Funktionale Oberflächen durch Laserbearbeitung

Laser können zum Abtragen, Strukturieren und Reinigen eingesetzt werden. Die Verfahren unterscheiden sich je nachdem, ob eine bestimmte Schicht oder ein Material entfernt werden soll oder ob die Materialoberfläche selbst gezielt verändert wird (Bild 1).

Auswahl der Laserparameter
Beim Strukturieren bestimmen die optischen und thermischen Eigenschaften des Werkstoffs, die gewünschten Strukturen sowie die geforderte Produktivität die Wahl der passenden Laserquelle und Bearbeitungsoptik. Beim Abtragen oder Reinigen beziehen sich diese Kriterien auf die zu entfernende Schicht beziehungsweise Verschmutzung. Zusätzlich ist der Untergrund zu beachten – dieser kann thermisch empfindlich sein oder darf nicht negativ beeinflusst werden. Um diesen Anforderungen zu begegnen, stehen Laserstrahlquellen mit unterschiedlichen Wellenlängen, Betriebsarten (gepulst oder kontinuierlich), Leistungen und Strahlqualitäten zur Verfügung. Die Auswahl der Laserquelle, das Design der Bearbeitungsstation sowie die Entwicklung der Prozessparameter gehören zu den Kernkompetenzen des Fraunhofer IWS.

Hochleistungsabtragen und Strukturieren
Hochrate-Prozesse erfordern hohe Leistungen. Gespiegelt auf den Laser bedeutet dies hohe mittlere Ausgangsleistungen der Laserstrahlquellen. Bei gepulsten Lasern wird der Wärmeeintrag durch die kurzen Emissionszeiten gesteuert. Kontinuierlich arbeitende Laser erfordern eine schnelle Bewegung des Strahls, um die Wechselwirkungszeit zu minimieren und die Wärmeleitung ins Material zu begrenzen. Galvanometerscanner ermöglichen schnelle und dynamische Strahlbewegungen relativ zum Werkstück; sämtliche folgende Praxisbeispiele nutzen diese Technik.

Beispiel Kupferleiter
Für das lokale Abtragen von Isolationsbeschichtungen auf Kupferleitern (zum Beispiel für Motoren von Elektrofahrzeugen) wird ein kontinuierlich emittierender CO2-Laser eingesetzt. Zwei gegenüberliegende Strahlen entfernen die Isolationsschicht auf dem kontinuierlich durch die Prozesskammer geförderten Kupferdraht (Querschnitt zirka 4x5 mm2) in variabler Länge und Position (Bild 2). Die Wellenlänge ist so gewählt, dass die Isolationsschicht stark absorbiert und das Kupfer reflektiert – so entsteht ein robuster und selbstregulierender Prozess. Die Laserbearbeitung, bei der die Beschichtung verdampft wird, reagiert auf die Vorschubgeschwindigkeit und wird entsprechend der Position und der Länge des Abtrages gesteuert. Mit einem 2-kW-Laser und geteiltem Strahl sind Abtragsraten von bis zu 1000 mm2/s möglich.

Beispiel Bremsscheiben
Die Homogenität der durch Laserpulverauftragsschweissen generierten Beschichtungen auf Bremsscheiben kann durch eine vorherige Entfernung von in die Oberfläche eingelagerten Graphitnestern verbessert werden. Bei der Entwicklung des Verfahrens zum selektiven Laserabtragen des Graphits wurde festgestellt, dass eine gleichzeitige Strukturierung der Oberfläche zudem die Schichthaftung steigert, wodurch ein kombinierter Prozess aus Abtrag und Strukturierung umgesetzt wurde. Auch hier wurde ein multi-kW-Laser eingesetzt, um Flächenraten > 200 mm2/s pro Strahl zu erreichen (Bild 3).

LightBlast – Sandstrahlen mit Licht
LightBlast steht für das Erzeugen definierter Oberflächenrauheiten mittels Laserstrukturierung. Das Verfahren ist verschleiss- und medienfrei, reproduzierbar und voll automatisierbar. Auf verschiedensten Materialien sind durch die Wahl angepasster Parameter reproduzierbare Oberflächenrauheiten in einem automatisierten Prozess erreichbar. Die Programmierung der Bewegung des zirka Ø 100 µm messenden Arbeitspunktes des Lasers und die lokal definierte Wirkung machen eine Maskierung der Oberfläche überflüssig. In der Tabelle sind für verschiedene Materialien erreichbare Rauheiten zusammengestellt.
Selbst bei der sehr starken Aufrauhung von Edelstahl (Ra 80 µm / Rz 400 µm) erfolgt die Bearbeitung mit einer Flächenrate >100 mm2/s. Anwendung findet das Verfahren bei der Strukturierung von PVD-Beschichtungsmasken zur Verbesserung der Schichthaftung (Bild 4).

Systemtechnische Umsetzung
Neben der Lasertechnologie wurde für das Abisolieren der Kupferleiter ein Konzept für die Strahlführung und die Anordnung der Optiken entwickelt und gemeinsam mit einem Automatisierungspartner umgesetzt. Die Steuerung basiert vollständig auf einer SPS, die mit der übergeordneten Steuerung kommuniziert, die Drahtbewegung erfasst, den Laser steuert und die Strahlbewegung über zwei Galvanometerscanner regelt. Die Scanner sind über das ESL2-100-Schnittstellenmodul in die SPS-Architektur eingebunden. Dieses Modul wandelt die per EtherCAT bereitgestellten Positionsdaten in das scannerkompatible Protokoll SL2-100 um und sorgt mit einer Feininterpolation für eine präzise Versorgung der Scanner mit Positionsdaten im 10-µs-Takt.Durch tiefes Prozessverständnis und breites systemtechnisches Know-how wurde gemeinsam mit dem Kunden eine massgeschneiderte Lösung entwickelt und bis zur Inbetriebnahme beim Endanwender umgesetzt, inklusive Einweisung des Personals.

Zusammenfassung
Laserbearbeitung ermöglicht die präzise und effiziente Gestaltung funktionaler Oberflächen für den Maschinenbau. Die Technologie umfasst Verfahren wie Abtragen, Reinigen und Strukturieren, die sich flexibel an unterschiedliche Materialien und Anforderungen anpassen lassen. Durch die Wahl geeigneter Laserparameter können Oberflächen gezielt modifiziert werden – von der Entfernung von Beschichtungen bis zur Erzeugung definierter Rauheiten.

Praxisbeispiele zeigen den Nutzen

• Hairpins für Elektromotoren werden inline abisoliert, was hohe Prozessgeschwindigkeit und Integration in Fertigungslinien erlaubt.
• Bremsscheiben werden laserbasiert gereinigt und strukturiert, um die Haftung von Schutzschichten zu verbessern und Emissionen zu reduzieren.
• Mit «Sandstrahlen mit Licht» lassen sich Oberflächen ohne Abrasivmittel strukturieren, reproduzierbare Rauheiten einstellen und Entsorgungsaufwand vermeiden.

Die Vorteile für den Maschinenbau sind klar: hohe Präzision, Automatisierbarkeit, Nachhaltigkeit und Materialvielfalt. Das Fraunhofer IWS unterstützt Unternehmen von der Machbarkeitsstudie bis zur Serienintegration – inklusive Prozessentwicklung, Optikdesign und Steuerungslösungen.
Fazit: Laserbearbeitung ist mehr als eine Alternative zu konventionellen Verfahren. Sie eröffnet neue Wege für funktionale Oberflächen in Automobilindustrie, Maschinenbau und Mikroelektronik.

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