Nástroje z tvrdých materiálů a keramiky, jako je karbid wolframu, jsou zvlášť odolné proti opotřebení. Pro jejich výrobu však nástroje opotřebovávají mnohem rychleji – pokud není nástroj laserový. Výzkumníci z Fraunhofer ILT nyní vyvinuli procesní řetězec, ve kterém je možné provádět tvarování a leštění komponentů z tvrdých materiálů pomocí ultrakratkých pulzních (UKP) laserů, aniž by bylo nutné měnit upnutí.
Vrtáky, frézovací hlavy, válce nebo také razicí nástroje z keramických tvrdých materiálů mají nejen ostrost, ale také vydrží výrazně déle. Ačkoli jejich odolnost proti opotřebení pozitivně ovlivňuje životnost ve výrobě, je to problematické při výrobě těchto nástrojů. Nástroje používané pro jejich tvarování a povrchovou úpravu se totiž obrušují na zde použitých směsných karbidových tvrdých kovech, cermetech a keramikách. Odpovídající vysoké je opotřebení, pokud výrobci spoléhají na mechanické zpracovatelské metody.
UKP laser působí tam, kde mechanické metody narazí na své limity
S ultrakratkými laserovými pulzy je to jinak. Již komerčně dostupné UKP lasery s výkonem 20 až 40 wattů jsou schopny efektivně odstraňovat tvrdé materiály používané ve výrobě nástrojů. Když se jejich krátké, vysoce energetické pulzy dostanou na povrch, materiál se odpařuje. Protože se to děje s frekvencemi v MHz oblasti, dosahuje laserové odstraňování materiálu plochových rychlostí až 100 cm² za minutu. Ale s touto tvarující evaporací materiálů není potenciál UKP zpracování vyčerpán.
Výzkumníci z Fraunhoferova institutu pro laserovou techniku ILT v Aachenu vyvinuli procesní řetězec, ve kterém stejný UKP laser provádí jak tvarující odstranění materiálu, tak následné leštění povrchů nástrojů. „UKP laser je univerzální nástroj, s nímž realizujeme různé zpracovatelské kroky, částečně ve stejném upnutí,“ říká Sönke Vogel, vedoucí týmu 3D strukturování na Fraunhofer ILT, který tuto metodu vyvinul spolu s Astrid Saßmannshausen, vedoucí týmu pro strukturování transparentních materiálů.
Klíč k propojení procesních kroků spočívá v parametrizaci laseru: Zatímco odstranění materiálu probíhá s vysokou energií pulzů a nízkou opakovací frekvencí, u leštění je to naopak. UKP laser dodává s pulzovou frekvencí až 50 MHz energii do povrchu obrobku, která se tam akumuluje a roztaví horních 0,2 – 2 mikrometry. Materiál se neodpařuje, ale vytváří roztavený film, který se v důsledku povrchového napětí sám vyhladí a při chlazení ztuhne. Také povrchové vlastnosti jsou říditelné prostřednictvím vedení procesu. „S UKP laserovým leštěním je například možné vyhladit mikro nerovnosti při zachování makroskopických struktur,“ vysvětluje Saßmannshausen. Dále je pomocí laserového procesu možné leštit složité 3D povrchy s mikrometrovou přesností. Také selektivní leštění vybraných oblastí je možné, aby se cíleně nastavily povrchové vlastnosti nebo aby se leštily pouze potřebné oblasti, což opět šetří čas. UKP leštění doplňuje laserové makro- a mikroleštění o ještě přesnější a lokálně aplikovatelný přístup k leštění povrchů.
Efektivní proces pro průmyslové zpracování tvrdých materiálů
V závislosti na procesních požadavcích dosahuje laserové leštění plochových rychlostí od deseti do 100 cm² za minutu a téměř tak drží krok s plochovými rychlostmi předchozího odstranění materiálu. „Kombinace obou procesů s jedním laserem ve stejném upnutí umožňuje firmám rozšířit svou nabídku pomocí již existujících UKP laserů nebo výrazně urychlit návratnost po novém pořízení,“ říká Saßmannshausen.
Především je však vhodné nahradit mechanické metody při zpracování tvrdých materiálů a tím ukončit částečně obrovské opotřebení nástrojů při jejich výrobě. To přispívá nejen ke snížení nákladů, ale také konkrétně k větší efektivitě využívání zdrojů a energie. Podle Saßmannshausen a Vogela není potenciál kombinace procesů zdaleka vyčerpán. S rychlejšími polygonovými skenery, vyššími laserovými výkony a zvětšenými laserovými body je možné výrazně zvýšit plochové rychlosti. Zainteresované průmyslové partnery zveme, aby společně s výzkumným týmem Fraunhofer ILT podnikli kroky k optimalizaci.
Kontakt:
