Licht bearbeitet Diamanten und Hartkeramiken

Polykristalline Diamanten und technische Hartkeramiken sind äußerst verschleißfest. Dieser Vorteil wendet sich bei ihrer Bearbeitung zum Nachteil. Laserverfahren schaffen Abhilfe.

Die wachsende Werkstoffvielfalt stellt Materialbearbeiter vor Herausforderungen. Um Aluminium- und Magnesiumlegierungen, Verbundwerkstoffe, Hartmetalllegierungen oder mit Metallpartikeln versetzte Kunststoffe zu schneiden, bohren und strukturieren, brauchen sie extrem abrieb- und verschleißfeste Werkzeugmaterialien. Mittel der Wahl sind immer häufiger synthetisch hergestellte polykristalline Diamanten (PKD) und technische Keramiken. Denn neben maximaler Abrieb- und Verschleißfestigkeit haben die ultraharten Werkstoffe weitere Vorzüge, wie ihre geringe thermische Ausdehnung und ihre Korrosionsbeständigkeit. Mittlerweile sorgen sie nicht mehr nur für anhaltend präzise und zuverlässige Werkezeuge, sondern schützen auch hochbelastete Oberflächen in Lagern, Pumpen oder Motoren vor Verschleiß. Und da sie obendrein biokompatibel sind, sind keramische Hochleistungswerkstoffe auch in der Medizintechnik gefragt.

Doch mit ihren Vorteilen werfen PKD und Hartkeramiken bei Herstellern von Werkzeugen, Pumpen und Lagern die Frage auf, womit sie den Hochleistungsmaterialien zu Leibe rücken können, ohne es selbst mit übermäßigem Werkzeugverschleiß zu bezahlen? – Die Antwort heißt: Licht. So hat II-VI Inc. jüngst ein eigens für die Bearbeitung von PKD und ultraharten keramischen Werkstoffen entwickeltes Laserläpp-System vorgestellt. Laut II-VI ist das lasergestützte Feinbearbeitungsverfahren doppelt so effizient und zugleich weniger fehleranfällig als die bisherige funkenerosive Bearbeitung (Electrical Discharge Machining; EDM) von PKD und Keramiken. Herzstück des neuen Läpp-Systems ist ein luftgekühlter 450-Watt-Faserlaser mit 1060 nm Wellenlänge.

Ultrakurze Pulse und wasserstrahlgeführte Laserverfahren

Die Laserbearbeitung von Hochleistungskeramiken steht auch am Fraunhofer ILT in Aachen und bei dem 2013 gegründeten ILT-Spin-off Pulsar Photonics im Fokus. Um Mikrorissen und Abplatzungen bei der Bearbeitung der spröden Materialien vorzubeugen, setzen die ILT-Forscher und das Pulsar-Team auf Ultrakurzpuls-(UKP)-Verfahren. Mithilfe von Piko- oder Femtosekundenlasern bringen sie feinste Bohrungen, Strukturen oder Schnitte in technische Keramiken ein, sei es Siliziumnitrid, Aluminium- und Zirkonium-Oxid oder Titandioxid. Trotz der extrem harten Werkstoffe erfolgt die berührungslose Bearbeitung quasi verschleißfrei. Laut ILT erweisen sich Pikosekunden-Laserpulse als besonders produktiv – sowohl mit Blick auf die Abtragraten als auch auf die Qualität der Keramikbearbeitung.

Alternativ zu UKP-Laserverfahren setzt der Schweizer Spezialist Synova für die Bearbeitung poly- und monokristalliner Diamanten (PKD, MKD) auf sein selbstentwickeltes Laser Mikrojet-(LMJ)-Verfahren. Ihre weltweit bereits über 350 Mal ausgelieferten LMJ-Systeme senden den Laserstrahl durch eine druckbelastete Wasserkammer in eine Düse, die ihn in einen nur 50 Mikrometer feinen Wasserstrahl einkoppelt. Analog zu einem Lichtwellenleiter hält der Wasserstrahl den Laserstrahl auf dem Weg zum Werkstück gefangen. Synova erklärt das Phänomen mit der totalen Innenreflexion am Wasser-Luft-Übergang. Beim Aufprall auf die PKD- oder MKD-Schichten verdampfen die 25 bis 30 Watt starken Laserpulse das Material, während das Wasser für Kühlung sorgt und den Bearbeitungsbereich von Materialresten reinigt. Stetig gräbt sich der zylindrische Laserstrahl in die Edelsteinstruktur – wenn gewünscht sogar einige Zentimeter tief. Eingesetzt wird das LMJ-Verfahren nicht nur für technische Diamanten, sondern auch zur Bearbeitung von Rohdiamanten, Brillanten und andere Juwelen. Auch hier schafft die berührungslose Laserbearbeitung optimale Ergebnisse bei minimalem Verschleiß.