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Laserstrukturierung: Einer fürs Grobe, der andere fürs Feine

Laserstrukturierung
Einer fürs Grobe, der andere fürs Feine

Laserstrukturierung
Die Oberfläche wird schrittweise bearbeitet: Zunächst wird eine Grundstruktur mit Nanosekundenpulsen erzeugt (rechts im Bild). Darauf werden die Feinheiten mit hochpräzisen ultrakurzen Pikosekundenpulsen hergestellt (links) Bild: Fraunhofer ILT
Laserstrukturierung | Eine Kombination aus Nano- und Pikosekundenlaser soll feine Strukturen in Oberflächen erzeugen und dabei so wirtschaftlich sein, dass das Verfahren für die industrielle Nutzung interessant wird. Entwickelt wird es mit Partnern aus dem Automobilbereich, aber andere Anwendungen sind denkbar.

Funktionale Oberflächen sind angesagt: Nicht nur Zylinder oder das Armaturenbrett im Automobilbereich bekommen immer öfter eine Mikrostruktur. Lange Zeit dominierte Lederoptik, um das Gefühl von Wertigkeit zu vermitteln, inzwischen kommen auch feine, eher technische Strukturen zum Einsatz. Hergestellt werden solche dreidimensionalen Teile meist im Spritzgussverfahren.

Die entsprechenden Werkzeuge mit Genauigkeiten im Mikrometerbereich produziert man oft noch mit photochemischen Ätzverfahren. Die einzelnen Schritte werden mehrfach wiederholt, erfordern viel Fingerspitzengefühl beim jeweiligen Bearbeiter und sind nicht reproduzierbar.
Laser mit ihrer hohen Präzision sind sehr gut geeignete Werkzeuge, um solche Strukturen zu erzeugen. Insbesondere Laser mit ultrakurzen Pulsen, so genannte UKP-Laser, gelten bereits seit einigen Jahren als vielversprechend für die Mikromaterialbearbeitung: Unabhängig vom Material können sie hochpräzise bis in den Mikrometerbereich abtragen. Die Geschwindigkeit dieses Schrittes lässt für die industrielle Anwendung aber oft noch zu wünschen übrig.
Bislang versuchte man, diesen Zielkonflikt mit mehr Laserleistung, schnelleren Scannern oder einer Aufteilung des Laserstrahls in mehrere Teilstrahlen zu lösen. Ein neues Konsortium aus Forschung und Industrie geht nun einen anderen Weg: Die Partner entwickeln eine Lasermaschine, die nur für die allerfeinsten Teile den exakten UKP-Laser nutzt. Den Rest erledigt zuvor ein produktiver Nanosekundenlaser. Mit der Kombination beider Pulsarten sollen sich auch große Flächen effizient bearbeiten lassen.
Speziell Nanosekunden-Laser erreichen einen ähnlichen Durchsatz wie die Ätzverfahren. Bei der Präzision kommen sie jedoch an ihre Grenzen: Sie schmelzen das Material an, was gerade bei kleineren Strukturen zu unscharfen Konturen führt. UKP-Laser mit Pikosekundenpulsen sind nicht so schnell, können dafür aber äußerst präzise abtragen. Eine Kombination aus Piko- und Nanosekundenpulsen ist nun das Ziel des Verbundprojektes Everest. Gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung soll dabei die komplette Maschinen- und Systemtechnik zur effizienten Herstellung großformatiger 3D-Formwerkzeuge für De-signoberflächen entwickelt werden.
Im Verbund arbeiten Forscher zweier Universitäten mit Industriepartnern zusammen. Vom Laserhersteller über den Systemintegrator bis zum Automobilhersteller ist dabei alles vertreten. In der Projektlaufzeit bis Ende 2018 wird von der Software über den Laser bis zum Maschinenkonzept mit einer 8-Achs-Simultanbearbeitung eine komplette Lösung entwickelt.
Automatisiertes Verfahren statt Fingerspitzengefühl
Ein besonderes Anliegen des Projektes ist, dass die Maschine ohne wesentliche Kenntnisse der eigentlichen Technologie eingesetzt werden kann. Damit wird ein deutlicher Fortschritt gegenüber dem besagten Fingerspitzengefühl bei Ätzverfahren angestrebt. Letztlich wird mit der genau steuerbaren Lasertechnik ein voll automatisierbares Verfahren möglich.
Das Verfahren als solches wird jetzt mit Partnern bei Volkswagen entwickelt, die Anwendungsfelder gehen jedoch über die Automobilbranche hinaus. Auch Prägewalzen für die Druckindustrie, Großlager für die Rotorwellen in Windkraftanlagen oder funktionale Oberflächen in verschiedensten Bereichen können davon profitieren. (op) ■

Ihr Stichwort
  • Funktionelle Oberflächen
  • Mikrostrukturieren
  • Zwei verschiedene Laser in einer Maschine integriert
  • Wirtschaftliche Bearbeitung
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