Precieze oppervlaktebewerking van harde metalen via combinatie van laserablatie en micro-EDM

Precieze oppervlaktebewerking van harde metalen via combinatie van laserablatie en micro-EDM

Om door te breken met nieuwe technologieën is enige basiskennis van die technologieën en hun mogelijkheden vereist. We stellen enkele doorbraaktechnologieën aan u voor aan de hand van een reeks infofiches. Bert Lauwers en Wouter Vanderauwera van KU Leuven stellen in deze bijdrage de combinatie van laserablatie en micro-EDM voor.

Deze hybride afnemende oppervlaktetechniek is geschikt voor de bewerking van gehard staal en hardmetaal. Het procedé werd al gevaloriseerd in labo-omgeving.

De combinatie van laserablatie en vonken (electrical discharge machining, EDM) bestaat uit een opeenvolging van de bewerkingsprocedés, op één bewerkingsplatform geïntegreerd. EDM wordt meestal gebruikt om bulkmateriaal te verwijderen (omwille van de hogere afnamesnelheid in vergelijking met laserablatie) en om geometrieën met een grote lengte-hoogteverhouding te bewerken. Laserablatie wordt gebruikt om fijne details te verwezenlijken, om kleine oppervlakkige gaten te vervaardigen en voor afwerkingen. Voornamelijk nanoseconde- en picosecondelasers worden voor ablatie ingezet.

Laserablatie

Enkele cijfergegevens dewelke de performantie van dit hybride proces weergeven:

  • Ablatiesnelheid: 1 x 10-5 mm³/s
  • EDM-snelheid: 6,2 x 10-3mm³/s
  • Maximale golving van de bodem: 2 µm

Toepassingen voor deze gecombineerde techniek zijn het maken van gaatjes in spuitkoppen voor dieselinjectie (met een diameter tot 140 µm), microvormen en –matrijzen.

Laserablatie

De techniek biedt een aantal interessante voordelen:

  • Een wijde range aan materialen kan er mee bewerkt worden, zelfs moeilijk te verspanen metalen en keramieken (doordat er geen contactkrachten aanwezig zijn).
  • De productietijd om eenzelfde specificatie te bereiken is korter door de combinatie van de twee procedés. EDM wordt voornamelijk gebruikt om grotere volumes te verwijderen, terwijl laserablatie ingezet wordt voor de fijne details. In het geval van brandstofinjectoren wordt het startgat gemaakt met laserablatie, gevolgd door een EDM-operatie om de uiteindelijke afmeting en precisie te bereiken.
  • De combinatie maakt het mogelijk om componenten met een grote lengte-hoogteverhouding (tot 100) en kleine afmetingen (tot op enkele micrometer, beperkt tot de diameter van de laserfocus) te vervaardigen.

Kennis van en controle over de bewerkingsdiepte zijn essentieel voor de adequate werking van beide procedés. Afwijkingen van de bewerkingsdiepte komen voor door slijtage aan de elektrode (EDM) en variërende absorptie-eigenschappen (laserablatie). Er zijn stappen ondernomen om de controleerbaarheid van de bewerkingsdiepte te verhogen. Voor micro-EDM-bewerkingen werd een confocale witlichtsensor geïntegreerd in het hybride bewerkingsplatform om de golving te meten na elke bewerkingsstap. Aanpassing van de slijtagecompensatiestrategie voor de elektrode leidt tot een bodemoppervlak met een betere vlakheid. De dieptecontrole voor laserablatie is gebaseerd op monitoring van geluid dat zich via de lucht verplaatst tijdens ablatie. Op basis van de amplitude en frequentie van het signaal kan de focale positie in het vlak bepaald worden, vanwaar de vereiste bewerkingsdiepte per laag kan worden bereikt. Deze ontwikkelingen bevinden zich echter nog in een pril stadium.

Onderstaand beeld toont een afwijking in het golvende reliëf op de bodem van het werkstuk door slijtage aan de elektrode.

Laserablatie

Dit artikel kwam tot stand dankzij het project "Doorbraaktechnologie voor een Vlaamse maakindustrie met toekomst” in het kader van Vlaanderen in Actie en met steun van het Agentschap Ondernemen.

Logo Nieuw Industrieel Beleid

Logo AO

Deel dit artikel