Wie funktioniert das Laserpolieren?
Beim Laserpolieren wird die Oberfläche eines Materials aufgeschmolzen, um die durchschnittliche Höhe der Spitzen zu verringern. Dabei wird darauf geachtet, dass das Material nicht zu tief aufgeschmolzen wird, um mikrostrukturelle Veränderungen im Inneren des Werkstücks zu vermeiden.
Die unterschiedlichen Laserpolierverfahren werden von der Art der Laserstrahlung (gepulst, kontinuierlich oder eine Mischung aus beidem) sowie von den Prozessparametern wie Laserleistung, Vorschubgeschwindigkeit, Scangeschwindigkeit, Durchmesser des Laserstrahls, Brennpunkt des Lasers und der eigentlichen Werkstückoberfläche klassifiziert.
Laserpolieren kann zur Verringerung der anfänglichen Rauheit einer Reihe von Metallen und Metalllegierungen, einschließlich Edelstahl, sowie für einige Keramiken und Glas eingesetzt werden. Das Verfahren kann sowohl auf Mikro- als auch auf Makroebene durchgeführt werden, obwohl das Ergebnis dasselbe ist, nämlich die Verringerung der Makro- oder Mikrorauheit auf der Oberfläche des Werkstücks.
Mit Hilfe von Laserstrahlquellen wird eine dünne Schicht auf der Oberfläche des Materials aufgeschmolzen, wobei die Oberflächenspannung dazu führt, dass das geschmolzene Material von den Spitzen in die Täler fließt. Durch diese Umverteilung des Materials werden die Bearbeitungszeiten im Vergleich zum manuellen Polieren verkürzt. Die typische Bearbeitungsgeschwindigkeit liegt bei einer Minute pro cm2 - das ist bis zu 30 Mal schneller als beim manuellen Polieren (Abtragen).
Das Verfahren wird für das Polieren von Metallen und anderen Werkstoffen in verschiedenen Industriezweigen von der Formgebung bis hin zur Medizintechnik eingesetzt. Das Erscheinungsbild von Designoberflächen kann durch die Erzeugung eines doppelten Glanzeffekts durch selektives Laserpolieren, das eine Veränderung der Oberflächenrauheit auf der laserpolierten Oberfläche bewirkt, weiter verbessert werden.
Das Laserpolieren wird in der Regel mit einem fünfachsigen mechanischen Handhabungssystem in Verbindung mit einem dreiachsigen Laserscansystem und einem Faserlaser durchgeführt. Je nachdem, wie der Laser eingesetzt wird, können die beiden Verfahren als flaches Oberflächenaufschmelzen oder Oberflächenaufschmelzen bezeichnet werden:
- Flaches Oberflächenschmelzen (Shallow Surface Melt, SSM): Diese Technik nutzt das dynamische Verhalten des flüssigen Metalls bei hohen Temperaturen, das in die Mikrovertiefungen der Oberfläche fließt. Dadurch werden die Täler aufgefüllt, in der Regel bis zu einer Tiefe, die geringer ist als der Gesamtabstand zwischen Spitze und Tal.
- Oberflächenaufschmelzen (Surface Over Melt, SOM): Durch Erhöhung der Energiedichte des Laserstrahls kann das Verhalten des geschmolzenen Materials oder Schmelzbads verändert werden. Wenn das geschmolzene Material dicker wird, kann es den Abstand zwischen Spitzen und Tälern überschreiten, wodurch die gesamte Metalloberfläche zu einem Schmelzbad wird. Bei höheren Laserdichten wird das geschmolzene Metall von der Erstarrungsfront weggezogen, wodurch sich Wellen auf der Metalloberfläche bilden. Das Verständnis der Auswirkungen der Laserdichteparameter ist wichtig, um die Wellen in der polierten Oberfläche zu reduzieren.
Parameter der Laserstrahlquelle zum Laserpolieren
Beim Laserpolieren können entweder gepulste Laserquellen, kontinuierliche Laserquellen, eine Kombination aus gepulsten und kontinuierlichen Laserquellen oder selektive Laserpoliertechniken eingesetzt werden.
1. Gepulste Quellen:
Gepulste Quellen sind Niedrigleistungspulse, die die Metalloberfläche für eine bestimmte Dauer und mit einer bestimmten Frequenz erhitzen. Sie werden in der Regel für das Polieren von Mikrooberflächen verwendet. Die Metallschmelze wird bei etwa 10–100 nm erzeugt, wobei sich das Material zwischen den Impulsen wieder verfestigt. Dieser Prozess kann durch Einstellung der Länge und Frequenz der Pulse gesteuert werden.
2. Kontinuierliche Quellen:
Bei diesem Verfahren, das zum Polieren von Makrooberflächen eingesetzt wird, wird ein kontinuierlicher Laserstrahl verwendet, der die Oberfläche des Materials bestrahlt. Der Durchmesser und die Scangeschwindigkeit des Strahls sowie die Leistung des Lasers bestimmen die Größe und Tiefe des Schmelzbades. Bei diesem Verfahren werden in der Regel höhere Leistungen als bei gepulsten Quellen verwendet, die jedoch in der Regel zwischen 70 und 300 W liegen. Das Laserschmelzen mit kontinuierlicher Quelle deckt eine Oberfläche von 20–200 Mikrometern ab und erzielt eine durchschnittliche Verringerung der Rauheit Ra von 2–16 Mikrometern auf 0,1 Mikrometer. Die Scangeschwindigkeit kann bei diesem Verfahren 100 mm pro Sekunde überschreiten.
3. Kombinierte Quellen:
Durch den Einsatz eines Q-Switch ist es möglich, eine Kombination aus gepulsten und kontinuierlichen Laserquellen zu verwenden. Das Polieren beginnt in der Regel im kontinuierlichen Modus, um die Metalloberfläche zu homogenisieren, bevor eine Reihe von gepulsten Eingriffen zur Verbesserung der Oberflächengüte erfolgt. Durch den Einsatz einer Kombination von Laserquellen lassen sich Oberflächengüten erzielen, die mit einer einzelnen Laserquelle nicht zu erreichen sind.
4. Selektives Laserpolieren:
Das Laserpolieren kann auch selektiv durchgeführt werden, wobei der Laserstrahl nur auf Bereiche gerichtet wird, die verbessert werden müssen. Im Gegensatz zu mechanischen Verfahren, die eine Maskierung erfordern, kann dies ohne Maskierung durchgeführt werden.
Vorteile
Wie bereits erwähnt, besteht der Hauptvorteil des Laserpolierens in der Verbesserung der Oberfläche eines bearbeiteten Materials, aber es gibt noch weitere Vorteile dieses Verfahrens:
1. Oberflächenmorphologie und Mikrostruktur:
Die durchschnittliche Oberflächenrauheit eines Werkstoffs wird durch das Laserpolieren erheblich verbessert. Dies ist auf die gleichmäßige Verteilung des Schmelzbades zurückzuführen, die durch die Schwerkraft des Laserdrucks und die Oberflächenspannung beim Erstarren verursacht wird. Das Verfahren erzeugt drei Hauptzonen: die wieder aufgeschmolzene Schicht, die Wärmeeinflusszone (WEZ) und die ursprüngliche Materialzusammensetzung. Die umgeschmolzene Schicht weist aufgrund der hohen Abkühlgeschwindigkeit feinere Körner auf als der Rest des Materials. Die WEZ weist gröbere Körner auf, da sie nicht dem Laserstrahl ausgesetzt war, obwohl sie noch vom Schmelzbad beeinflusst wurde. Die ursprüngliche Materialschicht weist die größten Korngrößen auf, insbesondere bei additiv gefertigten Teilen. Trotz dieser Erwärmung ändern sich die Werkstoffeigenschaften des Werkstücks oder das Mikrogefüge nur geringfügig.
2. Zugfestigkeit:
Laserpolierte Oberflächen weisen eine erhöhte Zugfestigkeit auf, obwohl die Gesamtdehnung vor dem Bruch abnimmt. Dieser Rückgang der Dehnung ist eine Folge der Verdichtung und der verbesserten Haftung zwischen den Werkstoffen. Darüber hinaus werden durch das Schmelzen des Materials und das anschließende Fließen von den Spitzen zu den Tälern viele Defekte beseitigt und die Festigkeit der Materialien verbessert. Die polierte Oberfläche profitiert auch von einer erhöhten Mikrohärte sowie einer verbesserten Korrosions- und Verschleißbeständigkeit.
3. Bruchverhalten:
Das Laserpolieren führt zu einer Verringerung der Defekte und zu einem erhöhten Widerstand gegen die Rissausbreitung bei Materialien wie reinen Metallen, Nichtmetallen, Legierungen, Polymeren, Keramiken, amorphen Festkörpern und Verbundwerkstoffen. Diese Verbesserungen sind jedoch nicht allgemeingültig, da unberührte Bereiche des Werkstückmaterials weiterhin Defekte aufweisen können.
Anwendungen
Laserpolieren eignet sich insbesondere für die Endbearbeitung kleiner Bauteile mit komplexen Geometrien und bietet Vorteile gegenüber anderen Verfahren wie Sandstrahlen, Schleifen, Taumeln oder elektrochemischem Polieren, da keine Späne entstehen und keine Nebenprodukte anfallen. Da beim Laserpolieren keine Werkzeuge verwendet werden, die häufig ausgetauscht werden müssen, besteht keine Gefahr, dass Spuren oder Kratzer auf der Materialoberfläche entstehen.
Das Laserpolieren ist in verschieden Industriezweigen angewendet, da es automatisiert werden kann, was ein hohes Maß an Wiederholbarkeit für industrielle Anwendungen schafft.
Fazit
Laser können zum Polieren von Oberflächen eingesetzt werden, um eine bessere Glätte des Materials zu erzielen. Da Laser über eine Reihe von einstellbaren Parametern verfügen, wie Energie, Leistung, Pulsbreite, Frequenz und Energieprofilierung, ist es möglich, den Prozess so anzupassen, dass Ergebnisse mit einer Reihe unterschiedlicher Materialien erzielt werden.
Da das Verfahren automatisiert werden kann, ist es auch langfristig wiederholbar, was es zu einer attraktiven Lösung für viele Branchen macht, insbesondere für solche, die mit kleinen und komplexen Bauteilen arbeiten.