Überlegene Oberflächentechnik 23.09.2022, 12:52 Uhr

Wie funktioniert „Sandstrahlen“ mit Licht?

Sandstrahlen, wie es bisher bekannt ist, „war gestern“. Präziser, günstiger und umweltschonender als mit konventioneller Anlagentechnik sind Laserstrahlen geeignet, um Oberflächen zu reinigen und zu strukturieren.

"Sandstrahlen" mit Lichtgeschwindigkeit: Anstelle der Sandkörner wird energiereiches Licht genutzt, um zu reinigen und aufzurauen – zum Beispiel die Oberfläche von Bremsscheiben. Foto: René Jungnickel/Fraunhofer IWS

"Sandstrahlen" mit Lichtgeschwindigkeit: Anstelle der Sandkörner wird energiereiches Licht genutzt, um zu reinigen und aufzurauen – zum Beispiel die Oberfläche von Bremsscheiben.

Foto: René Jungnickel/Fraunhofer IWS

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. Mit dieser Lasertechnologie lassen sich Oberflächen besonders schnell sowie umweltschonend reinigen oder aber mit Oberflächenstrukturen versehen.

Die Chancen sind immens

Die Forschenden des Fraunhofer IWS sehen erhebliches ökologisches und ökonomisches Potenzial: „Das ist wie Sandstrahlen mit Lichtgeschwindigkeit“, erläutert Dr. Patrick Herwig, der am Institut die Gruppe Laserschneiden leitet. „Wir bieten der Industrie damit die Möglichkeit, 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 die Sandstrahlanlagen nach und nach ablösen. Und das Marktpotenzial ist erheblich. Denn die Zahl der Branchen, in denen klassische Sandstrahlanlagen zum Einsatz kommen, nimmt zu. Die Anwender beseitigen damit nicht nur Verunreinigungen auf verschiedensten Bauteilen, sondern rauen diese vor einer Beschichtung definiert auf und wollen so das Ergebnis eines Beschichtungsprozesses optimieren.

Energiereiches Licht ersetzt Sandkörner – mit Vorteilen für die Umwelt

Ein Nachteil des bisher üblichen Verfahrens: Gelegentlich setzen sich Sandpartikel in der behandelten Oberfläche fest, die auch nach intensiver Reinigung als Defekt zurückbleiben. Bei den herkömmlichen Methoden beschleunigt ein Druckluftstrahl den Sand mit hoher Geschwindigkeit auf die zu bearbeitende Oberfläche. Die scharfkantigen Sandpartikel reißen Teile der Oberfläche mit sich, wobei sich die scharfen Kanten abnutzen und sich mit dem entstehenden Staub vermischen. Mit jedem Einsatz verunreinigt das Strahlmedium mehr und wird stetig rundgeschliffen. Das Prozessergebnis verschlechtert sich kontinuierlich. Letztlich muss das Gemisch als Sondermüll entsorgt werden, was die Umwelt belastet und zusätzliche Kosten verursacht.

Der Prozess lässt sich mit positiven Auswirkungen auf Qualität, Prozesskontrolle und Arbeitsschutz automatisieren. Das System arbeitet zudem deutlich präziser als eine Sandstrahlanlage, da ein Laserstrahl mit weniger als 50 Mikrometern Durchmesser einen mehrere Zentimeter breiten Partikelstrom ersetzt.

Foto: René Jungnickel/Fraunhofer IWS

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Das Fraunhofer IWS setzt statt der Sandkörner energiereiches Licht ein, um zu reinigen und aufzurauen. Dafür entwickelten Forschende das laserbasierte Verfahren Lightblast, das Reinigungs- und Strukturierungsaufgaben deutlich schneller realisiert als herkömmliche Verfahren und zudem im Serieneinsatz niedrigere Betriebskosten verursachen soll. Der Prozess lässt sich außerdem mit positiven Auswirkungen auf Qualität, Prozesskontrolle und Arbeitsschutz leichter automatisieren.

Zudem arbeitet das System deutlich präziser als eine Sandstrahlanlage, da ein Laserstrahl mit weniger als 50 Mikrometern Durchmesser (also Tausendstel Millimeter) einen mehrere Zentimeter breiten Partikelstrom ersetzt. „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.

Ökologische Bilanz ist deutlich überlegen

Abgesehen vom Kosten- und Qualitätsvorteil, erhält für viele Industrieanwender die ökologische Bilanz ihrer Fertigungsprozesse ein immer größeres Gewicht. Die Vorteile des neuartigen Verfahrens können überzeugen: So fallen bei Lightblast nicht zuletzt viele Vor- und Nachbereitungsschritte weg. Und das lichtbasierte Bearbeiten kommt ohne Chemikalien für die Reinigung aus. Die Laser-Strahlanlage bearbeitet präzise ausschließlich die gewünschten Flächen, verbraucht dabei weder Sand noch Material zum Abkleben und spart somit Sondermüll sowie Klebebandabfall ein. Der Laserstrahl verdampft Teile der Oberfläche, der expandierende Dampf reißt feste Bestandteile mit sich und erzielt ebenfalls eine definierte Rauheit.

Diese und weitere Vorteile des „Lichtsandstrahlens“ haben bereits mehrere Industrieunternehmen erkannt. Sie wollen die Technologie nun schrittweise gemeinsam mit den Fraunhofer-Forschern in die Fertigungspraxis überführen. Beispielsweise entwickelt das Fraunhofer IWS mit der Firma C4 Laser Technology in Freital das Verfahren weiter, um Hartstoffbeschichtungen mittels Lasertechnik zu strukturieren. Das übergeordnete Ziel lautet, die Endbearbeitung mit Blick auf Kosten und Umweltverträglichkeit entscheidend zu verbessern.

Die Laser-Strahlanlage bearbeitet präzise ausschließlich die gewünschten Flächen, verbraucht dabei weder Sand noch Material zum Abkleben und spart somit Sondermüll sowie Klebebandabfall ein.

Foto: René Jungnickel/Fraunhofer IWS

Dabei setzen sie auf die Vorteile des Verfahrens Lightblast, hier auf einen Blick zusammengefasst:

  • 100-mal schneller als bekannte Mikrostrukturierung mit Bearbeitungsgeschwindigkeit von bis zu 10 cm²/s,
  • Einfache Substitution durch Nutzung identischer Medienanschlüsse wie bei Sandstrahlanlage,
  • Vermeidung von Strahlmitteln und Abkleben verhindert Bauteilverunreinigung, Abfall und Betriebskosten,
  • Definition zu bearbeitender Flächen mittels CAD per Mausklick,
  • Rauheit von Rz = 2 µm bis 200 µm präzise wählbar.

Erprobung im Praxiseinsatz am Beispiel Bremsscheiben

„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 dafür sorgt, dass künftig weniger Feinstaub im Straßenverkehr entsteht.

Das Dresdner Institut bringt dabei unter anderem seine Expertise in der Konzeption laserbasierter Fertigungsverfahren sowie in der Software-Entwicklung für die Prozesskontrolle ein. Generell lässt sich die neue Methode überall dort einsetzen, wo Bauteile gereinigt, vorstrukturiert oder aufgeraut werden müssen, um sie anschließend zu beschichten. Dafür sind weitere Entwicklungsschritte geplant.

Innovativer Projektpartner trägt zur Serienreife bei

C4 Laser Technology ist ein Technologieentwickler und Lizenzgeber von Oberflächenbeschichtungen für Bremsscheiben mit Einsatz in der Automobilindustrie sowie für Einsatzfälle im industriellen Anlagenbau. Das Unternehmen befasst sich mit der Entwicklung und Produktion neuer Beschichtungsmaterialien. Dabei handelt es sich um Langzeit-Korrosionsschutzlösungen, erstmalig auch für die gesamte Lüfterkanalstruktur, sowie um verschleißreduzierende Schichtsysteme auf Reibbändern.

Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden fungiert – nicht nur in diesem Gemeinschaftsprojekt – als „Ideentreiber“: Es entwickelt komplexe Systemlösungen in der Laser- und Werkstofftechnik, die von der Individuallösung über kosteneffiziente Mittelstandslösungen bis hin zu industrietauglichen Komplettlösungen reichen. Die Forschungsschwerpunkte liegen in den Branchen Luft- und Raumfahrt, Energie- und Umwelttechnik, Automobilindustrie, Medizintechnik, Maschinen- und Werkzeugbau, Elektrotechnik und Mikroelektronik sowie Photonik und Optik.

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