Reproduzierbare Qualität in der Bauteilreinigung

Oberflächen 10. 12. 2016
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Von Edwin Büchter, Clean-Lasersystems GmbH, Herzogenrath

Durch die steigenden Anforderungen an die Bauteilqualität und den immensen Kostendruck ist es für die produzierenden Unternehmen umso wichtiger, hohe Ausschussraten durch Fertigungsfehler, basierend auf unzureichende Reinigung beziehungsweise Vorbehandlung, zu vermeiden. Die Reinigung von Bauteilen hat daher eine wesentliche Bedeutung in der Prozesskette. Aufgrund seiner Präzision, der leichten Auto­matisierbarkeit und der reproduzierbaren Qualität für die Reinigung spielt das Laserverfahren eine immer wichtigere Rolle. Hinzu kommen der relativ geringe Energiebedarf, der Verzicht auf Reinigungs­medien und die damit verbundene nachhaltige Wirkung.

Die Clean-Lasersysteme GmbH (cleanLASER) in Herzogenrath hat sich vor allem auf die Formen- und Werkzeugreinigung, Entlackung und Entschichtung sowie die Reinigung und Modifikation von metallischen Oberflächen spezialisiert.

Funktionsprinzip

Die hohe Energiedichte der Laserstrahlung wird von der Schmutzschicht absorbiert und führt zum Verdampfen der Kontaminationen. Das Werkstück ist sofort für den nächsten Prozessschritt bereit. Das Laserlicht wirkt nur sehr kurz auf die Oberfläche ein. Die typische Pulsdauer liegt im Bereich von 100 ns. Daher ist der Wärmeeintrag ­äußerst gering. Das metallische Grundmaterial wird nicht beschädigt. Durch eine Anpassung der Arbeitsparameter ist es allerdings auch möglich, im selben Arbeitsgang die Oberfläche gezielt zu modifizieren.

Die positiven Eigenschaften der Bearbeitung mit Laser sind besonders in der Klebe- ­beziehungsweise Beschichtungsvorbehand­lung interessant. Dort soll durch möglichst kurze Bearbeitungsunterbrechungen eine Rekontamination der Bauteile verhindert werden. Gleichzeitig erzielt die Laserreinigung eine Verbesserung der Lack- beziehungsweise Klebstoffhaftung.

Formen- und Werkzeugreinigung

Auch hartnäckige Trennmittel- oder Prozessrückstände werden mit der Lasertechnik präzise entfernt, ohne Strahlmittel zu hinterlassen oder Schädigungen an empfindlichen Formoberflächen zu verursachen (Abb. 1). Damit erhöht sich die Lebensdauer der Formen und Werkzeuge deutlich.

Abb. 1: Großfläche Reinigung von Formen

 

Die Lasersysteme lassen sich leicht automatisieren und die Abläufe sind exakt reproduzierbar. Zu den Anwendungsfeldern zählen die Reinigung von metallischen Kunststoff- und Vulkanisierwerkzeugen, von Formen zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen, von Druckwalzen oder auch von heißen Backformen. Beim Entfernen von Prozessrückständen im Bereich Leichtbau liegt die Reinigungsbreite bei bis zu 100 mm. Es lassen sich Reinigungsgeschwindigkeiten von über 15 m² pro Stunde erzielen. Die Anwendung ist luftfahrtzertifiziert und wird zunehmend in der Auto­mobilindustrie eingesetzt.

Entlackung und Entschichtung

Neben dem punktgenauen sowie großflächigen Entlacken ist auch ein selektiver Abtrag (Schicht für Schicht) möglich. Typische Anwendungen sind das Erzeugen von Massekontaktpunkten und -flächen, das lokale Entlacken von verzinktem Stahlblech ohne Verlust der Korrosionsbeständigkeit sowie der Abtrag von Eloxal- und Bedampfungsschichten. Häufig wird der cleanLASER auch zum partiellen Entlacken bei der Löt-,
Schweiß- und Klebevorbehandlung eingesetzt.

Beispiel Luftfahrtindustrie

In der Luftfahrtindustrie werden die Lasersysteme häufig zur präzisen punktuellen Entlackung genutzt. Das sogenannte Laser-Mirroring ist patentiert und zertifiziert. Das beschädigungsfreie Verfahren vermeidet durch die homogenisierte Strahlverteilung die Generierung von Zugeigenspannungen in der Bauteiloberfläche. Auch von empfindlichen, platierten Aluminiumbauteilen können durch Anodisierung aufgebrachte Oxidschichten und Lacke rückstandsfrei für die elektrische Massekontaktierung entfernt werden (Abb. 2). Die laserbearbeiteten Teile bleiben bei geringem Übergangswiderstand über 100 Stunden lagerfähig.

Abb. 2: Präzises Entfernen einer Oxidschicht eines anodisierten Aluminiumteils ersetzt aufwendige Maskiertechnik

 

Fügevorbehandlung im Getriebe- und Antriebsstrang

Das Laserverfahren wird im Bereich Power Train sowohl zum Entfetten bei der Schweißvorbehandlung als auch zum Reinigen von Dichtflächen eingesetzt. Der Platzbedarf eines Lasersystems ist mit etwa 2 m² im Vergleich zu konventioneller Technik mit bis zu 30 m² sehr gering. Das System lässt sich direkt in die Linie integrieren. Zudem werden keine Reinigungsmedien oder Waschmittel eingesetzt, sodass auch deren Entsorgung entfällt.

Das Laserverfahren benötigt bis zu elfmal weniger Energie als konventionelle Technik. Die Kosteneinsparung liegt je nach Größe bei mehr als zehn Cent pro Bauteil.

Reinigung und Modifikation von Oberflächen

Die Laserreinigung schafft oxid- und fettfreie Oberflächen, die sich als ideale Verbindungsstellen eignen, zum Beispiel zum Beschichten, Schweißen und Kleben. Durch das rückstandsfreie Entfernen der organischen Verbindungen ist eine Verdampfung von Ölrückständen und Konservierungsstoffen während des thermischen Schweißprozesses ausgeschlossen. Fehlstellen in der Naht werden so verhindert.

Ein wesentlicher Vorteil der Laserreinigung besteht in der partiellen Anwendbarkeit. Die Bauteile werden beispielsweise zur Schweißvorbehandlung nur an ihrer Funktionsfläche, also im Schweißnahtbereich (Abb. 3), gereinigt und müssen nicht komplett entfettet werden. Die bisher übliche komplette Abreinigung eines Bauteils hat es erforderlich gemacht, nach dem Schweißen wieder aufwendig eine Konservierung aufzubringen.

Abb. 3: Laserreinigung einer Schweißnaht

 

Je nach Einstellung der Parameter sind Mikrorauigkeiten oder Modifikationen der Oberfläche erzielbar. Die mikrokristalline Struktur in der Grenzschicht reduziert die Korrosionsanfälligkeit, sodass sich die Langzeitstabilität der Verklebung nachweislich deutlich verlängert.

Gleichzeitig bildet sich auf Leichtmetallen eine hauchdünne neue Oxidschicht mit einer nanoporigen Struktur. Diese schwamm­artige Oberfläche verfügt aufgrund ihrer geringen Dicke über eine sehr hohe mechanische Festigkeit und bildet eine offenporige, kapillare Struktur, in die niederviskose Klebstoffe ideal eindringen können. Durch diese mechanische Konditionierung wird gleichzeitig eine deutlich verlängerte Verarbeitungszeit der lasergereinigten Oberfläche erzielt. Die gereinigten Bauteile lassen sich auch nach mehreren Tagen bis Wochen ohne Qualitätseinbußen verkleben.

Präzises Strukturieren von Oberflächen

Mit dem cleanLASER-Verfahren lassen sich reproduzierbare Mikrostrukturen erzeugen. Diese sorgen vor allem in der Automobil-, Luftfahrt- und Medizintechnik für eine deutliche Haftverbesserung und Oberflächenvergrößerung. Eingesetzt wird das ­Laserstrukturieren vor allem als Vorbereitung zum Flammspritzen, Umspritzen oder zum Einstellen von Reib- und Gleiteigenschaften.

Nachhaltige Produktion

Die äußerst ressourcenschonende Langzeitstabilität der Reinigung ist im heutigen Prozessalltag ein wichtiges Kriterium. Im Vergleich zu konventionellen Methoden kommt bei der Laserbearbeitung nur Licht zum Einsatz. Der Verzicht auf weitere Medien erspart große Mengen an Chemikalien­ oder anderen Fertigungshilfsmitteln. Die abgetragenen Partikel lassen sich rückstandsfrei absaugen und sortenrein entsorgen.

Da sich die kompakten Lasersysteme leicht in die Prozesskette integrieren lassen, entfallen aufwendige Transportwege. Die Geräte sind zudem extrem wartungsarm und langlebig. Die Lasersysteme sind daher eine Investition in den zukunftsorientierten­ ­Bereich der grünen Produktion.

Gerätetechnik

cleanLASER bietet ein breites Portfolio an Lasersystemen mit 20 Watt bis 1000 Watt: vom handgeführten Rucksacklaser bis zur vollautomatischen robotergeführten Laser­zelle. Die Basismodule werden auf die spezielle Anwendung des Kunden zugeschnitten. Je nach Bedarf stehen kompakte Workstations oder automatisierte Systeme bis hin zu Portalanlagen zur Verfügung. Allen gemeinsam ist die präzise Strahlführung. Meist erfolgen in einem Schritt Messung, Abtrag und Qualitätsüberwachung, um optimale reproduzierbare Ergebnisse zu gewährleisten.

Das modulare Komplettsystem cleanBOX

Die cleanBOX ist beispielsweise ein kompaktes Laserbearbeitungssystem zur Reinigung von Zylindern, Zahnrädern und anderen Drehteilen. Damit lassen sich rotationssymmetrische Werkstücke mit einem­ Durchmesser von bis zu 200 Millimeter rückstandsfrei reinigen, ohne dabei die Passungen beziehungsweise Presspassungen zu verändern. Neben der Stand-Alone-Variante ist ein System zur Integration in die bestehende Linienproduktion verfügbar. Die modulare Bauweise der cleanBOX erleichtert die Zugänglichkeit und bietet spätere Erweiterungsmöglichkeiten.

Die Anlage kann parallel zur Hauptbearbeitungszeit manuell oder automatisiert bestückt werden. Durch die kurze Schaltzeit des Rundschalttisches lässt sich das Lasersystem nahezu ununterbrochen für die Reinigung nutzen, da die Nebenzeiten mini­miert werden. Für verschiedene Bauteiltypen reicht ein kurzer Rüstvorgang.

Die verdampften Fette, Öle und Verschmutzungen werden unmittelbar abgesaugt. Ein CLL Control Daten Logger-System ermöglicht auch im Nachfeld das Auslesen der ­Laserbetriebsdaten. Die typische Taktzeit für Getriebebauteile liegt bei fünf bis 15 Sekunden.

Sortenreine Erkennung metallischer Werkstoffe

Derzeit bringt cleanLASER gemeinsam mit Proassort ein neues, umweltschonendes Verfahren auf den Markt: reinigen und entschichten mit Licht zur sortenreinen Erkennung metallischer Wertstoffe (Abb. 4).

Abb. 4: Werkstofferkennung mittels Lasertechnik

 

Bei Sekundärrohstoffen (Schrott) kommt es häufig zu einer Vermischung von hochwertigen Wertstoffen mit unsauberen Bestandteilen. Während die Bauteile mit etwa 3 m/s durch die Laservorrichtung gefördert werden, erkennt die Maschine, um welche Art und Güte von Metallwertstoffen es sich handelt. Dabei wird im selben Durchlauf die Oberflächenschicht abgetragen und das Metall im Innern gemessen und so die sortenreine Trennung und Wiederverwertung der wertvollen Metalle gewährleistet.

 

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