Laser laat spanen breken (met filmpje) op Industrial LaserEvent

De dag bood de deelnemers de gelegenheid kennis te maken met de laatste ontwikkelingen van de laser en haar toepassingen in de makindustrie, zowel op micro- als macrogebied. Op microgebied vertelde Jos Benschop van ASML over de laatste ontwikkelingen van de laser in haar lithografische systemen voor de productie van wafers. Dertig jaar geleden werd er gewerkt met 436 nm lasers, tegenwoordig worden de systemen voorzien van 13 nm lasersystemen. En in Rusland, vertelde hij, wordt momenteel al weer onderzoek gedaan naar 6,7 nm lasers voor praktische toepassing rond het jaar 2020.

Daarna vertelde dagvoorzitter Bert Huis in ‘t Veld over trends in laseronderzoek waarbij hij vertelde over de laatste ontwikkelingen in het laser direct write surface patterning, materialen door middel van de laser voorzien van uiterst fijne structuren.

1+1 = 3

Het zwaartepunt van de dag werd besproken door Frank Ploegman van het Laser Applicatie Centrum. Hij vertelde over de verschillende laser combinatiebewerkingen zoals laser ondersteund lassen, frezen, stansen, ponsen, kanten en verspanen. De laser inzetten bij conventionele technieken is een win-win situatie of zoals Ploegman het stelde: 1+1 = 3. Hij wees daarbij op het hybridelassen waarbij de lastijd kan worden verlaagd met 88 procent. ‘Oer het algemeen kun je stellen dat hybride nieuwe mogelijkheden kan bieden zoals lagere productiekosten, korte productietijd en hogere kwaliteit. Bekend is dat verbeterde materiaaleigenschappen kan leiden tot nadelige bewerkingseigenschappen. Zo leidt bijvoorbeeld hogesterktestaal bij verspanen tot lagere bewerkingssnelheden en hogere gereedschapsslijtage. In sommige gevallen kun je zelfs niet meer verspanen en moet je overstappen op slijpen, maar dat wil je niet want dat duurt vele malen langer dan verspanen’, vertelt Ploegman.

Door het te verspanen materiaal eerst voor te verwarmen met de laser blijkt het vaak wel goed te verspanen. ‘Een punt van aandacht is dat goed moet worden onderzocht wat verhitting doet met de materiaaleigenschappen’, aldus Ploegman naar aanleiding van een vraag uit het publiek.
‘Laser ondersteund frezen is lastiger dan draaien, omdat bij frezen het gereedschap draait waardoor het te verspanen materiaal lastiger is voor te bewerken. Maar daarvoor is al weer een oplossing bedacht. Er is freesgereedschap waar de laserstraal door het freesgereedschap wordt geleidt’, weet Ploegman.

laser ponsen/scheiden

Hogesterktestaal is ook lastiger ponsen dan wel scheiden. Ook hier is winst te behalen door het te ponsen materiaal eerst voor te verwarmen. Dat kan ook voor niet ronde vormen. Met de laser kun je vrij eenvoudig elke contour voorverwarmen en het daarna via lasersnijden verwijderen. Groot voordeel is dat je hiermee een veel gladdere snede krijgt. Ook kun je veel kleiner ponsen, bijvoorbeeld een 1 mm gat in 1 mm dik plaatmateriaal ponsen. Tot slot bereik je met hybride ponsen of scheiden een langere standtijd van het ponsgereedschap, minder vervorming van het materiaal en minder lawaai van het ponsproces.

Laser vervormen

Ook het vervormen van plaatmateriaal met hulp van de laser kan voordelen geven. Ploegman vertelde over het felsen van magnesium, een voorbeeld uit de praktijk van ABB. Door het te felsen plaatmateriaal voor te verwarmen op 600 graden kan er beter worden gefelst met veel minder kans op scheuren of vervormingen van de flens.
Ook het flowvormen met hulp van de laser biedt grote voordelen. Je kunt veel kleinere radii vervormen. Ploegman noemde als voorbeeld dat je conventioneel radii kunt vervormen vanaf 7x de plaatdikte terwijl met de laser voorverwarmen je radii kunt vervormen vanaf 0,25 x de plaatdikte. Voorverwarmen is natuurlijk niet nieuw, met een vlam gebeurt dat al eeuwen, maar de laser heeft hele specifieke voordelen. Ploegman noemde er een paar: zoals een beperkte warmte-inbreng in het te vervormen materiaal, de regelbaarheid van het voorverwarmingsproces, de bewerkingssnelheid is hoger en het kan een goed alternatief zijn het lassen.

Laser verspanen

Tot slot noemde Ploegman een hele specifieke hybride toepassing, namelijk door middel van de laser opwekken van korte spanen bij het verspaningsproces. Lange spanen zorgen er namelijk voor dat de warmte bij het product blijft, het levert een slechtere oppervlaktekwaliteit op en een hogere gereedschapsslijtage. Alleen al om deze nadelen wil je korte spanen. Korte spanen leveren minder warmte op waardoor je niet hoeft te koelen en dus geen koelvloeistof, dus schonere spanen wat ook weer een hogere schrootopbrengst oplevert. En tot slot nemen korte spanen ook nog eens minder volume op in de spaanbak.

Americhip International bedacht het Laser Assisted Chip Control. Volgens Ploegman heeft men een oplossing bedacht door het te verspanen oppervlak met de laser van snedes te voorzien. Door die ‘inkepingen’ zullen de spanen op die punten loslaten en kunnen er geen lange spanen ontstaan. Hierdoor kun je volgens Ploegman een factor 3 tot 4 sneller verspanen. Ook levert dat minder down time op.

Al deze hybride oplossingen worden nog niet veel toegepast, erkent Ploegman. Dat zal volgens hem pas gebeuren als de automotive de toepassingen in haar armen sluit. Aangezien de automotive steeds vaker hogesterktestaal toepast kan dat volgens hem niet lang duren.

Laser dicing

Paul Verburg, promovendus (onder Bert Huis in ´t Veld) bij de leerstoel Toegepaste Lasertechnologie vertelde over zijn onderzoek naar een nieuwe manier om wafers te scheiden in losse halfgeleidercomponenten. Traditioneel gebeurt dit met een diamantzaag of door middel van ablatie met gepulste lasers. Verburg onderzoekt nu of de componenten ook door middel van een laser onder de wafer kunnen worden verwijdert, het zogeheten ALISS = Advances Laser Induces Subsurface Seperation. Dit proces werkt als volgt: stap 1 is om door middel van laserpulsen de scheidingen van de onderdelen van de wafer te verzwakken, te vergelijken met de schilder die voor het snijden van glas gebruik maakt van een glassnijder, legt Verburg uit. Stap 2 is door een externe kracht uit te oefenen op de wafer komen de onderdelen los van de wafer. Grote voordeel van deze methode is dat er geen verontreinigingen optreden. Ook is de snedebreedte veel smaller, dus minder materiaalverlies zodat er meer onderdelen uit één wafer kunnen worden gehaald. Bij diamantzagen is de snede veel groter dan 30 mu, bij laserablatie zo’n 30 mu en bij ALISS gaat de breedte naar 10 mu. Verder wil Verburg komen tot een proefopstelling voor 3-D stapeling.

Richtlijn laserlassen

Vorig jaar is op initiatief van het Nederlands Instituut voor Lastechniek NIL, het Laser Applicatie Centrum LAC en met ondersteuning van M2i en de Universiteit Twente de Praktijkrichtlijn Laserlassen geïntroduceerd. Grote initiator daarin was Geri van Krieken, werkzaam bij Element (voorheen Stork FDO). Zij vertelde op het LaserEvent over de stand van zaken van deze richtlijn. De richtlijn is nu al voor iedereen beschikbaar, als pdf op de website van het LAC . De eerste gesprekken zijn gevoerd met de NEN over een eventuele totstandkoming van een de Nederlandse Technische Afspraak (NTA). ‘We zijn een beetje geschrokken van de prijs die de NEN hiervoor rekent. Daarnaast voeren we gesprekken met verschillende certificerende instellingen.’
Op de vraag of er vanuit de producenten geen behoefte is aan zo’n richtlijn zegt Van Krieken ‘dat dat gewoon tijd nodig heeft’. ‘Je ziet het ook met staalconstructies en daken. Er moeten eerst calamiteiten ontstaan voordat er actie wordt ondernomen.’ Van Krieken is er van overtuigd dat er een moment komt dat de producenten erom zullen vragen. ‘Denk daarbij aan productaansprakelijkheid.’
Ook vertelde Van Krieken dat er begin dit jaar ook gestart is met een richtlijn heel specifiek op het gebied van lasercladden, hier liggen veel mogelijkheden voor de applicatie van zeer dunne lagen, juist ook in Nederland, en het streven is om dit jaar de richtlijn te maken met een werkgroep, op dezelfde manier als deze richtlijn tot stand gekomen is.

Tot slot vertelde zij dat haar bedrijf, Element op 17 mei een seminar organiseert over lasercladden, kwaliteitsborging, onderzoeken, normen en standaards.

Het Industrial LaserEvent 2012 werd georganiseerd door de Leerstoel Toegepaste Laser Technologie van de Universiteit Twente, het Laser Applicatie Centrum (LAC), het Materials Innovation Institute (M2i), Syntens en Lightmotif en ondersteund door FDP, FME-CWM, M2i, LAC, Metaalunie, NIL Syntens en TNO. En de Kring Materiaalbewerking met Lasers en de VeMet van de Bond voor Materialenkennis.