Laser poliert Bauteile auf Hochglanz

Bauteile – etwa für den Werkzeug- und Formenbau – müssen bislang aufwändig manuell poliert werden. Bald könnte das automatisiert und damit schneller gehen: Zur Euromold soll eine Werkzeugmaschine präsentiert werden, die auch komplexe 3D-Oberflächen per Laserstrahlung auf Hochglanz bringt.

Millimeter für Millimeter glättet die Fachkraft mit Schleifsteinen und Polierpasten die Oberfläche einer Metallform. Etwa zehn Minuten pro Quadratzentimeter benötigt sie dafür – eine zeitintensive und damit kostspielige Angelegenheit. Viele Unternehmen haben es zudem schwer, Nachwuchskräfte für diese anspruchsvolle, aber gleichzeitig monotone Tätigkeit zu finden.

Die Zeiten mühsamer Handarbeit könnten bald der Vergangenheit angehören: Gemeinsam mit der Maschinenfabrik Arnold und der S&F Systemtechnik haben Forscher des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT eine neuartige Werkzeugmaschine entwickelt, die auch komplexe Oberflächen polieren können soll – mit Hilfe von Laserstrahlen. Das Wirkprinzip: Während konventionelle Verfahren Unebenheiten an der Oberfläche abtragen, schmilzt der Laser eine Schicht von etwa 20 bis 100 Mikrometer an der Oberfläche an. Die verflüssigt sich und wird anschließend von der immer vorhandenen Oberflächenspannung glatt gezogen.

Abhängig vom Werkstoff erreichen die Projektpartner nach eigenen Angaben mit ihrem Verfahren als Mittenrauhwert Ra von 0,1 bis 0,4 Mikrometer. Beim manuellen Polieren lassen sich zwar noch bessere Ergebnisse erzielen, für viele Anwendungen ist aber eine mittlere Oberflächenqualität ausreichend – etwa beim Fertigen von Formen für die Glasherstellung, Umform- oder Schmiedewerkzeuge. Solche Produktionen könnten mit der Neuentwicklung des Aachener Instituts künftig Zeit und Geld sparen: Die Maschine bearbeitet, so die Entwickler, Flächen bis zu zehnmal schneller als ein Handpolierer und sei bestens für die Serienproduktion sowie das Polieren auch kleinerer Objekte in geringeren Stückzahlen geeignet.

Die Laserpolieranlage besteht aus einer 5-achsigen Portalmaschine und einem zusätzlichen 3-achsigen Laserscanner. Dank dieser Konstruktion ist das Werkstück von allen Seiten zugänglich. Ein Spiegelsystem lenkt die Laserstrahlung dabei so um, dass Vorschubgeschwindigkeiten von über einem Meter pro Sekunde auch auf kleinen Flächen erreicht werden. Auch eine durchgängige CAM-NC-Datenkette existiere bereits: Ausgangspunkt ist ein 3D-CAD-Modell des zu polierenden Bauteils. Anhand dieses Modells werden die Bahndaten für den Laserstrahl berechnet. Dafür genutzt werden konventionelle CAM-Programme, wie sie auch beim Fräsen eingesetzt werden. Das hat den Vorteil, dass das Programm in der Regel bereits im Betrieb vorhanden ist und die Mitarbeiter in der Bedienung geschult sind. Anschließend werden die ermittelten Bahndaten an eine spezielle, am ILT entwickelte Postprozessor-Software übergeben. Diese passt beispielsweise den Laser an den jeweiligen Einstrahlwinkel oder die Bauteilkanten an.

Dank des neuen Wirkprinzips können die Maschinen vergleichsweise leicht gebaut werden. Im Gegensatz zu konventionellen Verfahren ist beim Laserpolieren nicht die Steifigkeit der Maschine ausschlaggebend für die Bauteilqualität, sondern die Physik der Oberflächenspannung. Aktuell stehe die Laserpolieranlage kurz vor der Einsatzreife. Auf der diesjährigen Euromold zeigen die Forscher ihre Neuentwicklung erstmals der Öffentlichkeit.