DE10342750A1

DE10342750A1 - Verfahren zum Glätten und Polieren oder zum Strukturieren von Oberflächen mit Laserstrahlung

Info

Publication number: DE10342750A1
Application number: DE10342750A
Authority: DE
Inventors: Kurt Dr. Wissenbach; Edgar Willenborg; Thomas Dipl.-Ing. Kiedrowski
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2003-09-16
Filing date: 2003-09-16
Publication date: 2005-04-07
Anticipated expiration: 2023-09-17
Also published as: DE10342750B4; WO2005032756A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Glätten und Polieren oder zum Strukturieren von Oberflächen durch Bearbeitung mit Laserstrahlung, bei dem die zu glättende Oberfläche in einer ersten Bearbeitungsstufe unter Einsatz der Laserstrahlung mit ersten Bearbeitungsparametern einmal oder mehrmals nacheinander entlang einer Bearbeitungsbahn bis zu einer ersten Umschmelztiefe umgeschmolzen wird, die größer als eine Strukturtiefe von zu glättenden Strukturen der zu glättenden Oberfläche 500 mum ist. Dabei wird die Intensität der auf die Oberfläche treffenden Laserstrahlung und/oder deren Wechselwirkungszeit mit der Oberfläche bei mindestens einem Umschmelzvorgang entlang der Bearbeitungsbahn gezielt moduliert.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Glätten und Polieren oder zum Strukturieren von Oberflächen mit Laserstrahlung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Bevorzugte Anwendungsgebiete sind solche, bei denen Bauteile hoher Oberflächenqualität hergestellt werden.

Die Endbearbeitung von Werkzeugen und Formen erfolgt heutzutage zum überwiegenden Teil durch manuelles Polieren. Die Handarbeit wird dabei durch elektrisch und pneumatisch angetriebene Geräte mit bis zu Ultraschall reichenden Arbeitsfrequenzen unterstützt. Zur Erreichung der Endpolierstufe werden die Arbeitsgänge Grobschleifen, Feinschleifen und Polieren mit immer feineren Polierpasten bis hin zur Diamantpaste abgearbeitet. Typische Polierzeiten liegen bei 30 min/cm². Es sind Rautiefen von R_a < 0,01 μm erreichbar.

Maschinelle Polierverfahren haben den Nachteil, dass die bekannten Verfahren bei komplexen dreidimensionalen Geometrien der zu polierenden Oberflächen nicht angewendet werden können oder nur unzureichende Ergebnisse liefern.

Weiterhin ist aus der EP 0 819 036 B1 ein Verfahren zum Polieren von beliebigen dreidimensionalen Formflächen mittels eines Lasers bekannt, bei dem die Kontur des zu bearbeitenden Werkstückes zuerst vermessen wird und dann aus der vorgegebenen Sollform und der gemessenen Istform die Bearbeitungsstrategie und die Bearbeitungsparameter abgeleitet werden. Das Glätten und Polieren wird durch einen abtragenden Prozess realisiert. Für das Laserpolieren wird ein Bereich niedriger Laserintensität vorgeschlagen, da ein großer Materialabtrag bei dieser Anwendung nicht gewünscht ist. Weitere Hinweise auf Bearbeitungsstrategien oder Bearbeitungsparameter zur Erreichung eines optimalen Glättungsgrades finden sich in dieser Druckschrift jedoch nicht. Der Kern des vorgeschlagenen Verfahrens besteht vielmehr darin, durch Abtasten der Oberfläche mittels einer 3D-Konturmesseinrichtung die Abweichung der Istform von der Sollform zu erkennen, aus dieser Abweichung geeignete Bearbeitungsparameter zu errechnen und einzusetzen und diese Schritte zu wiederholen, bis die Istform erreicht ist. Der hierbei erforderliche Einsatz einer 3D-Konturmesseinrichtung ist jedoch aufwändig und durch die erforderliche Messgenauigkeit mit sehr hohen Kosten verbunden.

Aus der DE 197 06 833 A1 ist ein Verfahren zum Glätten und Polieren von Oberflächen bekannt. Bei diesem Verfahren wird die Oberfläche mit gepulster Laserstrahlung mit einer Pulsdauer zwischen 10 ns und 10 μs in einer Tiefe von 2 bis 3 μm mit jedem Laserpuls kurz aufgeschmolzen. Die mit jedem Laserpuls neu erzeugte Schmelze erstarrt dabei wieder, bevor der nächste Laserpuls eintrifft. Das Verfahren eignet sich jedoch nur für die Glättung von Oberflächen mit sehr geringen Ausgangs-oberflächenrauhigkeiten von höchstens 3 μm.

Ein gattungsgemäßes Verfahren zum Glätten und Polieren von Oberflächen durch Bearbeitung mit Laserstrahlung wird in der deutschen Patentanmeldung 10228743.0-34 vorgeschlagen. Dabei wird die zu glättende Oberfläche in einer ersten Bearbeitungsstufe unter Einsatz der Laserstrahlung mit ersten Bearbeitungsparametern zumindest einmal bis zu einer ersten Umschmelztiefe umgeschmolzen, die größer als eine Strukturtiefe von zu glättenden Strukturen der zu glättenden Oberfläche und ≤ 100 μm ist. Das Verfahren ermöglicht es, beliebige dreidimensionale Oberflächen schnell und kostengünstig automatisiert zu polieren.

Bei diesem Verfahren weisen die Oberflächen nach dem Polieren allerdings häufig eine gewisse Welligkeit auf. Dadurch sind die minimal erreichbaren Rautiefen begrenzt. Die Welligkeit kann zum Einen aus dem Laserstrahlpolierprozess selbst resultieren und Ihre Ursache haben in Prozessinstabilitäten bzw. Störgrößen, wie z.B. Inhomogenitäten des Werkstoffes oder des Absorptionsgrades. Zum Anderen kann sie auch aus einer in der Ausgangsoberfläche, z.B. aufgrund grober Fräsriefen oder Ansätzen von zwei Fräsbahnen bereits vorhandenen Welligkeit herrühren, welche durch das Laserstrahlpolierverfahren nicht beseitigt werden können.

Neben dem Glätten und Polieren von Oberflächen bzw. zusätzlich dazu gibt es für viele Anwendungen einen Bedarf, die Oberfläche mit einer bestimmten erwünschten Strukturierung zu versehen. Um dies zu erreichen wird im Allgemeinen nach dem Glätten und Polieren ein gesondertes Verfahren verwendet.

Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Glätten und Polieren und/oder Strukturieren von Oberflächen durch Bearbeitung mit Laserstrahlung anzugeben, mit dem eine besonders geringe Oberflächenrauheit erzielbar ist und bei dem bei Bedarf zusätzlich eine Strukturierung der Oberfläche erfolgen kann.

Darstellung der Erfindung

Die Lösung dieses technischen Problems erfolgt durch das Verfahren gemäß des unabhängigen Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen werden durch die abhängigen Ansprüche angegeben oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Ausführungsbeispielen entnehmen.

Beim vorliegenden Verfahren zum Glätten bzw. Polieren von Oberflächen durch Bearbeitung mit Laserstrahlung wird die zu glättende Oberfläche in einer ersten Bearbeitungsstufe unter Einsatz der Laserstrahlung mit ersten Bearbeitungsparametern einmal oder mehrmals nacheinander entlang einer Bearbeitungsbahn bis zu einer ersten Umschmelztiefe umgeschmolzen, die größer als eine Strukturtiefe von zu glättenden Strukturen der zu glättenden Oberfläche und ≤ 500 μm ist. Dabei wird zumindest bei einem Umschmelzvorgang die Intensität der auf die Oberfläche treffenden Laserstrahlung und/oder deren Wechselwirkungszeit mit der Oberfläche entlang der Bearbeitungsbahn moduliert.

Die Intensität der auf die zu glättende Oberfläche treffenden Laserstrahlung und/oder deren Wechselwirkungszeit mit der Oberfläche kann beispielsweise dadurch moduliert werden, dass man die Laserleistung, die Vorschubgeschwindigkeit oder den Strahldurchmesser entlang der Bearbeitungsbahn moduliert. Es können auch mehrere dieser Parameter moduliert werden. Durch die Modulation der Intensität der auf die Oberfläche treffenden Laserstrahlung und/oder deren Wechselwirkungszeit mit der Oberfläche wird die Größe und Form des Schmelzbades und somit auch die Erstarrungsfront beeinflusst. Durch diese Beeinflussung kann die Oberflächentopographie gezielt verändert werden.

Die Intensität der auf die Oberfläche treffenden Laserstrahlung und/oder deren Wechselwirkungszeit mit der Oberfläche kann insbesondere derart entlang der Bearbeitungsbahn moduliert werden, dass das Auftreten einer unerwünschten Welligkeit der Oberfläche vermieden wird, bzw. dass eine schon vorhandene unerwünschte Welligkeit der Oberfläche reduziert oder beseitigt wird. Auf diese Weise lässt sich hinsichtlich der Minimierung der Oberflächenrauheit ein optimales Ergebnis erzielen.

Die Intensität der auf die Oberfläche treffenden Laserstrahlung und/oder deren Wechselwirkungszeit mit der Oberfläche kann aber auch derart entlang der Bearbeitungsbahn moduliert werden, dass man eine erwünschte Strukturierung der Oberfläche erhält. Dabei kann eine abgesehen von der erwünschten Struktur ansonsten glatte Oberfläche niedriger Oberflächenrauheit erzeugt werden. Es ist also möglich, das Glätten und Polieren der Oberfläche zusammen mit dem Strukturieren der Oberflächen mittels eines einzigen Verfahrens, insbesondere auch innerhalb des selben Verfahrensschrittes bzw. des selben Umschmelzvorgangs durchzuführen. Somit kann eine bestimmte, für dekorative oder technische Anwendungen erwünschte Struktur oder Welligkeit einer ansonsten glatten Oberfläche auf besonders einfache, kosten- und zeitsparende Weise erzielt werden.

Die Steuerung bzw. Regelung der Modulation kann in Abhängigkeit einer Erfassung der Schmelzbadtemperatur, der Schmelzbadform oder des Oberflächenprofils erfolgen. Die Messung der Schmelzbadtemperatur kann z.B. mittels Pyrometrie geschehen, die Auswertung der Schmelzbadform mittels Videographie (z.B. CCD-Kamera) und die Messung des Oberflächenprofils z.B. durch optische oder mechanische Sensoren. Insbesondere kann eine Regelung der Modulation online zu mindestens einer der genannten Messungen erfolgen. Dies ermöglicht eine besonderes genaue Regelung der Modulation. Eine einfache Möglichkeit besteht aber auch darin, die Modulationsregelung bzw. -steurerung für einen Umschmelzvorgang in Abhängigkeit einer während eines vorausgegangenen, insbesondere des unmittelbar vorausgegangenen Umschmelzvorganges vorgenommenen Messung erfolgen zu lassen.

Es ist in vielen Fällen besonders einfach und damit vorteilhaft, die Modulation entlang der Bearbeitungsbahn wellenförmig bzw. sinusförmig auszubilden. Insbesondere gilt dies, wenn die Unebenheit der Oberfläche selbst wellenförmig ausgebildet ist oder wenn eine angestrebte Struktur der Oberfläche ein wellenförmiges Profil besitzt.

Vorzugsweise wird anschließend an die erste Bearbeitungsstufe eine zweite Bearbeitungsstufe unter Einsatz der Laserstrahlung mit zweiten Bearbeitungsparametern durchgeführt, in der nach der ersten Bearbeitungsstufe auf der Oberfläche verbleibende Mikrorauhigkeiten durch Umschmelzen bis zu einer zweiten Umschmelztiefe, die kleiner als die erste Umschmelztiefe ist, und durch Verdampfen von Rauhigkeitsspitzen eingeebnet werden. Diese bevorzugte Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens beruht somit auf einem mehrstufigen Bearbeitungsprozess, der in eine Grob- und eine Feinstbearbeitung unterteilt werden kann. In der im Folgenden auch als Grobbearbeitung bezeichneten ersten Bearbeitungsstufe wird die zu glättende Oberfläche unter Einsatz der Laserstrahlung mit ersten Bearbeitungsparametern ein oder mehrmals bis zu einer ersten Umschmelztiefe in einer Randschicht umgeschmolzen. Bei diesem Umschmelzprozess werden Makrorauhigkeiten, die bspw. aus einem vorangegangenen Fräs- bzw. Erodierprozess stammen können, beseitigt. In einer im Folgenden auch als Feinstbearbeitung bezeichneten zweiten Bearbeitungsstufe werden anschließend unter Einsatz der Laserstrahlung mit zweiten Bearbeitungsparametern nach der ersten Bearbeitungsstufe auf der Oberfläche verbleibende Mikrorauhigkeiten eingeebnet. Die zweite Bearbeitungsstufe der Feinstbearbeitung beinhaltet somit einen kombinierten Abtrag- und Umschmelzprozess, bei dem die Dicke der umgeschmolzenen Randschicht jedoch geringer als die Dicke der in der ersten Bearbeitungsstufe umgeschmolzenen Randschicht ist.

Wenn die Bearbeitung der Oberfläche in zwei Bearbeitungsstufen erfolgt, ist es möglich, dass ein Umschmelzen, bei dem die Intensität der auf die Oberfläche treffenden Laserstrahlung und/oder deren Wechselwirkungszeit mit der Oberfläche moduliert wird, entweder ausschließlich innerhalb der ersten Bearbeitungsstufe oder ausschließlich in der zweiten Bearbeitungsstufe oder aber in beiden Bearbeitungsstufen erfolgt.

Vorzugsweise wird in der ersten Bearbeitungsstufe kontinuierliche Laserstrahlung eingesetzt, um das ein- oder mehrmalige Umschmelzen der Randschicht bis zur ersten Umschmelztiefe zu erreichen. Das Verfahren bewirkt dabei einen kontinuierlichen Schmelzprozess der Oberfläche, der zu einem echten Umschmelzen und somit zur Glättung auch größerer Oberflächenrauhigkeiten führt. Möglich ist aber auch der Einsatz von gepulster Laserstrahlung mit einer großen Pulsdauer ≥ 100 μs.

Durch den Einsatz eines kontinuierlichen Laserstrahls bzw. eines gepulsten Laserstrahls mit langen Pulslängen wird bei dieser Grobbearbeitung der ersten Bearbeitungsstufe ein Abdampfen von Material aus der Oberfläche weitestgehend vermieden. Dadurch kann der Polierprozess mit deutlich geringerer Energie durchgeführt werden als bei Anwendungen, bei denen die Makrorauhigkeiten abgetragen werden. Weiterhin werden lokale Überhitzungen im Schmelzbad, die zu einem Materialabtrag und zu unerwünschten Schmelzbadbewegungen und damit zu einer Verschlechterung der Oberflächenrauhigkeit führen, weitestgehend vermieden. Die Laserleistung liegt typischerweise in einem Bereich von 5 bis 400 W, vorzugsweise in einem Bereich von 70 bis 140 W.

In der zweiten Bearbeitungsstufe wird vorzugsweise gepulste Laserstrahlung mit einer Pulsdauer von ≤ 5 μs eingesetzt, um die für den kombinierten Umschmelz- und Abtragprozess erforderlichen höheren Intensitäten zu erzeugen. Die Oberfläche wird bei dieser zweiten Bearbeitungsstufe vorzugsweise lediglich bis zu einer zweiten Umschmelztiefe von maximal 5 μm umgeschmolzen, während die größere erste Umschmelztiefe in der ersten Bearbeitungsstufe im Bereich zwischen 5 μm und 500 μm, vorzugsweise zwischen 10 μm und 80 μm liegt. Diese erste Umschmelztiefe in der ersten Bearbeitungsstufe ist von der Größe der Makrorauhigkeiten abhängig, die das zu glättende Werkstück aufweist. Je größer die zu glättenden Makrorauhigkeiten sind, desto größer muss auch die erste Umschmelztiefe gewählt werden, um eine ausreichende Einebnung der Makrorauhigkeiten zu erreichen.

Optimale Glättungsergebnisse werden beim vorliegenden Verfahren erreicht, wenn die Oberfläche des Werkstückes in der ersten Bearbeitungsstufe mehrmals nacheinander, vorzugsweise mit von Umschmelzvorgang zu Umschmelzvorgang abnehmender erster Umschmelztiefe, umgeschmolzen wird. Die Bearbeitung mit der Laserstrahlung wird dabei, wie auch in der zweiten Bearbeitungsstufe, in bekannter Weise durch Abrastern der Oberfläche mittels des Laserstrahls durchgeführt. Diese Abrasterung erfolgt in parallelen Bahnen, wobei sich die einzelnen durch den Durchmesser des Laserstrahls in der Breite festgelegten Bahnen teilweise überlappen sollten. Eine übliche Größe des Strahldurchmessers liegt in einem Bereich zwischen 100 bis 1000 μm.

Das Verfahren lässt sich insbesondere zum Glätten von dreidimensionalen Metalloberflächen einsetzen. Es hat sich herausgestellt, dass das Verfahren zum Glätten und Polieren von Werkstücken aus den Stählen 1.2343, 1.2767 und 1.2311 sowie aus Titanwerkstoffen geeignet ist. Selbstverständlich lässt sich das vorliegende Verfahren auch bei anderen Metallen und Nichtmetallen, wie bspw. bei Werkstücken aus Kunststoffen, einsetzen. Der Fachmann muss hierbei lediglich die Bearbeitungsparameter den zu bearbeitenden Werkstoffen anpassen, um die Bedingungen für die erste und gegebenenfalls zweite Bearbeitungsstufe zu erreichen. Die Wahl geeigneter Laserparameter zum Umschmelzen einer Randschicht bzw. zum kombinierten Umschmelzen und Abtragen einer gegenüber der ersten Bearbeitungsstufe dünneren Randschicht stellen für den Fachmann kein größeres Problem dar. Die ersten Bearbeitungsparameter werden dabei vorzugsweise so gewählt, dass keine oder nur eine möglichst geringe Abtragung von Material stattfindet, da das Glätten in dieser ersten Bearbeitungsstufe alleine durch das Umschmelzen der Randschicht bis zur ersten Umschmelztiefe erfolgt. Beim Glätten und Polieren von Kunststoffen ist die Durchführung nur der ersten Bearbeitungsstufe bereits ausreichend, um hervorragende Glättungsergebnisse zu erreichen.

Besonders gut eignet sich das Verfahren auch für das Polieren poröser Werkstoffe, wie sie etwa beim Metal-Injection-Molding (MIM) oder beim Feinguss auftreten. Durch das Umschmelzen werden die Poren bis zur Umschmelztiefe beseitigt bzw. verschlossen. Durch die dabei auftretenden hohen Abkühlgeschwindigkeiten wird ein feinkörniges Gefüge ausgebildet. Abschließend kann eine konventionelle mechanische oder elektrochemische Politur die Oberflächenqualität weiter verbessern. Bei rein konventionellen, auf Abtragung basierenden Verfahren werden beim Polieren dagegen immer wieder neue im Werkstoff vorhandene Poren freigelegt.

Claims

Verfahren zum Glätten und Polieren oder zum Strukturieren von Oberflächen durch Bearbeitung mit Laserstrahlung, bei dem die zu glättende Oberfläche in einer ersten Bearbeitungsstufe unter Einsatz der Laserstrahlung mit ersten Bearbeitungsparametern einmal oder mehrmals nacheinander entlang einer Bearbeitungsbahn bis zu einer ersten Umschmelztiefe umgeschmolzen wird, die größer als eine Strukturtiefe von zu glättenden Strukturen der zu glättenden Oberfläche und ≤ 500 μm, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität der auf die Oberfläche treffenden Laserstrahlung und/oder deren Wechselwirkungszeit mit der Oberfläche bei mindestens einem Umschmelzvorgang entlang der Bearbeitungsbahn gezielt moduliert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation der Intensität der auf die Oberfläche treffenden Laserstrahlung und/oder deren Wechselwirkungszeit mit der Oberfläche entlang der Bearbeitungsbahn durch Modulation mindestens eines der Parameter Laserleistung, Vorschubgeschwindigkeit oder Strahldurchmesser erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation der Intensität der auf die Oberfläche treffenden Laserstrahlung und/oder deren Wechselwirkungszeit mit der Oberfläche entlang der Bearbeitungsbahn derart ausgebildet ist, dass eine vorhandene unerwünschte Welligkeit der Oberfläche reduziert oder beseitigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation der Intensität der auf die Oberfläche treffenden Laserstrahlung und/oder deren Wechselwirkungszeit mit der Oberfläche entlang der Bearbeitungsbahn derart ausgebildet ist, dass eine erwünschte Strukturierung der Oberfläche erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung bzw. Steuerung der Modulation der Intensität der auf die Oberfläche treffenden Laserstrahlung und/oder deren Wechselwirkungszeit mit der Oberfläche entlang der Bearbeitungsbahn abhängig von einer Messung der Schmelzbadtemperatur, der Schmelzbadform oder des Oberflächenprofils erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Modulationsregelung online zur Messung geschieht.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation für einen Umschmelzvorgang in Abhängigkeit der während einer beim unmittelbar vorausgegangenen Umschmelzvorgang vorgenommenen Messung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation entlang der Bearbeitungsbahn wellenförmig ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer zweiten Bearbeitungsstufe unter Einsatz der Laserstrahlung mit zweiten Bearbeitungsparametern nach der ersten Bearbeitungsstufe auf der Oberfläche verbleibende Mikrorauigkeiten durch Umschmelzen bis zu einer zweiten Umschmelztiefe, die kleiner als die erste Umschmelztiefe ist, und Verdampfen von Rauigkeitsspitzen eingeebnet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Bearbeitungsstufe kontinuierliche Laserstrahlung oder gepulste Laserstrahlung mit einer Pulsdauer ≥ 100 μs eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Bearbeitungsstufe die Oberfläche bis zu einer ersten Umschmelztiefe von 5 bis 500 μm umgeschmolzen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Bearbeitungsparameter so gewählt werden, dass kein Abtrag von Material erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Umschmelztiefe bei jedem erneuten Umschmelzvorgang geringer gewählt wird als beim jeweils vorangehenden Umschmelzvorgang.
Verwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Polieren poröser Werkstoffe.