Material ohne Abtrag strukturieren und gleichzeitig glänzend polieren – das ermöglicht ein vom Fraunhofer ILT entwickeltes Verfahren: Durch Laserumschmelzen lassen sich die Oberflächen metallischer Werkzeugeinsätze bearbeiten.
Ob Lenkrad oder Zahnbürstengriff: Für haptische und optische Bauteile in nahezu allen Lebensbereichen sind strukturierte Oberflächen nicht mehr wegzudenken. Um diese Teile zu strukturieren, werden oft Spritzgusswerkzeuge aus Metall verwendet. Eine übliche Methode zur Erzeugung der gewünschten Struktur auf dem Werkzeug ist das photochemische Ätzen. Dieses Verfahren ist jedoch zeit- und kostenintensiv – nicht zuletzt, weil umweltgefährdende Säuren entsorgt werden müssen.
Eine umweltschonende Alternative bietet das seit mehr als zehn Jahren etablierte Laserverfahren zum Strukturieren durch Abtragen. Bei einer angestrebten Strukturgröße über 10 µm lässt sich mit diesem Verfahren eine Volumenabtragrate von 1 bis 10 mm3/min erzielen. In vielen Fällen ist jedoch eine Nachbehandlung des Werkstücks nötig, da durch den Materialabtrag die Oberfläche durch Schmelzrückstände verunreinigt wird. Zudem benötigt der Laser einige 10 Überfahrten, um beispielsweise eine Strukturtiefe von 200 µm zu erreichen. Für Werkzeugbauer ist das laserbasierte Strukturieren großer Flächen daher wirtschaftlich oft uninteressant.
Am Aachener Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT, Halle 11, Stand C66) wurde nun ein Verfahren zum Strukturieren von Werkzeugen mittels Laserumschmelzen entwickelt. Dabei fährt der Laserstrahl über das Werkstück und schmilzt durch den Wärmeeintrag die Metalloberfläche auf. Die Laserleistung wird moduliert, so dass sich die Schmelzbadgröße an definierten Stellen kontinuierlich verändert. „Durch diese Modulation wird das Material umverteilt, es entstehen Berge und Täler. Die eine Hälfte der entstandenen Struktur liegt oberhalb ihres Ausgangsniveaus, die andere Hälfte darunter“, erklärt André Temmler, Projektleiter am ILT.
Aus der Schmelze erstarrt die oberste Materialschicht und weist durch ihre Oberflächenspannung eine gleichmäßig verringerte Rauheit auf. Die Oberfläche bleibt glänzend poliert zurück. Im Vergleich zum Laserstrukturieren durch Abtragen besteht die Neuerung des Laserstrukturierens mittels Umschmelzen darin, dass es keiner Nachbehandlung bedarf. Die Oberflächen erhalten direkt eine optische Qualität. Bei einer Strukturtiefe von etwa 200 µm lassen sich Flächenraten von bis zu 75 mm2/min erzielen. Das bedeutet, dass hier bei einer Überfahrt eine Volumenumverteilungsrate von 15 mm³/min erzielt wird.
Ein weiterer Vorteil des neuen Verfahrens gegenüber dem herkömmlichen laserbasierten Strukturieren besteht in seiner Energie- und Ressourceneffizienz. Zum Schmelzen wird weniger Energie benötigt als zum Sublimieren, es sind wesentlich weniger Überfahrten erforderlich und es entsteht kein Materialverlust. Je nach Material und Stückzahl kann dies für den Formenbauer eine signifikante Zeit- und Kostenreduktion bedeuten. Für ebene Flächen und einfach gekrümmte Bauteilgeometrien ist das Laserumschmelzen bereits industriell einsetzbar. Nun arbeiten Temmler und sein Team daran, das Verfahren auch auf Freiformflächen zu übertragen.
Ist für das Endprodukt ein zusätzlicher Zweiglanzeffekt erwünscht, wird die Oberfläche des Werkzeugs in einem weiteren Arbeitsschritt zunächst flächig mattiert. Anschließend werden ausgewählte Bereiche mit einem Laserstrahl umgeschmolzen. Diese Teilbereiche erstarren geglättet aus der Schmelze. Je nach Stärke des Zweiglanzes wird sogar ein 3D-Effekt erzeugt. Die polierten Stellen scheinen aus der Oberfläche zu ragen. hw
Fraunhofer ILT Halle 11, Stand C66
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