Nachbearbeitung additiv hergestellter Bauteile

Für unsere Untersuchungen wurden Proben aus dem Aluminiumwerkstoff AlSi10Mg additiv hergestellt. Die Oberfläche der Proben war dabei sehr unregelmäßig und rau, wie in der REM-Aufnahme zu sehen ist. Es sind Partikel mit Durchmessern von mehreren 10 µm vorhanden sowie Unregelmäßigkeiten in der Größenordnung bis 10 µm. Eine solch unregelmäßige Oberfläche ist ein anspruchsvoller Ausgangspunkt für eine präzise Nachbearbeitung mit dem Ultrakurzpuls-Laser.

Die Herausforderung beim Bohren von additiv hergestelltem AlSi10Mg besteht in der unregelmäßigen Oberfläche des zur Verfügung stehenden Materials sowie dessen Porosität. Diese Unregelmäßigkeiten können den Bohrprozess negativ beeinflussen, so dass die Qualität der Bohrung nicht sichergestellt werden kann. Qualitätsmindernde Merkmale wären beispielsweise das Auftreten von Seitenkanälen oder das Ausfransen der Bohrungskante.
Unsere Versuche zum Mikrobohren von additiv hergestelltem Aluminium zeigen, dass trotz der Inhomogenitäten des Materials präzise Bohrungen hergestellt werden können. Dabei sind runde Bohrungen ebenso möglich wie speziell geformte Löcher. In der REM Aufnahme ist der Eintritt einer solchen Mikrobohrung zu sehen. Auf dieser Seite trifft der Laser auf das Material. Trotz Partikelanhaftungen an der Oberfläche wurde ein scharfkantiger Locheintritt erzeugt. Es sind lediglich die für einen Laserprozess typischen Riefen im oberen Teil der Bohrung zu sehen. Der Durchmesser beträgt ungefähr 150 µm.

In der folgenden REM Aufnahme ist der Laseraustritt der Bohrung zu sehen. Hier wird die hohe Bearbeitungsqualität mit dem Ultrakurzpuls-Laser besonders deutlich. Der Lochaustritt ist scharfkantig und die Rauigkeit der Bohrungswand beträgt lediglich wenige 100 nm. Im Material vorhandene Poren mit einem Durchmesser von 1 µm bis 10 µm wurden ebenfalls sauber durchtrennt und haben den Bohrprozess nicht negativ beeinträchtigt. Die mit dem Ultrakurzpuls-Laser üblicherweise erreichbare Qualität kann also auch in additiv hergestelltem Material umgesetzt werden.

Die unten dargestellten REM Aufnahmen verdeutlichen nochmals die erreichbare Präzision. Gezeigt sind Nahaufnahmen von Lochaustritten. Auf der Bohrungswand sind laserinduzierte Strukturen im Bereich kleiner 1 µm zu erkennen, welche ein typisches Merkmal für lasergebohrte Löcher sind. Des Weiteren sind die scharf durchtrennten Poren des Materials zu sehen.

Das Innovationspotenzial des Ultrakurzpuls-Lasers liegt in den besonders kleinen Lochdurchmessern und speziellen Lochgeometrien, die mit dieser Bearbeitungsmethode herstellbar sind. Trotz Inhomogenitäten auf der Materialoberfläche in der Größenordnung von mehreren 10 µm können präzise Löcher mit ähnlichen Durchmessern gebohrt werden. In der unteren REM-Aufnahme ist eine Mikrobohrung mit einem Durchmesser von 50 µm dargestellt. Auch spezielle Lochformen wie beispielsweise ein 5-armiger Stern mit 20 µm breiten Armen lassen sich problemlos erzeugen.

Diese ersten Untersuchungen belegen, dass additiv hergestellte Bauteile präzise mit dem Ultrakurzpuls-Laser gebohrt werden können. Im Folgenden werden noch weitere Bearbeitungsprozesse vorgestellt.

Mit dem Ultrakurzpuls-Laser lassen sich Oberflächen auf vielfältige Weise nachbearbeiten. Durch schichtweises Abtragen werden Gravuren erzeugt, raue Oberflächen können geglättet werden oder Bauteile durch eine laserinduzierte Farbänderung markiert werden.
Beim schichtweisen Abtrag wird der Laserstrahl in parallelen Linien mit definiertem Abstand über das Werkstück bewegt und so Flächen erzeugt. Durch mehrfache Wiederholung lassen sich so 2,5D-Strukturen beziehungsweise Gravuren erzeugen. Die raue Oberfläche von additiv hergestellten Bauteilen ist dabei eine besondere Herausforderung. Bei einem rasterförmigen Abtrag können sich Unregelmäßigkeiten in die Tiefe mit fortpflanzen.
Ein Vergleich zwischen Originaloberfläche und laserstrukturierter Oberfläche ist in folgendem Bild zu sehen. Die unbearbeitete Oberfläche ist sehr unregelmäßig mit Höhenunterschieden von maximal 70 µm. Auf der Oberfläche haften Partikel in der Größenordnung zwischen 20 und 50 µm an. Auf der Lichtmikroskopaufnahme nicht zu erkennen sind langwellige Höhenunterschiede von bis zu 30 µm über eine Distanz von mehreren 100 µm. Solche Unregelmäßigkeiten können sich bei der Nachbearbeitung in die Tiefe fortpflanzen. In dieses Material wurden quadratische Taschen abgetragen und die resultierenden Oberflächen untersucht.

Auf der rechten Seite des Bilds ist eine solche laserstrukturierte Oberfläche zu sehen. Anhaftende Partikel konnten komplett von der Oberfläche entfernt wurden. Die Rauigkeit der Oberfläche wurde dadurch deutlich reduziert. Langwellige Höhenunterschiede haben sich trotz Laserstrukturierung in die Tiefe fortgesetzt, der maximale Höhenunterschied der Fläche wurde allerdings von 70 µm auf 40 µm reduziert. Im Rahmen der durch die langwelligen Höhenunterschiede vorgegebenen Genauigkeit können mit dem Ultrakurzpuls-Laser also 2,5D-Strukturen mit einer geringen Rauigkeit erzeugt werden bzw. Oberflächen geglättet werden.
Mit dem Ultrakurzpuls-Laser können Oberflächen nicht nur strukturiert, sondern auch markiert werden. Auch additiv hergestellte Aluminiumbauteile können mit dem UKP-Laser zuverlässig beschriftet werden. Dies ist in der folgenden Mikroskopaufnahme zu sehen. Auf der unteren Hälfte des Bildes ist die unbearbeitete Oberfläche dargestellt, in der oberen Hälfte ein markierter Bereich. Dabei hatten die oben beschriebenen Unregelmäßigkeiten der Oberfläche keinen signifikanten Einfluss auf den Markierprozess. Die gesamte Markierung ist tiefschwarz. Dies kann beispielsweise bei der Markierung der UDI auf additiv hergestellten Aluminiumbauteilen in der Medizintechnik Anwendung finden.