Veröffentlicht von Catherine Veilleux, 18. January 2023
Laserreinigung
Die Laserstrukturierung, auch Lasertexturierung genannt, ist ein Verfahren, bei dem ein Laserstrahl zum Ätzen von Mustern (oder Mikrostrukturen) auf einer Oberfläche verwendet wird. Es wird verwendet, um die Oberfläche von Metallen, Polymeren, Keramiken und Verbundwerkstoffen zu verändern, um Eigenschaften wie Haftung, Benetzbarkeit und Leitfähigkeit zu verbessern. Die Oberflächenbehandlung ist in der Fertigung und in der Medizintechnik üblich.
In der Metallfertigung wird die Laserstrukturierung zunehmend zur Vorbereitung von Oberflächen für das Kleben und die thermische Spritzbeschichtung eingesetzt, um eine Oberflächentextur zu erzeugen, die die Haftung verbessert und gleichzeitig Verunreinigungen entfernt, die diese beeinträchtigen könnten.
Vorteile der Laserstrukturierung
- Vollständige Oberflächenvorbereitung in einem einzigen Arbeitsgang
- Abdeckungen sind nicht mehr erforderlich, wenn das Verfahren durch Granulatstrahlen ersetzt wird
- Keine Verbrauchsgüter
- Niedrige Betriebskosten und geringer Wartungsaufwand
- Leicht zu automatisieren
- Umweltfreundliche Technologie
- Berührungslose Laserbearbeitung
- Chemische und mechanische Veränderungen an der Oberfläche führen zu stärkeren Hafteigenschaften
Anwendungen der Laserstrukturierung
Laserstrukturierung für Klebeverbindungen
Das Kleben hat die traditionellen Verbindungstechniken wie Schweißen und mechanische Befestigungen (Bolzen, Schrauben, Nieten, Klammern usw.) ersetzt. Das Verfahren bietet eine Reihe von Vorteilen. So ermöglichen beispielsweise die zur Verbindung von Oberflächen verwendeten Strukturklebstoffe leichte Konstruktionen, erzeugen keine thermischen Verformungen und verteilen die Belastung gleichmäßig über die gesamte Klebefläche.
Die Laserstrukturierung kann zur Vorbereitung von Oberflächen für Klebeverbindungen eingesetzt werden. Es wird zum Beispiel zur Vorbereitung der Klebeflächen von Strukturbatterien in Elektrofahrzeugen verwendet.
Vorteile der Laserstrukturierung beim Kleben:
- Bessere Bindungsstärke
- Bessere chemische und mechanische Verzahnung
- Geringere Wahrscheinlichkeit eines Versagens der Bindung
- Verbesserte Benetzbarkeit
- Langsamere Alterung von Klebeverbindungen
Die Laserstrukturierung wurde mit anderen Oberflächenvorbereitungsmethoden (chemisches Ätzen, Plasmareinigung und Schleifstrahlen) verglichen und hat gezeigt, dass sie
Laserstrukturierung für die thermische Spritzbeschichtung
Thermisches Spritzen ist ein Verfahren, bei dem mit einer Pistole glühendflüssige Schmelzmassen auf eine Oberfläche gesprüht werden und diese beschichtet wird. Das Verfahren macht die Teile widerstandsfähiger und verleiht ihnen unter anderem Oberflächeneigenschaften wie Korrosionsschutz, Wärmebeständigkeit, Verschleißfestigkeit.
Vor der thermischen Spritzbeschichtung muss die Oberfläche vorbereitet werden, um eine gute Haftung zwischen dem Substrat und der Beschichtung zu erreichen. Die Laserstrukturierung dient sowohl dem Aufrauen als auch der Reinigung der Oberfläche, um sicherzustellen, dass keine Verunreinigungen den Klebeprozess stören, und um die Haftung auf einer rauen Oberfläche zu erhöhen.
Turbogehäuse (wie im vorherigen Video gezeigt) und Brennstoffzellen-Bipolarplatten sind Beispiele für Teile, bei denen die Laserstrukturierung zur Vorbereitung der Oberflächen für die thermische Spritzbeschichtung eingesetzt wird. Es ersetzt andere Verfahren zur Oberflächenstrukturierung, wie z. B. das Granulatstrahlen, und macht dank der hohen Präzision des Lasers ein Abdecken überflüssig.
Weitere Anwendungen der Laserstrukturierung
Die Laserstrukturierung wird auch für die folgenden Anwendungen eingesetzt:
- Mechanische Dichtungen: Die Laserstrukturierung verbessert die Leistung von mechanischen Dichtungen, indem sie Muster erzeugt, die Schmiermittel zurückhalten, die Reibung verringern und die Haltbarkeit der Dichtung erhöhen.
- Laserplattieren: Die Laserstrukturierung verbessert die Haftung des plattierten Materials auf der Oberfläche durch präzise, fehlerfreie Oberflächenvorbereitung.
- Lackierungen und Beschichtungen: Die durch die Laserstrukturierung erzeugte Mikrostruktur verbessert die Haftung von Lacken und Beschichtungen.
Konfigurierung der Lasersysteme für die Laserstrukturierung
Laserax hat die optimale Konfiguration für die Laserstrukturierung in der Metallfertigung entwickelt. Unsere Konfiguration bietet einen Hochgeschwindigkeitsprozess, der die Qualität maximiert und die Kosten minimiert.
Unsere Tests haben gezeigt, dass die folgende Laserkonfiguration für die meisten Laserstrukturierungsprozesse in der Metallfertigung optimal ist:
- Die Wellenlänge von 1.064 nm erzeugt eine gute Reaktion mit Metalloberflächen.
- Unsere gepulste Nanosekunden-Faserlaserquelle bietet die für Strukturierungsanwendungen erforderliche hohe Leistung zu geringeren Kosten als andere Lasertechnologien.
- Die Dauer der Laserimpulse variiert zwischen 20 und 500 Nanosekunden, je nach den Erfordernissen des Strukturierungsprozesses (z. B. um höhere Energieniveaus zu erreichen).
- Der Laserfluenzwert (d. h. das in einem bestimmten Bereich abgegebene Energieniveau) muss über der Laserablationsschwelle des Metalls liegen, um Verunreinigungen zu entfernen und die Metalloberfläche aufzurauen.
- Zum Ätzen der Oberfläche ist ein Single-Mode-Laser erforderlich.
- In der Regel werden parallele Linienmuster auf die Oberfläche geätzt, um die Verarbeitungsgeschwindigkeit zu erhöhen und optimale Ergebnisse zu gewährleisten.
Beachten Sie, dass für andere Anwendungen als die Metallherstellung andere Konfigurationen verwendet werden können. Bei medizinischen Anwendungen ist beispielsweise ein höheres Maß an Präzision erforderlich, was Femtosekunden-Laserpulse (teurer) anstelle von Nanosekunden-Laserpulsen erfordert.
Der Einfluss der Laserstrukturierung auf Metalloberflächen
Bei der Laserstrukturierung wird die Kraft eines fokussierten Lichtstrahls genutzt, um Metalloberflächen zu ätzen. Dabei wird ein präzises Muster erzeugt, das sich über eine bestimmte Fläche wiederholt und dessen Tiefe in Mikrometern berechnet wird. Linien sind die typischsten Muster, aber es gibt auch andere Muster wie Vertiefungen, Kreise, Gitter, Rauten und sogar Zufallsmuster.
Während des Laserprozesses verdampft der Laserstrahl sofort die Oberfläche des Metalls. Um den Strahl herum reicht die Hitze des Strahls aus, um das Metall für einen Augenblick zu schmelzen. In etwa hundert Nanosekunden erstarrt das geschmolzene Metall wieder und bildet Ausbuchtungen um den Laserpfad herum. Während dieses Prozesses werden Oberflächenoxide gebildet, die zu einer besseren Haftung beitragen.
Die in die Oberfläche geätzten Muster vergrößern auch die Kontaktfläche zwischen der Metalloberfläche und dem zu verbindenden Material, wodurch die Haftung verbessert wird.
Laserstrukturierung in Produktionsstraßen
Die Laserstrukturierung ist ein flexibles und vielseitiges Fertigungsverfahren, das sich leicht in bestehende Produktionsstraßen integrieren lässt und somit für Hersteller eine attraktive Option darstellt. Hochleistungs-Lasersysteme können direkt in Produktionsstraßen integriert werden, um den hohen Anforderungen gerecht zu werden.
