Laserpolieren Optik und Werkzeugbau profitieren vom Laserpolieren und -entgraten!

Autor / Redakteur: Nikolaus Fecht / Peter Königsreuther

Das Fraunhofer-ILT hat in Aachen die 4th Conference on Laser Polishing virtuell abgehalten – mit Erfolg und 70 beteiligten Experten. Hier ein interessanter Überblick, was damit geht...

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Den letzten Schliff kann der Laser besonders gut, wie die 4th Conference on Laser Polishing - LaP 2020 vom Fraunhofer-ILT in Aachen bewiesen hat. Hier eine so polierte Asphäre aus Glas.
Den letzten Schliff kann der Laser besonders gut, wie die 4th Conference on Laser Polishing - LaP 2020 vom Fraunhofer-ILT in Aachen bewiesen hat. Hier eine so polierte Asphäre aus Glas.
(Bild: Fraunhofer-ILT)

Im Jahr 2014 startete das Fraunhofer ILT die erste „Conference on Laser Polishing – LaP“ zum internationalen Austausch von Forschungsergebnissen. Seitdem hat sich das Event unter Dr. Edgar Willenborg, Leiter des Fraunhofer-ILT-Forschungsteams für laserbasiertes Entgraten und Polieren, zu einem gut besuchten, globalen Laserpolier-Experten-Magnet entwickelt. In diesem Jahr wohnten die Teilnehmer aus den USA, Kanada, China, Europa und anderen Teilen der Welt, der „4th Conference on Laser Polishing – LaP 2020“, coronabedingt erstmals virtuell der Veranstaltung bei. Im Mittelpunkt derselben stand das laserbasierte Entgraten und Polieren, was unter anderem zu einer spannenden Reise zu taumelnden Lasern, High-Speed-Überwachungsmöglichkeiten mit KI-Unterstützung und zur 9-Achs-Simultanbearbeitung führte. Nach Meinung aller, habe auch die zwangsläufig virtuelle Veranstaltung bestens geklappt...

Gepulster und ungepulster Laser strukturieren Schmelzeoberflächen

Die Vorträge auf der ersten Online-Konferenz startete Dr. Dr. André Temmler, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung für Maschinenbau an der Tsinghua Universität, Peking. Der frühere Fraunhofer ILT-Projektleiter demonstrierte sowohl High-Speed-Aufnahmen vom Laserumschmelzen in brillanter Qualität als auch einen neuen hybriden Laserprozess mit dem Schmelze strukturiert werden kann. Dabei erzeugt ein CW-Laser (Continuous Wave - ein Dauerstrich-, also nicht gepulster Laser, mit Fokus 560 μm) ein Schmelzbad und ein zweiter, allerdings gepulster Laser (Fokus 17 μm) entfernt und verformt die Schmelzbadoberfläche gezielt durch den wirkenden Dampfdruck.

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Spannend zu hören, waren aber auch seine Berichte zu Experimenten mit dem Standardprozess, wobei im Mittelpunkt das Laserpolieren von Werkzeugstahl H11 stand. Unter Laborbedingungen sind nämlich Rauheiten von Ra 0,05 μm möglich. Den Schlüssel dazu schmiedet die richtige Wahl der Verfahrensparameter und des Schutzgases.

Optimierte Lichtbündelung durch Laserumschmelzen

Wie sich kompliziert geformte Oberflächenstrukturen von Werkzeugen für PMMA-Scheinwerfer (Acryl- oder geläufiger Plexiglas) gezielt mit dem Laser maßschneidern lassen, erläuterte Dr. Evgueni V. Bordatchev, Teamleiter am National Research Council of Canada in London (Ontario). Ein deutsch-kanadisches Gemeinschaftsprojekt kümmerte sich ums Modifizieren des Laserumschmelzprozesses als Alternative zum bisherigen Strukturieren mithilfe von Diamantwerkzeugen. Zusammen mit dem Fraunhofer-ILT und der RWTH Aachen University gelang es im Zuge dessen, mit einem 100-W-Laser Werkzeugeinsätze aus dem Werkstoff 1.2343 so zu bearbeiten, dass sich eine ausreichend homogene Lichtverteilung und Auskoppeleffizienz einstellte.

Auch für die Diamantwerkzeug-Bearbeitung gut

Das Laserpolieren von Metalloberflächen, die mit Diamantwerkzeugen ultrapräzise bearbeitet wurden, behandelte Dr. Hemmo Touvinen von der North Karelia University of Applied Sciences aus Joensuu in Finnland (University of Eastern Finland). Er berichtete über Untersuchungen an chemisch abgeschiedenem Nickel, die ergaben, dass sich vom Diamantwerkzeug verursachte periodische Strukturen am besten mit Nd:YAG-Lasern (Wellenlänge 1064 nm) bei Pulsdauern von 7 ns beseitigen lassen. Die Oberflächenrauheit erhöhte sich allerdings auf 40 nm.

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 %.

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 %.

3D-Druckteile mit wesentlich geringerem Porenanteil

Wie sich die Porosität von oberflächennahen Schichten in LPBF-Bauteilen per Laserpolieren reduzieren lässt, untersuchte Lucas-Hermann Beste, Wissenschaftler am BIAS mit Kollegen der University of Wisconsin-Madison, USA. Ein Versuch mit einer Kobalt-Chrom-Legierung (CoCr), einem Werkstoff, der oft in der Medizintechnik eingesetzt wird, wurde dazu durchgeführt. Unter Argon-Schutzgas polierte dazu ein gütegeschalteter 35 W Festkörperlaser (1080 nm) einen kleinen CoCr-Würfel mit einem 120 μm Laserstrahl und einem Vorschub von 120 bis 200 mm/s. Die Porosität ließ sich dabei um bis zu 63 % und die Rauheit Ra um rund 75 % auf durchschnittlich 2 μm verringern.

9-Achs-Laserbearbeitung poliert für Werkzeug- und Formenbau

Zu besonders anspruchsvollen Bauteilen zählen Werkzeuge und Formen, denn mit dem Polieren steht und fällt die spätere Qualität und das Aussehen der entsprechenden Produkte. Der Grund sind die anspruchsvollen Geometrien dieser Komponenten, erklärte Laura Kreinest, Mitarbeiterin am Lehrstuhl für Digital Additive Production DAP der RWTH Aachen University. Der Laserprozess aber, kann an die oft sehr ungleichmäßigen Bearbeitungspfade angepasst werden. Die Expertin demonstrierte das anhand eines Werkzeugs aus GGG40, mit dem Glasflacons herstellbar sind (siehe Bilder).

Infrage kamen drei Prozessstrategien: Laserpolieren mit 5+3-, 8- oder 9-Achs-Bearbeitung. Speziell bei komplexen Geometrien ist die 9-Achs-Simultanbearbeitung vorteilhaft, weil mit ihr die CAM-NC-Bahnplanung in Werkstückkoordinaten machbar ist. Bewährt hat sich dabei der Einsatz einer CAM-NC-Datenkette (etwa Powermill, Technology Processor TP4, LasPC), die vom ILT entwickelt wurde. Die Laserpolitur wurde auf einer Maschine von Arnold aus Ravensburg demonstriert (siehe Bilder). Ausgelegt ist das System für bis zu 100 kg schwere Bauteile mit einen Durchmesser von maximal 450 mm.

KI-Know-how minimiert Datenmenge polierender Laser für deren Weiterverarbeitung

Die Qualität des Laserpolierprozesses lässt sich bei der Vielzahl von beeinflussenden Parametern erhöhen, wenn das Verfahren mit Blick auf die Prozesssicherheit überwacht wird, war außerdem zu erfahren. Und Jack Anthony Beyfuss, Associate Professor und Director of Research University of Western Ontario, London (Kanada) setzt dabei auf thermografische Echtzeitüberwachung und KI-Software. Ein Tachyon MWIR-Kamerasystem zeichnete dazu die Arbeitsweise von polierenden Lasern (5 bis 35 W) mit 3000 Bildern pro Sekunde (64×64 Pixel) auf, um unter anderem mithilfe der Analysesoftware MATLAB die dabei entstehende enorme Datenmenge im Sinne einer effizienten Weiterverarbeitung zu reduzieren. Laut Beyfuss zeigte sich, dass die Analyse der Mustererkennung die Auswahl der am besten geeigneten Informationsmerkmale ermöglicht. Den Regelkreis schloss er mittels KI-Programm, das nach dem Prinzip des Machine-Learnings im Zusammenspiel mit einem Bayes'schen Netz arbeitet, das dabei hilft, die gemeinsame Wahrscheinlichkeitsverteilung aller beteiligten Variablen unter Ausnutzung bekannter sowie bedingter Unabhängigkeiten möglichst kompakt darzustellen.

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