Laserunterstützte kühlmittelfreie Mikrozerspanung

Der Trend zur Miniaturisierung in vielen Bereichen der Automobilindustrie, der Mikrosystemtechnik, der Optik, des Maschinenbaus und der Konsumgüterindustrie stellt die Fertigungstechnologie vor die Herausforderung, immer kleinere Geometrieelemente, hauptsächlich mit mikro- und nanostrukturierten Oberflächen mit hoher Maßhaltigkeit und Oberflächengüte prozesssicher und kostengünstig herzustellen. Weiterhin sind bei der spanenden Verarbeitung (vor allem beim Schleifen) beträchtliche Mengen von Kühlschmiermitteln erforderlich, die gesundheits- und umweltgefährdende Eigenschaften haben und gleichzeitig hohe Kosten verursachen. Diese setzen sich aus den Beschaffungskosten, den Kosten für den Betrieb der Kühlschmierstoffzufuhr.

Zur Entwicklung einer kühlmittelreduzierten oder sogar kühlmittelfreien Bearbeitung muss der gesamte Bearbeitungsprozess grundlegend betrachtet und modelliert werden. Es bedarf neuer Ansätze zur Reduktion der entstehenden Prozesswärme und der erhöhten Wärmeverteilung durch die Späne und Werkzeuge, da bei thermischen Belastungen Abweichungen in der Maß- und Formgenauigkeit, Gefügeänderungen, Härteänderungen, Phasenumwandlungen, thermisch bedingte Eigenspannungen, Rissbildung und Brandmarken entstehen.

Die Optimierung der Mikrobearbeitung durch Schleifen und Fräsen soll durch jeweilige Hybridprozesse, d.h. Zerspanung mit vorgeschalteter Werkstoffbeeinflussung durch Laserbearbeitung realisiert werden. Diese bietet ein hohes Potential zur Überwindung der genannten Einschränkungen. Dazu ist eine Echtzeit-Steuerung erforderlich, die den Laserstrahl mit dem Werkzeugeingriff synchronisiert, so dass nur das zu zerspanende Werkstoffvolumen durch die Erwärmung und Risserzeugung entfestigt wird. Der Stand der Forschung wird durch die Bearbeitung von grundlegenden Fragestellungen in den laserunterstützten Zerspanverfahren hinsichtlich des Prozesses selbst, aber auch in Bezug auf die Messtechnik und Randzonenbeeinflussung weiterentwickelt. Forschungs- bzw. Entwicklungsbedarf besteht hier vor allem bei der Analyse der Trenn- und Ablationsmechanismen, der Erfassung und Analyse der Abtragskenngrößen, der Untersuchung der mechanischen Eigenschaften der Bauteile (Randzonenbeeinflussung) und der Integration der Präzisionsmesstechnik in den Prozess zur Erfassung von Zerspanprozess- und Werkstückkenngrößen während der Bearbeitung. In diesem Projekt wird ein Ultrakurzpulslaser eingesetzt, der eine optimierte Regelung der Laserbearbeitung bei gleichzeitiger Verringerung der Werkstückschädigung ermöglicht.

Durch die laserunterstützte kühlmittelfreie Mikrobearbeitung lässt sich eine ressourcenschonende und damit nachhaltige Mikrostrukturierung von Werkstoffen realisieren. Die Reduktion der Bearbeitungstemperaturen und –kräfte ermöglicht neben den eingesparten Kosten für Schmiermittel, deren Bereitstellung und Entsorgung eine Ressourcen effiziente Fertigung. Es lassen sich z.B. kleinere Spindeln einsetzen, Energieverbräuche und die CO2-Generation reduzieren (geringere Kräfte und Wegfall von Pumpen).

Partner

Albert-Ludwigs-Universität Freiburg

Förderung