Oppervlakken finishen met lasers kan tien keer sneller

Binnenkort zullen lasers in staat zijn om oppervlakken tot wel tien keer sneller dan voorheen te polijsten, coaten of structureren. Dat is te danken aan twee nieuwe optieken, die zijn ontwikkeld in het kader van het EU-onderzoeksproject Ultrasurface. Met deze optieken kan de vorm van een laser heel specifiek en razendsnel worden aangepast aan de continu veranderende procesomstandigheden.

Laserprocessen voor oppervlaktebewerking kennen doorgaans een hoge nauwkeurigheid en kwaliteit. Maar een algemene klacht is dat ze te langzaam zijn. In het project Ultrasurface is gezocht naar mogelijkheden om hierin verbetering te brengen. Tien internationale partners uit Duitsland, Nederland, België, Israël en Zwitserland hebben hierin samengewerkt. Met als resultaat dat er voor het einde van dit jaar twee nieuwe laseroptieken beschikbaar komen. 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.

De Piezoelectric Deformable Mirror (PDM), ontwikkeld in het EU-project Ultrasurface.

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.

Set-up voor oppervlaktebewerking met lasers met de technologieën ontwikkeld in het Ultrasurface project.

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.”