Hochgradig effizient durch Automatisierung

Edwin Büchter Geschäftsführender Gesellschafter, Clean-Lasersysteme, Herzogenrath

Beim Laserreinigen werden Schmutz- und Deckschichten nur mit Hilfe von gebündeltem Licht abgetragen. Innerhalb einer Sekunde treffen bis zu 50 000 Laserpulse fokussiert auf die Bauteiloberfläche. Dabei wird der Laserstrahl linienförmig abgelenkt beziehungsweise gescannt, sodass die Einwirkzeit des Laserlichts sehr kurz ist. Das Grundmaterial bleibt „kalt“ und wird nicht beschädigt.

Nur wenn die Laserparameter entsprechend intensiver eingestellt werden, lassen sich metallische Materialien in der obersten Grenzschicht – typischerweise bis zu 5 µm – modifizieren, um Strukturen oder Rauigkeiten zu erzeugen, beispielsweise zur Verbesserung des Korrosionsverhaltens bei Leichtmetallen und zur Vergrößerung der Oberfläche durch Aufrauen.

Beim Laserverfahren sind weder Reinigungsmedien noch Strahlmittel erforderlich. Das erspart große Mengen an Chemikalien oder anderen Fertigungshilfsmitteln. Die abgetragenen Partikel lassen sich rückstandsfrei absaugen und sortenrein entsorgen. Durch den gezielten Abtrag ist das Abfallvolumen bei vielen Anwendungen um den Faktor 12 geringer als bei anderen Reinigungsverfahren.

Zu den effektivsten Anwendungen zählen neben der Entlackung und Entschichtung vor allem die Formenreinigung sowie die Vorbehandlung zum Kleben und Schweißen.

Für die Lackiervorbehandlung und die Produktion von Bremsbelägen hat Cleanlaser eine Anlage vom Typ Cleanbrake entwickelt. Mit dieser fließbandbasierten Reinigungsstation lassen sich Trägerplatten von Bremsbelägen vollautomatisch vor dem Pulverlackieren reinigen und vorbehandeln. Die Taktzeit liegt je nach Teilegröße bei 2,5 bis 4 s. Die Reinigung der Oberseite sowie der Seitenflächen des Belagträgers erfolgt ohne Anstoppen und damit auch ohne Zeitverluste beim Be- und Entladen.

Durch die strahlmittelfreie Reinigung entfällt das Verschleppen von Partikeln und somit der Verschleiß der Bauteile sowie der Reinigungsanlage. Die laufenden Kosten liegen bei weniger als einem Cent pro Bauteil. Die Anlage lässt sich auch für das Aufpressen und die Klebevorbehandlung von Reibmaterial einsetzen.

Seit einiger Zeit werden im Bereich der Raumfahrt Alternativen zu CR VI basierten chemischen Vorbehandlungsprozessen gesucht, da Chromate ab 2016 nach der EU-Verordnung REACH auch beim Bau der Ariane 5 nicht mehr erlaubt sind. Bisher kommen zur Vorbehandlung rund 100 000 l Reinigungsmedien zum Einsatz. Dieses „Waschmaschinenverfahren“ erfordert jedoch eine permanente Lagerung bei 60 °C und enthält toxische und somit krebserregende Stoffe.

Das Clean-Laserverfahren entfernt Oxide mit Hilfe einer minimalen Oberflächen-Aktivierung. Diese erfolgt ausschließlich mit Licht. Dabei wird der Anschmelzprozess so exakt programmiert, dass keine metallurgischen Veränderungen von mehr als 10 µm Tiefe erkennbar sind.

Ebenso lässt sich die Benetzbarkeit für Isolations-Beschichtungen bei Cryogene-Tanks mit einem Durchmesser vorn circa 5,4 m verbessern. Selbst nach acht Tagen ist noch eine Oberflächenbeschichtung ohne Benetzungseinbußen möglich, wohingegen bei chemischer Vorbehandlung eine Beschichtung innerhalb von 24 Stunden erfolgen muss. Dieses kurze Zeitfenster ist für die weitere Verarbeitung des großen Bauteils unter logistischen Aspekten äußerst schwierig. Beim Laserverfahren kann die Reinigung aufgrund der präzisen Steuerbarkeit abschnittsweise erfolgen. Auch erweist sich der Einsatz von Primer als überflüssig.

Für die Anwendung reichen bereits vier 100-Watt-Lasersysteme sowie eine Portalanlage aus, um dauerhaft und vollautomatisch ohne Reinigungsmedien vorzubehandeln. Alle Qualifizierungsmaßnahmen wie zum Beispiel Scherzugversuche wurden mit dem Nachweis hoher Festigkeitswerte der Beschichtung erfolgreich abgeschlossen.

Formen zur Herstellung von Bauteilen aus Polyurethan (PUR), kohlenstoff- (CFK) oder glasfaserverstärkten (GFK) Kunststoffen sowie anderen Faserverbundmaterialien lassen sich mit der neuen Roboclean-Anlage schonend von Prozessrückstände befreien. Auch empfindliche Strukturen wie Nickel, Aluminium und Stahl werden dabei nicht beschädigt. Die Bearbeitungsergebnisse sind homogen. Dabei erzielt die laserbasierte Portalanlage abhängig von der Schichtstärke und Laserleistung Reinigungsgeschwindigkeiten von etwa 35 m²/h. Gegenüber dem Eisstrahlen können die Betriebskosten typischerweise um bis zu 80 % gesenkt werden. Auch im Bereich der Oberflächenaktivierung und Klebevorbehandlung von Flugzeugbauteilen sowie zur Entlackung werden die kombinierten Anlagen von Cleanlaser und dem Kooperationspartner Güdel, Langenthal/Schweiz, eingesetzt. Die präzise Laseroberflächentechnik erzielt gepaart mit hochdynamischen Portalsystemen effiziente Komplettlösungen zur Bearbeitung großflächiger Bauteile.

Selbst bei Spannweiten von mehreren zehn Metern lassen sich Wiederholgenauigkeiten von deutlich unter 1 mm realisieren. Außenbearbeitung von Rohren mit Rotationsoptik

Nicht nur bei Kunststoffbauteilen kann ein selektiver Abtrag der obersten Schichten zu einer Verbesserung der Fügefestigkeit führen, sondern auch bei Lacken. Vor allem bei Pulverlackschichten wird durch den Einsatz der homogenisierten Laserstrahlung eine oberflächennahe Lack- und Wachsschicht prozesssicher entfernt und dadurch eine reproduzierbare, fügefähige Pulverlackoberfläche generiert. Diese weiterhin korrosionsschützende Beschichtung, die nur um wenige µm „abgeschabt“ werden, eignet sich ideal zum Bekleben oder zum Anvulkanisieren von Befestigungselementen.

Eine spezielle Laseroptik, der sogenannte Cleanrotor, rotiert um rohrförmige Bauteile. Dadurch werden die Außenflächen lackierter Bauteile für den nachfolgenden Fügeprozess vorbehandelt.

Die Laserreinigung erfolgt in der Linienverkettung ohne Unterbrechung. Da nur mit Licht und nicht mit Strahlmitteln gearbeitet wird, kommt es auch nicht zur Verschleppung von Schmutz. Der Energiebedarf ist um den Faktor acht geringer als bei konventionellen Verfahren. Zudem fällt deutlich weniger Serviceaufwand an.

In Folge der Laserreinigung entstehen beim Kleben auf (pulver-)lackierten Oberflächen beziehungsweise Rohren keine Qualitätsschwankungen. Der Prozess ist reproduzierbar und lässt sich sensorgesteuert überwachen. •