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Entgraten/Polieren

Viele Wege führen zur perfekten Oberfläche

| Autor / Redakteur: Stéphane Itasse / Stéphane Itasse

Mit dem Laserpolieren lassen sich auch schwierigere Geometrien maschinell bearbeiten, wie dieses Titanbauteil (links vor, rechts nach dem Laserpolieren).
Mit dem Laserpolieren lassen sich auch schwierigere Geometrien maschinell bearbeiten, wie dieses Titanbauteil (links vor, rechts nach dem Laserpolieren). (Bild: Fraunhofer-ILT)

Gratfrei und glatt – die Ansprüche der Kunden in dieser Hinsicht steigen immer weiter. Wie sie sich erfüllen lassen, zeigten die Referenten auf der 6. Fachtagung Entgrattechnologien und Präzisionsoberflächen in Nürtingen.

Zum Herstellen glatter Oberflächen gibt es zwar maschinelle Polierverfahren wie das Roboterpolieren oder das Gleitschleifen, doch sind sie nicht für alle Teile geeignet oder wirtschaftlich. „Gerade bei komplexen Freiformoberflächen besteht hier noch Bedarf“, sagte Judith Kumstel vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) in Aachen auf der Tagung. Das manuelle Polieren ist hier zwar flexibel, erfordert aber insbesondere für solche komplexen Freiformoberflächen lange Bearbeitungszeiten. Als weitere Möglichkeit stellte sie deshalb das Laserpolieren vor.

Bei diesem Verfahren wird ein runder Laserstrahl mäanderförmig über die Werkstückoberfläche gefahren. Das bewirkt ein leichtes Aufschmelzen einer dünnen Randschicht, die Materialumverteilung erfolgt aufgrund der Oberflächenspannung, es gibt nahezu keinen Abtrag. Gearbeitet wird unter Schutzgas, um eine Oxidation zu verhindern – der Restsauerstoff lässt sich zugleich zur Steuerung der Oberflächenspannung nutzen. Als Laserstrahlquellen verwenden die Forscher diodengepumpte Faser- oder Scheibenlaser.

Laserpolieren in mehrstufigem Prozess erreicht unterschiedliche Rauheiten

Das ILT hat dabei einen mehrstufigen Prozess entwickelt: Für raue Oberflächen gibt es das Lasermakropolieren mit kontinuierlicher Laserstrahlung, die Umschmelztiefen liegen zwischen 20 und 100 µm. Beim Lasermikropolieren mit gepulster Laserstrahlung sind die Umschmelztiefen kleiner als 5 µm, die Oberfläche muss dafür allerdings schon vorbearbeitet sein, denn die Ausgangsrauheit darf Ra = 0,8 µm nicht übersteigen. Welche Rauheit nach dem Prozess erreichbar ist, hängt nach Kumstels Worten vom Material, dessen Homogenität sowie der Ausgangsrauheit ab. Die Werte liegen zwischen Ra = 0,05 und Ra = 0,5 µm sowie Rz = 0,4 und Rz = 3µm. „Mit dem Laserpolieren werden Anwendungen mit mittleren Qualitätsanforderungen angesprochen“, bilanzierte die Forscherin.

Im Vergleich zum manuellen Bearbeiten sieht Kumstel zwei Vorteile beim Laserpolieren: Es können keine scharfkantigen Riefen entstehen, und es gibt – je nach Werkstückdicke – nahezu keine Änderung der Form. Dafür lassen sich mit dem Laser keine Fehler aus vorangegangenen Fertigungsschritten korrigieren, bei der Handarbeit schon.

Industrietaugliche Laserpoliermaschine

Auch eine industrietaugliche Laserpolieranlage hat das Fraunhofer-ILT entwickelt, wie Kumstel weiter berichtete: Die 5-Achs-Portalmaschine verfügt über einen 3-Achs-Laserscanner, ist für Bauteile bis 100 kg ausgelegt, hat eine ergonomische Prozesskammer sowie einen Festkörperlaser zur kontinuierlichen oder gepulsten Strahlung und optional einen Messtaster zur Bestimmung der Bauteilorientierung. „Wir nutzen normale CAM-Software aus dem Schlichten, das spart Geld“, erläuterte die Forscherin weiter. Die zusätzliche Berechnung der Laserpolierbahnen erfolgt mit einem eigenen Postprozessor, der Werkzeugbahnen in Laserpolierbahnen konvertiert.

Unter industriellen Bedingungen wurde die Poliermaschine beim Herstellen von Formwerkzeugen zur Produktion von Glasflacons im Unternehmen Heinz Glas ein Jahr lang getestet. Dabei zeigte sich, dass laserpolierte Formwerkzeuge nahezu eine konstante Rauheit behalten. „Zuvor mussten beim manuellen Polieren ständig die Formwerkzeuge neu poliert werden“, erläuterte Kumstel.

Ein anderer Anwendungsfall ist die Nachbearbeitung von Oberflächen generativ gefertigter Bauteile. „Die Oberflächen sind stets sehr rau, sodass häufig eine Nachbearbeitung vonnöten ist“, sagte die Forscherin. Nach dem derzeitigen Stand der Technik kann die Rauheit mittels Laserpolieren auf ein Zehntel bis ein Hundertstel reduziert werden. Allerdings weisen die Oberflächen nach der Laserpolitur eine große Welligkeit auf, die beseitigt werden muss. Hinzu kommt ein starker Verzug bei dünnwandigen Bauteilen und schließlich sind die Eigenschaften laserpolierter Bauteile im Hinblick auf Dauerfestigkeit, Zugfestigkeit oder Tribologie noch unzureichend bekannt.

Zahlreiche Entgratverfahren für unterschiedliche Anforderungen

Zuvor hatten auf der Tagung Unternehmensexperten ihre Verfahren für das Entgraten, Kantenverrunden und die Herstellung von Präzisionsoberflächen vorgestellt. So erläuterte Marc Schori, Geschäftsführer der René Gerber AG, das Kantenverrunden durch den Bürstprozess. Die Vorteile dieses Verfahrens: Beim Verrunden beziehungsweise Entgraten mit Bürsten entsteht kein Sekundärgrat und die Verrundung ist absolut reproduzierbar. Die Spitzen in der Oberfläche werden geglättet, ohne die Werkstückdicke maßgeblich zu beeinflussen. „Das heißt, während des Kantenverrundens wird gleichzeitig die Oberfläche poliert“, erläuterte Schori.

Über das elektrochemische Entgraten (ECM) sprach Günter Gölz, bei Benseler Entgratungen technischer Geschäftsführer für die Standorte Marbach und Hattingen. Beim ECM-Verfahren werden das Werkzeug als Kathode und das Werkstück als Anode in einen flüssigen Elektrolyten eingebracht. Der Stromfluss an den abisolierten Stellen des Werkzeugs trägt den Grat an der gegenüber liegenden Stelle des Werkstücks ab – es bilden sich keine Sekundärgrate und es gibt weder eine thermische noch eine mechanische Beanspruchung des Werkstücks. Die Entgratstellen werden bei diesem Verfahren zugleich verrundet, die Oberflächenrauheit erreicht Ra- und Rz-Werte unter 1 – das entspricht dem Polieren. „Das ECM-Entgraten zählt zu den gezielt wirkenden Entgratmethoden, das heißt, für jede Entgratstelle am Werkstück ist ein Werkzeug in Form einer Kathode erforderlich“, sagte Gölz. Der Elektrolyt sorgt für Leitfähigkeit und entfernt abgetragenes Material. „Das Verfahren ist sehr schonend, da es sowohl berührungslos ist als auch bei niedrigen Temperaturen von 20 bis 40 °C arbeitet“, führte Gölz weiter aus.

Das Ultraschallentgraten als Weiterentwicklung der Ultraschallreinigung stellte Dr. Thomas Dreyer von Weber Ultrasonics vor. Das Grundprinzip ist bei beiden Verfahren gleich: In einem flüssigen Medium trifft der Utraschall auf ein Bauteil. Dabei entstehen Gasblasen, Kavitation genannt, die platzen und dabei Material – ob Schmutz oder Grat – abtragen. Damit die Kavitation die Gratwurzel erodieren kann, sind jedoch hohe Ultraschallintensitäten notwendig. Als Parameter bestimmen Amplitude, Leistung und Frequenz des Ultraschalls sowie die Behandlungszeit und der Abstand zwischen Werkzeug und Werkstück den Entgrateffekt. „Im Vergleich zum Hochdruckwasserstrahl-Entgraten hat man hier nur ein Fünfzigstel bis ein Hundertstel des Energieaufwandes“, merkte Dreyer an.

Das Unternehmen hat nach seinen Worten bereits Grate von verschiedenen Materialien und mit unterschiedlichen Geometrien entfernt. „Beste Ergebnisse gab es bei Flittergraten an NE-Metallen“, berichtete Dreyer. Daneben sieht er Potenzial für Kunststoffe und besonders kleine Grate bei Metallen. Auch lose Grate in Bohrungen und Gewinden lassen sich mit dem Ultraschallentgraten gut entfernen.

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