Oppervlakken finishen met lasers kan veel sneller

Het zou zomaar kunnen dat oppervlakken binnenkort veel sneller gepolijst, gecoat of gestructureerd kunnen worden door lasers. Binnen een Europees onderzoekstraject, Ultraface, zijn twee optieken ontwikkeld waarmee de vorm van een laser snel en nauwkeurig kan worden aangepast een veranderende procesomstandigheden. Bij het project was ook een Nederlandse partij betrokken.

Hoge mate van precisie en kwaliteit maar te langzaam. Dat is een veelgehoorde klacht als het gaat om laserprocessen. In het project Ultrasurface is gezocht naar mogelijkheden om dit te verbeteren. Tien internationale partners uit Duitsland, Nederland, België, Israël en Zwitserland hebben hierin de handen ineen geslagen. Ze hebben twee nieuwe laseroptieken ontwikkeld die al voor het einde van dit jaar beschikbaar zullen zijn. Deze optieken voor het nabij-infrarood bereik zullen de procestijden reduceren tot een tiende en de kosten halveren.

Polijsten

Een van de optieken is specifiek ontworpen voor het polijsten en bewerken van dunne lagen met lasers. Het onderzoeksteam zet hierbij een Piezoelectric Deformable Mirror (PDM) in, die voortdurend kan worden aangepast. Dit garandeert dat de laser zich met intervallen van minder dan 5 milliseconden kan aanpassen aan de processituatie. Buitengewoon snel dus. “De laser wordt afhankelijk van de instraalhoek hervormd zodat zijn projectie op het oppervlak van het werkstuk altijd dezelfde vorm heeft en de intensiteit constant is”, verklaart Judith Kumstel, expert in laserpolijsten bij Fraunhofer ILT in Aken, een van de betrokken organisaties. Deze manipulatie is belangrijk want alleen als de driedimensionale laser voortdurend wordt aangepast aan de hoge bewerkingssnelheden en het oppervlak met een constante intensiteit raakt, zal het resultaat van de laserbewerking altijd hetzelfde zijn, zelfs bij complex gevormde componenten en constant veranderende instraalhoeken. Als daarentegen de laserprojectie op scheve oppervlakken vervormt, verslechtert ook de kwaliteit van het bewerkte 3D oppervlak.

Laserstructureren

Een andere benadering is toegepast voor het laserstructureren. Hiervoor is een tweede nieuw optiek ontwikkeld, dat het mogelijk maakt dat vier lasers parallel worden benut, in plaats van de gebruikelijke enkele lasers, om de bewerkingssnelheid en de productiviteit te vergroten. Met een Diffractive Optical Element (DOE) wordt de laser gespleten in vier deellaserstralen, die samen een vierkante laser vormen. Bij vergelijkbare conventionele multi-laser concepten ontstaat door het optiek dat aan het einde de lasers op het onderdeel focusseert, en door de vorm van het onderdeel een vervorming van de geprojecteerde laser. In het Ultrasurface project is nu een speciaal systeem ontwikkeld waarmee elke individuele deellaser in milliseconden kan worden aangepast op zijn positie, zodat er altijd een vierkante laser blijft bestaan voor het bewerken.

Industrierijpe machine

Momenteel worden er twee compacte optische modules ontwikkeld. Het Ultralaser team zal tot eind 2018 hun potentieel testen in een nieuw lasersysteem in verschillende toepassingen. Een Zwitsers bedrijf bouwt een industrierijpe machine die kan worden gebruikt om flexibel en rendabel en met niet eerder vertoonde snelheden te polijsten, structureren en coaten, dankzij de snel uitwisselbare optische modules. Judith Kumstel legt uit: “Met de concepten die in dit project zijn ontwikkeld, zullen oppervlakken even goed maar veel sneller kunnen worden bewerkt als met conventionele systemen. Dankzij de nieuwe optieken en de nieuwe machine zal het bewerken tien keer sneller gaan dan voorheen, zodat het finishen van oppervlakken met lasers een alternatief zal zijn conventionele methoden voor het veredelen van oppervlakken; voor veel bedrijven in verschillende industrieën en zelfs voor kleine toeleveranciers.”

OKO Tech

Namens Nederland is OKO Tech betrokken bij het innovatieve project. Flexible Optical B.V. (OKO Tech) is een klein Nederlands bedrijf dat actief is op het gebied van onderzoek en toepassingsgerichte ontwikkeling van laseradapters en adaptieve optica met hoge resolutie. Vanaf de oprichting in 1997 biedt OKO hoogwaardige deformeerbare spiegels met een extreem glad oppervlak met HR-metaal en diëlektrische coatings die geschikt zijn voor de meest veeleisende beeldverwerking en krachtige lasertoepassingen.

Een van de typen van de vervormbare spiegels vervaardigd door OKO zijn micro-gefreesde membraan vervormbare spiegels (MMDM) met openingen in het bereik van 10 tot 50 mm. MMDM vormen een betaalbare oplossing van hoge kwaliteit voor de correctie van dynamische golffrontvervormingen in lasersystemen en telescopen en worden met succes gebruikt in een aantal toepassingen. Vanwege hun nul-hysteresis, geringe lichtverstrooiing en een goed vermogen om te schakelen (tot 500 W cw), zijn MMDM uitermate geschikt voor de feedforward intensiteitsverdelingcontrole van de laserstraal, vereist in het voorgestelde project.

Binnen het project zal OKO het bestaande ontwerp van de MMDM en besturingselektronica verbeteren om aan de projectvereisten te voldoen en de vervormbare spiegels inclusief besturingselektronica voor de projectdoeleinden leveren. Sleutelpersonen zijn Dr. Gleb Vdovin en Dr. Oleg Soloviev.

Bron: Metaalnieuws/Fraunhofer ILT