Laser-Durchbruch im Werkzeug- und Formenbau

Vom Laserabtragen über das Auftragsschweißen zum Polieren und Reinigen

Ing. Jan L. C. Wijers, freier Fachjournalist

Neuerungen im Laserumfeld bieten auch für Klein- und Mittelbetriebe trendy Perspektiven. In jüngster
Zeit haben vermehrt die Werkzeug- und Formenbauer den Laser für sich entdeckt. Bei diesem industriereifen
Folgeschritt der Laserevolution Richtung Rapid Tooling handelt es um individuelle Lösungen wie etwa die
Anfertigung gebrauchsfertiger Feinstkavitäten, Laserpolieren und Laserreinigen von Metallformen und
Diversifikation mittels Laserreparaturschweißen.

Trotz immer noch (zu) teurer Laser „boomt“ der Lasermarkt konjunktur-unabhängig wie nie zuvor, mit nach wie vor zweistelligen Wachstumsraten (VDMA-Marktanalyse 2002). Einzigartige Potenziale der Lasertechnik lassen sich aus den charakteristischen Merkmalen ableiten, besonders die Vielfältigkeit in der Prozesskette. War beim Start der Laser „eine Lösung für ein noch nicht existierendes Problem“, bringt heute das flexible, verschleißfreie Werkzeug unerwartete und die
Produktivität steigernde Lösungen.
 
Laserlicht kontra Funken
Momentan bieten sich zwei interessante Laser-Ablationsvarianten. Beim lasergestützten Spanen erhitzt ein schlanker Lichtstrahl die Oberfläche kurz vor dem Werkzeug-Eingriffspunkt bis zum „Erweichen“, womit sich das Material zerspanen lässt (Benzinger). Für den Werkzeug- und Formenbau interessanter ist das direkte, schichtweise Materialabtragen über eine Scan-Bewegung des Lasers mit kleinstem Spurabstand direkt vom CAD-Datensatz. Das LMT-Prinzip basierte ursprünglich auf einer tatsächlichen Spanabhebung (Maho: CO2-Laser mit Sauerstoff), heute aber auf Abtragen mittels Verdampfen, teilweise sogar Sublimieren („Tiefgravieren“: Lasertec, Foba).
 Spitzenleistungsdichten bis zu 25 MW/cm2 werden mit einer relativ kleinen Energiemenge (~0,2 mJ) auf der Werkstoffoberfläche mit einem gütegeschalteten Nd:YAG-Laser (100 ns) auf engstbegrenztem Brennfleck (ø 0,1 mm) erzeugt. Laserabtragen arbeitet automatisch und betriebssicher und hat sich bewährt für den Feinabtrag hochfester Werkzeugstahlsorten, Hartmetall und Hochleistungkeramik; auch kombiniert mit herkömmlichem Fräsen in gleicher Aufspannung. Das schlanke Lichtbündel „lasert“ Schicht für Schicht (1–5 µm) Feinstdetails in die Tiefe. Die geforderte Rauheit wird über die einstellbare Schichtdicke gesteuert (Grenze: Ra 1,0 µm). Moderne sechsachsige Laseranlagen (Bild 3) erlauben sogar die Erstellung senkrechter Wände und Entformungsschrägen. Das präzise Abtragsverfahren arbeitet allerdings mit beschränkter Geschwindigkeit zwischen 2 (Hartmetall) und 25 (Keramik/Graphit) mm3/min. Hauptvorteil gegen-über dem Senkerodieren ist der Wegfall des kostspieligen, zeitraubenden Umweges zur Elektrodenanfertigung. Im Vergleich zum Fräsen entfallen bei der Laserablation Werkzeugkosten, -verschleiß und -bruch. 

Laserreparatur von Matrizen
Zwischen dem Begriff „Laserschweißen“ als Fügeverfahren und Laser-Reparaturschweißen besteht eine Welt an Differenzen. Beim Repara-turschweißen geht es in erster Linie um das Auf-tragsschweißen. Dabei drängt das Reparaturauf-tragen per Laser das WIG-Verfahren mehr und mehr in den Hintergrund. Der Laser hilft beim Ausbessern von filigranen, schwer zugänglichen Geometrien. Der Laser gilt mittlerweile als bei weitem beste Arbeitsweise, um wirtschaftlich eine teure Matrize, Stempel oder Einsätze inner-halb kürzester Zeit wieder in den Originalzustand zurückzubringen (notwendig nach fehlerhaftem Spritz- oder Stanzzyklus mit defekten Teilen, im Kampf gegen Verschleiß (Abrasivspuren), zur Modifikation (Schnappverschluss straffer machen), zum Beseitigen von Fertigungsfehlern (örtlich Wandstärken vergrößern) und zum „Auffrischen“ älterer Formen zwecks Lebensdauerverlängerung).
 Mittels maschinellem Laser-Auftragschweißen (Haas, Rofin) werden Kosten und Zeit gespart, während andererseits das Formwerkzeug schnell wieder verfügbar ist. Absorption findet bei Metallen innerhalb einer Schicht zwischen zirka 0,1–1 µm statt. Gezieltes und präzises Dosieren erlaubt örtlich exakt dimensioniertes Auftragen (kein Nahteinfall) mit geringstem Verzug (wenig Nachbearbeitung), ohne Mikrorisse und Poren mittels ausgewählter Schweißdrähte aus identischem und homogenem Material. Originales feinkörniges Gefüge und Härte (bis 60 HRc) bleiben wegen der geringen Wärmeeinbringung erhalten. Schweißspuren sind, auch äußerlich am Produkt, unsichtbar.  
 Dank jüngster Entwicklungen sind so äußerst flexibel sogar dünnwandige Formelemente herzustellen. Für zukünftige Anwendungen mit maximalen Schichtdicken bis zu mehreren Zentimetern  forscht man derzeit mit Kilowatt-Lasern und Pulverzufuhr (CMB Röders, LENS). Neu auf dem Markt bietet sich das noch nicht generell bekannte FE-Deposi-tionsverfahren SparkDepo als Ergebnis japanischer Forschung.

Unvergleichbar schnell und genau: Laserpolieren
Komplexe Metallgeometrien auf Hochglanz zu bringen, wird heute über Dienstleister von speziell geschulten Fachleuten gemacht; ein müh-sames, zeitraubendes und kostenintensives Geschäft, das am Ende der Prozesskette immer unter Druck steht. Äquidistant eine winzige Mikroschicht manuell abtragen (wegen Maß- und Formhaltigkeit) und simultan eine gleichmäßige Glätte erzielen ist keine einfache Aufgabe. Polierqualität ist bisher reine Sicht- und Vergleichssache, (noch) nicht eindeutig genormt und nur über Rauheitsmuster einigermaßen vor-gegeben. Ist einmal die Oberfläche, was Glätte anbetrifft, akzeptabel, liegt öfter doch das eine oder andere Maß oder die Form außer  Ø
×  Toleranz. LFC etabliert nun eine einzigartige Technologie als patentierte Lösung als Alternative: Beliebige 3D-Metalloberflächen lassen sich maschinell per Laser reproduzierbar polieren, tuschieren, strukturieren und härten, gemäß Kundenspezifikation, mittels einer neu entwickelten, sehr stabilen 5-Achsen-
Portalmaschine aus Granit (Bearbeitungsfeld 400 x 300 x 200 mm mit superschnellem Galvoscanner, Sondersoftware und speziellem 120-W-Nd:YAG-Laser). Ein 3D-Messsystem vermisst die Kontur und steuert den Vorgang.
Der feindosierte Strahl scannt kontinuierlich in einer Richtung in einem vom CAD-File be-stimmten Raster sehr genau dicht nebeneinander angeordnete Spuren. Nur die äußerste Schicht der Oberfläche wird umgeschmolzen, bis zu einer Tiefe von wenigen Nanometern unter Argonschutz. Die Oberfläche wird geglättet auf zirka Ra 0,07–0,04 µm Rautiefe, ohne dass sich Mikrorisse oder Verformungen zeigen, bei gleichzeitiger Durchhärtung. Die vier Prozesse sind automatisch mit erhöhter Geschwindigkeit (Vorschub bis zu 60 m/min) und zuver-lässig auf voreinstellbarer Qualität zu bewäl-tigen. Eine Spritzgießmatrize derart auf Hochglanz zu bringen kann bis zu 100-mal schneller gehen als mit manuellem Polieren. Zusätzlicher Pluspunkt ist die Möglichkeit, über die Programmierung das Polierfeld randscharf definiert abzugrenzen. 

Laserreinigung von metallischen Oberflächen
Bei Gummi- und Kunststoff-Formartikeln bauen sich während des Produktionsbetriebes
allmählich Prozessrückstände an Formoberflächen auf. Dieses Restmaterial hat nachtei-ligen Einfluss auf Oberflächenqualität und Maßhaltigkeit. Außerdem kommt es zur
Verschlechterung der Produktentformung. Daher ist in den Produktionszyklen die Reinigung der Werkzeugform absolut notwendig, was allerdings eine kostspielige Unterbrechung der Produktion bedeutet. Derartige arbeitsinten-sive Hilfsprozesse können auf verschiedenste Art und Weise durchgeführt werden (Partikel-/ Wasserstrahlen, Beizen, Reiben, Schleifen).
 Relativ neu ist das leistungsfähige Laser-Reinigungsverfahren. Diese Mensch und Umwelt schonende industrielle Technologie ermöglicht die Reinigung direkt in der Spritzgussmaschine, die dann ohne notwendigen Ausbau des Formwerkzeugs sofort wieder produktionsbereit ist. Hardwaremäßig basiert das Laserreinigen auf einem modularen System, das als mobiles oder stationäres Basisgerät mit einer Bearbeitungsoptik über ein Lichtleit-faserkabel flexibel verbunden ist. Selektiv werden an die Oberfläche µm-dünne Schichten pro Puls (5–500 ns) verdampft. Gearbeitet wird mit einem verhältnismäßig großflächigen Spot (0,2–6 mm). Überdies sind die Laserpulse zu kurz, um Wärme weiterzuleiten.
 Das Reinigen passiert in der Praxis ohne jegliche Beeinflussung des unterliegenden Materials. Die Systeme sind für die meisten (an-)organischen Materialien und Oberflächen einsatzfähig, übrigens auch zur Vorbereitung (Entfettung, Entlackung) für Kleben und Schweißen und zur Reinigung, Entrostung, Entschichtung, aber auch zum Anrauen metallischer Bauteile. Eine Absaugung sorgt für effiziente Entsorgung der Abtragspartikel. Durch einfache Abschirmung des Arbeitsbereiches und Tragen einer Laserschutzbrille sind bereits alle Sicherheitsmaßnahmen im Produktionsablauf gegeben. Thermische Reinigungssysteme auf Basis von Festkörperlasern (1,6 µm Wellenlänge) sind äußerst wirtschaftlich und mittlerweile mit hohen mittleren Leistungen (üblich etwa 100 Watt) verfügbar. Dadurch ergibt sich eine effiziente Einsatzfähigkeit dieser Geräte, sowohl manuell als auch im automatisierten Betrieb.