Narzędzia z twardych materiałów i ceramiki, takie jak węglik tungstenowy, są szczególnie odporne na zużycie. Jednak narzędzia używane do ich produkcji zużywają się znacznie szybciej – chyba że narzędzie jest laserowe. Naukowcy z Fraunhofer ILT opracowali teraz łańcuch procesów, w którym formowanie i polerowanie elementów twardych można zrealizować za pomocą lasera ultrakrótkiego (UKP) bez zmiany mocowania.
Wiertła, głowice frezarskie, walce czy wkłady do wykrawania z ceramicznych materiałów twardych nie tylko mają ząb, ale również wytrzymują znacząco dłużej. Jednak tak pozytywny wpływ ich odporności na zużycie na czas pracy w produkcji jest problematyczny w produkcji tych narzędzi. Narzędzia używane do ich formowania i obróbki powierzchniowej zdzierają zęby na stosowanych tutaj mieszanych węglikach, cermetach i ceramice. W związku z tym zużycie jest wysokie, gdy producenci polegają na procesach obróbczych.
Laser UKP działa tam, gdzie procesy mechaniczne napotykają ograniczenia
To jest inaczej z ultrakrótkimi impulsami laserowymi. Już dostępne na rynku lasery UKP o mocy 20 do 40 watów są w stanie efektywnie usunąć twarde materiały stosowane w budowie narzędzi. Gdy ich krótkie, trwające kilka pikosekund, wysokiej energii impulsy trafiają na powierzchnie, materiał paruje. Ponieważ dzieje się to z częstotliwościami w zakresie MHz, usuwanie materiału laserem osiąga prędkości powierzchniowe do 100 cm² na minutę. Jednak z tą formującą parowaniem materiałów potencjał obróbki UKP nie jest wyczerpany.
Naukowcy z Instytutu Fraunhofera Techniki Laserowej ILT w Akwizgranie opracowali łańcuch procesów, w którym ten sam laser UKP realizuje zarówno usuwanie materiału formującego, jak i następne polerowanie powierzchni narzędzi. „Laser UKP to uniwersalne narzędzie, za pomocą którego realizujemy różne kroki obróbcze, częściowo w tym samym mocowaniu”, mówi Sönke Vogel, kierownik zespołu 3D-Strukturabtrag w Fraunhofer ILT, który wspólnie z Astrid Saßmannshausen, kierownikiem zespołu do strukturyzacji przezroczystych materiałów, rozwijał tę metodę.
Klucz do połączenia kroków procesów leży w parametryzacji lasera: podczas usuwania materiału odbywa się to z wysoką energią impulsu i niską częstotliwością powtarzania, podczas gdy w przypadku polerowania jest odwrotnie. Laser UKP wprowadza energię do powierzchni elementu z częstotliwością impulsów do 50 MHz, która tam się akumuluje i topi górne 0,2 – 2 mikrometry. Materiał nie paruje, lecz tworzy film topniejący, który w wyniku napięcia powierzchniowego wygładza się samodzielnie i zastyga podczas chłodzenia. Również właściwości powierzchniowe są kontrolowane przez prowadzenie procesu. „Dzięki polerowaniu laserem UKP możliwe jest na przykład wygładzanie mikro-nierówności przy zachowaniu makroskopowych struktur”, wyjaśnia Saßmannshausen. Ponadto, dzięki metodzie laserowej możliwe jest polerowanie złożonych powierzchni 3D z mikrometrową precyzją. Możliwe jest również selektywne polerowanie wybranych obszarów, aby celowo dostosować właściwości powierzchni lub polerować tylko niezbędne obszary, co z kolei oszczędza czas. Polerowanie UKP uzupełnia makro- i mikropolowanie laserowe o jeszcze dokładniejsze i lokalnie stosowane podejście do polerowania powierzchni.
Efektywna metoda do przemysłowej obróbki twardych materiałów
W zależności od wymagań procesu polerowanie laserowe osiąga prędkości powierzchniowe od dziesięciu do 100 cm² na minutę i w ten sposób niemal dorównuje prędkościom powierzchniowym wcześniejszego usuwania materiału. „Połączenie obu procesów za pomocą jednego lasera w tym samym mocowaniu pozwala firmom rozszerzyć swoją ofertę o już posiadane lasery UKP lub znacząco przyspieszyć amortyzację po nowym zakupie”, wyjaśnia Saßmannshausen.
Przede wszystkim jednak nadaje się do zastąpienia procesów mechanicznych w obróbce twardych materiałów i tym samym zakończenia częściowo ogromnego zużycia narzędzi w ich produkcji. Przyczynia się to nie tylko do obniżenia kosztów, ale także konkretnie do większej efektywności zasobów i energii. Według Saßmannshausen i Vogela potencjał kombinacji procesów wciąż nie został w pełni wykorzystany. Dzięki szybszym skanerom poligonowym, wyższym mocą laserów i powiększonym plamom laserowym możliwe jest znaczne zwiększenie prędkości powierzchniowych. Zainteresowani partnerzy przemysłowi są zaproszeni do wspólnego podjęcia kroków optymalizacyjnych z zespołem badawczym Fraunhofer ILT.
Kontakt:
