Forschung & Entwicklung

Oberflächen mit Höchstgeschwindigkeit veredeln

Mithilfe zwei neu entwickelter Optiken zur individuellen Anpassung der Laserstrahlführung an die Bearbeitungssituation lassen sich Oberflächen bis zu zehn Mal schneller als bisher polieren, beschichten oder strukturieren.

Seit 2016 forscht ein internationales Team im Projekt ‚Ultra Dynamic Optical Systems for High Throughput Laser Surface Processing‘ (ultraSURFACE) mit dem Ziel, zwei neue Faserlaseroptiken für den nahen Infrarotbereich zu entwickeln, die die Bearbeitungszeit von Oberflächen im Idealfall auf ein Zehntel reduzieren und die Kosten halbieren sollen.

Eine Optik ist für das Polieren und die Bearbeitung von dünnen Schichten mit dem Laser ausgelegt. Das Forschungsteam setzt dabei einen piezoelektrisch kontinuierlich deformierbaren Spiegel (PDM) ein. Dieser sorgt dafür, dass sich der Laserstrahl mit Schaltzeiten von unter fünf Millisekunden und damit sehr schnell an die Bearbeitungssituation anpasst. Der Laserstrahl werde in Abhängigkeit vom Einstrahlwinkel so umgeformt, dass er in der Projektion auf die Oberfläche immer die gleiche Form habe, sodass die Intensität dort stets konstant bleibe, erklärt Judith Kumstel vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik  ILT in Aachen. Diese Manipulation ist wichtig, denn nur wenn der dreidimensionale Strahl selbst bei hohem Bearbeitungstempo angepasst wird und mit gleichbleibender Intensität auf die Oberfläche trifft, fällt auch das Ergebnis der Laserbearbeitung stets gleich aus – selbst bei komplex geformten Bauteilen und sich ständig ändernden Einstrahlwinkeln. Wenn sich dagegen die Laserstrahlprojektion auf schiefen Ebenen verformt, verschlechtert sich auch die Qualität der bearbeiteten 3-D-Oberfläche.

Einen anderen Weg geht das ultraSURFACE-Konsortium beim Laserstrukturieren. Eine weitere neue Optik ermöglicht den parallelen Einsatz von vier Strahlen statt des sonst üblichen einen Strahls, um so Bearbeitungsgeschwindigkeit und Produktivität zu erhöhen. Mit einem sogenannten diffraktiven optischen Element (DOE) wird der Laserstrahl in ein quadratisches Strahlbündel von vier Teilstrahlen aufgeteilt. Bei herkömmlichen Multistrahlkonzepten dieser Art kommt es durch die Optik, die am Ende die Strahlen auf das Bauteil fokussiert, und durch die Form des Bauteils zu einer Verzerrung des Strahlbündels. Im ultraSURFACE-Projekt wird ein spezielles System entwickelt, mit dem jeder einzelne Teilstrahl in seiner Position im Millisekundentakt angepasst werden kann, sodass für die Bearbeitung jederzeit ein quadratisches Strahlbündel vorliegt.

Aktuell entstehen zwei kompakte Optikmodule, mit denen das ultraSURFACE-Team bis Ende 2018 in einer neuen Laseranlage den Einsatz bei unterschiedlichen Anwendungsfällen testet. Das Schweizer Unternehmen Unitechnologies baut dazu eine industrietaugliche Maschine, mit der sich mithilfe der schnell wechselbaren Optikköpfe schnell, flexibel und preiswert polieren, strukturieren und beschichten lässt. „Mit den entwickelten Konzepten sollen Oberflächen genauso gut wie mit herkömmlichen Systemen bearbeitet werden. Dank der neuen Optiken und der neuen Maschine klappt dies zehn Mal schneller als bisher, sodass die laserbasierte Oberflächenveredelung für viele Unternehmen aus unterschiedlichen Branchen – auch für kleine Jobshops – eine wirtschaftliche Alternative zur konventionellen Oberflächenbearbeitung bietet“, sagt Kumstel.

An dem Projekt sind folgende Firmen und Instituten aus Deutschland, Belgien, den Niederlanden, Israel und der Schweiz beteiligt: Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, RWTH Aachen, Unitechnologies, Pulsar Photonics, Newson, OKO Tech, HOLO/OR, Schaeffler Technologies, Procter & Gamble Manufacturing, GEMÜ Gebr. Müller Apparatebau.

von mn

www.ilt.fraunhofer.de

www.ultrasurface.eu

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