Laserpolieren

Optik und Werkzeugbau profitieren vom Laserpolieren und -entgraten!

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Glas lässt sich per Laser schneller und gezielter polieren

Einen Hybridprozess, der etwa bei optischen Linsen punkten kann, präsentierte Manuel Jung, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter aus Dr. Willenborgs Team am Fraunhofer-ILT. Zusammen mit der Technischen Hochschule Deggendorf analysierten die Aachener im Projekt „HyoptO“, wie sich Kosten und Zeitaufwand bei der Fertigung von Optiken aus Glas optimieren lassen.

Die Prozessschritte sind Vorschleifen, Laserpolieren und abschließendes mechanisches Korrekturpolieren. Das ganze wurde mit einem CO2-CW-Laser (Wellenlänge 10.600 nm, Leistung 1 kW) durchgeführt. Das Laserpolieren (Dauer 10 s für eine Linse mit 30 mm Durchmesser) verringerte dabei den zeitlichen Aufwand für das abschließende mechanische Polieren deutlich. Das Ergebnis kann sich sehen lassen, denn der Hybridprozess senkte die Bearbeitungszeit von Standardlinsen aus Borosilikat-Kronglas (NBK7) bereits um 29 % und von optischem Quarzglas um 63 %.

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Hochwertige Polierergebnisse schon bei schwächerem Magnetfeld

Eine vorteilhafte Form von Hybridbearbeitung per Laser hat auch das Shenzhen Institute of Information Technology aus China entwickelt. Wissenschaftler Dr. Bowei Luo berichtete vom Einsatz eines Dauermagnetfeldes beim Laserpolieren von Werkzeugstahl. Ohne Magnetfeld erreichte der dabei verwendete gütegeschaltete Festkörperlaser mit einer Leistung von 400 W und einem maximal 0,54 mm breiten Laserstrahl eine Rauheit Ra von 0,514 μm, der sich bei einer magnetischen Flussdichte von 0,4 T auf 0,168 μm deutlich verbesserte. Versuche ergaben, dass sich der Poliereffekt bereits bei viel schwächeren Magnetfeldern verbessert. Optimal scheint aber eine Flussdichte von 0,4 T zu sein. Höhere Werte führten bislang nicht zu besseren Ergebnissen.

Wenn der Laser taumelt, sinkt die Rauheit...

Den Laserstrahl ins Taumeln brachten Experten der University of Wisconsin-Madison und des Bremer Instituts für angewandte Strahltechnik BIAS. US-Wissenschaftler Patrick J. Faue stellte im Rahmen dessen das trochoidale Laserpolieren vor, bei dem die Überlagerung von Spiral- und Kreisbewegungen den Strahl quasi taumeln lässt. Ein maximal 30 W starker Faserlaser (Wellenlänge 1070 nm, Durchmesser Laserfokus 150 μm) poliert dabei Edelstahl der Sorte 316L mit 30 mm/s Vorschub. Das deutsch-amerikanische Team untersuchte dazu, wie drei verschieden taumelnde Strahlen (Bereich 1 bis 15 μm) sich auf das Ergebnis auswirken. Interessanterweise senkten alle drei Taumelarten die Rauheit Ra um mehr als 60 %. Es treten dabei allerdings zum Beispiel unerwünschte Effekte in Form von Oberflächenwelligkeiten auf.

Auch die Additive Fertigung profitiert von glatteren Oberflächen

Die Zunahme an additiv gefertigten Bauteilen beeinflusste auch die Inhalte der LaP 2020. Professorin Yingchun Guan von der Beihang University in Peking stellte dazu Methoden zum Laserpolieren von metallischen 3D-Druck-Bauteilen vor, die unter anderem dem Laser Powder Bed Fusion LPBF, einem laserbasierten 3D-Druckverfahren im Pulverbett, entstammten. Positive Erfahrungen machte das Institut unter anderem bei Titan und Nickellegierungen (Inconel 718), deren Rauigkeit Ra sich von über 10 µm auf unter 0,1 μm senken ließ. Poliert wurden Turbinenkomponenten, sogenannte Blades, mit einer hohen Effizienz von 100 bis 400 cm²/h. Das Polieren steigerte nachweislich die Härte und die Verschleißfestigkeit um 25 bis 40 %.

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