15/06/2023
Door Ad Spijkers
Met de nieuwe methode van Fraunhofer-IPT zijn grote oppervlakken sneller en voordeliger functioneel te maken.
Laserstructurering is een van de nauwkeurigste en milieuvriendelijkste technologieën voor het functioneel maken van oppervlakken. Maar voor veel bedrijven is het nog steeds te duur voor grote oppervlakken. Het Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT) in Aken heeft de voorwaarden gecreëerd om grote, glanzende oppervlakken van metalen componenten met hoge precisie te structureren met behulp van een conventionele industriële robot.
De onderzoekers verminderden de grote hoeveelheden data die bij conventionele padplanning worden gegenereerd door procedurele structuren te gebruiken. De nieuwe methoden worden geverifieerd met behulp van een 5 m lang gestructureerd turbinerotorblad.
Laserstructureren
Micro- of nanostructuren veranderen de optische, mechanische, haptische en biologische eigenschappen van oppervlakken. Kunststof oppervlakken in bijvoorbeeld auto's hebben meer grip en zijn van hogere kwaliteit als ze zijn voorzien van microstructuren. Bij motoronderdelen vermindert de juiste oppervlaktebehandeling de luchtweerstand.
Laserstructurering is een vrij nieuwe, veelbelovende methode om structuren in vrij gevormde oppervlakken aan te brengen. Een gerichte, gepulste laserstraal wordt snel en met hoge precisie over het oppervlak van het onderdeel geleid. Vergeleken met conventionele verwerkingsmethoden zoals coaten of etsen, is laserstructureren milieuvriendelijker, nauwkeuriger en biedt het meer ontwerpvrijheid.
Bestaande lasersystemen werken met hoge precisie en leveren uitstekende resultaten. Ze zijn door het vrij kleine werkgebied wel beperkt qua grootte van het te bewerken onderdeel. Om grote oppervlakken van functionele structuren te voorzien, zijn grote, dure systemen nodig. Niet elk bedrijf kan of wil deze hoge investeringen dragen.
Grote oppervlakken
In het onderzoeksproject GroRoLas3D ontwikkelde het Fraunhofer-IPT een proces voor het structureren van grote driedimensionale oppervlakken van metalen componenten met een laser. Dit gebeurde met behulp van een conventionele industriële robot. Met de nieuwe methode kunnen de kosten van grote gestructureerde componenten aanzienlijk worden verlaagd.
Om te kunnen concurreren met de bestaande nauwkeurige lasersystemen moest het onderzoeksteam de positienauwkeurigheid van de robot optimaliseren en andere uitdagingen bij de laserbewerking van glanzende metalen oppervlakken overwinnen. Reflecties voor verschillende materialen en posities van de verwerkingskop moesten in één bestaand CAM-systeem voor padplanning kunnen worden geïntegreerd. De onderzoekers verbeterden ook de systeemtechnologie: ze ontwierpen een intelligente laserstructureerkop die automatisch positieafwijkingen detecteert en zelfstandig corrigeert.
De eerste reeks tests bevestigden dat het nieuwe systeem niet alleen nauwkeurige resultaten levert op matte, geverfde oppervlakken, maar ook op reflecterende, vlakke en gebogen oppervlakken.
Procedurele structuren
Een uitdaging bij het maken van micro- en nanostructuren met een groot oppervlak in het CAM-systeem is dat er grote hoeveelheden data worden gegenereerd. Om conventionele padplanningsalgoritmen voor laserstructurering te gebruiken, moet eerst een gedetailleerde digitale mesh worden gegenereerd die alle structurele informatie bevat. Met grote componenten worden hoeveelheden data gegenereerd die niet kunnen worden verwerkt met de huidige computersystemen in de industriële omgeving.
Als onderdeel van een onderzoeksproject vertaalden de onderzoekers de beschrijvingsmodellen in zogenaamde procedurele structuren voor laserstraalstructurering. De micro- en nanostructuren worden beschreven door wiskundige functies en algoritmen. Het nieuwe proces is veel sneller dan het conventionele, op afbeeldingen gebaseerde proces. Hierdoor kunnen de gegevens bijna in real-time worden berekend en is een resolutie-onafhankelijke, vervormingsvrije structurering mogelijk.
In de komende maanden zullen de tot nu toe ontwikkelde elementen worden geverifieerd met behulp van een grote demonstratorcomponent. Met behulp van de procedurele structuren zal een 5 m lang turbinerotorblad worden voorzien van technische structuren over een groot oppervlak, wat de stromingsweerstand aanzienlijk vermindert.
Foto: Fraunhofer IPT