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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer texturierten Dressierwalze.
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Technischer Hintergrund
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Dressierwalzen für das Dressieren von geglühtem Kaltband und von schmelztauchbeschichtetem Stahlfeinblech werden bereits seit Langem mittels Elektronenstrahl hinsichtlich ihrer Topografie bearbeitet. Auch das Prinzip bzw. die Anordnung, gemeint ist u. a. auch das Einspannen von zu texturierenden Dressierwalzen in entsprechenden Vorrichtungen, ist generell bekannt und wird seit Jahrzehnten praktiziert, vgl. hierzu beispielsweise
EP 0 273 402 A2 ,
EP 0 338 816 A2 . Ziel des Dressierens ist die Einstellung gewünschter Rauheitskennwerte, die u.a. die Umformeigenschaften aber auch die Klebstoff- und Lackhaftung wesentlich beeinflussen. Im Rahmen aktueller Entwicklungen werden anstelle von Elektronenstrahlen zeitlich gepulste und räumlich fokussierte Laserstrahlen/Laser insbesondere sogenannte Ultrakurzpulslaser eingesetzt. Durch die gezielte örtliche Fokussierung eines radialsymmetrischen Laserstrahls, sei es mit Gauss'schem oder mit Flat-Top-Strahlprofil, wird punktuell Material von der Dressierwalzenoberfläche abgetragen und ein im Wesentlichen radialsymmetrischer Abtragkrater erzeugt. Um Abbildungsfehler und damit den Strahldurchmesser in der Taille des Laserfokus zwecks Erzeugung möglichst kleiner jedoch tiefer Abtragkrater zu minimieren, werden zur Fokussierung des zunächst parallel verlaufenden Laserstrahls möglichst idealer Strahlqualität (ideal: M
2=1, faktisch M
2>1) häufig Optiken aus mehr als einer, häufig aus zwei konvexen und einer dazwischen befindlichen konkaven sphärischen Linse, zunehmend aber auch aus einer einzelnen asphärisch konvexen Linse eingesetzt. Sollen längliche Strukturen abgetragen werden, wie zum Beispiel zur Erzeugung von zueinander parallel verlaufenden kurzen Linien der bereits bekannten Doppel-I-Strukturen, vgl. beispielsweise
EP 2 892 663 B1 , so sind für den Abtrag einer jeder dieser Linien mindestens zwei, meist jedoch drei und mehr der punktuellen Abträge nötig. Um den Abtrag länglicher Strukturen zu beschleunigen und damit die Bearbeitungsdauer für eine gesamte Dressierwalzenoberfläche zu verkürzen, ist es wünschenswert, eine längliche Struktur mit einem einzelnen Laserpuls abzutragen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung einer texturierten Dressierwalze bereitzustellen, mit welchem eine längliche Struktur mit einem einzelnen Laserpuls abgetragen werden kann.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung einer texturierten Dressierwalze mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Zur Herstellung einer texturierten Dressierwalze wird ein Laser verwendet, welcher im Laserpulsbetrieb betrieben wird und einzelne Laserpulse mit einer kreisrunden Intensitätsverteilung erzeugt. Die durch den Laser erzeugten Laserpulse werden auf die Dressierwalzenoberfläche gerichtet, um die Dressierwalzenoberfläche derart zu bearbeiten, dass durch die Laserpulse ein Materialabtrag auf der Dressierwalzenoberfläche bewirkt und dadurch eine Topografie auf der Dressierwalzenoberfläche erzeugt wird. Zwischen Laser respektive Laserquelle und Dressierwalzenoberfläche werden die Laserpulse durch ein Optiksystem, welches mindestens zwei Linsen umfasst, geführt, bevor sie auf der Dressierwalzenoberfläche auftreffen.
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Die Erfinder haben festgestellt, dass durch die mindestens zwei Linsen, welche in einem Abstand zueinander gehalten werden und derart ausgebildet sind, dass der vor dem Durchführen durch das Optiksystem ankommende Laserpuls mit einer kreisrunden Intensitätsverteilung in einen ausgehenden Laserpuls mit einer elliptischen oder gestreckten Intensitätsverteilung geändert wird, so dass eine längliche Struktur auf der Dressierwalzenoberfläche mit einem einzelnen Laserpuls abgetragen werden kann, u. a. eine Zeitersparnis bei der Lasertexturierung einer Dressierwalze von mindestens 20% möglich ist, was insbesondere je nach Durchmesser und Länge der Dressierwalze mindestens 30 Minuten betragen kann, so dass dadurch im Wesentlichen die Betriebskosten beim Lasertexturieren gesenkt werden können.
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Zur Erzeugung einer kreisrunden Intensitätsverteilung eines Laserpulses kann der Laser im einfachsten Fall beispielsweise im sogenannten TEM00-Modus betrieben werden. Das Betreiben von Laser im TEM (Transverse Electromagnetic Mode)-Modus ist in den Fachkreisen bekannt. Der Laser kann hinsichtlich seiner rechtwinkligen transversalelektromagnetischen (rectangular transverse mode pattern) Wellen in einem Modus betrieben werden, bei dem die Intensitätsverteilung über das Strahlprofil von einer kreisrunden Intensitätsverteilung abweicht und in erster Näherung eine Streckung aufweist, wie beispielsweise im Modus TEM01, TEM02, TEM03, ..., TEM10, TEM20, TEM30, ..., TEM21, TEM31 etc. In einem solchen Fall können wiederum radialsymmetrische Optiken bzw. Linsen zur Erzeugung einer kreisrunden Intensitätsverteilung insbesondere zusätzlich eingesetzt werden, die aufgrund der Streckung des Laserstrahlprofils zu einer gestreckten Abtragfläche führen können. Auch diese Art der Ausführung respektive Anwendung ist in den Fachkreisen bekannt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor. Ein oder mehrere Merkmale aus den Ansprüchen, der Beschreibung wie auch der Zeichnung können mit einem oder mehreren anderen Merkmalen daraus zu weiteren Ausgestaltungen der Erfindung verknüpft werden. Es können auch ein oder mehrere Merkmale aus den unabhängigen Ansprüchen durch ein oder mehrere andere Merkmale verknüpft werden.
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Um bei den abgetragenen länglichen Strukturen im Mittel (über mehrere der einzelnen Strukturen) respektive im Wesentlichen keine Vorzugsrichtung, sondern eine statistische Verteilung der Ausrichtung der einzelnen Strukturen zu erzeugen, ist es beispielsweise von Vorteil, eine resultierende statistische Verteilung der Ausrichtung der einzelnen Strukturen zu einer wünschenswerten makroskopisch richtungsunabhängigen (isotropen) Verarbeitungseigenschaften zu gewährleisten, wie beispielsweise beim Tiefziehen von Blechen für Automobilaußenhaut- und auch Automobilstrukturteile. Sollte eine Vorzugsrichtung, wie z.B. beim Rollprofilieren von Bandprodukten oder Spaltband, günstig erscheinen, können auch Abtragstrukturen mit einer Vorzugsrichtung gezielt erzeugt werden, insbesondere durch Rotation (winklige Anordnung der Linsen zueinander) der Linsen zueinander.
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Zum Abtrag einer länglichen Struktur auf der Oberfläche einer Dressierwalze mit einem einzelnen Puls eines Lasers werden gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens in dem Optiksystem als Linsen eine Kombination aus mindestens einer radialsymmetrischen Linse und mindestens einer konvexen Zylinderlinse verwendet. Zwecks Maximierung der Transmission der Laserstrahlung durch das Optiksystem ist hierbei die Verwendung von Antireflexbeschichtungen auf den jeweiligen Linsenoberflächen von Vorteil, die insbesondere auf die Wellenlänge der Laserstrahlung abzustimmen ist.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zum Abtrag einer länglichen Struktur auf der Oberfläche einer Dressierwalze mit einem einzelnen Puls eines Lasers in dem Optiksystem als Linsen eine Kombination von mindestens zwei konvexen Zylinderlinsen verwendet, welche in einem Winkel zwischen größer 0° und kleiner 90° zueinander gekreuzt angeordnet werden, somit nicht deckungsgleich zueinander angeordnet sind, insbesondere wobei die (konvexen Zylinder-)Linsen die gleiche Brennweite aufweisen. Sind die (konvexen Zylinder-)Linsen mit gleicher Brennweite beispielsweise in einem Winkel von 90° zueinander gekreuzt, entsteht eine Vorzugsrichtung, welche bei Bedarf entsprechend umgesetzt werden kann. Alternativ kann auch in dem Optiksystem eine Kombination von mindestens zwei konvexen Zylinderlinsen verwendet werden, welche in einem Winkel von 90° zueinander gekreuzt angeordnet werden, insbesondere wobei die (konvexen Zylinder-)Linsen unterschiedliche Brennweiten aufweisen, so dass beispielsweise keine Vorzugsrichtung entsteht. Zwecks Maximierung der Transmission der Laserstrahlung durch das Optiksystem ist hierbei die Verwendung von Antireflexbeschichtungen auf den jeweiligen Linsenoberflächen von Vorteil, die insbesondere auf die Wellenlänge der Laserstrahlung abzustimmen ist.
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Als Laserquellen eignen sich Gaslaser oder Festkörperlaser.
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Der Abstand zwischen den beiden Linsen ist beispielsweise kleiner als die Brennweite der ersten Linse, welche zuerst vom Laserpuls durchstrahlt wird. Insbesondere kann der Abstand zwischen den beiden Linsen von -20% x der Differenz der Brennweiten von der ersten und der zweiten Linse jeweils in Bezug auf die Entfernung zur Dressierwalzenoberfläche bis zu +20% x der Differenz der Brennweiten von der ersten und der zweiten Linse jeweils in Bezug auf die Entfernung zur Dressierwalzenoberfläche betragen. Dadurch kann insbesondere bezweckt werden, dass die eine Linse den Laserstrahl genau auf die Dressierwalzenoberfläche fokussiert, die andere Linse vor oder hinter der Oberfläche der Dressierwalze und somit zu einer gestreckten Abtragfläche führt. Die Ausprägung der Streckung ist beispielsweise von der Differenz von Brennweite und Abstand der Linse(n) von der Dressierwalzenoberfläche abhängig.
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Gemäß einer Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Linsen im Optiksystem in einer Entfernung zur Dressierwalzenoberfläche derart angeordnet, dass eine der Linsen, beispielsweise die erste Linse, entsprechend seiner Brennweite von der Oberfläche der Dressierwalze beabstandet wird und die andere Linse mit einer Entfernung von der Oberfläche der Dressierwalze beabstandet wird, die geringer oder größer ist als seine entsprechende Brennweite. Mit anderen Worten wird eine der Linsen, beispielsweise die erste Linse, auf die Oberfläche der Dressierwalze fokussiert und die andere Linse wird bezogen auf die Oberfläche der Dressierwalze defokussiert. Insbesondere trifft dieser Umstand u. a. dann zu, wenn zwei artgleiche (baugleiche) Linsen mit gleicher Brennweite verwendet und quasi „hintereinander“ angeordnet werden, so dass nur eine der Linsen im Fokus arbeiten kann. Bevorzugt wird eine Fokussierung unterhalb oder hinter (in Stahlrichtung betrachtet) der Dressierwalzenoberfläche eingestellt, um beispielsweise Gasdurchbrüche (Plasmen) beim Materialabtrag durch das Einwirken des Lasers vor der Dressierwalzenoberfläche zu verhindern, welche insbesondere bei Vorhandensein von Staubpartikeln (Abtragaerosol) auftreten könnten. Alternativ kann jedoch auch eine Fokussierung mit einer der Linsen vor respektive oberhalb der Dressierwalzenoberfläche eingestellt werden, vorzugsweise dann, wenn beispielsweise Staub auf der zu texturierenden Dressierwalze vermieden werden kann. Auch kann dies bei Vorliegen von Staub durch geeignete Mittel/Verfahren, beispielsweise durch eine gezielte Gasströmung, entlang der Dressierwalzenoberfläche zwecks Austrag respektive Entfernen von Staub aus dem zu texturierenden Bereich erreicht werden. Beispielsweise kann die zweite Linse defokussiert angeordnet werden, um beispielsweise eine gestreckte Abtragfläche einzustellen.
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Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Die einzige 1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung eine schematische Darstellung einer Ausführung der Erfindung. Dargestellt ist ein Verfahren bzw. eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung einer texturierten Dressierwalze (1), wobei ein Laser, nicht dargestellt, verwendet wird, welcher im Laserpulsbetrieb betrieben wird und einzelne Laserpulse mit einer kreisrunden Intensitätsverteilung (20) erzeugt werden, wobei die Laserpulse auf die Dressierwalzenoberfläche (2) gerichtet werden, um die Dressierwalzenoberfläche (2) derart zu bearbeiten, dass durch die Laserpulse ein Materialabtrag auf der Dressierwalzenoberfläche (2) bewirkt und dadurch eine Topografie auf der Dressierwalzenoberfläche (2) erzeugt wird, wobei die Laserpulse durch ein Optiksystem (10), welches mindestens zwei Linsen (11, 12) umfasst, geführt werden, bevor sie auf der Dressierwalzenoberfläche (2) auftreffen. Die zwei Linsen (11, 12) werden in einem Abstand (A) zueinander gehalten und sind derart ausgebildet, dass der vor dem Durchführen durch das Optiksystem (10) ankommende Laserpuls mit einer kreisrunden Intensitätsverteilung (20) in einen ausgehenden Laserpuls mit einer elliptischen oder gestreckten Intensitätsverteilung (22) geändert wird, um eine längliche Struktur, nicht dargestellt, auf der Dressierwalzenoberfläche (2) mit einem einzelnen Laserpuls abzutragen. Durch die einzelnen Laserpulse können somit längliche Strukturen abgetragen werden, so dass die konventionellen einzelnen Pulse, welche bisher zu einzelnen, punktuellen oder kreisförmigen Abtragkratern geführt haben, ersetzt werden können.
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Um bei den abgetragenen länglichen Strukturen im Mittel respektive im Wesentlichen keine Vorzugsrichtung zu erzeugen, können als Linsen (11, 12) mindestens eine radialsymmetrische Linse (11, 12) und mindestens eine konvexe Zylinderlinse (11, 12) verwendet werden. Alternativ können als Linsen (11, 12) mindestens zwei konvexe Zylinderlinsen (11, 12) verwendet werden, welche entweder in einem Winkel zwischen größer 0° und kleiner 90° zueinander gekreuzt angeordnet werden, insbesondere wobei die Linsen (11, 12) die gleiche Brennweite (f11, f12) aufweisen, oder in einem Winkel von 90° zueinander gekreuzt angeordnet werden, insbesondere wobei die Linsen (11, 12) unterschiedliche Brennweiten (f11, f12) aufweisen. Auch ist eine Kreuzung in einem Winkel von 90° mit gleicher Brennweite (f11, f12) möglich, wenn beispielsweise eine Vorzugsrichtung eingestellt werden soll.
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Der Laserpuls ist mit (S) in 1 symbolisiert. Der Abstand (A) zwischen den beiden Linsen (11, 12) ist beispielsweise kleiner als die Brennweite (f11) der ersten Linse (11).
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In Versuchen wurden jeweils eine Topografie auf einer Dressierwalzenoberfläche (2) mittels Laser erzeugt, hier nicht dargestellt, in Anlehnung an die Ausführung der länglichen Strukturen der Doppel-I-Struktur in der
EP 2 892 663 B1 . Bei der mittels Laser zu texturierenden Dressierwalze (1) handelte es sich um eine Standard-Dressierwalze aus einem Stahlmaterial. Für die Versuche wurde als Laser ein Yb-Faserlaser mit einer Wellenlänge 1030 nm verwendet, welcher im Laserpulsbetrieb mit einer Pulsenergie von 250 µJ, einer Pulsdauer von 1 µs und die einzelnen Laserpulse mit einer kreisrunden Intensitätsverteilung und einem Durchmesser von 10 mm vor dem Durchleuchten des Optiksystems (10) betrieben wurde. Als Linsen (11,12) kamen jeweils zwei artgleiche konvexe Zylinderlinsen mit gleicher Brennweite (f
11, f
12) mit der Handelsbezeichnung „N-BK7“ mit Antireflexbeschichtung der Fa. Thorlabs GmbH zur Anwendung, wobei die Linsen (11, 12) in einem Winkel von 90° zueinander gekreuzt angeordnet wurden, um eine Vorzugsrichtung zu erzeugen. In der Tabelle 1 sind die Ergebnisse der unterschiedlichen Versuche angegeben. Tabelle 1
| Brennweite (f11, f12) | Entfernung zweite Linse (12)/ Dressierwalzenoberfläche (2) | Abtragstiefe/ Laserpuls [µm] | Abtragsfläche/ Laserpuls [µm2] |
| 1000 mm | 990 mm (10 mm unterhalb von (2)) | 6 | 130x30, Ellipse |
| 1000 mm | 995 mm (5 mm unterhalb von (2)) | 6 | 80x30, Ellipse |
| 1000 mm | 990 mm (10 mm unterhalb von (2)) | 5 | 130x30, Ellipse |
| 300 mm | 295 mm (5 mm unterhalb von (2)) | 7,5 | 80x30, Ellipse |
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Die erste Linse (11) wurde in den Versuchen auf die Dressierwalzenoberfläche (2) fokussiert, die zweite Linse (12) somit in Bezug auf die Dressierwalzenoberfläche (2) defokussiert. Der Abstand (A) zwischen den beiden Linsen (11, 12) ist somit in der Angabe innerhalb des Klammerausdrucks in der zweiten Spalte mit jeweils 5 oder 10 mm unterhalb von (2) angegeben. Die Abtragtiefe und die Form der Abtragfläche pro Laserpuls wurde mittels 3D-Laserkonfokalmikroskopie (µsurf; Nanofocus) auf der Dressierwalzenoberfläche (2) untersucht. Somit konnte aus einem Standardverfahren zum Lasertexturieren einer Dressierwalze (1) mit einer kreisrunden Intensitätsverteilung (20) durch die Anwendung der Erfindung auf eine elliptische oder gestreckte Intensitätsverteilung (22) zur Erzeugung einer länglichen Struktur verbessert werden. Die Zeit zur Texturierung der Dressierwalze (1) mittels Laser konnte durch das erfindungsgemäße Verfahren somit um mindestens 20% reduziert werden.
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Die beschriebenen Merkmale sind alle, soweit technisch möglich, miteinander kombinierbar. Das Optiksystem umfasst mindestens zwei Linsen, bevorzugt davon mindestens eine konvexe Zylinderlinse.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0273402 A2 [0002]
- EP 0338816 A2 [0002]
- EP 2892663 B1 [0002, 0018]
