Oberflächen optimieren Schnellere Oberflächenfunktionalisierung per Laserstrahl und Roboter

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Das Laserstrukturieren gehört zu den präzisesten und umweltschonendsten Methoden zur Funktionalisierung von Oberflächen, ist aber großflächig teuer, sagen IPT-Experten. Das soll sich ändern.

Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT hat nun die Voraussetzungen dafür geschaffen, große, glänzende Oberflächen metallischer Bauteile mithilfe eines üblichen Industrieroboters hochpräzise zu strukturieren, heißt es aus Aachen. Die bisherigen enormen Datenmengen, die in der konventionellen Bahnplanung entstehen, reduzierten die Forscher dabei durch sogenannte prozedurale Strukturen (Erklärung kommt noch). Und in den kommenden Monaten werden die bisher entwickelten Elemente anhand eines großen Demonstratorbauteils verifiziert. Genauer gesagt, mithilfe der prozeduralen Strukturen wird ein fünf Meter langes, großflächiges Turbinenrotorblatt in der Roboterzelle des IPT mit technischen Strukturen versehen, die den Strömungswiderstand deutlich verringern.

Bisherige Strukturierungslaser sind anwendungstechnisch begrenzt

Mikro- oder Nanostrukturen verändern die optischen, mechanischen, haptischen und biologischen Eigenschaften von Oberflächen. Kunststoffoberflächen im Automobil wirken beispielsweise griffiger und hochwertiger, wenn sie Mikrostrukturen haben. Und bei Triebwerkskomponenten verringert sich mit der richtigen Oberflächenbearbeitung der Luftwiderstand. Ein recht neues – aber vielversprechendes – Verfahren zur Strukturierung in frei geformte Oberflächen ist das Laserstrukturieren, erklären die Aachener Experten. Dabei wird ein fokussierter und gepulster Laserstrahl schnell und hochpräzise über die Bauteiloberfläche geführt. Im Vergleich zu konventionellen Bearbeitungsverfahren (Beschichten oder Ätzen) ist das Laserstrukturieren deshalb umweltfreundlicher, präziser und bietet mehr gestalterische Freiheiten.

Bestehende Laseranlagen arbeiteten zwar hochpräzise und lieferten hervorragende Ergebnisse. Aber aufgrund der eher kleinen Arbeitsfläche ist ihre Anwendung limitiert, was die Größe des zu bearbeitenden Bauteils angeht, wie es weiter heißt. Um große Oberflächen mit funktionalen Strukturen zu versehen, bedarf es auch entsprechend großer, aber dann auch teureren Anlagen. Doch nicht alle Unternehmen könnten sich das leisten. Das Fraunhofer IPT entwickelte im Forschungsprojekt „GroRoLas3D“ nun aber ein Verfahren, bei dem mit einem üblichen Industrieroboters dennoch große (auch dreidimensionale) Oberflächen metallischer Bauteile mit dem Laser strukturiert werden können. Anhand der neuen Methode ließen sich deshalb nun auch große Bauteiloberflächen günstig funktionalisieren.

Neuartige Software, smarter Laserstrukturierkopf und Mathematik

Um mit den bestehenden hochpräzisen Laseranlagen konkurrieren zu können, musste das IPT-Team zunächst die Positionsgenauigkeit des Roboters optimieren und noch weitere Herausforderungen bei der Laserbearbeitung metallisch glänzender Oberflächen bewältigen. Doch das Ergebnis ist eine Modellierungssoftware, die Oberflächenreflexionen für verschiedene Werkstoffe und Positionen des Bearbeitungskopfes vorhersagen und in ein bestehendes CAM-System zur Bahnplanung integriert werden kann, wie die Forscher erklären. Auch die Anlagentechnik verbesserte man dabei. Es wurde dazu ein „intelligenter“ Laserstrukturierkopf entwickelt, der Positionsabweichungen automatisch erkennt und diese bei Bedarf selbstständig korrigieren kann. Erste Testreihen bestätigteten, dass das neue System nicht nur auf matten oder lackierten Oberflächen präzise Ergebnisse liefert, sondern auch bei reflektierenden, ebenen und gekrümmten Bauteilen.

Eine Herausforderung bei der Erzeugung großflächiger Mikro- und Nanostrukturen im CAM-System ist, wie eingangs schon erwähnt, dass dabei riesige Datenmengen entstehen. Um also konventionelle Bahnplanungsalgorithmen für das Laserstrukturierung zu verwenden, muss zunächst ein extrem fein detailliertes, digitales Gitternetz erzeugt werden, das alle Strukturinformationen enthält. Bei großen Bauteilen entstehen aber Datenmengen, die mit heutigen Rechensystemen im industriellen Umfeld nicht zu verarbeiten sind. Deshalb übersetzte man im Aachener Forschungscampus Digital Photonic Production (DPP) die Beschreibungsmodelle in sogenannte prozedurale Strukturen für das Laserstrahlstrukturieren. Dabei werden die Mikro- und Nanostrukturen durch mathematische Funktionen und Algorithmen beschrieben. Das ist viel schneller als das herkömmliche, bildbasierte Verfahren. Es erlaubt so auch die Berechnung der Daten annähernd in Echtzeit und damit eine von der Auflösung unabhängige, verzerrungsfreie Strukturierung.

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