Forschung im Bereich der Technologie der Laserbearbeitung von superharten Materialien

12.11.2015
Peter Schmeringa

Ausgangspunkte:

Zurzeit werden bei der Bearbeitung von Materialien, die eine dem Diamanten annähernde Härte haben, zwei grundlegenden Technologien verwendet:
  • Elektrofunkenbearbeitung (Schneidedrahtmaschinen und Elektrofunken-Höhl-Maschinen)
  • Schleifen mit Diamantscheiben
 
     Diese Methoden haben folgende Nachteile:
  • Kleine Schneidegeschwindigkeit bei Schneidedrahtmaschinen – mehr als 10x langsamer als beim Laser
  • Schnelle Abnahme der Elektrode beim Höhlen und dadurch Formverlust, also ein stetiger Bedarf an neuen Höhl-Elektroden – Limit-Verbrauch von bis zu fünf Elektroden pro ein Werkzeug, wobei die Herstellung der 3D-Elektroden keine billige Angelegenheit ist        
  • Das Schleifen beeinträchtigt die Auswahl des passenden Profils für das Werkzeug sehr, was praktisch bei komplizierten Spanbrechern und Schneideformen diese Bearbeitungsart ausschließt
 
Neuer Zugang:
Sehen wir uns jedoch an, welche Voraussetzungen für die Bearbeitungstechnologie die Laserverwendung hat, konkret der Pikosekunden- (Femtosekunden-)Laser mit einer Leistung von 30 W und Wellenlänge von 1064 nm.
 
Das vorausgesetzte Bearbeitungsprinzip ist dieses:
Bei einem bestimmten Arbeitsmodus des Lasers kann die Abnahme des Materials so eingestellt werden, dass sie praktisch unabhängig von dessen Härte ist und dadurch wird mit Hilfe der Positioniertechnik – was die optische Positionierung des Laserstrahls und die 3D-Bewegung des bearbeiteten Materials ist – eine gleichmäßige Abnahme einer sehr dünnen Schicht von dessen Oberfläche erreicht, in der Größenordnung im Bereich von einem Zehntel des Mikrometers. Dadurch sollte eine akzeptable Beschaffenheit der bearbeiteten Oberfläche erreicht werden. Die eigentliche Form sollte dadurch erreicht werden, dass das 3D-Modell der Geometrie in einen Komplex von Schichten zerlegt wird, die mit ihrer Stärke einer durch den Laser abgenommenen Schicht entsprechen. Durch das „Schraffieren“ dieser geometrischen Fläche durch den Laserstrahl werden die einzelnen Laserpulse nebeneinander gelegt, in die eine kompakte Fläche und dadurch eine kompakte Materialabnahme bildende Struktur. Diese Schichten gehen eine nach der anderen und bilden so die 3D-Form der verlangten Vertiefung, ähnlich wie geodätische Linien mit einer konstanten Höhe.

Je stärker die Schicht, umso schneller ist natürlich der Prozess, aber die Fläche ist dann weniger präzise und die Oberflächenbeschaffenheit ist schlechter. Ein wesentliches Maß bildet die Koordinierung der Strahlbewegung mit dessen Einschalten beim Antritt in die Materialabnahme, was entscheidend für die Qualität der 3D-Fläche ist. Die Gesamtpräzision ist selbstverständlich durch die Präzision der Strahlpositionierung durch den Schwenkkopf und die 3D-Positionierung des Werkstücks gegeben.

Mit dieser Methode können praktisch beliebige 3D-Formen gebildet werden – bereits ab Maßen in Hundertsteln Millimeter und zwar in beliebige Materialien – Glas, PKD-Keramik, CBN, Kunststoffe, Hartmetalle, Metalle – es ist ein sehr breiter Bereich.

Die für die Bildung der verlangten Form notwendige Zeit bewegt sich in Minuten bis zu einigen zehn Minuten, was bereits eine reale Zeit für die Werkzeugproduktion aus superharten Materialien ist.

Bei der Laserbearbeitung kommt es nicht zur Abnahme oder zur Bündelzerstreuung des „Laserwerkzeugs“ – also des Strahls, der Prozess ist stabil und der Lauf der Anlage muss für das Erreichen der wiederholten Präzision des Produktes nicht korrigiert und eingestellt werden. Des Weiteren wird kein Verbrauchsmaterial, wie Diamant-Schleifscheiben, Elektroden, Drähte und dergleichen benötigt.

Beim Anlöten des Werkstücks auf den Halter (also ein PKD-, Hartmetall, CBN-Plättchen u.dgl.) ist der Laser imstande, dieses Werkstück in die Finalform zu bearbeiten (nur mit einer Aufnahme, in einer Maschine).
 
Systementwurf der Anlagenfunktion für die Entwicklung der Lasertechnologie der Bearbeitung von superharten Materialien:
Grundlage der Anlage ist ein Pikosekunden-Laser mit einer Leistung von ca. 50 W (mittlere Leistung) und der Pulslänge in Einheiten von Pikosekunden. Dieser Laser muss eine Regelung der Pulsleistungen im sog. Brush haben, denn dann ist die Wirkung auf das Material mehr zur Materialverdampfung verschoben. Die Austritts-Reihenfolge der Laserpulse ist eng an den galvanometrischen Positionierkopf gebunden. Dieser Kopf ermöglicht mit Hilfe des Feed-backs einzelne Laserpulse in genauer Reihenfolge und auf die bestimmte Stelle gemäß dem 3D-STL-Modell zu legen, dass der Stärke der verlangten Abnahme und Oberflächenbeschaffenheit nach auf die einzelnen Schichten zerlegt ist.