Werkzeuge aus Hartstoffen und Keramiken wie Wolframcarbid sind besonders langlebig – ihre Fertigung jedoch anspruchsvoll. Herkömmliche mechanische Bearbeitungsverfahren stoßen bei der Formgebung dieser Werkstoffe schnell an Grenzen und führen zu einem hohen Werkzeugverschleiß. Forschende des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT in Aachen haben nun ein Verfahren entwickelt, das mithilfe eines Ultrakurzpuls-(UKP)-Lasers sowohl die Strukturierung als auch die Politur solcher Bauteile in einer einzigen Aufspannung ermöglicht.
Laserbearbeitung ersetzt mechanische Verfahren
Der UKP-Laser arbeitet mit wenigen Pikosekunden kurzen Pulsen, die das Material verdampfen und dabei Flächenraten von bis zu 100 Quadratzentimetern pro Minute erreichen. Die Besonderheit liegt in der flexiblen Parametrierung: Während bei der Formgebung hohe Pulsenergie und niedrige Repetitionsraten zum Materialabtrag genutzt werden, erfolgt die Politur mit deutlich höheren Frequenzen von bis zu 50 MHz. Dabei schmilzt die oberste Schicht des Werkstoffs – zwischen 0,2 und 2 Mikrometer – und glättet sich durch die Oberflächenspannung selbst.
Präzise Politur und gezielte Oberflächenanpassung
Mit dieser Methode lassen sich Mikro-Unebenheiten glätten, ohne dass die makroskopische Struktur verändert wird. Auch eine selektive Politur einzelner Bereiche ist möglich, um bestimmte Oberflächeneigenschaften lokal einzustellen oder Bearbeitungszeiten zu verkürzen. Je nach Anwendung erreicht die Laserpolitur Oberflächenraten zwischen zehn und 100 Quadratzentimetern pro Minute.
Ressourceneffiziente Alternative zu mechanischen Verfahren
Die Kombination von Strukturierung und Politur in einer Aufspannung reduziert Rüstzeiten und ermöglicht eine wirtschaftliche Bearbeitung von Hartstoffen. Unternehmen können vorhandene UKP-Lasersysteme für zusätzliche Prozesse nutzen oder Investitionen in neue Anlagen schneller amortisieren. Darüber hinaus trägt das Verfahren zur Verringerung von Werkzeugverschleiß sowie zu einer höheren Ressourcen- und Energieeffizienz bei.
Laut den ILT-Forschenden Sönke Vogel und Astrid Saßmannshausen ist das Potenzial der Technologie noch nicht ausgeschöpft. Mit schnelleren Scannern, höheren Laserleistungen und größeren Spots könnten die Bearbeitungsraten weiter gesteigert werden. Industriepartner sind eingeladen, die Weiterentwicklung gemeinsam mit dem ILT-Team voranzutreiben.