Werkzeuge

Werkzeugbauteile müssen oft aufwändig von Hand poliert werden. Fachkräfte glätten die Oberfläche der Special Tools dabei mit Schleifstein und Polierpaste. Im Durchschnitt brauchen sie dafür zehn Minuten pro Quadratzentimeter. Das kommt teuer. Viele Unternehmen haben es zudem schwer, Nachwuchskräfte für solch anspruchsvolle, gleichzeitig aber monotone Arbeit zu finden. Das Polieren könnte indes bald automatisiert und schneller geschehen: Gemeinsam mit der Maschinenfabrik Arnold und der S+F Systemtechnik haben Forscher des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik (ILT) in Aachen eine Werkzeugmaschine entwickelt, die auch komplexe Oberflächen poliert. Dies geschieht mit Hilfe von Laserstrahlen. „Während konventionelle Verfahren Unebenheiten an der Oberfläche abtragen, schmilzt der Laser eine dünne Randschicht von etwa 20 µm bis 100 µm an der Oberfläche an“, sagt ILT-Gruppenleiter Edgar Willenborg. Eben diese Schicht verflüssige sich und werde anschließend durch die physikalisch immer vorhandene Spannung der Oberfläche glatt gezogen.
Abhängig vom Werkstoff, erreichen die Projektpartner mit ihrem Verfahren bereits eine Oberflächengüte von einem Mittenrauhwert Ra von 0,1 µm bis 0,4 µm. „Beim manuellen Polieren lassen sich zwar noch bessere Ergebnisse erzielen“, räumt Willenborg ein. „Für viele Branchen ist aber eine mittlere Oberflächenqualität ausreichend, etwa beim Fertigen von Formen für die Glasherstellung oder von Umform- und Schmiedewerkzeugen.“ Bei deren Herstellung könnte sich mit der Neuentwicklung des Aachener Instituts künftig Zeit und Geld sparen lassen: Die Maschine bearbeitet eine Fläche bis zu zehnmal schneller als ein Handpolierer und ist bestens für die Serienproduktion sowie das Polieren kleiner Stückzahlen geeignet. Die Laser-Polieranlage besteht aus einer fünfachsigen Portalmaschine und einem zusätzlichen dreiachsigen Laserscanner. Dank dieser Konstruktion ist das Werkstück von allen Seiten zugänglich. Ein Spiegelsystem lenkt die Laserstrahlung dabei so um, dass hohe Vorschubgeschwindigkeiten – der Weg, den der Laserstrahl in Vorschubrichtung in einer bestimmten Zeit am Werkstück entlang zurücklegt – von über einem Meter pro Sekunde auch auf kleinen Flächen erreicht werden. Auch eine durchgängige CAM-NC-Datenkette existiert bereits: Ausgangspunkt ist ein 3D-CAD-Modell des zu polierenden Bauteils. Anhand dieses Modells werden die Bahndaten für den Laserstrahl berechnet. „Für diesen Schritt nutzen wir konventionelle Computer-Aided-Manufacturing-Programme (CAM), wie sie auch beim Fräsen eingesetzt werden. Das hat den Vorteil, dass das Programm in der Regel bereits im Betrieb vorhanden ist. Die Mitarbeiter sind dann in der Bedienung geschult“, erläutert Willenborg. Anschließend werden die ermittelten Bahndaten an eine spezielle, am ILT entwickelte Postprozessor-Software übergeben. Diese passt beispielsweise den Laser an den jeweiligen Einstrahlwinkel oder die Bauteilkanten an. Nicht zuletzt bietet die neue Bearbeitungstechnologie Vorteile bei der Maschinenentwicklung: „Indem wir mit einem völlig neuen Wirkprinzip arbeiten, können die entsprechenden Maschinen viel leichter gebaut werden“, sagt Willenborg. „Denn im Gegensatz zu konventionellen Verfahren ist beim Laserpolieren nicht die Steifigkeit der Maschine ausschlaggebend für die Bauteilqualität, sondern die Physik der Oberflächenspannung.“ Die Laser-Polieranlage steht kurz vor der Einsatzreife. Auf der Messe Euromold stellen die Forscher ihre Neuentwicklung erstmals vor.

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