• Uni/Hochschule: Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH), Fraunhofer IPK
  • Land: Deutschland
  • Autor(en): Tobias Eschenberg, Tiago Borsoi Klein, Alexander Mattes
  • Artikel vom: 24 November 2010
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  • Kategorie(n): WERKZEUG FERTIGUNG, Laserbearbeitung
  • Einsatz von Pikosekundenlasern zur Modifikation von Hochleistungswerkzeugen

    Die Modifikation von Hochleistungswerkzeugen stellt für die Werkzeugindustrie ein immenses wirtschaftliches Potenzial dar. Werkzeuge, die mit einem hochharten Schneidstoff beschichtet sind, kosten in ihrer Anschaffung zwar mehr, sind von ihrem Einsatzverhalten jedoch deutlich effizienter als kommerzielle Werkzeuge und sichern dazu noch eine höhere Qualität des bearbeiteten Halbzeugs.

    Dennoch sind hochhart beschichtete Werkzeuge mit Spanleitstufe auf dem Markt immer noch eine Rarität. Aus diesem Grund wurde in einem Gemeinschaftsprojekt des Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) und des Fraunhofer IPK zusammen mit Partnern aus der Industrie der Einsatz von Pikosekundenlasern zur Nachbearbeitung von Hochleistungswerkzeugen untersucht.

    Einleitung

    Auf kommerziellen Werkzeugen sind eingebrachte Spanleitstufen heute keine Seltenheit mehr. Seitdem ihre Vorteile hinsichtlich Prozesssicherheit und Wirtschaftlichkeit entdeckt wurden, werden sie über verschiedene Verfahren wie z. B. Funkenerosion oder herkömmliche Schleiftechnik in die Werkzeuge eingebracht. Eine äquivalente Modifikation von Hochleistungswerkzeugen stellt jedoch eine große Herausforderung für die Werkzeughersteller dar. Oftmals lassen sich die Schneidstoffschichten aus hochharten Materialien aufgrund geringer elektrischer Leitfähigkeit nicht durch funkenerosive Verfahren bearbeiten, sodass auf kommerzielle Schleiftechnologie zurückgegriffen werden muss. Das Schleifen selbst ist dabei ein aufwändiger und zeitintensiver Prozess, bei dem durch die Bearbeitung der hochharten Schneidstoffe ein erheblicher Verschleiß an den Schleifwerkzeugen entsteht [1, 2]. Unter diesen Gesichtspunkten stellt die Lasertechnologie eine geeignete Alternative zur Bearbeitung hochharter Werkstoffe dar. Die Laserbearbeitung erfolgt berührungslos und ist zudem unabhängig von der elektrischen Leitfähigkeit sowie der Härte des Materials. Darüber hinaus tritt bei der Generierung der Spanleitstufe kein Verschleiß am Werkzeug auf, der zu Ungenauigkeiten in der erzeugten Struktur führt. Zudem können durch die genaue Fokussierung des Strahles Strukturen mit einer höheren Aufl ösung gegenüber der Schleiftechnologie gefertigt werden [3].

    Physikalische Grundlagen der gepulsten Lasermaterialbearbeitung

    Für die Generierung von Freiformflächen, die in der Größenordnung einer üblichen Spanleitstufe liegen, werden heute aus wissenschaftlicher Sicht ausschließlich gepulste Lasersysteme eingesetzt. Diese lassen sich im Wesentlichen in drei Gruppen einteilen: Nanosekunden- (ns-), Pikosekunden- (ps-) und Femtosekunden- (fs-) Laser. Die bei dem Strukturierungsprozess erzielbare Qualität hängt dabei stark davon ab, welcher der oben genannten Gruppen das eingesetzte System angehört. Prinzipiell gilt: Je kürzer die Pulsdauer, desto höher ist die zu erreichende Strukturqualität. Verdeutlicht man sich die physikalischen Hintergründe der Laserpuls-Material-Wechselwirkung, werden die Zusammenhänge klar.

    Wirkt ein Laserpuls auf einen Werkstoff, gibt er seine Energie an die freien Elektronen des bearbeiteten Materials ab. Die Elektronen speichern die induzierte Energie in Form kinetischer Energie zwischen, bevor sie diese an das Kristallgitter des Werkstoffes weitergeben. Dabei ist die Dauer der Wechselwirkung zwischen Elektronen und Gitter materialabhängig und liegt für metallische Werkstoffe zwischen 1 ps und 100 ps. Wirkt ein Laserpuls auf den Werkstoff ein, der kürzer als diese Relaxationszeit ist, erfolgt der Übergang der induzierten Energie von den Elektronen auf das Atomgitter erst nach Beendigung des Pulses und führt zu einem Materialabtrag in einer Gas- und Plasmaphase. Generell kann bei diesen Abtragsprozessen zwischen einer optischen und einer thermischen Eindringtiefe unterschieden werden. Die optische Eindringtiefe bezeichnet dabei den Bereich, in dem das Material nach Einwirken des Pulses abgetragen wird. Voraussetzung für dieses Abtragsverhalten ist, dass die Dauer des Laserpulses unter der Relaxationszeit des bearbeiteten Werkstoffes liegt. Eine schematische Darstellung dieses Prozesses ist in Abb. 1 dargestellt.

    Wirken Laserpulse auf den Werkstoff ein, die länger andauern als die Wechselwirkungszeit zwischen Elektronen und Atomgitter, wird dem Abtragsprozess immer noch Energie zugeführt, nachdem die Elektronen begonnen haben, ihre gespeicherte Energie an das Atomgitter abzugeben. Dieser Überschuss an Energie diffundiert in Form von Gitterschwingungen in das Material und bewirkt einen rapiden Anstieg der Werkstofftemperatur. Dies führt zu einem erhöhten Maß an Schmelzbildung und somit zu einer geringeren Strukturqualität. Der Bereich des Werkstoffes, auf den die induzierten Gitterschwingungen einwirken, wird auch als thermische Eindringtiefe bezeichnet (vgl. Abb. 2).

    Bei dem Einsatz längerer Pulse im ns-Bereich kann jedoch nicht die ganze Energie in den Werkstoff eingebracht werden. Das Plasma, das sich nach der Wechselwirkungsdauer der Elektronen mit dem Atomgitter auf der Oberfl äche des Materials bildet, schirmt den immer noch einwirkenden Laserpuls ab. Somit kann nicht die vollständige Pulsenergie einen Materialabtrag bewirken, wodurch der eigentliche Vorteil der längeren Pulse abgeschwächt wird. Darüber hinaus macht die entstehende Wärme und die daraus resultierende Schmelzbaddynamik den Prozess hinsichtlich der Strukturaufl ösung und -genauigkeit schwer kontrollierbar [4, 5, 6].

    Vorsteile der PS-Lasertechnologie in der Materialbearbeitung

    Grundsätzlich ist die Werkzeugbearbeitung mit Lasertechnologie nichts Neues. Auf dem Markt werden teils schon fertige Maschinen angeboten, die mit einem integrierten Laser und der kompletten Maschinentechnik die Modifi kation von Hochleistungswerkzeugen ermöglichen. Bisher wurden in diesen Maschinen aber meistens ns-Lasersysteme verbaut. Ns-Lasersysteme stellen grundsätzlich eine hohe Pulsenergie zur Verfügung, die einen schnellen Abtrag begünstigt, und sind in ihrer Anschaffung und im Unterhalt verhältnismäßig günstig. Demgegenüber stehen die Ultrakurzpuls (UKP)-Laser mit denen generell eine höhere Strukturgenauigkeit erreicht wird. Insbesondere durch den Einsatz von fs-Lasersystemen kann eine sehr hohe Bearbeitungsqualität erzeugt werden. Diese Systeme sind jedoch aufgrund ihrer Komplexität, Wartungsintensität und langen Prozesszeiten aus ökonomischer Sicht noch weitestgehend uninteressant für industrielle Anwendungen. Zwischen der schnellen, aber tendenziell qualitativ schlechteren ns-Bearbeitung und der langsameren und dafür qualitativ höherwertigen fs-Bearbeitung, stellen ps-Lasersysteme einen Kompromiss in der Materialbearbeitung dar.

    In Abb. 3 ist deutlich der Unterschied zwischen den Bearbeitungsergebnissen der drei verschiedenen Lasersysteme zu erkennen. Während mit dem fs-System eine sehr hohe Strukturqualität erreicht wurde, ist bei der Bohrung, die mit dem ns-System erzeugt wurde, deutlich der durch Schmelzbildung entstandene Grat zu erkennen. Das Bearbeitungsergebnis des ps-Lasersystems hingegen lässt gegenüber der Bohrung, die mit ns-Pulsen generiert wurde, nur einen minimalen thermischen Einfl uss erkennen und ist in der Bearbeitungsdauer deutlich schneller als das fs-Lasersystem. Mit Blick auf die derzeit verfügbaren Leistungsklassen der ps-Lasertechnologie, stellen ps-Laser für industrielle Anwendungen den besten Kompromiss mit hohen Strukturqualitäten und ökonomisch akzeptablen Prozesszeiten dar [7].

    Eingesetzte Lasertechnologie zur Nachbearbeitung von Hochleistungswerkzeugen

    Zur Veriizierung der Eignung von ps-Lasersystemen für die Nachbearbeitung von Hochleistungswerkzeugen wurden in dem Projekt Werkzeuge modifiziert, die mit polykristallinen Diamanten beschichtet waren. Die Bearbeitung erfolgte am LZH sowie am IPK mit ähnlich aufgebauten Bearbeitungszentren, die sich hauptsächlich in den eingesetzten Strahlquellen unterscheiden. Am IPK wurde dazu die „MICROGANTRY nano 3X“ der Firma Kugler verwendet. Dabei handelt es sich um ein CNC-gesteuertes 5-Achs-Mikrobearbeitungszentrum. Dessen Basis besteht aus einem feinkörnigen Granit, auf dem zwei luftgelagerte Achsen die Positionierung des Werkzeuges in der X-Y-Ebene ermöglichen, während eine mechanisch gelagerte Z-Achse die Fokussierung des Strahles sicherstellt. Eine Dreh-Schwenk-Einheit erweitert die Positionierungsmöglichkeiten um zwei zusätzliche Freiheitsgrade. Die Positionierung des Laserstrahles während der Bearbeitung erfolgt über einen Galvanometerscanner, der hohen Vorschubgeschwindigkeit des Fokus auf der Materialoberfläche ermöglicht. Das integrierte Lasersystem ist ein ps-Laser der Firma Lumera, der eine Strahlung im ultravioletten Bereich von 355 nm emittiert. Die Repetitionsrate kann zwischen 10 kHz und 500 kHz variiert werden, in deren Abhängigkeit eine Pulsenergie zwischen 1 μJ und 5 μJ zur Verfügung steht.

    Das Bearbeitungszentrum am LZH ist nach dem gleichen Prinzip konstruiert. Der wesentliche Unterschied liegt jedoch in dem Laser, dessen Strahlung in das System eingekoppelt wird. Dabei handelt es sich um ein ps-Lasersystem, das eine Strahlung von sowohl 1.064 nm als auch von 532 nm emittieren kann. Für das infrarote Spektrum beträgt die Ausgangsleistung laut Hersteller bis zu 8 W, womit bei einer fi xen Repetitionsrate von 50 kHz Pulsenergien von bis zu 160 μJ erreicht werden können. Wird die Strahlung des Lasers frequenzkonvertiert, sinkt die Ausgangsleistung auf ca. 3,5 W, wodurch die Pulsenergie bei einem Einsatz im visuellen (grünen) Spektrum auf 70 μJ limitiert ist.

    In Abb. 4 sind die unterschiedlichen Strukturierungsergebnisse dargestellt, die mit den verschiedenen Lasersystemen erzielt wurden. Die Spanleitstufe links (a) im Bild wurde mit einer Wellenlänge von 355 nm erzeugt, während die Kavität rechts (b) mit einer Wellenlänge von 1.064 nm generiert wurde.

    Prinzipiell ist eine Strukturierung von Werkstoffen mit einer Wellenlänge im ultravioletten Spektralbereich von Vorteil. Kürzere Wellenlängen können generell besser fokussiert werden und erreichen in ihrem Abtragsverhalten einen höheren Wirkungsgrad als Wellenlängen aus dem visuellen oder infraroten Spektralbereich. So kann eine UVStrahlquelle mit 1/20 der Pulsenergie bis zu 130 % des Abtrages einer IR-Strahlquelle erzeugen. Durch die starke Fokussierung des Strahles und der eingeschränkten Ausgangsleistung des Lasers ist die Prozessentwicklung für vergleichsweise große Strukturen jedoch schwieriger als bei einer längerwelligen Strahlung. Hier begünstigt die höhere zur Verfügung stehende Laserleistung und die Verteilung der Pulsenergie auf eine breite Fläche den Abtrag des Werkstoffvolumens.


    Verifizierung der Ergebnisse in Zerspanversuchen

    Die am IPK in zwei- und dreidimensionalen Simulationen entwickelten und mit UKPLasertechnologie generierten Spanleitstufen wurden anschließend in umfassenden Zerspanversuchen getestet. Als Werkstoffe wurden dabei G-AlSi1MgMn und EN AW-6061+15% Al2O3 eingesetzt.

    G-AlSi1MgMn ist eine untereutektische Aluminium- Silizium-Legierung mit ausgezeichneten duktilen Eigenschaften, die verstärkt im Automobilbau eingesetzt wird. Die Herausforderung bei diesem Werkstoff liegt in der Vermeidung von langen Bandspänen, die die Prozess- und Arbeitssicherheit gefährden und darüber hinaus zu erheblichen Störungen in ihrem Abtransport führen können.

    EN AW-6061+15% Al2O3 ist ein Verbundwerkstoff mit der Knetlegierung AlMg1SiCu als Matrix, in die Al2O3-Partikel eingebunden sind. Dieser Werkstoff gehört zu der Gruppe der Al-MMC (metal matrix composites), die eine dreimal höhere Wärmeleitfähigkeit als Grauguss besitzt, wodurch sie zu einem innovativen Material für den Automobilbau sowie die Luft- und Raumfahrt werden. Durch ihre hervorragenden Werkstoffeigenschaften kann diese Aluminiumlegierung hochfeste Eisenwerkstoffe in limitierten Bereichen ersetzen.

    In den Zerspanversuchen wurden zum Vergleich die modifi zierten Werkzeuge zusammen mit PKD-beschichteten Werkzeugen aus der Serienproduktion eingesetzt. Dabei zeigte sich bei den Versuchen mit EN-AWAlSi1MgMn, dass durch die modifi zierten Werkzeuge mit Spanleitgeometrie ein kontrollierter Spanbruch erreicht wurde, während bei den Serienwerkzeugen gar kein Spanbruch zu beobachten war (vgl. Abb. 5). Somit konnte gleichzeitig die Prozesssicherheit signifi kant gesteigert und die erzeugte Oberfl äche qualitativ verbessert werden. Des Weiteren stieg bei den Versuchen mit den laserstrukturierten Werkzeugen die Schnittkraft gegenüber den Serienwerkzeugen um 10 % an und es konnte eine höhere Werkzeugbeanspruchung nachgewiesen werden, während sich der Freifl ächenverschleiß verringerte. Eine wesentliche Ausbildung der Verschleißmarkenbreite war bei den Versuchen mit diesem Werkstoff nicht zu erkennen.

    Der wesentlich abrasivere Werkstoff EN AW-6061+15% Al2O3 sorgt hingegen für einen deutlich sichtbaren Freifl ächenverschleiß. Durch die geringere Duktilität des Werkstoffes wurde bereits bei den Versuchen mit den Werkzeugen ohne Spanleitgeometrie ein Spanbruch erzeugt. Dabei entstehen geringere Vorschub- und Passivkräfte, die durch den Freifl ächenverschleiß während des Prozesses stetig ansteigen. Die Schnittkräfte verhalten sich dabei denen der Serienwerkzeuge sehr ähnlich. Der lineare Verschleißzuwachs verhält sich ebenfalls bei beiden Werkzeugtypen ähnlich, wobei das modifi zierte Werkzeug mit Spanleitstufe einen etwas geringeren Verschleiß aufweist.

    Fazit

    In den Versuchen, die mit den modifizierten Werkzeugen durchgeführt wurden, konnte gezeigt werden, dass die erzeugten Spanleitgeometrien generell einen positiven Einfluss auf das Bearbeitungsergebnis haben. So wurde bei der Zerspanung des duktilen Werkstoffes EN-AW-AlSi1MgMn ein kontrollierter Spanbruch und eine qualitative Verbesserung der Oberfl äche erreicht. Die Zerspanversuche mit dem abrasiveren Werkstoff EN AW-6061+15% Al2O3 zeigten, dass durch die generierte Spanleitstufe der Werkzeugverschleiß nicht negativ beeinfl usst wird. Darüber hinaus konnte die ps-Lasertechnologie als geeignete Technik mit hervorragenden Eigenschaften für die Bearbeitung von PKD-beschichteten Werkzeugen verifi ziert werden. Zurzeit stellt sie allerdings noch aufgrund hoher Kosten eine Nischenlösung für die Strukturierung von Hochleistungswerkzeugen dar. Über eine Weiterentwicklung der Maschinentechnologie könnte jedoch eine akzeptable Wirtschaftlichkeit des Gesamtprozesses durch kürzere Prozesszeiten und höhere Freiheitsgrade zur Bearbeitung von Werkzeugen mit komplizierten Geometrien erreicht werden. Die ps-Laser selbst haben in den letzten Jahren große Entwicklungsfortschritte gemacht. Mit maximalen Ausgangsleistungen von 50W und Repetitionsraten von bis zu 1 MHz können sie in der Mikromaterialbearbeitung als Alternative zu den ns-Lasern eingesetzt werden, insbesondere wenn qualitativ hochwertige Ergebnisse erzielt werden müssen.

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