Oberflächenbearbeitung mit Laser
Oberflächenbearbeitung mit Laser eignet sich für alle Anwendungen, die einen präzisen Materialabtrag erfordern.
Automatisierte Oberflächenbearbeitung: Was sind die Vorteile der laserbasierten Serienproduktion?
Laserwerkzeuge und Lasermaschinen bieten eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber konventionellen Bearbeitungsverfahren wie Drehen, Fräsen, Bohren, Schleifen oder chemischen Methoden. Lasermaschinen ermöglichen die Oberflächenbearbeitung ohne mechanischen Kontakt, sodass sie weder das Werkzeug verschleißt noch das Werkstück verformt oder beschädigt.
In ihrer Präzision sind Laseranlagen vielseitig einsetzbar und eignen sich für die Bearbeitung diverser Materialen wie Metalle, Kunststoffe, Keramik, Glas, Textilien, Halbleiter oder moderne nachhaltige Stoffe. Sie verdampfen, schneiden, schweißen, gravieren, strukturieren, markieren oder reinigen Oberflächen schonend und exakt. Dabei weisen sie eine hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit auf.
Die Oberflächenbearbeitung mittels Laser eignet sich ideal für Serienproduktion und Automatisierung. Laserwerkzeuge und Lasermaschinen lassen sich leicht in CNC-Anlagen oder Robotersysteme integrieren und ermöglichen die Industrie 4.0 bis hin zur Smart Factory. Sie zeichnen sich dabei – auch bei großen Stückzahlen – durch eine präzise Steuerung der Strahlparameter und eine gleichbleibende Qualität aus. Somit gewährleisten sie eine hohe Reproduzierbarkeit bei effizientem Materialeinsatz. Das führt zu geringem Materialverlust und weniger Ausschuss. Im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungsverfahren entfällt der Einsatz von Chemikalien oder Kühlmittelbedarf.
Lasermaschinen werden zur Oberflächenbearbeitung in diversen Industrien eingesetzt – von der Automobil- und Luftfahrttechnik bis zu Maschinenbau, Medizintechnik und Elektronikproduktion.
Intelligente Prozesse: Wie verbessert optische Technologie die Oberflächenbearbeitung mit Laser?
In der Kombination mit Laserwerkzeugen versteht sich unter optischer Technologie zum Beispiel der Einsatz von Kameras, Sensoren, Bildverarbeitung oder optischen Linsen. Optische Technologie erweitert die Präzision, Kontrolle und Automatisierung der maschinellen Oberflächenbearbeitung mit Laser signifikant. Somit gehört sie zum zentralen Bestandteil intelligenter Fertigungsprozesse der Industrie 4.0.
Adaptive Optiken erhöhen beispielsweise die Präzision und passen sowohl den Fokuspunkt als auch die Strahlform des Lasers exakt an das Werkstück an. Kameras erkennen Lage, Ausrichtung und Konturen der Werkstücke, sodass sich der Laser automatisch korrekt positioniert. Die automatische Bauteilerkennung und seine Positionierung ermöglichen zudem wechselnde Bauteilformen in der Serienfertigung. Auch für die Echtzeit-Materialanalyse kann optische Technologie in Form spektroskopischer Sensoren eingesetzt werden.
Materialeigenschaften: Worin liegen die Herausforderungen maschineller Oberflächenbearbeitung von Kunststoff, Gummi, Textil und nachhaltigen Materialien?
- Oberflächenbearbeitung mit Kunststoff
- Oberflächenbearbeitung mit Gummi
- Wie funktioniert Oberflächenbearbeitung mit Textilien?
- Nachhaltige Materialien
Die maschinelle Bearbeitung von Kunststoffoberflächen birgt einige Herausforderungen. Da sich Kunststoffe elastisch verhalten, kann es während der Oberflächenbearbeitung zu Werkstückverformungen kommen, die Maße und Oberflächengüte beeinflussen. Zudem erschwert die Rückfederung die Einhaltung enger Toleranzen. Auch kann die geringe Wärmeleitfähigkeit des Materials dazu führen, dass der Kunststoff beim Auftreffen des Werkzeugs auf dem Werkstück schmilzt oder schmiert. Auch nach der Bearbeitung können sich die Werkstücke aufgrund von Dehnung und innerer Spannungen verziehen oder schrumpfen, was wiederum eine Nachbearbeitung nach sich zieht. Zudem verändern hohe Temperaturunterschiede die Materialeigenschaften nachhaltig, der Kunststoff wird entweder weich oder spröde. Generell haben die verschiedensten Kunststoffarten vielfältige Bearbeitungseigenschaften, sodass keine allgemeingültigen Bearbeitungsparameter festgelegt werden können.
Eine Lösung bietet die Oberflächenbearbeitung von Kunststoffen mit Laser, insbesondere in Kombination mit optischen Technologien. Die berührungslose Oberflächenstrukturierung verhindert Spanbildung oder das Ankleben des Materials, die das Werkzeug sowohl blockieren als auch verschleißen oder gar die zu bearbeitende Oberfläche beschädigen können.
Die maschinelle Bearbeitung von Gummi ist enorm anspruchsvoll. Da es sich mit Gummi um ein äußerst elastisches Material handelt, weicht das Werkstück den bearbeitenden Werkzeugen leicht aus. Aufgrund der hohen Elastizität federt Gummi auch nach der Bearbeitung zurück, wodurch Bohrungen enger, Nuten kleiner oder Kanten unsauber werden können, sodass Toleranzen kaum planbar eingehalten werden können. Daraus folgen ungenaue Maße, ungleichmäßiger Abtrag oder Verformungen des Werkstücks. Darüber hinaus kann das Material bei der Oberflächenbearbeitung sowohl unkontrolliert reißen als auch schmieren, wodurch raue Oberflächen oder Maßabweichungen entstehen. Auch der Wärmeeinfluss herkömmlicher Fertigungsverfahren kann zu Verklebungen oder unerwünschter Verbrennung führen.
Ähnlich zu anderen Kunststoffen führen unterschiedlichste Materialmischungen zu stark variierenden Eigenschaften, sodass auch hier keine einheitlichen Bearbeitungsparameter bestimmt werden können. Insgesamt erfordert die Oberflächenbearbeitung von Gummi enorm scharfes Schneidwerkzeug. Grundsätzlich lässt sich dieser Werkstoff besser abtragen als zerspanen. Lesen Sie hier, wie Prototypenfertigung und Kleinserienproduktion von Profilreifen mittels Laseroberflächenbearbeitung maschinell gelingen.
Oberflächen wie Gewebe, Gewirke, Vliese und Verbundmaterialien mit Textilanteil stellen höchst eigene Anforderungen an ihre maschinelle Bearbeitung. Zu den textilen Materialeigenschaften zählt, dass sie faserig, weich, porös und häufig richtungsabhängig sind. Daher kann das Schneiden oder Abtragen von Textil dazu führen, dass die Schnittkanten ausfransen oder Fasern einfach aus dem Gewebe herausgezogen werden, was zu einer zerrissenen Optik führt.
Eine besondere Herausforderung der maschinellen Bearbeitung von textilen Geweben liegt bereits in der Fixierung des Werkstücks. Aufgrund der weichen und flexiblen Struktur lässt es sich schlecht in die Maschine spannen. Zudem weichen die nachgiebigen Textilien ähnlich wie elastische Kunststoffe oder Gummi den Bearbeitungswerkzeugen aus. Dass sie weich und verformbar sind, führt somit zu Abweichungen von Maßen und Toleranzen. Oftmals werden sie daher mit Schäumen, Kunststoffen oder Harzen verbunden oder mehrlagig geschichtet. Die unterschiedlichen Materialien eines Faserverbunds reagieren jedoch häufig unterschiedlich auf den Bearbeitungsimpuls, sodass die maschinelle Bearbeitung wiederum unregelmäßige Schnittbilder erzeugt. Mehr noch: Textile Fasern können durch Reibungswärme verschmoren.
Zudem erzeugen sie in der maschinellen Bearbeitung Staub und Flusen, die sich in der Maschine festsetzen oder ihre eigene Oberfläche verunreinigen können, so dass ein erhöhter Reinigungsaufwand oder eine spezielle Absaugvorrichtung und Filtertechnik nötig wird. Die spezifischen Materialeigenschaften textiler Stoffe erfordern daher den scharfen und berührungslosen Einsatz von Laser, um Oberflächenschichten sauber abzutragen.
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Je spezieller die Materialien, umso spezieller sind die Herausforderungen ihrer Oberflächenbearbeitung. Nachhaltige Materialien wie beispielsweise Biokunststoffe, Naturfasern, Recyclingwerkstoffe oder Holzverbunde sind weniger homogen als klassische Kunststoffe oder gar Metalle. Insbesondere Naturfasern wie Flachs, Hanf oder Jute haben unterschiedliche Dichten oder Laufrichtungen. Auch enthaltende Fremdpartikel fordern die maschinelle Oberflächenbearbeitung heraus.
Ähnlich wie textile Materialien neigen Naturfaserwerkstoffe zum Ausfransen, holzanteilige Materialien dagegen zum Splittern. Generell nehmen viele biobasierte Materialien Feuchtigkeit auf und verändern ihre Eigenschaften in puncto Härte, Maßhaltigkeit und Zerspanbarkeit. Sie können verquellen, verziehen oder nach der Oberflächenbearbeitung auch schwinden. Im Ergebnis sind schwankende Oberflächenqualitäten möglich.
Biokunststoffe können ähnlich wie ihre klassischen Verwandten schmieren, verfärben, schmelzen oder am Werkzeug verkleben. Nachhaltige Materialien können die Werkzeuge herkömmlicher Verfahren der Oberflächenbearbeitung somit verschleißen, zumal insbesondere Naturfasern oft mineralische Partikel enthalten, die wie Schleifmittel wirken. Gleiches gilt für Fremdstoffe in Sekundärrohstoffen wie beispielsweise Metall- oder Glaspartikel. Insgesamt ist das Bearbeitungsverhalten von nachhaltigen Materialien unvorhersehbar.
Eine Lösung für die Oberflächenbearbeitung nachhaltiger Materialien liegt in der Kombination von Laser- und optischen Technologien. Sie sorgen mithilfe des Laserabtrags für eine präzise sowie berührungslose Fertigung und schaffen eine optimale Prozessanapassung an Materialschwankungen.
Lesen Sie hier, wie Sacklöcher mit minimaler Restwandstärke durch Laserabtrag für eine einhundertprozentige Sicherheit von Airbag-Aufreißlinien sorgen.
Oberflächenbearbeitung mit Laser unterstützt Trends der Automobilindustrie:
- Aerodynamisches Design: klare Linien, glatte Flächen reduzierte Kanten
- Vollelektrischer Antrieb: laserstrukturierte Oberflächen von Batterieelektroden
- Nachhaltige Materialien: Interieur aus recyceltem Kunststoff, Bio-Leder, Kork oder Bambus
- Neue Mobilitätskonzepte: robuste Oberflächen für die „Shared Mobility“
- Flexible Massenfertigung: kundenspezifischer Ausdruck der Individualität
- Futuristische Front: geschlossenes Frontpanel mit durchgängigem Lichtband
- Begrüßungsanimation: personalisierte Lichteffekte
- Leuchtende Logos: Markendifferenzierung mit Lichtdesign
- Folien statt Lack: Farbauftrag für filigrane Muster und Bilder
- Autonomes Fahren: Sicherheit durch neue Airbag-Positionierungen
- Angepasstes Fahrerlebnis: Lichtfarben je nach Stimmung, Tageszeit und Fahrsituation
Mehr als leuchtende Logos: Wie funktioniert Lichtdesign mit transluzenten Oberflächenstrukturen?
Der Markt
Die Technologie
Ihre Lösung
Ob Lack- oder Folienabtrag in der Automobil- und Luftfahrindustrie oder zum Aufrauen von Bade- und Duschwannenoberflächen – die laserbasierte Bearbeitung beschichteter Oberflächen ermöglicht diverse Funktionen in Lichtdesign, Reinigung und Sicherheit.
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Oberflächenbearbeitung mit Laser: Was ist Laserabtrag?
Der fokussierte Lichtstrahl ermöglicht großflächigen Abtrag – genauso wie Mikrobearbeitung, Texturierung, Perforation oder Strukturierung von Oberflächen. Das Material verdampft, sodass sowohl sehr feine als auch tiefe Schichten berührungslos, materialschonend, gezielt und bis auf den Mikrometer genau entfernt werden können. Oberflächenstrukturierung dient beispielsweise dem optischen Gestalten von Oberflächen oder auch ihrem Aufrauen für eine bessere Haftung respektive dem Reduzieren der Reibung. Der Laser erzeugt dabei ultrafeine Strukturen auf der Materialoberfläche, die mechanisch kaum gelängen.
Beim flächigen Entschichten trägt der Laser dagegen oft Lacke, Oxidschichten oder dünne Metallfilme von der gesamten oder an vordefinierten Stellen der Werkstückoberfläche ab. Dies dient beispielsweise der Hinterleuchtung transparenter Trägermaterialien oder auch einfach der Reinigung sowie schonender Wiederaufarbeitung von Oberflächen bis hin zu ihrer keimfreien Formgebung.
Bei der Oberflächenbearbeitung mit Laser tragen wiederholte Impulse das Material bis zu einer gewünschten Tiefe ab. Somit dient die Laserbearbeitung von Oberflächen auch dem Mikrobohren oder der Gravur sowie dem Markieren von Bauteilen ohne mechanische Belastung. Gleiches gilt für die Oberflächenbearbeitung hitzeempfindlicher Produkte – sie erfolgt, mit dem richtigen Laser, ohne thermische Materialveränderungen.
