Fraunhofer ILT Designoberflächen durch Laserumschmelzen

Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT hat ein Verfahren zum Oberflächenstrukturieren von metallischen Werkzeugeinsätzen durch Laserumschmelzen entwickelt.

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Damit kann laut ILT erstmals Material ohne Abtrag strukturiert und gleichzeitig glänzend poliert werden. Das Verfahren soll Werkzeugherstellern mehr Freiheit in der Gestaltung ihrer Produktionsprozesse hinsichtlich neuartiger Strukturen und Designelemente ermöglichen.

Zur Strukturierung von haptischen und optischen Bauteilen werden oft Spritzgusswerkzeuge aus Metall verwendet. Ein übliches Verfahren zur Erzeugung der gewünschten Struktur auf dem Werkzeug ist das photochemische Ätzen. Teilbereiche aus dem Werkzeugeinsatz werden hierbei durch Abätzen ungewünschter Bereiche herausgearbeitet. Dieses Verfahren ist jedoch zeit- und kostenintensiv.

Konventionelles Laserverfahren zu teuer

Eine umweltschonende Alternative bietet das seit mehr als zehn Jahren etablierte Laserverfahren zum Strukturieren durch Abtragen. Bei einer angestrebten Strukturgröße > 10 µm lässt sich mit diesem Verfahren eine Volumenabtragrate von 1-10 mm3/min erzielen. In vielen Fällen ist jedoch eine Nachbehandlung des Werkstücks nötig, da durch den Materialabtrag die Oberfläche durch Schmelzrückstände verunreinigt wird. Zudem benötigt der Laser beispielsweise zur Erreichung einer Strukturtiefe von 200 µm einige 10 Überfahrten. Für Werkzeughersteller ist das laserbasierte Strukturieren großer Flächen durch Abtragen daher wirtschaftlich häufig uninteressant.

Umschmelzen statt Abtragen

Beim neuen ILT-Verfahren fährt der Laserstrahl über das Werkstück und schmilzt durch den Wärmeeintrag die Metalloberfläche auf. Dabei wird die Laserleistung moduliert, so dass an definierten Stellen die Schmelzbadgröße kontinuierlich verändert wird. „Durch diese Modulation wird das Material umverteilt, es entstehen Berge und Täler: Die eine Hälfte der entstandenen Struktur liegt oberhalb ihres Ausgangsniveaus, die andere Hälfte liegt darunter“, erklärt André Temmler, Projektleiter am Fraunhofer ILT.

Aus der Schmelze erstarrt die oberste Materialschicht und weist aufgrund ihrer Oberflächenspannung eine gleichmäßig verringerte Rauheit auf. Die Oberfläche bleibt glänzend poliert zurück. Im Gegensatz zum Laserstrukturieren durch Abtragen besteht die Neuerung des Laserstrukturierens durch Umschmelzen darin, dass es keiner weiteren Nachbehandlung mehr bedarf. Die Oberflächen erhalten direkt eine optische Qualität. Bei einer Strukturtiefe von rund 200 µm lassen sich Flächenraten von bis zu 75 mm2/min erzielen. Das bedeutet, dass hier bei einer einzigen Überfahrt eine Volumenumverteilungsrate von 15 mm³/min erzielt wird.

Weniger Überfahrten

Ein weiterer Vorteil des neuen Verfahrens gegenüber dem herkömmlichen laserbasierten Strukturieren durch Abtragen besteht laut ILT in seiner Energie- und Ressourceneffizienz. Zum Schmelzen werde weniger Energie benötigt als zum Sublimieren, es seien wesentlich weniger Überfahrten erforderlich und es entstehe kein Materialverlust, so die Forscher weiter.

Für ebene Flächen und einfach gekrümmte Bauteilgeometrien ist das Laserverfahren zum Strukturieren durch Umschmelzen bereits industriell einsetzbar. Nun arbeiten Temmler und sein Team daran, das Verfahren auch auf Freiformflächen zu übertragen.

Zweiglanzeffekt durch selektives Laserpolieren

Ist für das Endprodukt wie zum Beispiel Dekorelemente oder ganze Produktoberflächen ein zusätzlicher Zweiglanzeffekt erwünscht, wird die Oberfläche des Werkzeugs in einem weiteren Arbeitsschritt zunächst flächig mattiert. Dies geschieht meist durch Glasperlen- oder Sandstrahlen. Anschließend werden ausgewählte Bereiche mit einem Laserstrahl umgeschmolzen. Diese Teilbereiche erstarren dabei geglättet aus der Schmelze. Durch die selektive Laserpolitur entsteht somit ein Kontrast zwischen den matten, unbearbeiteten und den glänzenden, laserpolierten Bereichen.

Je nach Stärke des Zweiglanzes könne sogar ein 3D-Effekt erzeugt werden, so temmler weiter. Dabei scheinen die polierten Stellen aus der Oberfläche zu ragen. Beispielsweise lassen sich strukturierte Werkzeuge zum Prägen von Ledernarben auf Kunststoffbauteile durch selektives Laserpolieren mit einem Zweiglanzeffekt versehen, der dann durch Abformung auf das Endprodukt übertragen wird. Das Verfahren zum selektiven Polieren kann nun erstmals sowohl für ebene Flächen als auch für Freiformflächen industriell genutzt werden.

Auf der EuroMold 2011 in Frankfurt präsentieren die Aachener Experten auf dem Fraunhofer Gemeinschaftsstand C66 in Halle 11 Bauteile, hergestellt mit Werkstücken, die durch Umschmelzen laserstrukturiert wurden. Des Weiteren können Besucher auch Demonstrationsobjekte sehen, in Kunststoff abgeformt von selektiv laserpolierten Werkzeugen.

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