Mikrooberflächen Perfekte Mikrolandschaften optimieren Schleifwerkzeuge

Einmal mehr beweist der Laser sein Innovationspotenzial: Jetzt erzeugen Saarländische Forscher geometrisch topgenaue Mikrostrukturen auf Hartmetall-Oberflächen, durch die das Schleifen ganz neue Qualitäten bekommen kann.

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Universität des Saarlandes Fakultät 8/Naturwissenschaftl. Technische Fakultät III

Egal, ob Würfel, Pyramiden oder Noppen aller Art. Mit dem Laser Surface Texturing (LST) kann man diese geometrischen Körper auf Oberflächen aller Art entstehen lassen – und zwar exakt in Reih' und Glied, wenn es sein muss, sagen die Forscher um Prof. Dirk Bähre von der Universität des Saarlandes. Der Fertigungsexperte und sein Team können das perfekt im Mikrometermaßstab, heißt es. Die Ministrukturen auf Hartmetall sorgen für Schleifwerkzeug-Oberflächen ganz neuer Art, heißt es weiter. Durch elektrochemisches Abtragen können sei auf Maß gebracht und zu Hauf günstig hergestellt werden.

Mit LST-Verfahren können die Saarbrücker Experten außerdem auch billigere harte Materialien zu Qualitätsschleifwerkzeugen veredeln. „Auch die Oberflächentopographie bewährter teurer Werkzeugmaterialien kann in den entsprechenden Längenmaßstäben reproduziert werden“, erklärt Dirk Bähre. Gefördert wird das Projekt von der DFG.

Schleifwerkzeuge könnten eigentlich mehr leisten

Ob Maschinenbauteile richtig rund laufen, Arbeitsgeräte hundertprozentig in Form sind, Schneidinstrumente etwa die gewünscht scharfen Kanten haben, hängt von ihrer Oberfläche ab, erklärt man zunächst. Je nachdem, wie rau oder glatt man das Bauteil respektive Werkszeug mache, folge daraus die Qualität und die Eigenschaften, die Industrie, Hand- oder Heimwerker wünschen. Das betrifft vor allem Schleifverfahren, heißt es weiter. Dazu braucht es bekanntermaßen bisher Werkzeugen, auf denen mehr oder weniger feine Körner fest fixiert sitzen. „Die Verteilung dieser Schleifmittel ist üblicherweise nicht geometrisch definiert oder wirklich strukturiert, sondern statistisch und zufällig“, erläutert Bähre. Das ist der Grund, warum die eigentlich mögliche maximale Qualität, die beim Schleifen erreicht werden könnte, nicht erreichbar ist.

Jede Struktur hat andere Schleifeigenschaften

Diese Grenze will man aber jetzt durchbrechen und deutlich verschieben. Dazu entwickeln die Forscher strukturierte Schleifoberflächen aus harten Metallen, die ein gezielteres und somit präziseres Schleifen möglich machen sollen. Das erreichen die winzigen „Landschaften“ aus den genannten Mikrostrukturen, heißt es weiter. „Um herauszufinden, wie die einzelnen Mikrostrukturen genau schleifen, haben wir zunächst einzelne Strukturen mit verschiedener Geometrie auf den Werkzeug-Schneidflächen isoliert“, erläutert der Forscher Shiqi Fang aus der Arbeitsgruppe von Bähre. So konnte man in Versuchsreihen das jeweilige Schleifergebnis analysieren, ohne dass Nachbarstrukturen das Ergebnis verfälschen oder stören, führt Fang, ein Experte für Spezialoberflächen, weiter aus.

Von der Halbkugel bis zum Schachbrett, ist alles möglich

Danach analysiert man genau die Schleifergebnisse, die beim Zusammenspiel mehrerer solcher Strukturen erreicht werden. Mit den so gewonnenen Erkenntnissen kann man Oberflächen mit geplant angeordneten Schleifkörnern entwickeln, erklärt Fang. Also Topographien mit klaren geometrischen Strukturen, zum Beispiel Halbkugeln, die von einem Mittelpunkt ausgehend strahlenförmig angeordnet sind (siehe Aufmacher), Pyramiden in Reih' und Glied oder auch Schachbrettmuster aus erhabenen und weniger erhabenen Quadern. In verschiedenen Versuchsreihen testen die Ingenieurinnen und Ingenieure ihre neuen Hartmetallwerkzeuge. „Wir validieren das Leistungsvermögen im Vergleich zu herkömmlichen Methoden, einschließlich Zerspanungsversuchen, tribologischen Versuchen und Untersuchungen der mechanischen Eigenschaften“, merkt Fang an.

Elektrolytische Nacharbeit steigert die Präzision wie von selbst

Die neuen Hartmetall-Schleifwerkzeuge seien für die industrielle Serienproduktion geeignet, betonen die Saarbrückener. Die Strukturen sollen sich auch in großen Stückzahlen reproduzieren lassen: „Durch elektrochemisches Abtragen können wir auch komplizierte Geometrien in härtestem Metall fertigen“, ergänzt Bähre, der auf diesem Gebiet forscht und diese Abtragtechnologien dabei weiterentwickelt. Die Werkstoffe nehmen dabei die bis auf den Tausendstelmillimeter exakte gewünschte Geometrie an. Die Ingenieure brauchen dafür nur elektrischen Strom, der zwischen einer Vorlage als Kathode – hier dem per Laser mikrostrukturierten Werkzeug – und der Anode (also der zu bearbeitenden Werkstoff) fließt. Das Ganze wird umspült von einer stromleitenden Flüssigkeit aus Wasser und Salz, was dazu führt, dass winzige Metallteilchen abgetragen werden, heißt es weiter. Die Metallionen lösen sich quasi wie von selbst aus dem Werkstück und das hochpräzise Schleifwerkzeug entsteht.

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