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Kalter Strahl formt das Werkstück

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Kalter Strahl formt das Werkstück

Kalter Strahl formt das Werkstück
Abtragwerkzeug für die Mikropinzette ist ein bis zu 25 µm schmaler Laserspot, der am rotierenden Werkstück entlang geführt wird. Eine Trepanier-Optik sorgt für ein perfekt rundes Werkzeug Bild: GFH
Laserdrehen | Eine neue Technik formt kleinste Werkstücke im µm-Bereich hoch- präzise und aus unterschiedlichen Werkstoffen: Aus einem Rohling entsteht so mit Hilfe es Ultrakurzpulslasers berührungslos eine Mikro-Pinzette mit sehr feinen Konturen und Geometrien.

Kathrin Beck Fachjournalistin in München

Ultrakurzpulslaser (UKP) bewähren sich aufgrund ihres berührungslosen, „kalten“ und verschleißfreien Abtrags in zahlreichen Bereichen als Schneid- oder Bohrwerkzeug. Der Lasermikrobearbeitungsexperte GFH hat dieses Einsatzspektrum um eine zusätzliche Technik erweitert: das Laserdrehen. Mittels einer speziellen Trepanier-Optik wird dazu ein gleichmäßiger, bis zu 25 µm schmaler Laserspot erzeugt, der an das rotierende Werkstück geführt wird und es in die gewünschte Form bringt. Da hierbei weder eine mechanische Kraft noch relevante thermische Einflüsse auf das Material wirken, lassen sich so selbst kleinste Strukturen präzise und mit einer Oberflächenrauigkeit von Ra 0,1 µm erzeugen. Gleichzeitig deckt derselbe Laser auch weiterhin alle sonstigen Funktionen wie Schneiden oder Bohren ab, so dass für folgende Bearbeitungsschritte das Werkstück nicht umgespannt werden muss. Eingesetzt wird das neue Verfahren bereits zur Produktion von Mikro-Pinzetten.
Herzstück der Laserdrehtechnik ist wahlweise ein Piko- oder Femtosekundenlaser mit einer Pulsdauer von lediglich 10 ps beziehungsweise 800 fs. Für beide Varianten charakteristisch ist der so genannte „kalte“ Abtrag: Die Kürze des Pulses sorgt dafür, dass eine extrem hohe Energie zeitlich sehr begrenzt auf das Werkstück einwirkt und das Material verdampft, bevor es zu Schmelzerscheinungen oder thermischen Veränderungen kommen kann. „Welche Strahlquelle sich besser eignet, hängt letztlich vom Werkstoff ab. Femtosekundenlaser erreichen aber bei Stählen beispielsweise eine etwa zweimal höhere Abtragsrate und bieten auf Grund der kürzeren Pulse eine noch höhere Qualität, so dass sich ihr Einsatz wirtschaftlich rechnet“, erklärt Florian Lendner, Mitglied der Geschäftsleitung der GFH GmbH Deggendorf. Generell lassen sich damit neben allen Arten von Metall auch Kunststoffe und Carbon ebenso sauber bearbeiten wie extrem harte Werkstoffe, beispielsweise Keramik, Hartmetall oder Industriediamanten.
Zum Drehen der Mikro-Pinzette wird der Laserstrahl mit Hilfe einer Trepanier-Optik, die auch für sehr gleichförmige oder negativ konische Bohrungen verwendet wird, in Rotation versetzt. So entsteht ein geometrisch bestimmtes Werkzeug, bei dem ein perfekt rotierender Laserspot die Spitze des eigentlichen Abtragwerkzeugs bildet. Durch seinen Durchmesser von minimal 25 µm lassen sich sehr feine Konturen und Geometrien aus dem Rohling herausarbeiten, die mit mechanischen Werkzeugen nicht realisiert werden könnten.
Eine besondere Herausforderung bei der Nutzung von Lasern zum Drehen waren die wechselnden Durchmesser und die damit verbundenen unterschiedlichen Bahngeschwindigkeiten, die im Normalfall zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Laserpulse führen würden. „Der Energieeintrag wäre so an einigen Stellen höher als an anderen, was die Qualität beeinträchtigt hätte. Um das zu verhindern, greifen wir auf eine spezielle Laser-Ansteuerung zurück, die eine Pulse-on-Demand-Regulierung erlaubt“, so Lendner.
Beweglich in fünf Achsen
Maschinenbasis der innovativen Technik sind die GL.evo- und GL.compact-Bearbeitungszentren, die sich durch ihre genaue und dynamische Kinematik auszeichnen. Die fünf Achsen – einschließlich zweier Drehachsen in der Werkstückeinspannung – bieten umfassende Beweglichkeit und ermöglichen sowohl Längs-Rund-, Quer-Stech- und Quer-Plan-Drehen als auch Kugel- und Formdrehen. Der Rohling wird dazu eingesetzt und mit bis zu 500 min-1 in Drehung versetzt, bevor der Laserspot herangeführt wird und die programmierten Konturen abträgt.
„Die gewünschte Form kann wie gewohnt designed oder direkt auf der Maschine programmiert werden“, so Lendner. Die mögliche Präzision beträgt 1 µm im Durchmesser. Zudem sind durch den geringen Werkzeugdurchmesser auch sehr filigrane Einstiche realisierbar. Das Laserdrehen eignet sich dadurch für sehr diffizile Geometrien und kleinteilige Strukturen, wie sie nicht nur in der Medizintechnik benötigt werden. ■
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