Laserstrukturieren senkt Reibung hoch belasteter Serienteile

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Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

Von der serienmäßigen Laserstrahlstrukturierung von Bauteiloberflächen können nicht nur Hersteller von Pumpen, Motoren und Dichtungen profitieren, sondern auch deren Kunden aus Branchen wie der Automobilindustrie, dem Formenbau, der Lebensmittel- und Pharmatechnik, der Petrochemie und der Energieerzeugung. Zur Oberflächenstrukturierung im Mikrometerbereich stehen am Fraunhofer-IPT zwei Anlagen mit 3D-Kurzpuls- und Ultrakurzpulslasern zur Verfügung.

Zwei Fünf-Achs-Bearbeitungsmaschinen für das Laserstrukturieren umgerüstet

Beide Anlagen basieren auf Fünf-Achs-Bearbeitungsmaschinen und wurden in enger Zusammenarbeit mit den jeweiligen Maschinenherstellern umgerüstet: mit der Kern Micro- und Feinwerktechnik GmbH & Co. KG, Eschenlohe, sowie GF Agie Charmilles, Genf (Schweiz). Das Fraunhofer-IPT integrierte dabei die Laserquellen und die optischen Komponenten zur Strahlformung und -führung vor Ort in die Maschinen.

Für die 3D-Bearbeitung entwickelte das Institut eine eigene CAD/CAM-Umgebung. Die Software ermittelt die Bahn des Laserstrahls in der Bearbeitungsmaschine aus vorher berechneten Geometriedaten. Die Bahndaten werden von der Steuerung übernommen.

Das Laserstrukturieren kommt vermehrt zur Anwendung, um gezielt tribologisch beanspruchte Systeme zu optimieren. Bei Verbrennungsmotoren wurden zum Beispiel positive Ergebnisse hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und Verschleiß erzielt [1]. Auf dem Gebiet der Hydraulik werden aktuell Forschungsarbeiten vorangetrieben, die ebenfalls Verschleißphänomene an hoch belasteten Bauteiloberflächen reduzieren sollen. Diesbezüglich haben lasermikrostrukturierte Oberflächen ihre Wirksamkeit in den vergangenen Jahren bereits gezeigt.

Mikrostrukturen reduzieren Verschleiß in Verbrennungsmotoren und Pumpen

So wurden am Fraunhofer-IPT Mikrostrukturen für Oberflächen entwickelt, die bei verschiedensten Werkstoffpaarungen die Reibkontakte verbessern. Im Rahmen eines nachfolgenden Projekts hat man das Leistungspotenzial der Laserstrahlstrukturierung anhand einer Axialkolbenpumpe nachgewiesen.

Zusammen mit Partnern aus Industrie und Forschung wurden dazu Mikrostrukturen in die Oberflächen verschiedener hoch belasteter Pumpenteile eingearbeitet und in speziell ausgelegten Prüfsystemen getestet. Beispielsweise wurden die Oberflächen der Axialkolben mit Mikrostrukturen versehen, um das Potenzial der Reibungsverminderung im Kontakt mit der Laufbuchse untersuchen zu können.

Gemäß der Norm des Deutschen Instituts für Normung (DIN) gehört das Laserstrahlstrukturieren in die Untergruppe „Thermisches Abtragen mit Laserstrahl“. Für diesen Prozess wird ausschließlich gepulste Laserstrahlung genutzt. Je nach Puls- und Einwirkdauer der Laserenergie läuft der Abtragprozess nach der Strahlungsabsorption unterschiedlich ab.

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