Oberflächenveredelung

Forscher entwickeln Optik, um Oberflächen mit Highspeed zu veredeln

| Redakteur: Katharina Juschkat

Für das EU-Projekt Ultra Surface entwickelter piezoelektrisch deformierbarer Spiegel, der dafür sorgt, dass sich der Laserstrahl mit Schaltzeiten von unter fünf Millisekunden und damit sehr schnell an die Bearbeitungssituation anpasst.
Für das EU-Projekt Ultra Surface entwickelter piezoelektrisch deformierbarer Spiegel, der dafür sorgt, dass sich der Laserstrahl mit Schaltzeiten von unter fünf Millisekunden und damit sehr schnell an die Bearbeitungssituation anpasst. (Bild: Fraunhofer ILT, Aachen.)

Das Fraunhofer ILT forscht aktuell an einer neuen Oberflächenveredelung. Mit zwei neuen Optiken sollen Laser künftig bis zu zehnmal schneller als bisher Oberflächen polieren, beschichten und strukturieren. Das macht den Einsatz auch wesentlich günstiger.

Die meisten Laserverfahren für die Oberflächenbearbeitung sind präzise, aber zu langsam. Das will das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen zusammen mit neun internationalen Partnern ändern – im EU-Forschungsprojekt „Ultra Surface“ soll bis Ende 2018 zwei neue Optiken entwickelt werden, mit denen sich die Laserstrahlführung individuell und schnell an die sich ständig ändernde Bearbeitungssituation anpassen lässt. Mithilfe dieses Tunings sollen Laser künftig bis zu zehn Mal schneller als bisher Oberflächen polieren, beschichten oder strukturieren.

Seit 2016 forscht und entwickelt ein internationales Team mit Firmen und Instituten aus Deutschland, Belgien, den Niederlanden, Israel und der Schweiz „Ultra Dynamic Optical Systems for High Throughput Laser Surface Processing“. Zwei neue Faserlaser-Optiken für den nahen Infrarotbereich sollen die Bearbeitungszeit von Oberflächen im Idealfall auf ein Zehntel reduzieren und die Kosten halbieren.

Laserstrahl passt sich in Millisekunden an

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, kurz PDM, ein. Dieser sorgt dafür, dass sich der Laserstrahl mit Schaltzeiten von unter fünf Millisekunden und damit sehr schnell an die Bearbeitungssituation anpasst.

Diplom-Physikerin Judith Kumstel, Expertin für Laserpolieren am Fraunhofer ILT, erklärt: „Der Laserstrahl wird in Abhängigkeit vom Einstrahlwinkel so umgeformt, dass er in der Projektion auf die Oberfläche immer die gleiche Form hat, sodass die Intensität dort stets konstant bleibt.“ 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 3D-Oberfläche.

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Einen anderen Weg geht das Ultra-Surface-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 Ultra-Surface-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.

Eine Optik ist für das Polieren und die Bearbeitung von dünnen Schichten mit dem Laser ausgelegt. Das Forschungsteam setzt dabei den piezoelektrisch kontinuierlich deformierbaren Spiegel (PDM) ein.
Eine Optik ist für das Polieren und die Bearbeitung von dünnen Schichten mit dem Laser ausgelegt. Das Forschungsteam setzt dabei den piezoelektrisch kontinuierlich deformierbaren Spiegel (PDM) ein. (Bild: Fraunhofer ILT, Aachen.)

Der Lasereinsatz wird bezahlbar

Aktuell entstehen zwei kompakte Optik-Module, mit denen das Ultra-Surface-Team bis Ende 2018 in einer neuen Laseranlage den Einsatz bei unterschiedlichen Anwendungsfällen testet. Ein Schweizer Unternehmen baut dazu eine industrietaugliche Maschine, mit der sich mithilfe der schnell wechselbaren Optikköpfe konkurrenzlos schnell, flexibel und preiswert polieren, strukturieren und beschichten lassen soll. Expertin Kumstel erklärt: „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.“

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