Glasperlenstrahlen oder Laser: Was passiert mit der Oberfläche?

Glasperlenstrahlen und laserbasierte Bearbeitung wirken nach unterschiedlichen Prinzipien. Glasperlen treffen mechanisch auf das Werkstück und beeinflussen die Oberfläche durch den Strahlprozess. Ein Laser überträgt dagegen optisch Energie in einen definierten Bereich.

Welches Ergebnis besser geeignet ist, hängt deshalb vom gewünschten Endzustand ab.

Warum „sauber“ kein ausreichendes Qualitätsmerkmal ist

Bei einer industriellen Oberfläche können verschiedene Zielzustände gemeint sein.

Eine Fläche kann optisch sauber sein und trotzdem nicht die technischen Anforderungen eines Folgeprozesses erfüllen.

Umgekehrt kann eine Oberfläche bewusst aufgeraut werden, obwohl sie optisch weniger glatt erscheint.

Mögliche Anforderungen sind:

• definierte Rauheit
• gleichmäßiges mattes Erscheinungsbild
• erhaltene Passfläche
• gute Benetzbarkeit
• kontrollierte Klebefläche
• frei liegender elektrischer Kontakt
• vorbereiteter Beschichtungsgrund

Deshalb sollte vor dem Vergleich geklärt werden:

Was bedeutet „fertig“ für dieses Bauteil?

Erst danach kann bewertet werden, welches Verfahren geeigneter ist.

Wie Glasperlen die Oberfläche beeinflussen

Beim Glasperlenstrahlen treffen die Partikel mechanisch auf das Werkstück.

Dadurch wird die Oberfläche beeinflusst.

Eine am Fraunhofer IST angefertigte Untersuchung an austenitischen nichtrostenden Stählen beschreibt einen interessanten Unterschied zu geschliffenen Oberflächen: Beim Glasperlenstrahlen entstand die untersuchte Rauheit insbesondere durch plastische Deformation der Oberfläche und nicht auf dieselbe Weise durch scharfkantigen Materialabtrag wie bei den verglichenen Schleifprozessen.

Das ist wichtig, weil „Rauheit“ allein nicht alle Merkmale einer Oberfläche beschreibt.

Zwei Flächen können ähnliche Rauheitskennwerte besitzen und trotzdem eine andere Mikrostruktur beziehungsweise Topografie aufweisen.

Glasperlenstrahlen wird deshalb nicht ausschließlich eingesetzt, um etwas zu entfernen.

Das gewünschte Oberflächenbild selbst kann Teil des Prozessziels sein.

Was beim laserbasierten Abtrag anders ist

Beim Laser findet kein mechanischer Aufprall von Strahlkörpern auf die Oberfläche statt.

Die für den Abtrag benötigte Energie wird optisch eingebracht.

Die Grundlagen dazu sind im Beitrag Wie funktioniert Laserablation beim Reinigen von Metall? beschrieben.

Für den Vergleich ist insbesondere die Möglichkeit interessant, Beschichtungen lokal und selektiv zu bearbeiten.

Fraunhofer IFAM beschreibt laserbasierte Entschichtung als Verfahren, bei dem Schichten abhängig von Materialkombination und Parametern gezielt beziehungsweise bis zum Substrat entfernt werden können.

Damit liegt der Schwerpunkt häufig nicht auf der Erzeugung eines einheitlich gestrahlten Oberflächenbildes.

Der Schwerpunkt kann vielmehr darin bestehen, eine vorhandene Schicht nur dort zu entfernen, wo dies funktional notwendig ist.

Rauheit und Oberflächenstruktur

Rauheit ist in vielen industriellen Prozessen ausdrücklich gewünscht.

Eine nachfolgende Beschichtung oder Klebung kann einen bestimmten Oberflächenzustand benötigen.

Abrasive beziehungsweise mechanische Prozesse besitzen den Vorteil, dass Reinigung und Aufrauung miteinander kombiniert werden können.

Fraunhofer IFAM setzt beispielsweise Vakuum-Saugstrahlen gezielt zur Reinigung und Aktivierung von Oberflächen vor Klebeprozessen ein.

Ein laserbasierter Prozess kann ebenfalls die Oberflächenstruktur beeinflussen.

Wie stark, hängt von Material und Prozessparametern ab.

Deshalb wäre die Aussage falsch:

Glasperlen machen rau, Laser verändert nicht.

Beide können die Oberfläche beeinflussen.

Der Mechanismus und die Steuerungsmöglichkeiten unterscheiden sich.

Für einen technischen Vergleich sollte daher gemessen werden, welcher Zustand tatsächlich entsteht.

Edelstahl als typischer Vergleichsfall

Edelstahl ist ein interessanter Werkstoff für diesen Vergleich, weil neben technischen Eigenschaften häufig auch die Optik eine Rolle spielt.

Eine gestrahlte Oberfläche kann ein bewusst gleichmäßiges mattes Erscheinungsbild erhalten.

Das kann ausdrücklich gewünscht sein.

Bei einer Reparatur oder lokalen Entfernung einer Verfärbung kann dagegen das Ziel bestehen, nur einen bestimmten Bereich zu bearbeiten.

Dann muss geprüft werden, ob sich der behandelte Bereich optisch vom Rest unterscheidet.

Auch ein Laser kann ein sichtbares Oberflächenbild hinterlassen, wenn Parameter und Ausgangszustand entsprechend wirken.

Deshalb sollte bei Sichtteilen niemals lediglich auf die technische Entfernbarkeit einer Schicht geachtet werden.

Ein Materialtest sollte unter denselben Licht- und Betrachtungsbedingungen bewertet werden, unter denen das spätere Bauteil eingesetzt wird.

Optisches Erscheinungsbild

Glasperlenstrahlen wird häufig eingesetzt, um eine relativ einheitliche matte Oberflächenwirkung zu erzeugen.

Damit ist die Bearbeitung der Oberfläche selbst Teil des gewünschten Designs.

Bei laserbasierten Verfahren kann dagegen eine lokal bearbeitete Zone entstehen, die sich optisch von einer unbearbeiteten Umgebung unterscheidet.

Das kann technisch völlig akzeptabel sein.

Bei einem Sichtteil wäre es möglicherweise unerwünscht.

Umgekehrt kann ein Betrieb gerade keine vollflächige optische Veränderung wünschen.

Wenn nur ein Erdungspunkt oder eine Schweißzone freigelegt werden soll, wäre eine großflächige Änderung des Erscheinungsbildes unnötig.

Der visuelle Zielzustand sollte deshalb vor der Verfahrensentscheidung schriftlich beziehungsweise anhand eines Referenzmusters festgelegt werden.

Lokale Bearbeitung

Hier unterscheiden sich die Prozessprinzipien besonders deutlich.

Glasperlen können natürlich ebenfalls nur auf einen bestimmten Bereich gestrahlt werden.

Je präziser die Begrenzung sein soll, desto stärker können jedoch Maskierung, Düsenführung und Prozesskontrolle relevant werden.

Laserbasierte Entschichtung lässt sich optisch sehr präzise begrenzen.

Fraunhofer IFAM nennt als Beispiele unter anderem das lokale Freilegen elektrischer Kontakte und Erdungspunkte.

Das ist ein anderer Anwendungsfall als die vollflächige Mattierung eines Edelstahlgehäuses.

Damit wird deutlich:

Die Verfahren konkurrieren nicht in jeder Aufgabe direkt miteinander.

Oft entscheidet bereits die Frage, ob die gesamte Fläche oder nur eine Funktionszone verändert werden soll.

Kanten, Schriftzüge und Funktionsbereiche

Bei Bauteilen mit Beschriftungen, geometrischen Kanten oder definierten Kontaktzonen kann lokale Präzision besonders wichtig sein.

Ein Strahlmedium breitet sich abhängig von Düse, Abstand und Winkel über einen Bereich aus.

Angrenzende Zonen können durch Maskierung geschützt werden.

Ein Laser kann über seine Bahnführung auf eine definierte Kontur begrenzt werden.

Das kann beispielsweise interessant sein bei:

• Kontaktpads
• Schweißbereichen
• schmalen Klebezonen
• beschichteten Bauteilen mit freizulegenden Flächen

Für vollständig gleichmäßig zu behandelnde Oberflächen verliert dieser Vorteil dagegen an Bedeutung.

Ein gutes Verfahren ist immer dasjenige, dessen typische Stärke zur konkreten Aufgabe passt.

Strahlmittel und Prozessumgebung

Glasperlen sind ein Prozessmedium.

Sie müssen bereitgestellt, geführt, aufgefangen und abhängig von Anlagenkonzept und Zustand wiederverwendet beziehungsweise ersetzt werden.

Geschlossene Strahlkabinen können diese Prozesse sehr effizient organisieren.

Bei mobilen beziehungsweise offenen Anwendungen verändert sich der Aufwand.

Laserbasierter Abtrag benötigt keine Glasperlen oder ein anderes klassisches Strahlmittel.

Dafür ist eine geeignete Erfassung der beim Abtrag entstehenden Emissionen notwendig.

Fraunhofer IFAM weist bei laserbasierter Oberflächenbearbeitung darauf hin, dass die abgetragenen Stoffe lokal abgesaugt werden können.

Die DGUV fordert bei handgeführten Klasse-4-Anwendungen ebenfalls eine wirksame Betrachtung der entstehenden Gefahrstoffe.

Damit sollte die Prozessumgebung in den Vergleich aufgenommen werden:

Wo findet die Arbeit statt?

Gibt es bereits eine Strahlkabine?

Muss mobil gearbeitet werden?

Wie werden Rückstände erfasst?

Wiederholbarkeit

Ein automatisierter Strahlprozess kann sehr reproduzierbar arbeiten.

Düsenabstand, Strahldruck, Medium und Geschwindigkeit lassen sich definieren.

Laserprozesse können ebenfalls automatisiert und mit gespeicherten Parametern reproduziert werden.

Die Frage nach der Wiederholbarkeit entscheidet deshalb nicht allein zwischen beiden Technologien.

Interessanter ist:

Welche Prozessparameter verändern sich über die Zeit?

Beim Strahlen können beispielsweise Zustand und Zusammensetzung des Mediums sowie Anlagenparameter relevant sein.

Beim Laser müssen unter anderem Optikzustand und festgelegte Prozessparameter kontrolliert werden.

Bei Serienbauteilen sollte für beide Verfahren eine geeignete Qualitätskontrolle definiert werden.

Nachfolgende Beschichtung oder Klebung

Wenn eine Oberfläche anschließend beschichtet oder geklebt wird, darf das Reinigungsverfahren nicht isoliert bewertet werden.

Der Zielzustand muss zum Folgeprozess passen.

Fraunhofer IFAM nutzt abrasive Vakuum-Saugstrahltechnik ausdrücklich für die Vorbehandlung von Klebeflächen.

Laserprozesse werden ebenfalls zur Oberflächenvorbehandlung vor Kleben und Beschichten eingesetzt.

Damit können beide Technologien technisch sinnvolle Lösungen darstellen.

Welche besser ist, hängt vom erforderlichen Oberflächenzustand ab.

Hier empfiehlt es sich, nicht nur die gereinigte Oberfläche zu analysieren.

Im Idealfall wird auch der spätere Füge- oder Beschichtungsprozess geprüft.

Eine Oberfläche kann optisch hervorragend aussehen und trotzdem für die nachfolgende Anwendung nicht optimal sein.

Korrosionsverhalten nicht pauschalisieren

Besonders bei Edelstahl sollte vorsichtig mit allgemeinen Aussagen zur Korrosionsbeständigkeit nach unterschiedlichen Oberflächenbehandlungen umgegangen werden.

Die am Fraunhofer IST durchgeführte Untersuchung zeigte bei den dort betrachteten austenitischen Stahlproben Unterschiede zwischen geschliffenen und glasperlengestrahlten Oberflächen.

Daraus lässt sich jedoch keine universelle Aussage für jede Legierung, jedes Strahlmedium und jede Prozessführung ableiten.

Korrosionsverhalten hängt unter anderem von:

• Werkstoff
• Oberflächenzustand
• Verunreinigungen
• Passivierung
• Umgebung

ab.

Für sicherheits- oder korrosionskritische Bauteile sollte deshalb ein validierter Werkstoffprozess verwendet werden.

Ein Magazinvergleich ersetzt keine werkstofftechnische Freigabe.

Wie ein sinnvoller Vergleichstest aussieht

Bei einer Vergleichsprobe sollten beide Verfahren auf demselben Werkstoff und möglichst demselben Ausgangszustand getestet werden.

Bewertet werden können:

• sichtbares Ergebnis
• Rauheit
• Restbeschichtung
• Kanten
• lokale Maßveränderung
• benötigte Zeit
• Nacharbeit
• Eignung für den Folgeprozess

Bei Sichtteilen sollte zusätzlich die optische Gleichmäßigkeit bewertet werden.

Bei Funktionsflächen können Messwerte wichtiger sein.

Das Ergebnis sollte immer an der späteren Aufgabe gemessen werden.

Wann Glasperlenstrahlen sinnvoll ist

Glasperlenstrahlen kann besonders attraktiv sein, wenn:

• eine größere Fläche gleichmäßig behandelt werden soll,
• ein mattes Oberflächenbild gewünscht ist,
• mechanischer Oberflächeneinfluss zulässig oder erwünscht ist,
• eine vorhandene Strahlkabine genutzt werden kann,
• definierte Rauheit beziehungsweise Topografie Teil des Ziels ist.

Für solche Aufgaben kann eine vollflächige Strahlbearbeitung sehr effizient sein.

Wann ein Laser geprüft werden sollte

Laserbasierter Abtrag kann besonders interessant sein, wenn:

• nur lokale Zonen bearbeitet werden,
• angrenzende Beschichtung erhalten bleiben soll,
• kein zusätzliches Strahlmedium gewünscht ist,
• definierte Konturen freigelegt werden,
• eine automatisierbare lokale Bearbeitung erforderlich ist.

Die Unterschiede zwischen gepulstem und kontinuierlichem Energieeintrag spielen bei der Auswahl des geeigneten Systems zusätzlich eine Rolle.

Fazit: Das gewünschte Oberflächenbild entscheidet

Glasperlenstrahlen oder Laser: Was passiert mit der Oberfläche?

Beide Verfahren können einen sauberen technischen Endzustand erzeugen.

Sie tun dies jedoch auf unterschiedliche Weise.

Beim Glasperlenstrahlen ist der mechanische Einfluss des Strahlmediums Teil des Prozesses und kann gezielt für ein mattes beziehungsweise definiertes Oberflächenbild genutzt werden.

Laserbasierter Abtrag arbeitet ohne mechanisch auftreffendes Strahlmittel und kann besonders lokal begrenzt geführt werden.

Die Auswahl sollte deshalb nicht über die allgemeine Frage erfolgen, welches Verfahren moderner oder schonender sei.

Entscheidend sind:

1. gewünschte Rauheit
2. optisches Erscheinungsbild
3. zu bearbeitender Flächenanteil
4. Maß- und Kantentreue
5. nachfolgender Prozess
6. vorhandene Infrastruktur
7. reale Bearbeitungszeit

Bei hochwertigen Oberflächen ist ein direkter Materialvergleich häufig die zuverlässigste Entscheidungsgrundlage.

Quellen

• Fraunhofer IST / Fraunhofer Publica – Untersuchung zum Einfluss verschiedener Oberflächenbehandlungen auf austenitische nichtrostende Stähle — Vergleich unter anderem von Schleifen und Glasperlenstrahlen.
• Fraunhofer IFAM – Surface decoating by laser — Informationen zur selektiven lokalen Entschichtung.
• Fraunhofer IFAM – Abrasive pre-treatment with vacuum suction blasting — Informationen zur abrasiven Reinigung und Aktivierung von Oberflächen.
• DGUV – FBHM-139 — Arbeitsschutz bei handgeführten Klasse-4-Lasersystemen.

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