Laser bearbeitet Oberflächen in großer Vielfalt

Laser bearbeitet Oberflächen in großer Vielfalt

LASYS 2012: Ob es ums Härten, Polieren, Reinigen, Veredeln, Abtragen oder Strukturieren geht, der Laser arbeitet höchst präzise und effizient 

Hohe Flexibilität zeigt der Laser, wenn es darum geht, Oberflächen zu bearbeiten, noch dazu aus unterschiedlichsten Materialien. Grundsätzliche Herausforderungen liegen Gerhard Hein zufolge, Geschäftsführer der Arbeitsgemeinschaft Laser und Lasersysteme für die Materialbearbeitung im VDMA, in der präzise zu steuernden räumlichen und zeitlichen Energiedeposition, in höchster Verfahrens- und Wiederholgenauigkeit, gerade auch im Mikro-/ Nanomaßstab, sowie in einer hervorragenden Prozesseffizienz. Das wird auch die LASYS 2012 zeigen, internationale Fachmesse für Lasermaterialbearbeitung, wenn sie vom 12. bis 14. Juni 2012 auf dem Stuttgarter Messegelände ihre Tore öffnet. Das Besondere an der LASYS ist, dass sie sowohl branchen- als auch materialübergreifend orientiert und gezielt Anwender und Anbieter der Lasermaterialbearbeitung anspricht. Dabei nimmt die Oberflächenbearbeitung nur einen Teil des vielseitigen Bearbeitungsspektrums ein, das der Laser mittlerweile als universelles Werkzeug abdeckt. „Mit Blick auf die industrielle Großserienfertigung und damit auf die gesamtwirtschaftliche Dimension, ist Lasersystemen für die Oberflächenbehandlung eine bedeutsame Hebelwirkung zuzuschreiben“, sagt Hein. Schließlich bearbeitet der Laser Oberflächen in großer Vielfalt: Hierzu zählen das Lasergravieren und -tiefbeschriften etwa von Glas- und Keramikerzeugnissen, Laserstrahlhärten zum Beispiel von Maschinenbauteilen, Laserbeschichten etwa von Turbinenschaufeln, Laserreinigen beispielsweise von wertvollen Skulpturen, Laserabtragen und –strukturieren etwa von Solarzellen, Laserpolieren beispielsweise von medizintechnischen Instrumenten. An einigen Anwendungen wird beispielhaft gezeigt, welche Vorteile der Laser in der Oberflächenbehandlung vorweisen kann. 

In Abtragungs- und Strukturierungsprozessen mit dem Laser hat 3D-Micromac, Aussteller der LASYS 2012, sehr viel Erfahrung sammeln können. „Eine der größten Herausforderungen beim Strukturieren von Solarzellen ist die Wahl geeigneter Laserbearbeitungsparameter wie Wellenlänge, Pulslänge, Vorschubgeschwindigkeit und Zahl der Überfahrten“, berichtet Thomas Kießling, Key Account Manager Photovoltaik bei 3D-Micromac. Da nach Aussagen des Experten nie völlig auszuschließen sei, dass bei der Laserbearbeitung der Rand der Solarzelle anschmilzt, müsse darauf geachtet werden, dass es hierbei nicht zu Kurzschlüssen kommt. „Hier hat sich der Einsatz von Ultrakurzpulslasern, vornehmlich mit Pulslängen im Pikosekundenbereich, als sehr vorteilhaft erwiesen“, so Kießling weiter, „da aufgrund der sehr kleinen Ausdehnung der Wärmeeinflusszone nur wenige Mikrometer des Randbereichs von geringfügig strukturellen Veränderungen betroffen sind.“ Ein innovatives Verfahren hat 3D-Micromac etwa für die Ablation von Dünnschichten auf flexiblen Substraten entwickelt: Durch die Kombination mit Know-how aus der Druckindustrie ist diese Laserbearbeitung auch im Rolle-Rolle-Verfahren möglich, wobei durch ein Abstandsmesssystem eine Fokusnachführung für stabile Prozessbedingungen sorgt und die Folien auf der Grundlage ausgefeilter Markenerkennungsalgorithmen sogar während des Umwickelns bearbeitet werden können. „Damit ist eine Einbindung in Produktionslinien möglich“, so Kießling, „die einen kontinuierlichen Fluss des flexiblen Substratmaterials erfordern, wie beispielsweise flexible Solarzellen auch auf organischer Basis.“ 

Die besonderen Vorteile der Laserbearbeitung in der Photovoltaik liegen nach 3D-Micromac darin, berührungslos Energie ins Material einbringen zu können, den Strahl flexibel führen, Material selektiv abtragen sowie die Energiezufuhr exakt dosieren zu können und in der sehr geringen Materialschädigung. „Damit sind optimale Voraussetzungen gegeben, hohen Durchsatz bei größtmöglicher Flexibilität und geringer Ausschussrate zu erzielen“, meint Kießling. Laser für die Oberflächenbearbeitung, speziell in der Photovoltaik, gewinnen dem Key Account Manager zufolge heute mehr und mehr an Bedeutung: „Um die Produktionskosten zu verringern, respektive den Wirkungsgrad zu steigern, investieren die Hersteller von Solarzellen in vollautomatisierte Anlagen. Aufgrund der hohen Effizienz bei bestmöglicher Präzision sowie geringster Materialschädigung haben sich heute laserbasierte Mikrostrukturierungsverfahren einen festen Platz in diesen Produktionslinien gesichert.“

Geht es darum, Werkzeuge und Maschinenbauteile verschleißfest zu machen, damit sie länger halten, dann stehen Härte- und Auftragschweißprozesse in der Laser-Oberflächenbehandlung im Vordergrund. Bei beiden Prozessen soll sich das Werkstück möglichst wenig verziehen, was bei herkömmlichen Verfahren oft aufwändige Nacharbeiten zur Folge hatte. Der Laserstrahl hingegen ermöglicht es, selektiv vorzugehen und äußerst präzise nur bestimmte Zonen des Werkstücks zu behandeln – auch schwer zugängliche Stellen. „Das bringt große Vorteile“, sagt Dr. Hans-Michael Ochlich, Leiter Maschinenbau bei Laservorm, „denn der gesamte Härteprozess kann beschleunigt werden, Nacharbeiten fallen so gut wie gar nicht an und es werden Kosten gespart.“ In erster Linie entwickelt Laservorm, ebenfalls Aussteller der LASYS 2012, innovative Laserschweiß-, Laserschneide-, und -bohranlagen. Doch auch im Laserstrahlhärten und Laserauftragschweißen kann das Unternehmen durch 18 Jahre Praxiseinssatz hohe Kompetenz vorweisen. „Wir führen Oberflächenhärtungen mit Tiefen von 0,1 bis maximal 2 mm an fertig bearbeiteten Werkstücken mit ND:YAG-, Faser- und Diodenlasern nahezu verzugsfrei durch“, sagt Dr. Ochlich. Schneidkanten, Lagersitze, Führungsleisten, Kurvenscheiben und vieles mehr können effizient und in hoher Qualität mit dem Laser gehärtet werden. Dr. Ochlich weiter: „Im Verfahren Auftragschweißen verarbeiten wir eine breite Palette pulverförmiger und drahtförmiger Zusatzwerkstoffe und können so Bauteile belastungsgerecht mit Sonderwerkstoffen veredeln.“

Beim Laserauftragschweißen und Laserreinigen sind Lasersysteme wie sie die Trumpf Laser- und Systemtechnik GmbH, einem weiteren LASYS 2012-Aussteller, mit der TruLaser Robot 5020 und der TruMark Station 5000 im Portfolio hat, ideal geeignet. Das Laserauftragschweißen wird häufig bei Reparaturen angewandt. Mit Hilfe eines Laserstrahls wird ein Schmelzbad auf der Bauteiloberfläche erzeugt, in das ein Zusatzwerkstoff kontinuierlich eingebracht wird. Es ergibt sich eine schmelzmetallurgische Verbindung zwischen Schicht und Trägerbauteil. Durch Überlappen mehrerer Spuren entsteht eine dichte und gleichmäßige Schicht mit definierten Eigenschaften. Gegenüber herkömmlichen Verfahren kann der Laser Vorteile aufweisen: Er wirkt nur in unmittelbarer Umgebung der Schweißstelle. Bereits im Abstand von wenigen Millimetern bleibt das Werkstück nahezu kalt. Dadurch können filigrane Formen ohne Einbrand sowie verzugsarm aufgeschweißt werden. Das Reparaturauftrag-schweißen wird zum Beispiel bei Turbinenschaufeln aus Titan angewandt. Durch eine gezielte, punktuelle Reparatur werden die Schaufeln wieder zuverlässig instand gesetzt. Damit entfällt eine zeit- und ressourcenintensive Herstellung dieser komplexen Bauteile. „Die dadurch realisierte Kosteneinsparung ist im Vergleich zur Neuherstellung erheblich“, so Klaus Löffler, Leiter internationaler Vertrieb der Trumpf Laser- und Systemtechnik GmbH, „und auch der CO2-Footprint des Bauteils ist deutlich geringer. Dabei weisen die reparierten Turbinen keine Unterschiede in den Oberflächeneigenschaften zu neuen Turbinen auf.“ Eine unsichtbare, aber an Bedeutung zunehmende Rolle spielt die punktuelle Reinigung von Oberflächen in der Vorbereitung von Bauteilen für Schweiß- oder Klebeprozesse mit dem Laser. Gewollte oder unvermeidbare Schichten auf der Werkstückoberfläche müssen entfernt werden, da diese den Fügeprozess beeinträchtigen. Die speziellen Anforderungen dieser Applikationen machen den Einsatz von Kurzpulslasern mit Scannern besonders interessant: Sie bieten je nach zu bearbeitendem Material verschiedene Wellenlängen, sehr kurze, energiereiche Pulse und eine Scanneroptik, die diese Pulse in beliebigen Mustern und auf hundertstel Millimeter genau über das Werkstück lenkt. Außerdem lassen sie sich gut in vorhandene Fertigungsumgebungen integrieren. 

Aufgrund seiner Flexibilität wird der Laser häufig anderen Verfahren vorgezogen und ist aus der Industrie nicht mehr wegzudenken. „Die Vorteile der Laseroberflächenbearbeitung liegen in der Vielseitigkeit der Werkstoffe, die bearbeitet werden können sowie in der hohen Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit des Prozesses auch bei großen Losgrößen“, meint Löffler. „Mit unseren Kurzpuls- und Ultrakurzpulslasern ist viel Potenzial für ganz neue Anwendungen, neue Materialien vorhanden, die bisher überhaupt nicht mit dem Laser zu bearbeiten waren, und viele Applikationen sind noch gar nicht entdeckt“, sagt Löffler abschließend.

Rund 200 Aussteller werden zur LASYS 2012 auf dem Stuttgarter Messegelände erwartet sowie Besucher aus fast allen Branchen, vorwiegend aus dem Maschinenbau, Automobilbau, der optischen Industrie, der metallbe- und -verarbeitenden Industrie, dem Anlagen- und Apparatebau, der Elektro- und Elektronikindustrie sowie der Medizintechnik. Der Ausstellungsschwerpunkt der LASYS liegt bei Laserapplikationen und Produktlösungen, Laserfertigungssysteme für die Mikro- und Makro-Materialbearbeitung sowie für die Feinwerktechnik. Ganz besonders wertvoll für Besucher, die ihr Wissen über die Lasertechnik aktualisieren und erweitern wollen, ist das exzellente Rahmenprogramm, das die Fachmesse LASYS 2012 begleitet. Hierzu zählen die Stuttgarter Lasertage (SLT), das Fachforum „Lasers in Action“, der Short Course „Basiswissen Laser und Lasermaterialbearbeitung“ sowie das Solution Center „meet the experts“. 

Ein weiteres Plus: Parallelmesseveranstaltungen, wie die O&S, Internationale Fachmesse für Oberflächen & Schichten und erstmals die European Automotive Components, Engine Expo, Automotive Interiors Expo, Vehicle dynamics Expo und Automotive Testing Expo des britischen Veranstalters UKIP Media & Events Ltd., ermöglichen es den Besuchern, sich effektiv und messeübergreifend zu informieren. Das Stuttgarter Messegelände liegt in unmittelbarer Nähe zum Flughafen und direkt an der Autobahn A8, was eine effiziente Anreise auch für eilige Besucher zulässt.