedarf nur lokal anwendbaren Prozess zur Feinstbearbeitung von Oberflächen.

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