Adaptive Laser Polishing in Die and Mould Manufacturing (MANUNET-ALPINE)

Problemstellung
Die Oberfläche eines Bauteils oder Produktes bestimmt in hohem Maße dessen Eigenschaften und Funktion. Hierbei stehen insbesondere Eigenschaften wie Haptik, Optik, Verschleißbeständigkeit und Gleiteigenschaften im Vordergrund. Entscheidenden Einfluss auf die Funktionseigenschaften einer Oberfläche hat die Rauheit. In fast allen produzierenden Branchen kommen daher teilweise aufwändige, mehrstufige Schleif- und Polierverfahren mit wechselnden Werkzeugen und zwischengeschalteten Reinigungsschritten zum Einsatz, um die Rauheit von metallischen Bauteilen zu reduzieren. Auch im Werkzeug- und Formenbau mit einem Umsatz von 3,5 Mrd. EUR in Deutschland und 11 Mrd. EUR in Europa sind die Oberflächen ein entscheidendes technisches Merkmal, da sie in großem Maße die Oberflächenqualität der mit den Werkzeugen hergestellten Bauteile bestimmen.
Derzeitige automatisierte Polierverfahren können im Werkzeug- und Formenbau mit komplexen Freiformflächen nicht eingesetzt werden. Daher wird auch in Hochlohnländern wie Deutschland und Spanien das Polieren der Formwerkzeuge zumeist manuell ausgeführt, immer mit der Gefahr, die bereits mit hohen Kosten und Fertigungszeiten verbundenen Werkzeuge bei der manuellen Politur zu beschädigen. Bei der Fertigung von Formwerkzeugen entfallen zwischen 12 – 15 % der Herstellungskosten und 30 – 50 % der Herstellungszeit auf das Polieren. Übliche Bearbeitungszeiten bei der manuellen Politur von Spritzgießwerkzeugen liegen zwischen 10 und 30 min/cm².
Ein neuer automatisierter Ansatz stellt das Polieren mit Laserstrahlung dar. Beim Laserpolieren schmilzt fokussierte Laserstrahlung eine dünne Schicht an der Oberfläche des Materials um. Im flüssigen Zustand werden Unebenheiten der Oberfläche ohne Materialabtrag, sondern lediglich durch Umverteilung des Werkstoffes infolge der Oberflächenspannung geglättet. Zur flächigen Bearbeitung wird die Laserstrahlung auf konturangepassten Werkzeugbahnen mäanderförmig über die Oberfläche geführt.

Projektziele und Vorgehensweise
Ziel des Projektes war daher die Entwicklung einer industrietauglichen Anlage für das Laserpolieren von metallischen Oberflächen im Werkzeug- und Formenbau. Die Maschine sollte gegenüber dem manuellen Polieren um den Faktor 10-30 schneller sein und sich ohne Spezialkenntnisse über das Laserpolieren bedienen lassen.
Das Projekt baute auf Ergebnissen von Vorversuchen mit einer Laboranlage auf. Diese ermöglichte das Laserpolieren erster Demonstratoren mit Freiformflächen. Obwohl im Prinzip funktionsfähig, wies die Anlage Defizite auf, welche eine industrielle Anwendung verhindern. So ist der Laserstrahl für viele Anwendungen zu schwach und seine Fokussierung nur durch einen Umbau des optischen Systems zu adaptieren. Darüber hinaus ist die bestehende Anlage bezüglich Stabilität und Steifigkeit überdimensioniert und damit unnötig teuer. Auch die zu polierenden Bauteile sind umständlich und zeitaufwändig auszurichten.
Die Anforderungen an die Laserpolieranlage und die Prozesstechnik wurden zunächst unter industriellen Gesichtspunkten neu definiert und präzisiert. Anschließend erfolgten Entwurf und Aufbau der Polieranlage. Prozessstrategien und die Anbindung an CAD-Systeme wurden parallel dazu erarbeitet und untersucht. In Ergänzung dazu entwickelte das baskische Teilkonsortium die Verfahrensgrundlagen für weitere Werkstoffe, sowie ein Simulationswerkzeug für die Optimierung der Parameter. Im Anschluss an die Systemintegration wurde die Anlage an Gussformen für Glasflacons erprobt. Dies erfolgte im industriellen Umfeld.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Es entstand eine Laserpolieranlage, welche für die ansatzlose Bearbeitung von komplexen 3D-Oberflächen aus Metall geeignet ist. Sie verfügt über eine adaptive Bearbeitungsoptik, eine regelbare Schutzgasatmosphäre mit zwei unterschiedlichen Prozessgasen und ist als Kombination einer konventionellen Portalanlage mit einem hochdynamischen 3D-Laserscannersystem ausgelegt. Die für das Laserpolieren von dreidimensionalen Geometrien benötigte CAM-NC Datenkette wurde weiterentwickelt, so dass sie eine nahtlose Integration des Laserpolierverfahrens in bestehende CAM-Prozessabläufe erlaubt.
Im Rahmen der Prozessentwicklung wurden geeignete Parameter für die Bearbeitung von Formwerkzeugen für den Glasguss entwickelt und auf der Anlage im industriellen Formenbau erprobt. Die Qualität der Ergebnisse war stark vom verwendeten Material abhängig. Ein Material lies sich einwandfrei polieren, ein weiteres mit Einschränkungen und ein drittes versagte sich einer erfolgreichen Politur. Die Gründe hierfür sind in den eingelagerten kohlenstoffhaltigen Partikeln zu suchen. Im Erfolgsfall zeichneten sich die laserpolierten Werkstücke durch eine homogene Oberfläche mit ausreichend niedriger Rauheit und verglichen mit dem Grundwerkstoff vergrößerter Härte in der umgeschmolzenen Randschicht aus. Hieraus resultiert eine erhöhte Standzeit im Abformprozess.
Das neue Verfahren erscheint, trotz der angesprochenen Probleme, prinzipiell bei vielen metallischen Werkstoffen einsetzbar. Es beschränkt sich nicht auf den Werkzeug- und Formenbau, sondern ist vielmehr auch bei anderen zu polierenden Produkten und Bauteilen einsetzbar. Beispielhaft seien hier Prothesen aus der Medizintechnik genannt. Diese bestehen häufig aus Titan, einem konventionell nur schwer zu polierenden Material.

• Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein
• Heinz-Glas GmbH & Co. KGaA
• Karl H. Arnold Maschinenfabrik GmbH & Co. KG
• S & F Systemtechnik GmbH