Ultrakurzpulslaser haben sich in den vergangenen. 3D-Oberflächenstrukturierung von Freiformflächen

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1 30 S M I K R O L A S E R B E A R B E I T U N G 3D-Oberfächenstrukturierung von Freiformfächen Mit ULTRAKURZPULSLASERN können funktionae Mikro- und Nanostrukturen auf Freiformoberfächen aufgebracht werden. Hierzu wurde eine kompexe 3D-Step-and- Scan-Technoogie entwicket und in eine hochgenaue 5-Achs-Maschine integriert. Bid 1. Das Maschinenkonzept von Lightmotif für 3D- Mikrobearbeitungen, in das ein Pikosekundenaser, ein Gavo-Scanner und ein 5-achsiger, hochgenauer Manipuator integriert wurden MAX GROENENDIJK Utrakurzpusaser haben sich in den vergangenen Jahren as ausgezeichnetes Werkzeug zur Strukturierung von Oberfächen erwiesen, mit dem einzigartige Mikro- und Nanostrukturen auf diversen Werkstoffen erstet werden können. Derzeit werden verschiedene Anwendungen erforscht, bei denen es um eine Verbesserung der funktionaen Eigenschaften von Oberfächen geht. Die Umsetzung dieser vieversprechenden Anwendungen in der Industrie scheitert jedoch oft an dem Probem, dass sich die feinen Strukturen nicht auf 3D-Freiformoberfächen generieren assen. Das niederändische Unternehmen Lightmotif aus Enschede hat nun eine Technoogie entwicket, die dies ermögicht, und arbeitet zusammen mit Partnern und Kunden an ersten Umsetzungen für die Industrie. Dahinter steckt eine kompexe Maschinentechnoogie und eine entsprechende Software, auf deren Basis jetzt auch Maschinen für Industrie- und Forschungs anwendungen angeboten werden (Bid 1). > KONTAKT HERSTELLER Lightmotif B.V. NL-7521 PR Enschede Te info@ightmotif.n Bider: Lightmotif MIKROvent, Mainburg MIKROPRODUKTION 03/14

2 M I K R O L A S E R B E A R B E I T U N G S 31 Konzept für speziee Oberfächeneffekte Mit der Oberfächenfunktionaisierung können verschiedene Effekte erziet werden. So werden zum Beispie die stark wasserabstoßenden Oberfächen, die von der Lotusbume bekannt sind, erfogreich mit Utrakurzpusasern nachgeahmt. Auch die Verbesserung der Schmierung oder die Verringerung von Reibung und Verscheiß sind in verschiedenen Projekten reaisiert worden (Bider 2 und 3). Ein weiteres Beispie ist die Medizintechnik hier assen sich Strukturen einsetzen, um das Zewachstum geziet zu steuern. Besonders interessant ist die Anwendung dieser Strukturen auf Formen, zum Beispie auf Spritzgussformen. Die feinen Strukturen können in den Kunststoff abgeformt werden, womit eine massentaugiche Fertigung von Kunststoffteien mit Funktionastruktur mögich wird. Dazu erforderich ist jedoch die Strukturierung der Formenstähe auf Freiformoberfächen. Für die Strukturierung von Spritzgussformen wurde innerhab des durch die EU geförderten FP7-Nanocean- Projekts eine Technoogie ent - wicket, deren Zie es war, superwasserabstoßende Eigenschaften auf Kunststoffteien zu reaisieren. Angewendet wurde die Entwickung an einer Kunststoff-Kappe für einen Auto-Außenspiege. Lightmotif hat in diesem Projekt ein Maschinenkonzept entwicket, bei dem ein Pikosekundenaser und ein Gavo-Scanner in einen 5-achsigen, Bid 2. Beispie einer gekoppeten Mikro- Nanostruktur MIKROPRODUKTION 03/14

3 SPECIAL Bid 3. Weitere Strukturbeispiee: typische, mikroskaige Schmiertaschen zur Reibungsverminderung (inks) und freistehende Mikrokege (rechts) MIKROLASERBEARBEITUNG hochgenauen Manipuator integriert wurden (Bid 1). Der Manipuator ist mit uftgeagerten Achsen und Direktantrieb auf einem Granitfundament aufgebaut und ermögicht damit eine hochgenaue Positionierung des Scanners und des Werkstücks. Um große Freiformoberfächen strukturieren zu können, wird die Oberfäche zuerst in keine Kachen aufgeteit, die im Step-and-Scan-Verfahren nacheinander durch den Gavo-Scanner strukturiert werden. Der 5-achsige Manipuator positioniert den Scanner und das Werkstück zwischen den Bearbeitungen. Dieses Step-and-ScanVerfahren ist notwendig, um eine hohe Genauigkeit zu erreichen. Durch die reativ angen Strukturierzyken haben die Achsbewegungen nur einen sehr eingeschränkten Antei an der gesamten Bearbeitungszeit. Die Dimensionen der Kachen werden abhängig von der Oberfächenkrümmung gewäht und, basierend auf der CAD-Geometrie der Form, mögichst geichmäßig verteit (Bid 5). Im Anschuss werden die Strukturen dann automatisch in die verschieden geformten Kachen gefüt. As Beispie wurde eine Struktur gewäht, die aus konisch geformten Sacköchern aufgebaut ist. Auf den abgeformten Kunststoffteien wird dadurch eine feine Kegestruktur gebidet, die den superwasserabstoßenden Effekt bei der Verwendung geeigneter Kunststoffe bewirkt. Zur Verteiung der Strukturen können verschiedene Methoden eingesetzt werden; in diesem Fa wurde eine regemäßige Verteiung gewäht, da hierbei die Abstände zwischen den Struktureementen (im Beispie sind es Kege) weniger Variationen aufweisen as bei unregemäßigeren Verteiungen. Es wurden in diesem Beispie insgesamt Kachen definiert und 32 Miionen einzene Sacköcher. Um derart große und kompexe Anwendungen zu ermögichen, wurde die Software so eingerichtet, dass die benötigten Daten erst dann generiert werden, wenn die Maschine sie braucht. Das heißt, erst während der Strukturierung der einen Kache werden die Daten für die nächste Kache berechnet. Das Strukturieren der Form wie im Beispie dauert circa zwei Tage, in denen der Prozess voautomatisch abäuft. Durch die hochgenaue und stabie Maschine werden die einzenen Kachen sogar bei dieser angen Bearbeitungszeit mit ausreichender Genauigkeit positioniert. Das Kachemuster ist auf der Form recht gut zu erkennen (Bid 7), da die Sacköcher regemäßig entang der Kachegrenzen verteit wurden und dadurch optisch von Kache zu Kache anders wahrgenommen werden. Durch unregemä- Bid 4. Jede Kache muss automatisch mit den gewünschten Strukturen gefüt werden. Die Sacköcher können regemäßig (inks) oder unregemäßig (rechts) verteit werden Bider: Lightmotif 32 MIKROvent, Mainburg MIKROPRODUKTION 03/14

4 MIKROLASERBEARBEITUNG SPECIAL 33 Bid 5. Links: Die Abbidung zeigt eine STL-Beschreibung der Oberfäche, so wie sie in der CAD-Software erstet werden kann. Durch die unregemäßig geformten Kachen ist diese Beschreibung nicht geeignet; rechts: Durch die Verwendung von geeigneten Remeshing-Agorithmen kann ein homogen verteites Mesh erstet werden ßigere Verteiungen der Strukturen in den Kachen kann auch eine optisch homogenere Oberfäche bewirkt werden (Bid 4). Die Grenzen zwischen den Kachen sind durch die hohe Positioniergenauigkeit unsichtbar. YXLON FF20 CT Precision at its finest Feinstrukturen für neue Funktionen Mit dieser strukturierten Form sind erfogreich Kunststoffteie produziert worden, die den stark wasserabstoßenden Effekt erzieen konnten. Dazu müssen aerdings Kunststoffe mit niedriger Oberfächenspannung eingesetzt werden, da die Strukturen den wasserabstoßenden Effekt darauf verstärken. Hier besteht auf jeden Fa Bedarf an weiteren Entwickungen: Beispiesweise gibt es noch keine Kunststoffe, die sowoh eine niedrige Oberfächenspannung aufweisen as auch für den Außeneinsatz bei Autos geeignet sind. Derzeit wird aber an einer abgeeiteten Anwendung gearbeitet. Innerhab des EU-Projekts Appoo wird die beschriebene Technoogie eingesetzt, um haptisch optimierte Oberfächen zu ersteen. Auch hier können die Strukturen in Spritzgussformen eingebracht werden. Zie ist es, seidenweiche Kunststoffoberfächen zu fertigen, die zudem einen entspiegenden Effekt haben. Diese Oberfächen sind sehr interessant für den Innenbereich von Autos, aber auch für eine Viezah von anderen KunststoffMIKROPRODUKTION 03/14 Q Utimativer 3D-Einbick in keinste Strukturen Q Smarte Touch-Bedienung und Nutzerprofie Q Zeitersparnis durch Remote Monitoring und Push Messages Bitte nehmen Sie mit uns Kontakt auf: YXLON Internationa GmbH Essener Bogen Hamburg Deutschand Teefon oder besuchen Sie uns auf unserer Website Technoogy with Passion

5 34 S M I K R O L A S E R B E A R B E I T U N G Bid 7. Oben: Die Form während des Strukturierens; Mitte: die Form nach dem Strukturieren; unten: die 3D-Messung an der abgeformten Mikrostruktur Bid 6. Eine Kunststoffprobe mit Softtouch-Struktur, hergestet in einer UKP-aserstrukturierten Form artiken (Bid 6). Für diese Anwendung können gängige Kunststoffe verwendet werden, die durch die neuen Mögichkeiten der Feinstrukturierung neue Funktionen bekommen. Durch die Teinahme von Lightmotif am Appoo- Projet kann die Technoogie optimiert und vaidiert werden, um am Ende einen industriereifen Prozess anbieten zu können. Die von Lightmotif entwickete Technoogie ist bereits in eine Produktionsmaschine für eine kompexe 3D-Mikrobearbeitung integriert worden, und es wird an weiteren Anwendungen von Strukturen, zum Beispie für die Reibungsoptimierung, gearbeitet. Das moduar aufgebaute Maschinen- und Softwarekonzept bietet für das Strukturieren (Bid 7) und für andere Mikrobearbeitungen große Vorteie vor aem wenn kompexe oder hochgenaue Anforderungen gestet werden. As Speziamaschinenbauer wi Lightmotif diese Mögichkeiten zunehmend in die Industrie und Forschung bringen. Momentan wird dazu ein moduares Standard-Maschinenkonzept entwicket, das im Laufe dieses Jahres vorgestet wird. MI AUTOR MAX GROENENDIJK ist Geschäftsführer von Lightmotif in Enschede/Niederande; max.groenendijk@ightmotif.n Bider: Lightmotif MIKROvent, Mainburg MIKROPRODUKTION 03/14