Oberflächenstrukturieren mit ultrakurzen Laserpulsen

2.1 Abtragsverfahren 21
wird. Je nach Zielsetzung unterscheidet man zwischen Glatt- und Maßprägen. Während
beim Glattprägen eine hohe Oberflächengüte angestrebt wird, steht beim Maßprägen
eine enge Dickentoleranz im Vordergrund. Grundlage des Verfahrens ist ein
Prägestempel, der das Negativ der abzutragenden Struktur trägt und mit hohem Druck
auf die Werkstückoberfläche gepresst wird. Dieser Vorgang kann entweder schlagartig
durch ein Hammerwerk oder durch eine andauernde Kraft über eine Presse erfolgen.
Die Oberfläche des Prägestempels bildet sich dabei als Relief in der Werkstückoberfläche
ab, weshalb der Prägestempel härter sein muss als das zu bearbeitende Material.
Mit diesem Verfahren lassen sich die meisten Metalle bearbeiten, allerdings sind nur
geringe Strukturtiefen erzielbar. Aufgrund der relativ hohen Kräfte eignet sich das
Prägen nur für Bauteile mit hoher Steifigkeit. Ein weiterer Nachteil ist die begrenzte
Lebensdauer der Werkzeuge, vorteilhaft sind hingegen die relativ geringen Anlagenkosten
[20].
Spanabhebende Bearbeitung
Das am häufigsten angewandte Verfahren zum dreidimensionalen Volumenabtrag ist
das mechanische Fräsen. Ein rotierender Fräser fährt dabei die abzutragende Kontur in
einzelnen Bahnen ab. Das Fräsen ist ein Verfahren mit definierter Schneide, d.h. die
Fräsergeometrie wird im Rahmen der Verfahrenstoleranzen in der Strukturgeometrie
abgebildet. Durch eine geeignete Fräserauswahl sind annähernd beliebige dreidimensionale
Geometrien möglich, die Ausbildung von scharfen Ecken ist jedoch durch Kinematik
und Form des Fräsers eingeschränkt. Der kleinste erreichbare Innenradius
liegt in der Größenordnung von etwa 0,5 mm, wirtschaftlich sinnvoll sind Radien ab
etwa 5 mm [21]. Das in jüngerer Zeit entwickelte Hochgeschwindigkeitsfräsen (HSC)
nutzt die Vorteile des Schleifens (hohe Schnittgeschwindigkeiten, geringe Spanvolumen
und große Scherwinkel), um höhere Spanraten und eine höhere Oberflächengüte
zu erreichen. Dies wird durch sehr hohe Spindeldrehzahlen von 60.000 bis
80.000 1/min, etwa fünfmal mehr als bei herkömmlichem Fräsen, erreicht. Um die
hohe Schnittgeschwindigkeit während des Fräsens jederzeit zu gewährleisten, muss
nach Möglichkeit immer am äußeren Umfang des Fräsers gearbeitet werden. Das wird
üblicherweise durch eine Werkzeuganstellung realisiert, weshalb beim HSC-Fräsen
teilweise bis zu sieben Achsen eingesetzt werden müssen. Um den Verschleiß der
Schneidkanten möglichst gering zu halten, kommen als Werkstoff harte Materialien
wie Hartmetall oder Diamant zu Einsatz. Heute sind bei der mechanischen Zerspanung
kleinste laterale Abmessungen von 10 – 1000 µm bei Aspektverhältnissen von 2-50
erreichbar. Die Oberflächengüte Ra liegt für Hartmetallfräser in der Größenordnung
von 300 nm, mit Diamantfräsern sind 10 nm erreichbar [22]. Das mechanische Fräsen