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Design surfaces by laser remelting

Designoberflächen durch Laserumschmelzen
 
: Temmler, A.; Willenborg, E.; Wissenbach, K.

:

Materialwissenschaft und Werkstofftechnik 46 (2015), Nr.7, S.692-703
ISSN: 0933-5137
Englisch
Zeitschriftenaufsatz
Fraunhofer ILT ()

Abstract
Werkzeuge und Formen werden heutzutage für die Fertigung einer Vielzahl von Industrieprodukten verwendet. Diese haben eine breite Anwendungsvielfalt von der Luft‐ und Raumfahrttechnik, über den Automobilbereich und Elektrotechnik bis hin zu Haushalts‐ und Konsumgütern. Dabei beeinflusst die Oberfläche eines Bauteils bzw. eines Produktes maßgeblich ihre Eigenschaften und Funktionen, wie z. B. ihre visuelle Erscheinung. Hierbei stellt der Glanz eine der wichtigsten Eigenschaften dar, die visuelle Erscheinung einer Oberfläche zu evaluieren. Daher wird in dieser Arbeit u.a. der Einfluss des Laserpolierens auf den erzeugten Spiegelglanz für den Werkzeugstahl 1.2343 (AISI: H11) untersucht. Einerseits werden hierzu laserpolierte Flächen mittels Weißlichtinterferometrie vermessen und mittels einer spektralen Analyse der Rauheit in Abhängigkeit der Ortswellenlänge untersucht. Eine spektrale Analyse wird durch eine diskrete Faltung des Oberflächenprofils mit einer phasenkorrekten, Gauß‐gewichteten Filterfunktion angelehnt an ISO 11562 erzielt. Auf der anderen Seite werden Messungen des Glanzes von laserpolierten Oberfläche mittels eines Glanzgradmessgerätes unter 20°, 60° und 85° durchgeführt. Für die experimentellen Untersuchungen wird ein fasergekoppelter Festkörperscheibenlaser der Firma Trumpf verwendet (Yb:YAG; Q‐switched; PL,max = 550 W; Pulsfrequenz: fP = 5 – 20 kHz, Pulsdauer: tP = 0,7–3,5 µs, gepulster und kontinuierlicher Betrieb möglich). Beim Laserpolieren sind Scangeschwindigkeit und mittlere Laserleistung im Allgemeinen zwei Verfahrensparameter mit signifikantem Einfluss auf die resultierende Oberflächentopographie. Daher werden diese Verfahrensparameter systematisch variiert, während Verfahrensparameter wie Laserstrahldurchmesser dL = 250 µm und Spurversatz dy = 25 µm konstant bleiben. Dabei wird eine signifikante Reduktion der Rauheit, insbesondere im Wellenlängenbereich λ < 320 µm erzielt. Darauf aufbauend wird eine systematische Korrelation zwischen dem Spiegelglanz und der spektralen Mikrorauheit einer laserpolierten Oberfläche durchgeführt. Diese Systematik wird durch einen Vergleich von laserpolierten mit konventionell hergestellten Oberflächen, wie z. B. durch Drehen, Fräsen, Schleifen, manuelle Politur, erweitert und ermöglicht eine Einordnung von laserpolieren Oberflächen im Vergleich zu konventionell hergestellten Oberflächen. Der Spiegelglanz einer Oberfläche zeigt hierbei eine gute exponentielle Korrelation mit der Mikro‐ und Mesorauheit einer Oberfläche, wobei die Makrorauheit keinen signifikanten Einfluss auf den Spiegelglanz hat.
Weiterhin wurde eine komplette Prozesskette für die selektive Laserpolitur von metallischen Oberflächen entwickelt, um unterschiedliche Glanzgrade auf Freiformflächen zu erzeugen. Die selektive Laserpolitur und die Prozesskette werden anhand ledergenarbten Oberfläche auf einer freigeformten Werkzeugoberfläche demonstriert, indem ausschließlich die Vertiefungen der Ledernarbungsstruktur selektiv geglättet werden.

 

Molds and dies are used today in the manufacturing of a wide range of industrial products. They have a broad field of applications from the air and space technology, the automotive sector, to electrical engineering, to household products and consumer goods. The surface of a part or product strongly influences its properties and functions e.g. it's visual appearance. The gloss thereby reflects one of the most important properties of a surface when it comes to evaluate the visual appearance. Therefore, among others, in this paper the influence of laser polishing on the generated specular gloss is investigated for the hot work steel 1.2343 (AISI: H11). On the one hand laser polished surfaces are measured by WLI and investigated by a spectral analysis of surfaces roughness. A spectral analysis is achieved by a discrete convolution of the surface profile with a Gaussian loaded function similar to ISO 11562. On the other hand specular gloss measurements were carried out at 20°, 60° and 85°. For the experiments a fiber‐coupled solid state disc laser (Yb : YAG; Q‐switched) is used (PL,max = 550 W; repetition frequency: fP = 5–20 kHz, pulse duration: tP = 0,7–3,5 µs, pulsed and cw‐operation). In general, scanning velocity and average laser power are two crucial procedural parameters for laser polishing with significant influence on the resulting surface roughness. These procedural parameters are investigated systematically, while other procedural parameters, such as laser beam diameter dL = 250 µm and track offset dy = 25 µm were kept constant. By this a significant reduction of roughness was achieved, especially for the wavelength interval λ < 320 µm. A correlation between specular gloss of surfaces and the measured micro‐roughness is carried out. In order to make a systematic classification laser polished fields are compared to surfaces which were prepared by conventional mechanical manufacturing processes, such as turning, milling, grinding, high end manual polishing etc. Specular gloss shows a good exponential correlation with micro‐ and meso‐roughness were as macro roughness shows no significant influence on the specular gloss. Additionally, a complete process chain for selectively laser polishing of metallic surfaces was developed in order to apply different levels of gloss onto free formed work pieces. Selective laser polishing and the process chain are demonstrated for a free formed tool insert with leather textured surface, where only the indentations of the leather texture were laser polished selectively.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-367328.html