Optische Materialbearbeitung

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Licht als Werkzeug kann klassische, bislang ausschließlich mechanisch orientierte Fertigungsprozesse ersetzen oder unterstützen. Materialbearbeitung mit Licht ist mit höchster Präzision, enormen Bearbeitungsgeschwindigkeiten und hoher Prozessflexibilität möglich. Laserlicht ist wegen seiner guten Fokussierbarkeit bis hin zu Brennflecken im Nanometerbereich zur Materialbearbeitung besonders geeignet. Es ermöglicht sowohl die gezielte Ausbildung von Wärmeeinflusszonen bei der Makrobearbeitung als auch die Erzeugung präziser Mikrostrukturen. Die Erzeugung sehr kurzer und präziser Lichtpulse ermöglicht energiearme und hochgenaue Bearbeitung auch thermisch empfindlicher Materialien. Laserstrahlung ist für abtragend wie auch aufbauend formgebende Fertigungsprozesse und für Fügeprozesse mit oder ohne Zusatzwerkstoffe geeignet. Die zur Materialbearbeitung erforderliche spezifische Laserstrahlung kann in automatisierte Fertigungseinrichtungen wie ein Werkzeug eingekoppelt werden. Neben der unmittelbaren Anwendung als Werkzeug ist Licht auch ein ideales messtechnisches Instrument zur berührungslosen Erfassung der Lage, Geometrie und Oberflächenqualität von Bauteilen.

Zu diesem Themenfeld wurde im Jahr 2000 eine Bekanntmachung veröffentlicht (5. Bekanntmachung vom 15.12.2000). In den daraus ausgewählten Verbundprojekten wurde in den Jahren 2001 bis 2005 zu folgenden Schwerpunkten geforscht:

Laserunterstützte Span-, Trenn-, Umform- und Fügeprozesse

Das Verbundprojekt LIST entwickelte ein Trennverfahren für Flachgläser, bei dem mittels laserinduzierter Spannungen saubere und glatte Bruchflächen ohne Verletzungspotenzial erzeugt werden können. Bei der Herstellung von Sicherheitsglasscheiben wie etwa für Duschkabinen, Glastüren oder Verglasungen von Wintergärten entfällt dadurch der Schleifprozess nach dem Schneiden. Beim Laserdrehen wird das Werkstück an der Eingriffsstelle des Spanwerkzeugs lokal mit Laserstrahlung erwärmt und plastifiziert. Dadurch können keramische Werkstoffe spanend bearbeitet werden – ein Vorgang der im Normalzustand nicht möglich ist. Nach dem gleichen Wirkprinzip wurde im Projekt LUW das laserunterstützte Warmdrücken hochfester metallischer Werkstoffe realisiert. Mit dieser umformenden Bauteilfertigung können Fertigungsprozessketten verkürzt und sicherheitskritische Fügestellen vermieden werden. Neben der Steigerung der Prozessgeschwindigkeit war die Verkürzung der Verfahrzeiten zwischen einzelnen Schweißstrecken an komplexen Bauteilen eine zu lösende Aufgabe beim Laserschweißen. Zudem wurde die uneingeschränkte 3D-Anwendbarkeit und die Zugänglichkeit aller Fügestellen angestrebt. Dazu wurde im Verbundprojekt ProFi das Festkörperlaser-Remoteschweißen entwickelt und mit einem robotergeführten Laserscanner zur industriellen Anwendung gebracht. Produzierende Unternehmen benötigen darüber hinaus bessere Qualitätssicherungssysteme für laserbasierte Fügeprozesse. Im Projekt Iness wurde ein kompaktes und produktionstaugliches Prozessüberwachungs- und Regelungssystem für das Laserstrahlschweißen realisiert.

Laser in der Schicht- und Oberflächentechnik

Mit Lasern können in automatisierten Prozessketten metallische Strukturen erzeugt und Wärmebehandlungen an Bauteilen durchgeführt werden. Im Projekt OptoRep wurden für die Instandsetzung verschlissener Ur- und Umformwerkzeuge die Prozessstufen von der Oberflächenvermessung bis zur Endbearbeitung in ein Bearbeitungszentrum integriert. Für die effektive und wirtschaftliche Beschichtung von Oberflächen muss der Laser mit anderen Verfahren kombiniert werden. Im Projekt FAVOR wurden Laserhybridprozesse mit induktiver Erwärmung und mit dem Hochgeschwindigkeitsflammspritzen entwickelt.

INPROGLAS erbrachte den Nachweis, dass Laserstrahlung in Kombination mit Mikrowellenstrahlung auch für die Politur von Gläsern anwendbar ist. Zur Automatisierung des Laserstrahlpolierens von Metallformen werden im Verbundprojekt POLAR eine Laserstrahlquelle, ein Strahlführungssystem und die Prozessgasführung in einer Bearbeitungsanlage integriert.

Mikrotechnische Fertigung

Im Bereich der Mikrotechnik können mit Lasern sogar filigranste Strukturen in sprödharten Werkstoffen hergestellt und auch artungleiche Werkstoffe gefügt werden. Das Projekt KOMBILAS entwickelte Laserprozesse zur ablativen Mikrostrukturierung von Keramiken und anderen sprödharten Werkstoffen. Damit kann der Einsatzbereich solcher Werkstoffgruppen in der Mikrotechnik wesentlich erweitert werden. OPTOMAT erarbeitete eine Verfahrens- und Anlagentechnik zum Laserfügen und -strukturieren unterschiedlicher Materialkombinationen zu hochfunktionalen Mikrobauteilen. Die Technik kann in der Elektronik, Sensorik, Mikrooptik und Medizintechnik angewendet werden. Die Fein- und Mikrostrukturierung von Bauteilen aus Glas und anderen optischen Materialien war Gegenstand des Projekts PROMIS. Der Materialabtrag mit UV-Laserstrahlung wurde an Bauteilen der Medizintechnik und der optischen Telekommunikation beispielhaft realisiert.


Stand: Oktober 2009