naar top
Menu
Logo Print
26/11/2018 - KEVIN VERCAUTEREN

LASERTEXTUREREN WORDT COMMERCIEEL ALMAAR INTERESSANTER

Opkomst van ultrakort gepulste lasers zorgt voor nieuwe mogelijkheden

Lasertextureren is niet nieuw. Het aanbrengen van structuren door middel van de laser werd enkele jaren geleden op de EMO in Hannover al voorgesteld, maar de technologie stond toen nog in haar kinderschoenen. Sindsdien heeft men reuzenstappen gezet op het vlak van micro-elektronica en optica. Voor de productiviteit maakt dat een wereld van verschil. De recente opkomst van de ultrakort gepulste lasers heeft alles nog meer in beweging gezet. In die mate dat Sirris de tijd rijp acht om het pad te effenen door op zoek te gaan naar interessante toepassingen voor de Belgische bedrijven die het voortouw willen nemen.

EVEN VERDUIDELIJKEN …

Diverse voorbeelden van oppervlaktestructuren op microniveau

Bij ablatie zal men door middel van de laser heel gericht en precies een minieme hoeveelheid materiaal weghalen, te vergelijken met een freesoperatie, terwijl men met lasertextureren het aanbrengen bedoelt van een functionele structuur op het oppervlak van een materiaal om het bijvoorbeeld waterafstotend te maken. Maar ook daar moet natuurlijk materiaal voor worden verwijderd. Met andere woorden, beide technieken hebben zeer veel met elkaar gemeen, louter het doel is verschillend. In wat volgt, zullen we vooral focussen op het lasertextureren.

MOGELIJKE FUNCTIONALITEITEN

Om je een idee te geven van wat je met te structureren kunt bewerkstelligen, sommen we even wat van de meer courante toepassingen op (de lijst is helemaal niet exhaustief):

  • superhydrofobe oppervlakken: een zelfreinigend effect, anti-ijsvorming, antibiofilm;
  • haptische effecten: 'soft touch', een betere (micro-)grip;
  • tribologische functionaliteiten: hogere of lagere wrijvingscoëffiënt, stick-slipeffecten;
  • aerohydrodynamische functionaliteiten: betere stroming;
  • optische functionaliteiten: diffractie-effecten, microlensing;
  • thermische functionaliteiten: verhoging van een specifiek oppervlak (om bijvoorbeeld de koeling te verbeteren);
  • esthetische effecten: gloss, optisch zwart ...

MET DANK AAN DE NATUUR

Grosso modo heb je drie manieren om in te grijpen op de functionaliteit van een component. De meest voor de hand liggende manier is door te kiezen voor een bepaald materiaal of door bepaalde stoffen toe te voegen die de eigenschappen van het materiaal veranderen. Elk materiaal heeft immers zijn eigen trek-, druk- en buigsterkte, stijfheid, hardheid, elasticiteit … en dan hebben we het alleen nog maar gehad over de mechanische eigenschappen. Daarnaast heb je nog corrosiebestendigheid, ruwheid en thermische geleidbaarheid, om er maar een paar te noemen.Een tweede manier om de functionaliteit te beïnvloeden, is het gebruik van coatings. Er bestaan op de markt ontzettend veel soorten coatings om de hardheid te verhogen, de corrosieweerstand te verbeteren, maar ook om het materiaal visueel te veranderen, het waterafstotend te maken en ga zo maar door.

Ten slotte kan men spieken bij de natuur, want daar bestaan tal van voorbeelden van functionele oppervlaktestructuren. Een bekend voorbeeld is het lotusblad. De papillaire structuren op het oppervlak van het blad veranderen de contacthoek met het water, waardoor het blad waterafstotend wordt. Een ander voorbeeld zijn holtepatronen die een invloed hebben op de wrijvingscoëfficiënt. De huidige technologie stelt ons in staat om die evolutionaire slimmigheden na te bootsen en de structuur van een component op microniveau aan te passen, om zo het werkstuk een bepaalde meerwaarde te geven. In vergelijking met bijvoorbeeld coatings kan men met textureren een aanzienlijk hogere functionaliteit bekomen. Bovendien slijten de texturen minder makkelijk af. En brokkelt er toch een stukje af, dan komt er geen vreemd materiaal in de omgeving terecht, belangrijk voor zowel de farmaceutische industrie als de voedingssector.

TECHNOLOGIE ZIT IN DE LIFT

Llasertextureren wordt gebruikt om een superhybrofoob oppervlak te creëren

Lasertextureren is natuurlijk niet de enige technologie waarmee een functionele structuur kan worden aangebracht. Je hebt bijvoorbeeld ook het opruwen door middel van zandstralen, het vonken om bijvoorbeeld bij een spuitgietapplicatie een bepaald effect te bekomen, het microfrezen … en uiteraard de meest precieze technologie: de lithografie. Echter, lithografie is zeer complex, duur en traag. Omgekeerd is het zandstralen weinig precies en eerder willekeurig. Voor microfrezen heb je dan weer een gereedschap nodig en dat verslijt. Als je al de plus- en minpunten van die concurrerende technologieën naast elkaar legt, heeft het lasertextureren, dat niet gebruikmaakt van gereedschappen en waarbij er ook geen mechanische krachten op het werkstuk inwerken, misschien wel de beste papieren. Zeker nu de technologie er enorm op vooruit is gegaan.

Veel meer vermogen

Lasertextureren bestaat al een tijdje en is dus verre van nieuw. Maar 5 à 10 jaar geleden stond de technologie absoluut nog niet waar ze nu staat. Toen spraken we over een paar milliwatt, nu over tientallen watts en zelfs hoger. 1 kW is het zwaarste vermogen dat vandaag commercieel beschikbaar is. Daar kom je op het vlak van productiviteit al een heel eind mee. Kijken we alleen even naar de snelheid. Als je werkt met een laser met een vermogen van 10 W en je wil daarmee bijvoorbeeld de wrijvingscoëfficiënt verhogen, dan kom je uit op ongeveer 2 minuten/cm². Beschik je over een 100 W-laser, dan mag je die snelheid met bijna 10 vermenigvuldigen. En in de toekomst zal het proces nog sneller gaan. Tijdens de laatste AKL-beurs in Aachen werd het German Photonic Initiative voorgesteld. Wat betreft de femtosecondelaser wil men op enkele jaren de wattages opkrikken van 10 à 100 W naar 10 à 20 kW.

Systeem om de laserstraal te splitsen

Kortere pulsen

We refereerden er daarnet al aan: de femtosecondelaser. Het is een ultrakort gepulste laser die een sterke opgang doormaakt, zeker ook in het lasertextureren. Daar zijn goede redenen voor. Om te beginnen zet de evolutie naar almaar hogere vermogens zich ook bij de femtosecondelaser door, getuige de doelen die daarnet zijn aangehaald. Dat was een belangrijke voorwaarde, want de voordelen van de ultrakorte pulsen zelf - 10-15 van een seconde bij een femolaser - staan buiten kijf: door de korte pulsduur krijgt de warmte de tijd niet om zich doorheen het materiaal te verplaatsen. Waar bij micro- en nanosecondelasers het materiaal smelt en verdampt, slaat de femtosecondelaser die fases over en gaat het materiaal meteen over in plasma. Daarom spreekt men bij de femtosecondelaser over koudlaserbewerken. Alle problemen die ontstaan door de inbreng van warmte, worden daardoor vermeden. Concreet denken we dan aan microcracks, smeltzones, hogere oppervlakteruwheden en restmateriaal op het materiaal.

MachinesOnder andere voor het dashboard van de Volkswagen Tiguan werd gebruik gemaakt van lasertextureren, voor het esthetische effect

Samen met de technologie van de lasers, zijn ook de standalonemachines beter geworden, eventueel zelfs al met robotbelading. Vijfassige lasermachines zijn al courant beschikbaar. Bovendien volgt de software dezelfde evolutie als bij de freesmachines, dat wil zeggen dat er al zeer veel kennis in de sturing zit. In grote lijnen kun je het programmeren beperken tot het tekenen van wat je wil maken en het invoeren van de laserparameters. Daarna neemt de sturing het over, al kun je natuurlijk ook via de G-codes de bewegingen van je (vijf) assen zelf programmeren. De belangrijkste laserparameters zijn trouwens het vermogen, de frequentie en de snelheid van de spiegel. Daarnaast is ook nog de dichtheid (aantal dots per cm²) belangrijk. Qua stukafmetingen moet je denken aan het gemiddelde bouwplatform van een SLM-machine, zo'n 500 op 300 op 200 mm, al kun je in principe ook zelf je machine gaan samenstellen. De laserbronnen en scanners zijn vrij te koop. Die moet je dan combineren met de fysieke lineaire assen. Op die manier kun je ook veel grotere stukken gaan bewerken. Een lasermachine is ook behoorlijk flexibel: met dezelfde laserkop kun je zowel ableren als lasertextureren. Aan dat lijstje kun je ook nog het laserreinigen toevoegen. En als je de kop verandert en er een nanosecondelaser op bevestigt, kun je gaan laserpolijsten. Dit soort hybrideopstellingen zijn ook reeds commercieel beschikbaar.

TOEKOMST

Samenvattend kunnen we stellen dat met de komst van de femtosecondelasers de mogelijkheden van het lasertextureren opnieuw fors zijn toegenomen, waardoor de technologie niet alleen voor labo's en onderzoekscentra maar ook voor productiebedrijven die meer willen dat alleen wat logo's graveren, interessanter wordt. Vooralsnog zit het lasertextureren vast in een paar niches, zoals de sector van juwelen, horloges en wetenschappelijke instrumenten. Maar daar zal wellicht snel verandering in komen. Bedrijven uit de automotive en de aerospace zijn nu volop bezig met het aftasten van de mogelijkheden. Gelijktijdig werken onderzoeksinstellingen en grote organisaties - denk maar aan de German Photonic Initiative - voort aan de verdere ontwikkeling van de technologie. In de pijplijn zitten simultane 8-assige machines, gecombineerde ns- en ps-lasers om zowel ruw te ableren als te finishen, systemen die de laserstraal opsplitsen en door een masker sturen om in één keer een veel groter oppervlak te kunnen laserbewerken … kortom, het gaat vandaag razendsnel en de toepassingen voor massaproductie zitten er (bijna) zeker aan te komen.

Met dank aan dr. Olivier Malek (Sirris) en Lasea