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1-2017

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Fachzeitschrift für Elektronik-Produktion - Fertigungstechnik, Materialien und Qualitätsmanagement

Lasertechnik

Lasertechnik Verbesserung der Sauberkeit bei Hochpräzisions-Bauteilen Optimiertes Ultraschall-Reinigungsverfahren sorgt für optische Qualitätssteigerung und höhere Geometriegenauigkeit Für die Reinigung der kleinen und empfindlichen Bauteile, die der Lasermikrobearbeitungsexperte GFH GmbH fertigt, kommen nur sehr wenige Verfahren in Frage. Die sensiblen Komponenten dürfen weder verbogen noch beschädigt werden. Zugleich sollte jedoch kein Schmutz in den feinen Bohrungen oder Geometrien verbleiben. Bilder: GFH Zur Analyse der Funktionsfähigkeit des Ultraschallbeckens wurden zunächst Folientests durchgeführt. Die Löcher, die dabei in die Alufolie gerissen werden, geben Aufschluss über die Verteilung und Intensität der Ultraschallwirkung GFH GmbH info@gfh-gmbh.de www.gfh-gmbh.com Für die Reinigung der empfindlichen Bauteile mit maximalen Abmessungen von einigen Millimetern, welche die GFH GmbH fertigt, kommen nur sehr wenige Verfahren in Frage. Die meisten davon eignen sich zudem nur eingeschränkt: So kann die Kraft, mit der beim CO 2 - Schneestrahlen das Kohlendioxid auf die Oberfläche prallt, die sensiblen Komponenten verbiegen oder beschädigen. Auch das Beizen oder die Reinigung in Waschkabinen sind nicht optimal, da häufig Schmutz in den kleinen Bohrungen oder Geometrien verbleibt. Ultraschallverfahren weiterentwickelt Um den Laserbearbeitungsprozess als Ganzes zu optimieren, hat GFH deshalb das häufig eingesetzte Ultraschall-Reinigungsverfahren weiterentwickelt. Dazu wurde eine Parameterstudie mit laserbearbeiteten Edelstahl- und Messing-Bauteilen durchgeführt. Die Anpassung des Verfahrens an die spezielle Art der Verschmutzung führte zu einer Verbesserung der Sauberkeit von 74% auf über 95%. Die gewonnenen Erkenntnisse wurden mittlerweile als Standard bei GFH implementiert. Zum Hintergrund: Wird ein Werkstoff mit kurzen Lichtimpulsen bearbeitet, entsteht sogenannter Schmauch, den man bei der Bearbeitung so gut wie möglich absaugt. Aufgrund der immensen kinetischen Energie der Materialpartikel verbleiben auf den Werkstücken jedoch Restpartikel, die sich nicht einfach mittels Druckluft beseitigen lassen. Die strengen Toleranzanforderungen an Geometrie und Rauheit der Bauteile können jedoch nur dann erfüllt werden, wenn man den Fertigungsprozess optimiert und die tatsäch- Bereits eine kleine Differenz der Geometriegenauigkeit vor (links) und nach (rechts) der Reinigung kann bei kleinen Komponenten, wie diesem Zahnrad, Auswirkungen auf deren Funktionsfähigkeit haben. Materialpartikel, die bei der Bearbeitung entstehen, sollten deshalb möglichst vollständig entfernt werden 50 1/2017

Lasertechnik Direkt nach der Laserbearbeitung (links) sind viele Schmauchspuren auf dem Bauteil zu erkennen. Mit der bisherigen Reinigung (Mitte) lassen sich diese nicht vollständig beseitigen. Durch die Optimierung des Verfahrens (rechts) konnte nicht nur die optische Qualität, sondern auch die Geometriegenauigkeit deutlich gesteigert werden liche Oberfläche beurteilt. Die in der modernen Fertigung geltenden Restschmutzanforderungen verlangen deshalb eine robuste und wiederholbare Reinigungstechnik für Mikrobauteile, die mittels Laserprozess entstehen. „Bereits eine kleine Differenz der Geometriegenauigkeit vor und nach der Reinigung kann bei Komponenten, die geringe Toleranzen erfordern, Auswirkungen auf deren Funktionsfähigkeit haben“, legt Anton Pauli, Geschäftsführer bei GFH, die Problematik dar. Zudem wirken solche Rückstände als Verschleißpartikel oder können – je nach Einsatzbereich – Schaden anrichten, indem sie beispielsweise Drosseln in Einspritzsystemen verstopfen. Folientests geben Aufschluss über Ultraschallwirkung Da bisher kein Reinigungsverfahren eine Lösung für dieses Problem bot, hat sich der Laser-Maschinenhersteller und -Lohnfertiger GFH der Sache angenommen. „Wenn zu einer Thematik kein Fachwissen vorhanden ist, erarbeiten wir dieses. Denn um eine erfolgreiche Lasermikrobearbeitung durchzuführen, muss jeder einzelne Schritt optimal gelöst sein“, erläutert Pauli seine Unternehmensphilosophie. Aufgrund der Tatsache, dass sich das Ultraschall-Reinigungsverfahren am besten für die per Lasermikrobearbeitung gefertigten Teile eignet, erfolgten als Grundlage für die Analyse zunächst sogenannte Folientests. Die Löcher, die dabei in die im Becken platzierte Alufolie gerissen werden, erlauben Rückschlüsse auf die Verteilung und Intensität der Ultraschallwirkung. „Die Auswertung ergab signifikante Unterschiede, die zu kennen wichtig war, um die nachfolgende Studie unter gleichbleibenden Bedingungen durchzuführen, aber auch, um im täglichen Gebrauch die bestmögliche Wirkung zu erzielen“, führt Barbara Schmid, die bei GFH für die Untersuchungen zuständig war, aus. „So konnten wir ganz grundsätzlich die Funktionalität des Reinigungsbeckens überprüfen und das zu reinigende Element jeweils optimal platzieren.“ Spezieller Auswertungsalgorithmus erkennt minimale Unterschiede Für die anschließende Parameterstudie wurden mit der von GFH Um Stellen mit Laserschmauch – erkennbar anhand dunkler Spuren (linkes Bild) – vom restlichen Bauteil unterscheiden zu können, wurde ein Schwellwert gewählt, die dunklen Pixel extrahiert und gezählt, um den Grad der Verschmutzung zu skalieren (rechtes Bild) Wenn eine dünne Schmutzschicht die Beschaffenheit der Laserkante verdeckt, erscheint diese weniger rau (oben). Durch die von GFH verbesserte Ultraschallreinigung ist die Rauheit des Laseraustritts klar erkennbar (unten) entwickelten Lasermikrobearbeitungs-Maschine GL.compact zwei Bauteil-Serien à 200 Stück gefertigt: eine aus Edelstahl und eine aus Messing. Die Wahl fiel auf diese beiden Materialien, da Edelstahl sehr häufig verwendet wird und Messing zu Verfärbungen neigt, sowie eine Reihe weiterer Probleme bei der Reinigung mit sich bringt. Die Komponenten mit einer Kantenlänge von 5 mm, kleinen Einschnitten und einer Bohrung wiesen alle die gleiche Geometrie auf, sodass die Verschmutzungen dieselben und die Ergebnisse somit vergleichbar waren. Als relevante Einflussfaktoren wurden Frequenz, Temperatur, Reinigungs- und Spülmedium, Füllstand, Konzentration der Chemikalien, Dauer der eigentlichen Reinigung sowie Spülung und Trocknung identifiziert, aber auch das Zubehör fand Berücksichtigung, etwa verschiedene Gefäße, in denen kleine Teile platziert werden, die sonst verloren gehen könnten. 1/2017 51

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