DE102014216362B4

DE102014216362B4 - Verfahren zum trennenden Bearbeiten von Metallschaumkörpern

Info

Publication number: DE102014216362B4
Application number: DE102014216362.5A
Authority: DE
Inventors: Robert Baumann; Andreas Wetzig; Eckhard Beyer
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2014-08-18
Filing date: 2014-08-18
Publication date: 2022-08-04
Anticipated expiration: 2034-08-19
Also published as: DE102014216362A1

Abstract

Verfahren zur trennenden Bearbeitung von Metallschäumen, bei der ein fokussierter Laserstrahl (1) nach einem Remote-Verfahren über eine Oberfläche des Metallschaumes geführt wird, dessen Energiedichte ≥ 105W/cm2bis 109W/cm2in einem Brennfleck auf der Oberfläche des bestrahlten Werkstoffs des Metallschaums beträgt, so dass ein Teil des Metallschaumes im Bereich einer Wechselwirkungszone zwischen Brennfleck des Laserstrahls und Schaum verdampft und dadurch die einzelnen Stege zwischen den Poren des Metallschaums getrennt oder zerschnitten werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wechselwirkungszeit von Brennfleck des Laserstrahls und Metall des Metallschaums bei einer einmaligen Überfahrt entlang einer auszubildenden Schnittkontur ≤ 600 µs eingehalten wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum trennenden Bearbeiten von Metallschaumkörpern.
Offenporige Metallschäume finden mehr und mehr Anwendung in Forschung, Medizin und Industrie. Die Verarbeitung dieser metallischen Schäume, die sich in erster Linie durch ihre Inhomogene Struktur auszeichnen, führt zu prozesstechnologischen Herausforderungen. Ein spanendes Trennen von Schäumen erfolgt bisher z.B. durch Schleifen oder Fräsen von Metallschäumen, wodurch Oberflächendefekte, wie das Zuschmieren der offenen Poren oder das Herausreißen von Körnern( ), auftreten. Hinzukommt der extrem hohe Werkzeugverschleiß, was in einer sehr geringen Standzeit resultiert und sehr hohe Prozesszeiten hervorruft.
Beim Stanzen erfolgt eine Quetschung der Kanten (2), die durch das Stanzwerkzeug hervorgerufen wird. Jede Konturanpassung oder -änderung erfordert ein neues Stanzwerkzeug. Zusammengefasst besitzen mechanische Bearbeitungstechnologien eine eingeschränkte Möglichkeit des Trennens von Schäumen.
Beim Laserstrahlschneiden wird in der Regel das aufgeschmolzene Material mit Hilfe einer Düse ausgetrieben (3). Diese bekannten Laserstrahlverfahren können bei Metallschäumen nicht angewendet werden, da aufgrund der Offenporigkeit des Materials in der Schnittfuge kein geeigneter Druck zum Austreiben des Materials aufgebaut werden kann.
Krajewski, S., Noacki, J. erläutern in „Preparation of aluminium foam edges for welding“; Advances in Material Sciences; Vol. 13, 2013, Nr. 3, S. 64-75 unterschiedliche Möglichkeiten zum Trennen von Metallschaum und dabei unter anderen auch die Nutzung von Laserstrahlung.
Die DE 10 2009 025 260 A1 betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Laser-Remote-Schneiden.
Von Ylbas, B. S. u.a. sind in „Laser hole cutting in aluminium foam: Influence of hole diameter on thermal stress“, Optics and lasers in engineering"; Vol. 51; 2013; S. 23-29 - ISSN 0143-8166 Möglichkeiten für eine Laserbearbeitung in Aluminiumschaum beschrieben.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein geeignetes Trennverfahren vorzuschlagen, mit dem es auch möglich ist, sowohl qualitativ hochwertige gerade Schnitte, wie auch Konturen auszuschneiden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Dabei müssen die Energiedichten des Laserstrahl, sowie die Bearbeitungsgeschwindigkeiten an den Metallschaumwerkstoff angepasst werden. Aufgrund der geringen Wärmeabfuhr durch die dünnen Wände/Stege des Metallschaumes kann die Schmelz- und Verdampfungstemperatur schon bei geringeren Leistungsdichten als beim normalen Remote-Schneiden erreicht werden. Die Energiedichte soll dazu ≥ 10⁵ W/cm² und bis hin zu 10⁹ W/cm² eingehalten werden.
Das Laserschneiden von Metallschäumen wurde bereits vor einer Reihe von Jahren mit eher geringem Erfolg untersucht. Das Prinzip des Remote-Schneidens ist seit einigen Jahren bekannt. Dabei wird ein Teil des Werkstoffs durch den Dampfdruck in der Regel in Richtung des einfallenden Laserstrahls ausgetrieben. Dieses ist beim Remote-Schneiden von Metallschäumen in dieser Form aufgrund der offenen Poren nicht möglich. Üblicherweise wird dabei ein Laserstrahl mittels verschwenkbarer reflektierender Elemente zweidimensional ausgelenkt.
Beim neuartigen „Remote-Schneiden von metallischen Schäumen“ muss dafür Sorge getragen werden, dass der überwiegende Teil des Schaumwerkstoffs_in der Schnittfuge verdampft wird (4). Damit der metallische Dampf optimal entweichen kann, sollte die Schnittfuge breiter als beim Standard-Remote-Schneiden sein, da die Dampfströmung durch die offenen Poren stark beeinflusst wird. Die lokale Wechselwirkungszeit des Laserstrahls soll ≤ 600 µs sein, um wenig Schmelze und einen hohen Grad an verdampftem Werkstoff zu erhalten. Diese Wechselwirkungszeit soll bei einer einmaligen Überfahrt entlang der auszubildenden Schnittkontur eingehalten werden. Bei mehreren Überfahrten, die bis zur vollständigen Ausbildung des jeweiligen Schnitts erforderlich sein können, sollte diese Wechselwirkungszeit jedes einzelne Mal eingehalten werden.
Hieraus ergibt sich eine sehr hohe Vorschubgeschwindigkeit mit der der Brennfleck des Laserstrahls ausgelenkt werden muss. Je nach Art des Metallschaumes kann auch ein gepulster Betrieb des Laserstrahls oder ein Schneiden mit kontinuierlicher Laserstrahlleistung und überlagerten Laserpulsen besonders hoher Leistungsdichte sinnvoll sein.
Es sollte eine Tiefenschärfe des fokussierten Laserstrahls (1), die ± 10 % der zu trennenden Dicke des Metallschaummaterials entspricht, eingehalten werden.
Bei dickeren Schäumen (d > 0,5 mm) kann ein mehrfaches Überfahren der Schnittkontur erforderlich sein, um einen durchgängigen Schnitt zu erzielen.
Die Erfindung beschreibt Möglichkeiten zum formgebenden Trennen von Metallschaumkörpern aus einem Metall oder einer Metalllegierung, die nach einem nicht-mechanischen Trennprozess bestimmte Eigenschaften aufweisen sollen.
Diese Metallschäume werden u.a. für Leichtbauanwendungen im Automobilbau, in der Luft- und Raumfahrt sowie im Maschinenbau eingesetzt. Weitere Anwendungen liegen z.B. im Bereich der Dämmung von Wärme und Schall. Offenporige Metallschäume können auch mit anderen Werkstoffen gefüllt bzw. benetzt oder beschichtet werden. So werden beispielsweise in der Batterietechnik Metallschäume mit Aktivmaterial beschichtet, die in der Regel mit Sauerstoff reagieren können. Diese Reaktion würde die Funktionsweise oder sogar ein Bauteil aus einem Metallschaum an sich zerstören.
Die Bearbeitung sollte in einer inerten, sauerstoffarmen Atmosphäre oder unter Vakuumbedingungen, bevorzugt innerhalb einer Intergaskammer durchgeführt werden, was insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn ein Metallschaum mit einem anderen Material, insbesondere einem Aktivmaterial beschichtet ist.
Die durch thermischen Einfluss detektierbare Randschädigung an der Trennkante sollte unter 10 mm liegen und ein ggf. vorhandenes Aktivmaterial, mit der der jeweilige Metallschaumkörper beschichtet sein kann, sollte noch voll funktionsfähig bzw. wirksam sein.
Als Schädigungszone soll eine Zone definiert werden, in der das zu trennende Material nicht mit dem Ausgangszustand des Materials identisch ist. Das bedeutet, es sind in einer Schädigungszone Anhanftungen von Schmelzpartikeln vorhanden, es können dort auch Anlassfarben, oxidierte Flächen und/oder Gefügeänderungen auftreten.
Mit einem besonderen Absorberkonzept (5) kann eine Gefährdung durch die transmittierte Laserstrahlung verhindert werden, indem keine Partikel aus dem Absorber die Oberfläche des Metallschaumkörpers erreichen können. Dazu kann unterhalb Metallschaumkörpers, zumindest unterhalb der zu schneidenden Kontur eine, für die eingesetzte Laserstrahlung zumindest teilweise, insbesondere ein sehr transparentes Material (Transparenz bevorzugt > 75 %), beispielsweise eine transparente plane Platte angeordnet sein. Dabei kann es sich um eine Quarzglasplatte handeln. Unterhalb dieser Platte kann wiederum ein Absorber, der vorzugsweise aus Graphit besteht, angeordnet sein. Besonders bei Metallschaumkörpern, die mit Aktivmaterial benetzt/beschichtet sind, sollte ein Absorber eingesetzt werden.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigen:

1 Mikroskopaufnahmen eines unbearbeiteten und eines mechanisch bearbeiteten Metallschaums;
2 Abbildungen eines erfindungsgemäß getrennten und eines durch Stanzen getrennten Metallschaums;
3 eine schematische Darstellung einer Anordnung zum herkömmlichen Laserschneiden mit Austreiben von Schmelze (Stand der Technik);
4 eine schematische Darstellung beim Trennen eines Metallschaumes mit einem Laserstrahl und
5 eine Anordnung, wie sie beim erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden kann.

In 1 sind zwei Mikroskopaufnahmen gezeigt. Dabei ist in 1a ein unbearbeiteter Metallschaum und 1b ein geschliffener Metallschaum gezeigt, bei dem die Poren verschmiert sind.
Die 2a zeigt einen Metallschaum mit Trennkante, der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitet wurde. In 2b ist eine Trennkante erkennbar, die durch Stanzen erhalten wurde. Es wird deutlich, dass mit der Erfindung eine deutlich verbesserte Qualität erreichbar ist.
Mit der schematischen Darstellung nach 3 wird deutlich, wie ein Laserstrahl 1 gemeinsam mit einem inerten Gas 5 in die Schnittfuge eines Werkstücks 2 gerichtet werden und mit dem Gas 5 gebildete Schmelze ausgetrieben wird.
4 zeigt das Verhalten bei Bestrahlung eines Metallschaums mit Poren als Werkstück 2 mit einem Laserstrahl 1 und dem Austritt des mittels der Energie des Laserstrahls 1 sublimierten, verdampften Werkstoffs.
Aus der in 5 gezeigten Anordnung, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist, geht hervor, wie ein Laserstrahl 1 auf die Oberfläche eines Metallschaums als Werkstück 2 zur Ausbildung einer Trennfuge mit zwei Trennkanten an den zwei Seiten der Trennfuge gerichtet ist. Das Werkstück 2 ist auf einer für den Laserstrahl 1 transparenten Quarzglasplatte 3 angeordnet. Unter der Quarzglasplatte 3 ist ein Absorber 4 aus Graphit angeordnet.
Anhand eines konkreten Beispiels soll das erfindungsgemäße Verfahren zum Trennen von Metallschäumen erläutert werden. Dabei wurde ein offenporiger Metallschaum aus Stahl (316L) mit einer Porengröße von 1200 µm und einer Materialstärke von 3,2 mm getrennt. Es wurde eine Laserstrahlquelle mit einer Leistung von 2000 W und einer Wellenlänge von 1070 nm eingesetzt. Der Laserstrahl wurde mit einem zweidimensionalen Ablenksystem mit einer Vorschubgeschwindigkeit des Brennflecks von 15 m/s und 10 Überfahrten zum Trennen genutzt.
Anhand eines weiteren konkreten Beispiels soll das erfindungsgemäße Verfahren zum Trennen von Metallschäumen mit gepulster Laserleistung erläutert werden. Dabei wurde ein offenporiger Metallschaum aus Stahl (316L) mit einer Porengröße von 1200 µm und einer Materialstärke von 3,2 mm getrennt. Es wurde eine Laserstrahlquelle mit einer mittleren Leistung von 34 W und einer Wellenlänge von 1064 nm verwendet. Die Pulsfrequenz betrug 10 kHz und die Pulsdauer lag bei 100 ns. Mit einer Scangeschwindigkeit von 0,5 m/s waren 600 Wiederholungen erforderlich, um einen prozesssicheren Schnitt zu vollziehen.

Claims

Verfahren zur trennenden Bearbeitung von Metallschäumen, bei der ein fokussierter Laserstrahl (1) nach einem Remote-Verfahren über eine Oberfläche des Metallschaumes geführt wird, dessen Energiedichte ≥ 10⁵ W/cm² bis 10⁹ W/cm² in einem Brennfleck auf der Oberfläche des bestrahlten Werkstoffs des Metallschaums beträgt, so dass ein Teil des Metallschaumes im Bereich einer Wechselwirkungszone zwischen Brennfleck des Laserstrahls und Schaum verdampft und dadurch die einzelnen Stege zwischen den Poren des Metallschaums getrennt oder zerschnitten werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wechselwirkungszeit von Brennfleck des Laserstrahls und Metall des Metallschaums bei einer einmaligen Überfahrt entlang einer auszubildenden Schnittkontur ≤ 600 µs eingehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (1) nach dem Prinzip des Remote-Schneidens mit Hilfe eines oder mehrerer Spiegel über die Oberfläche des Metallschaumes geführt wird.
Verfahren nach einem der einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (1), während sein Brennfleck entlang der Oberfläche des Werkstoffs bewegt wird, gepulst betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein mit anderen Material gefüllter bzw. benetzter Metallschaum mit dem Laserstrahl (1) geschnitten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Auflage für den Metallschaum als Werkstück (2) ein für den Laserstrahl (1) transparentes Material (3), insbesondere Quarzglas verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Tiefenschärfe des fokussierten Laserstrahls (1), die ± 10 % der zu trennenden Dicke des Metallschaums entspricht, eingehalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Auflage für den Metallschaum ein Absorber (4) aus einem Material, insbesondere Graphit verwendet wird, das für den Laserstrahl (1) ein sehr hohes Absorptionsvermögen und gleichzeitig eine deutlich höhere Schmelztemperatur als der Metallschaum aufweist.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitung in einer inerten, sauerstoffarmen Atmosphäre oder unter Vakuumbedingungen, bevorzugt innerhalb einer Intergaskammer durchgeführt wird.