Sandstrahlen mit Lichtgeschwindigkeit: Das Fraunhofer IWS setzt statt der Sandkörner energiereiches Licht ein, um zu reinigen und aufzurauen – zum Beispiel die Oberfläche von Bremsscheiben. Dafür entwickelten Forschende ein laserbasiertes Verfahren, das Reinigungs- und Strukturierungsaufgaben deutlich schneller realisiert als herkömmliche Verfahren und im Serieneinsatz niedrigere Betriebskosten verursachen soll. (Bild: René Jungnickel/Fraunhofer IWS)
So funktioniert Lasersandstrahlen
- Lasersandstrahlen, auch bekannt als Laserablation, ist ein Prozess, bei dem ein Laserstrahl verwendet wird, um Material von einer Oberfläche zu entfernen, ähnlich wie beim Sandstrahlen. Der Unterschied besteht darin, dass beim Lasersandstrahlen ein fokussierter Laserstrahl verwendet wird, um das Material von der Oberfläche zu entfernen, anstatt dass ein abrasives Strahlmittel verwendet wird.
- Das Lasersandstrahlen ist ein präzises Verfahren und kann sehr gezielt eingesetzt werden, um spezifische Bereiche auf der Oberfläche zu bearbeiten. Es ist auch ein berührungsloses Verfahren, was bedeutet, dass keine physischen Werkzeuge oder abrasive Partikel verwendet werden, um das Material zu entfernen.
- Der Prozess beginnt mit der Vorbereitung der Oberfläche, indem eine Schicht aus Material entfernt wird, um den Bereich freizulegen, der gestrahlt werden soll. Der Laserstrahl wird dann auf die Oberfläche gerichtet und auf den Bereich fokussiert, der bearbeitet werden soll. Der Laserstrahl erhitzt das Material und verdampft es, was zu seiner Entfernung von der Oberfläche führt. Der abgetragene Materialabtrag wird durch ein Absaugsystem abgesaugt.
- Je nach den Anforderungen des Projekts kann ein Lasersandstrahlungsverfahren verwendet werden, um Material präzise zu entfernen, ohne die umgebende Oberfläche zu beschädigen oder Veränderungen der chemischen Eigenschaften des Materials hervorzurufen. Es wird oft in der Fertigung, Restaurierung und in der Oberflächenbearbeitung eingesetzt.
Sandstrahlen war gestern. Präziser, günstiger und umweltschonender als es konventionelle Anlagen vermögen, eignen sich Laserstrahlen, um Oberflächen zu reinigen und zu strukturieren. Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden hat dafür die Technologie 'LIGHTblast' entwickelt und transferiert sie nun in die Zulieferindustrie des Automobilbaus, in die Halbleiterfertigung und in weitere Branchen.
Die Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer IWS sehen ein erhebliches ökologisches und ökonomisches Potenzial: "Das ist wie Sandstrahlen mit Lichtgeschwindigkeit", erklärt Dr. Patrick Herwig, Leiter der Gruppe Laserschneiden am Institut. "Wir ermöglichen es damit der Industrie, Anlagen und Bauteile schneller, umweltfreundlicher und sauberer als bisher zu bearbeiten. Außerdem ist unser Verfahren im Serieneinsatz preiswerter als das klassische Sandstrahlen, wenn man die gesamte Fertigungskette betrachtet. Wir sind uns sicher, dass sich Lasertechnik für die Unternehmen lohnt." Erste Anwendungsbeispiele bereitet das Fraunhofer IWS derzeit mit verschiedenen Endanwendern vor. Dort könnten die Laseranlagen schon bald nach und nach die Sandstrahlanlagen ersetzen.
Energiereiches Licht statt Sandstrahlanlagen
Das Marktpotenzial ist groß. Denn die Zahl der Branchen, in denen klassische Sandstrahlanlagen zum Einsatz kommen, wächst: Sie entfernen nicht nur Verschmutzungen auf unterschiedlichsten Bauteilen, sondern rauen diese vor der Beschichtung auch definiert auf und optimieren so das Ergebnis des Beschichtungsprozesses. Gelegentlich setzen sich Sandpartikel in der behandelten Oberfläche fest, die auch nach intensiver Reinigung als Defekt zurückbleiben.
Bei herkömmlichen Verfahren beschleunigt ein Druckluftstrahl den Sand mit hoher Geschwindigkeit auf die zu bearbeitende Oberfläche. Die scharfkantigen Sandpartikel reißen Teile der Oberfläche mit sich, wobei die scharfen Kanten abgeschliffen werden und sich mit dem entstehenden Staub vermischen. Mit jedem Einsatz wird das Strahlmittel stärker verunreinigt und ständig verrundet. Das Prozessergebnis verschlechtert sich kontinuierlich. Am Ende muss das Gemisch als Sondermüll entsorgt werden, was die Umwelt belastet und zusätzliche Kosten verursacht.
"Wir arbeiten gewissermaßen mit einem Skalpell statt mit einer Keule", erklärt Patrick Herwig bildhaft. Wie rau die Oberfläche am Ende wird, lässt sich mit der neuen Methode ebenfalls sehr fein justieren.
Bessere Ökobilanz der Fertigungsprozesse mittels Lasertechnologie
Neben Kosten- und Qualitätsvorteilen gewinnt für viele industrielle Anwender die Ökobilanz ihrer Fertigungsprozesse zunehmend an Bedeutung. So entfallen nicht zuletzt viele Vor- und Nachbereitungsschritte: Die lichtbasierte Bearbeitung kommt ohne Reinigungschemie aus. Die Laserstrahlanlage bearbeitet präzise nur die gewünschten Flächen, verbraucht weder Sand noch Abdeckmaterial und spart damit Sondermüll und Klebebandabfälle. Der Laserstrahl verdampft Teile der Oberfläche, der sich ausdehnende Dampf reißt feste Bestandteile mit sich und erzeugt zusätzlich eine definierte Rauheit.
Diese und weitere Vorteile des Lichtsandstrahlens haben bereits mehrere Industrieunternehmen erkannt. Gemeinsam mit den Fraunhofer-Forschern wollen sie die Technologie nun schrittweise in die Fertigungspraxis überführen. So entwickelt das Fraunhofer IWS gemeinsam mit C4 Laser Technology das Verfahren weiter, um Hartstoffschichten mittels Lasertechnologie zu strukturieren und die Endbearbeitung hinsichtlich Kosten und Umweltverträglichkeit entscheidend zu verbessern.
Vorteile beim Sandstrahlen mit dem Laser
- Das wichtigste beim Sandstrahlen mit Sand ist, die richtige Ausrüstung und Schutzausrüstung zu verwenden, um sowohl den Bediener als auch die Umgebung zu schützen. Dazu gehören eine geeignete Atemschutzmaske, Schutzbrille, Handschuhe und Schutzkleidung. Diese Vorkehrungen fallen beim 'Sandstrahlen' mit einem Laser weg.
- Zusätzlich ist es wichtig, das richtige Strahlmedium auszuwählen, das auf das Material und die Oberfläche, die bearbeitet werden soll, abgestimmt ist. Eine falsche Auswahl kann das Material beschädigen oder zu einer ungleichmäßigen Oberfläche führen. Beim Laser ist das 'Strahlmedium' unverändert - nämlich der Laserstrahl.
- Die Einstellungen des Sandstrahlgeräts müssen ebenfalls sorgfältig eingestellt werden, um sicherzustellen, dass der Strahlwinkel, der Druck und die Düse richtig eingestellt sind. Zu hoher Druck kann das Material beschädigen und zu niedriger Druck kann zu ungleichmäßigen Ergebnissen führen. Auch die hier genannten Einstellungen erübrigen sich beim Lasereinsatz.
Laserbasierter Fertigungsprozess: Bremsscheiben mit weniger Feinstaub
"Jede Bremsscheibe ist anders", sagt René Bischoff, Chief Technology Officer bei C4 Laser Technology aus Freital bei Dresden. "Faktoren wie die chemische Materialzusammensetzung, Abkühlgeschwindigkeiten, der Zustand der Bearbeitungswerkzeuge oder die oberflächennahe Graphitstruktur sind nur ein paar wenige Parameter, die einen nicht unerheblichen Einfluss auf den Beschichtungsprozess von Graugussoberflächen ausüben. Zusammen mit dem Fraunhofer IWS haben wir ein Weg gefunden, um den Reibband-Oberflächenzustand des Bremsscheibenrohlings vor der Beschichtung zu normieren. So ist es uns gelungen, den Normierungsprozess vollständig automatisierbar und kostengünstig zu gestalten und die Prozessfähigkeit zu steigern."
Als Teil der Fertigungskette trägt das Verfahren so zu einer bezahlbaren Bremsscheibe bei, deren deutlich verlängerte Lebensdauer künftig für weniger Feinstaub im Straßenverkehr sorgt. Das Dresdner Institut bringt in das Projekt unter anderem seine Expertise bei der Auslegung von laserbasierten Fertigungsprozessen sowie bei der Entwicklung von Software zur Prozesssteuerung ein.
Generell kann das neue Verfahren überall dort eingesetzt werden, wo Bauteile gereinigt, vorstrukturiert oder aufgeraut werden müssen, um sie anschließend beschichten zu können. Weitere Entwicklungsschritte sind dafür geplant.
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