Laserstrukturieren mit dreifacher Produktivität

Wertigkeit – das ist es, was beim Blick in das Innere eines Autos vermittelt werden soll. Je feiner die Textur der Kunststoffoberflächen ist, umso näher kommt sie der Anmutung von Leder oder anderen hochwertigen Materialien.

Ein Zulieferer braucht wenige Minuten für so eine Oberfläche, zum Beispiel dauert es nur 60 Sekunden, um eine Instrumententafel per Spritzguss herzustellen.

Die Herstellung der dazugehörigen Metallwerkzeuge dauert wesentlich länger, üblich sind bis zu vier Wochen allein für die Strukturerzeugung. Die dreidimensionale Texturierung wird entweder in dutzenden Einzelschritten geätzt oder durch einen Laserprozess mit Abtragraten im Bereich von etwa 1 mm³/min erreicht.

Fünf Firmen und drei Forschungseinrichtungen haben sich im Forschungsvorhaben eVerest zusammengeschlossen, um die Technologie für das Laserstrukturieren mit Auflösungen im Mikrometerbereich von Grund auf zu verbessern.

»Es ging uns darum, die Prozesse deutlich schneller zu machen und dabei sogar noch eine höhere Qualität der Texturierung zu erreichen«, fasst Andreas Brenner vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT die Projektziele zusammen.

Weniger Totzeiten am Scanner und mehr Leistung aus dem UKP-Laser

Für die Optimierung der Prozesse wurden alle Komponenten auf ihre Effizienz untersucht. Ein großer Fortschritt kam durch die Reduzierung von Totzeiten in den Scannerpfaden. Neue Algorithmen wurden dafür getestet und verschiedene Konzepte für hochdynamische Fokussierung mittels Piezo-Wölbspiegeln von der FH Münster evaluiert. Am Ende konnte mit der innovativen Scannertechnologie der Firma Scanlab eine Verdreifachung des Durchsatzes erreicht werden.

Auch bei der Lasertechnik ging es deutlich voran: Laser mit ultrakurzen Pulsen (UKP) sind bekannt für ihre Präzision bis in den Nanometerbereich. Deshalb wurde innerhalb von eVerest zusätzlich zum normalen Nanosekunden (ns)-Laser auch eine UKP-Quelle integriert. Das Problem der UKP-Laser war bislang ihre mangelnde Produktivität.

Mit einem besonders leistungsstarken UKP-Laser der Amphos GmbH (Spin-off des Fraunhofer ILT und seit 2018 TRUMPF Gruppe) mit einer Kopplung über eine aktiv gekühlte Spezialfaser gelang es den Prozessingenieuren am Fraunhofer ILT, den gleichen Abtrag pro Watt zu erreichen wie mit dem ns-Laser. Die Oberflächenrauheit kann mit dem UKP-Laser auf unter 0,5 µm reduziert werden.

Für die Qualitätssicherung während und nach der Bearbeitung wurden zwei fasergekoppelte OCT-Systeme von Precitec Optronik untersucht. Sie erlauben eine Auflösung von 5 µm (In-Line) oder sogar von 1 µm (post process).

Photonische Prozesskette reduziert Nacharbeit

Die einzelnen Komponenten wurden in eine Maschine basierend auf der Lasertec 125 von DMG Mori integriert. Dabei standen zwei Anforderungen im Vordergrund: Zu allererst sollte die Maschine einfach und ohne spezielle Technologiekenntnisse bedienbar sein. Darüber hinaus sollte die Zahl der Prozesse möglichst auch noch reduziert werden. Die Einfachheit der Prozesse ist ein wesentliches Argument gegenüber dem Ätzverfahren, wo es oft noch auf das Fingerspitzengefühl des Bearbeiters ankommt.

Für die einfache Bedienung der voll automatisierbaren 8-Achs-Maschine spielt die Software eine große Rolle. Das Team der RWTH Aachen entwickelte spezielle Tools, mit denen die gewünschten Strukturen auf den Oberflächen genau simuliert und ihre Anmutung in Echtzeit visualisiert werden können.

Mit der neuen Prozesssteuerung in der Maschine lassen sich auch mehrere Arbeitsschritte nacheinander in derselben Aufspannung durchführen. So kann zum Beispiel eine prozessbedingte schwarze Oxidschicht nach dem Laserstrukturieren mit dem Laser beseitigt werden.

Eine im Rahmen des eVerest-Projektes entwickelte Technologie zum UKP-Laserpolieren haben die Ingenieure vom Fraunhofer ILT sogar zum Patent angemeldet. Durch das Aneinanderreihen der Prozesse Laserstrukturieren, Laserreinigen und Laserpolieren entsteht eine photonische Prozesskette.

Schnelles Laserstrukturieren für viele Anwendungen

Das Verfahren als solches wird jetzt mit Partnern bei Volkswagen erprobt, die Anwendungsfelder der Kerntechnologie gehen jedoch weit über die Automobilbranche hinaus. Egal ob es um Prägewalzen für die Druckindustrie geht oder um Großlager für die Rotorwellen in Windkraftanlagen – strukturierte und funktionale Oberflächen sind in verschiedensten Bereichen gefragt.

»Im Kern steht dabei immer ein detailliertes Prozessverständnis. Dazu kommt dann die Anpassung der Prozesstechnik und eine übergreifende Steuerungssoftware.«, beschreibt Andreas Brenner den Ansatz des Projektteams.

Vorstellung des Projektes eVerest auf der LASER World of PHOTONICS

Über die Ergebnisse des Verbundprojektes können sich Besucher vom 24. bis 27. Juni auf der Weltleitmesse für Komponenten, Systeme und Anwendungen in der Photonik in München informieren: Fraunhofer-Gemeinschaftsstand 431 in Halle A2.

Ein Vortrag zum Projekt gibt es im Rahmen des Application Panels »Automatisierung von Laserapplikationen« am 26. Juni von 15:00 bis 17:20 Uhr auf dem PHOTONICS Forum Laser Materials Processing in Halle A3, Stand 545.

Das Projekt eVerest wurde vom 1.1.2016 bis zum 30.6.2019 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert und vom Projektträger Karlsruhe betreut. Die Projektpartner sind: Sauer GmbH (Koordinator), Amphos GmbH, Scanlab GmbH, Precitec Optronik GmbH, Volkswagen AG, Fraunhofer ILT, Labor für Photonik der FH Münster, RWTH-Aachen – Lehrstuhl für Computergrafik und Multimedia.

Projekt eVerest: »Maschinen- und Systemtechnik zur effizienten Herstellung großformatiger 3D-Formwerkzeuge mit Designoberflächen«

Andreas Brenner M.Sc.
Gruppe Mikro- und Nanostrukturierung
Telefon +49 241 8906-8365
andreas.brenner@ilt.fraunhofer.de

Dipl.-Phys. Martin Reininghaus
Gruppenleiter Mikro- und Nanostrukturierung
Telefon +49 241 8906-627
martin.reininghaus@ilt.fraunhofer.de

https://www.ilt.fraunhofer.de/
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