Schmutzfrei in Lichtgeschwindigkeit

Laser sind aus dem industriellen Alltag heute nicht mehr wegzudenken. Doch im Gegensatz zum Laser-Schweißen und -Schneiden sind die Laser-Reinigung und -Oberflächenmodifikation bisher eher Nischentechnologien. Dabei handelt es sich um ein thermisches Verfahren, bei dem der Laser die zu entfernenden Schichten schlagartig verdampft. Ein fokussierter Strahl mit weniger als 1 mm Durchmesser trifft auf die Oberfläche und sublimiert Schmutz- und Deckschichten, aber auch Oxidschichten und Farbe. Durch die kurze Einwirkdauer von wenigen Nanosekunden wird das Grundmaterial nicht beschädigt. Zur flächigen Bearbeitung wird der Laserpunkt mittels hochdynamischer Scansysteme homogen auf der Bauteiloberfläche verteilt. Auch die gezielte Oberflächenmodifikation ist möglich, etwa zur Verbesserung des Korrosionsverhaltens bei Leichtmetallen.

Dabei muss mit manuellen Verfahren oder der programmgesteuerten automatisierten Bearbeitung nicht gleich das ganze Bauteil gereinigt werden, sondern nur der für den Prozess benötigte Bereich. Das spart Zeit, Geld und schont die Umwelt. Bei der Schweißvorbehandlung von Aluminium-Karosserien zum Beispiel lässt sich somit großflächiges Entfetten durch lokales Laserreinigen substituieren.

Die Abtragergebnisse sind exakt reproduzierbar. Es werden weder Reinigungsmedien noch Strahlmittel benötigt. So lassen sich große Mengen an Chemikalien oder anderen Fertigungshilfsmitteln einsparen. Das Verfahren ist darüber hinaus leise und schmutzfrei. Hinzu kommt, dass die Systeme je nach Anforderungen in verschiedenen Größen verfügbar sind: Cleanlaser entwickelt beispielsweise Lasersysteme vom 20 W „Backpack“-Laser mit Batteriebetrieb bis zum weltweit leistungsstärksten mobilen 1000-W-Reinigungslaser.

Die Systeme sind relativ wartungsfrei, und somit betragen die Betriebskosten je nach Leistung der Systeme nur einige Cent bis wenige Euro pro Stunde. Durch stetige Verbesserung des Steckdosenwirkungsgrades –insbesondere bei den leistungsstarken Systemen – lassen sich mit relativ geringem Energieaufwand Oberflächen entschichten. Im Vergleich zu Eis- und Partikelstrahlverfahren benötigt das Laserverfahren bis zu acht Mal weniger Energie und verbraucht dabei kein Strahlgut, das ebenfalls noch – meist als Sondermüll – entsorgt werden muss. Auch gegenüber nass-chemischen Verfahren weist der Laser in der Regel einen deutlich geringeren Energieverbrauch auf.

Die Lasersysteme sind modular aufgebaut und handgeführt, automatisiert oder als komplette Workstation erhältlich. Allen Systemen gemeinsam ist die kompakte Bauweise als mobile oder stationäre Variante. So benötigen leistungsstarke Systeme etwa 1 m² Stellfläche.

Die Bearbeitungsoptik ist durch eine flexible Lichtleitfaser zur Strahlübertragung mit der Laserquelle verbunden. Dadurch ist die Optik sehr beweglich und kann auch für schwer zugängliche Bauteile oder Formwerkzeuge genutzt werden, also beispielsweise für Reifenformen, Trommel- oder Zangenöfen. Auch hartnäckige Rückstände lassen sich mit dem Laser entfernen, ohne chemische Abfallprodukte zu hinterlassen oder Abrieb zu verursachen. Die Betriebslebensdauer der Formen verlängert sich deutlich. Die Formen können sowohl im kalten als auch im „heißen“ Zustand gereinigt werden, bei Bedarf In-Line. Bei der Reinigung von Werkzeugen und Formen für die Produktion von Teilen aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) sind zum Beispiel Reinigungsraten von über 20 m² pro Stunde möglich.

Ein weiteres Anwendungsgebiet sind mittels Plasma Vapor Deposition (PVC) beschichtete Werkzeuge. Denn bei der Verdampfung des für den Beschichtungsvorgang nötigen Materials werden häufig nicht nur die beschichteten Bauteile dem Bedampfungsprozess unterzogen, sondern auch die Werkstückträger und die gesamte Innenverkleidung der Plasmakammer. Durch die Beschichtung kommt es zu unerwünschten Effekten. Mit Laserlicht lassen sich solche hartnäckigen Bedampfungsschichten wieder entfernen. Auch die Plasmakammer selbst lässt sich manuell oder teilautomatisch effizient entschichten. Dabei bleibt die Dichtheit des Systems im Gegensatz zum konventionellen Schleifen sicher erhalten.

Häufig wird das Laserreinigen und Oxidschichtentfernen zur Vorbehandlung zum Fügen – Kleben und Schweißen – sowie für Lackier- beziehungsweise Beschichtungsprozesse eingesetzt. Metalle, vor allem Aluminium und Magnesium, lassen sich mit hoher Geschwindigkeit rückstandsfrei entölen, reinigen und konditionieren.

Wesentliche Einsparpotenziale der Technologie ergeben sich im Hinblick auf Kosten und Umwelt. Dies sei am Beispiel Reifenformen-Reinigung erklärt. Reifenformen werden heute noch vielfach mit Trockeneis gereinigt. Werden beispielsweise zehn Reifenformen pro Tag an 250 Arbeitstagen im Jahr gereinigt, dann dauert die Reinigung sowohl für das Eisstrahl- als auch das Laserverfahren circa 30 Minuten pro Form. Die Betriebskosten unterscheiden sich jedoch deutlich: Während sie beim Eisstrahlen bei rund 38 Euro pro Form (ohne Personal) liegen, kostet die Laserreinigung nur 18 Euro. Bereits nach circa zwei Jahren ist der anfänglich höhere Invest in die Lasertechnik gegenüber dem CO2-Pelletstrahlen aufgeholt.

Ein weiteres Beispiel ist die Klebevorbehandlung von Aluminiumgehäusen. Hier schlagen vor allem die Logistik- und Transportkosten zu buche. Bei nass-chemischer Reinigung betragen die Reinigungskosten – im Wesentlichen bestimmt durch die Transportkosten – circa 15 Cent pro Stück, bei der Laserbearbeitung nur 5 Cent pro Stück. Daraus resultiert bei einer angenommenen Kapazität einer Anlage von 1,8 Mio. Stück ein jährliches Einsparpotenzial von 180 000 Euro. Der Return on Invest wird bereits allein durch die Transportkosteneinsparung in weniger als zwei Jahren erreicht. Der Verzicht auf die Transportwege und die dezentrale In-Line Reinigung entlastet zudem die Umwelt. Die Qualität wird reproduzierbar, da die Teile nicht mehr „angefasst“ werden müssen.

Edwin Büchter Geschäftsführer Clean-Lasersysteme GmbH