18/06/2020
Door Ad Spijkers
Een onderzoeksteam aan de Universität des Saarlandes gebruikt een laser om speciaal gestructureerde slijpgereedschappen met vlakken op micrometerschaal te vormen.
Of de machineonderdelen goed rondlopen, uitrustingsstukken in perfecte staat zijn en snijgereedschappen bijvoorbeeld de gewenste scherpe randen hebben, hangt af van hun oppervlak. De kwaliteit en eigenschappen die de industrie, ambachtslieden of doe-het-zelvers willen, is afhankelijk van hoe ruw of glad het gereedschap is.
Slijpprocessen worden uitgevoerd met gereedschappen waarop min of meer fijne korrels zijn aangebracht. De verdeling van deze korrels is meestal niet geometrisch gedefinieerd of gestructureerd, maar statistisch en willekeurig. Dit is een beperking voor de mogelijke kwaliteit die tijdens het slijpen kan worden bereikt.
Gestructureerde opprvlakken
Het onderzoeksteam wil deze beperking doorbreken. Ze ontwikkelen gestructureerde slijpoppervlakken van harde metalen die gerichter en zeer nauwkeurig slijpen mogelijk maken. Ze gebruiken hiertoe een laser om uit microstructuren kleine landschappen te creëren. Om er achter te komen hoe de afzonderlijke microstructuren precies slijpen, isoleerden ze eerst individuele structuren met verschillende geometrieën op de snijvlakken van het gereedschap. Op deze manier konden ze het respectieve slijpresultaat in testseries analyseren zonder dat naburige structuren het resultaat vervalsen of verstoren.
De wetenschappers hebben vervolgens de slijpresultaten die worden behaald wanneer verschillende van dergelijke structuren op elkaar inwerken, nauwkeurig bekeken. Met de hiermee opgedane kennis ontwerpen ze oppervlakken met geplande schurende korrels. Dit zijn topografieën met duidelijke geometrische structuren, bijvoorbeeld hemisferen die in een radiaal patroon zijn opgesteld vanuit een midden, piramides in rijen en rijen of dambordpatronen gemaakt van verhoogde en minder verhoogde kubussen. Ze graveren deze structuren met laser in hardmetaal.
De onderzoekers kunnen deze microstructuren op de harde metalen maken met de zogenaamde LST-technologie (Laser Surface Texturing). Hiermee bereiken ze een hoge geometrische precisie. De ingenieurs testen hun nieuwe hardmetalen gereedschappen in verschillende testseries. Ze valideren de prestaties in vergelijking met conventionele methoden, waaronder bewerkingsproeven, tribologische tests en studies van de mechanische eigenschappen.
Serieproductie
De nieuwe hardmetalen slijpgereedschappen zijn geschikt voor serieproductie. De structuren kunnen in grote aantallen worden gereproduceerd. Met zogeheten elektrochemische verwijdering kunnen de onderzoekers dergelijke gecompliceerde geometrieën ook in het hardste metaal produceren.
Doorspoeld met een elektrolytoplossing nemen de materialen de gewenste geometrie aan, tot op de duizendste millimeter nauwkeurig. Er is alleen elektrische stroom nodig die als kathode - hier het door een laser micro-gestructureerde gereedschap - tussen de sjabloon stroomt en de anode, het te bewerken materiaal. Het geheel is omgeven door een stroom geleidende vloeistof met water en zout, waardoor minuscule metaaldeeltjes worden verwijderd. De metaalionen lossen vrijwel automatisch op van het werkstuk, waarna het uiterst nauwkeurige slijpgereedschap ontstaat.
Met deze methode kunnen de onderzoekers in Saarbrücken ook goedkopere harde materialen verfijnen tot hoogwaardige slijpgereedschappen.
Foto: Oliver Dietze