Schleifen oder Laserabtrag: Wann entscheidet die Maßhaltigkeit?

Bei präzisen Funktionsflächen verändert sich jedoch die Fragestellung. Dann zählt nicht nur, ob eine störende Schicht entfernt wird. Relevant ist auch, wie stark das Grundmaterial, die Kante oder die vorhandene Oberflächenstruktur beeinflusst werden.

Laserbasierter Abtrag kann hier eine Alternative darstellen – allerdings nicht für jede Fläche und nicht automatisch wirtschaftlicher.

Warum Schleifen im Betrieb so attraktiv ist

Schleifen gehört zu den etabliertesten mechanischen Bearbeitungsverfahren.

Die benötigten Geräte sind weit verbreitet. Mitarbeiter kennen die Arbeitsweise. Verbrauchsmaterial ist verfügbar und viele Aufgaben können ohne komplexe Prozessentwicklung direkt begonnen werden.

Diese Einfachheit besitzt einen hohen wirtschaftlichen Wert.

Nicht jede korrodierte Halterung benötigt ein hochentwickeltes Lasersystem.

Wenn ein Mitarbeiter mit einem Winkelschleifer eine robuste Fläche in wenigen Minuten in den benötigten Zustand bringt, ist dies ein ernstzunehmender Benchmark.

Die DGUV Information 209-002 „Schleifen“ behandelt entsprechend eine Vielzahl etablierter Schleifwerkzeuge und typischer Arbeitsweisen.

Eine sinnvolle technische Bewertung sollte deshalb nicht versuchen, Schleifen grundsätzlich als veraltetes Verfahren darzustellen.

Die Frage lautet vielmehr:

Wo entstehen durch den mechanischen Kontakt Nachteile, die für das konkrete Bauteil relevant sind?

Was mechanischer Abtrag mit der Oberfläche macht

Ein Schleifmittel trägt Material mechanisch ab.

Dabei wird nicht physikalisch zwischen „unerwünschter Beschichtung“ und „wertvollem Grundmaterial“ unterschieden.

Solange das Schleifkorn Kontakt besitzt und ausreichend Kraft wirkt, kann Material entfernt werden.

In der Praxis kontrolliert der Bediener den Prozess über:

• Körnung
• Werkzeug
• Anpressdruck
• Winkel
• Bewegung
• Bearbeitungszeit

Ein erfahrener Mitarbeiter kann damit sehr präzise arbeiten.

Trotzdem bleibt das Verfahren grundsätzlich mechanisch.

Sobald die störende Deckschicht verschwunden ist, kann die weitere Bewegung auch das Substrat beeinflussen.

Bei robusten Flächen ist das möglicherweise völlig irrelevant.

Bei einer Passfläche oder dünnen Kante kann es entscheidend werden.

Laserbasierter Abtrag besitzt dagegen keinen direkten mechanischen Werkzeugkontakt.

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

Wann Maßhaltigkeit relevant wird

Nicht jedes Bauteil besitzt enge Toleranzen.

Ein Stahlträger kann möglicherweise problemlos einige Zehntelmillimeter Oberflächenveränderung vertragen.

Bei anderen Komponenten sieht es anders aus.

Maßhaltigkeit kann beispielsweise relevant sein bei:

• Passflächen
• Dichtflächen
• präzisen Werkzeugkonturen
• dünnwandigen Bauteilen
• definierten Kanten
• Reparaturbereichen
• geometrisch kritischen Komponenten

Hier sollte nicht nur geprüft werden, wie schnell eine Beschichtung entfernt wird.

Es sollte auch bewertet werden:

Wie viel Grundmaterial wird dabei verändert?

Ein Verfahren, das fünf Minuten schneller arbeitet, kann wirtschaftlich trotzdem schlechter sein, wenn anschließend eine Funktionsfläche nachgearbeitet werden muss.

Genau deshalb gehört die Nacharbeit in jeden Verfahrensvergleich.

Kanten und dünne Bauteile

Kanten stellen bei manueller mechanischer Bearbeitung eine besondere Situation dar.

Wird ein Schleifwerkzeug über eine Kante geführt, kann sich der lokale Anpressdruck verändern.

Je nach Werkzeug und Arbeitsweise kann eine ursprünglich scharfe Geometrie verrundet werden.

Bei vielen Aufgaben spielt das keine Rolle.

Bei restaurierten Bauteilen, Passungen oder sichtbaren Designkanten kann es jedoch unerwünscht sein.

Ähnliches gilt für dünne Bleche.

Hier können neben Materialabtrag auch Wärme und mechanische Einwirkung relevant werden.

Laserprozesse sind ebenfalls nicht automatisch frei von Einfluss.

Bei ungeeigneter Parametrierung kann Laserenergie das Substrat verändern.

Der Unterschied liegt deshalb nicht zwischen:

Schleifen verändert – Laser verändert nie.

Sondern zwischen zwei verschiedenen Arten, Energie beziehungsweise mechanische Wirkung in die Oberfläche einzubringen.

Für sensible Anwendungen sollte der tatsächlich erreichbare Endzustand verglichen werden.

Werkzeugverschleiß als Prozessvariable

Ein Schleifmittel verändert sich während der Nutzung.

Körner werden stumpfer, Scheiben verschleißen und die wirksame Geometrie kann sich verändern.

Damit kann sich auch das Bearbeitungsverhalten über den Prozess hinweg verändern.

In manuellen Arbeiten gleicht ein erfahrener Bediener dies häufig automatisch aus.

Bei standardisierten Prozessen sollte der Werkzeugzustand jedoch berücksichtigt werden.

Verbrauchsmaterial erzeugt zusätzlich:

• Einkaufskosten
• Lagerbedarf
• Wechselzeiten
• Entsorgung

Das bedeutet nicht, dass diese Kosten besonders hoch sein müssen.

Sie gehören lediglich in die Prozessrechnung.

Beim Laser existiert kein Schleifkörper, der während des Abtrags mechanisch verbraucht wird.

Dafür müssen optische Schutzkomponenten und Filter berücksichtigt werden.

Auch hier ist also nicht „Verbrauch gegen keinen Verbrauch“ die richtige Gegenüberstellung.

Die Verbrauchsarten unterscheiden sich.

Riefen und gewünschte Rauheit

Mechanischer Einfluss kann ausdrücklich erwünscht sein.

Wenn eine Oberfläche für einen anschließenden Beschichtungs- oder Klebeprozess aufgeraut werden soll, kann ein Schleifprozess gleichzeitig reinigen und die benötigte Topografie erzeugen.

Das ist ein Vorteil.

Eine möglichst unveränderte Oberfläche ist nicht für jeden Folgeprozess das Ziel.

Fraunhofer IFAM arbeitet bei Oberflächenvorbehandlungen deshalb sowohl mit abrasiven als auch mit laserbasierten Verfahren.

Der gewünschte Endzustand entscheidet über die richtige Technologie.

Interessant ist auch, dass unterschiedliche mechanische Verfahren trotz ähnlicher Rauheitswerte unterschiedliche Oberflächenstrukturen erzeugen können.

Untersuchungen an austenitischen Stählen zeigen beispielsweise Unterschiede zwischen geschliffenen und glasperlengestrahlten Oberflächen.

Daraus folgt:

Eine einzelne Rauheitskennzahl beschreibt nicht zwangsläufig den kompletten Oberflächenzustand.

Für technische Fügeprozesse sollte deshalb definiert werden, welche Oberflächeneigenschaften tatsächlich benötigt werden.

Lokale Bereiche statt kompletter Flächen

Schleifen kann ebenfalls lokal eingesetzt werden.

Ein Mitarbeiter kann eine kleine Stelle gezielt bearbeiten.

Bei sehr präzisen geometrisch begrenzten Bereichen steigt jedoch der Aufwand.

Soll beispielsweise ein schmaler Kontaktbereich aus einer Beschichtung freigelegt werden, muss angrenzendes Material gegebenenfalls geschützt oder besonders vorsichtig gearbeitet werden.

Fraunhofer IFAM hebt bei laserbasierter Entschichtung die scharf begrenzte lokale Bearbeitung hervor.

Darin kann bei bestimmten Bauteilen ein Vorteil liegen.

Typische Beispiele wären:

• elektrische Kontakte
• Erdungspunkte
• definierte Klebeflächen
• lokale Reparaturbereiche
• schmale Fügezonen

Je kleiner und präziser der Bereich ist, desto stärker kann die Fähigkeit zur lokal begrenzten Bearbeitung wirtschaftlich relevant werden.

Bearbeitungsgeschwindigkeit

Für große einfache Flächen kann Schleifen extrem wirtschaftlich sein.

Ein leistungsfähiges Werkzeug und ein erfahrener Bediener erreichen hohe Abtragsleistungen.

Ein Laser muss deshalb einen konkreten Zusatznutzen bieten, damit eine Investition gerechtfertigt ist.

Bei der Geschwindigkeitsmessung sollte jedoch der gleiche Endzustand verglichen werden.

Wenn Schleifen schneller abträgt, anschließend aber eine zusätzliche Feinbearbeitung notwendig ist, muss diese Zeit berücksichtigt werden.

Wenn der Laser mehrere langsame Überfahrten benötigt, gehört auch das vollständig in die Rechnung.

Relevant ist:

Zeit bis zum freigegebenen Bauteil.

Nicht lediglich die Geschwindigkeit des ersten Arbeitsschrittes.

Zugänglichkeit und Geometrie

Ein Schleifwerkzeug benötigt mechanischen Zugang.

Die Scheibe, Bürste oder das Schleifband muss die Oberfläche erreichen können.

Sehr schmale Nuten oder komplizierte Innenbereiche können problematisch sein.

Ein Laser benötigt wiederum optische Zugänglichkeit.

Auch er kann keine verdeckten Hinterschneidungen durch das Material hindurch bearbeiten.

Damit besitzen beide Technologien geometrische Grenzen.

Der Unterschied liegt in der Art des benötigten Zugangs.

Bei einem konkreten Bauteil sollte deshalb geprüft werden:

Kann ein Werkzeug mechanisch angesetzt werden?

Kann ein Laser optisch auf die Fläche gerichtet werden?

Welche Methode erreicht mehr der tatsächlich notwendigen Bereiche?

Automatisierung

Schleifen lässt sich automatisieren.

Robotergestützte Schleifprozesse sind in industriellen Fertigungen etabliert.

Allerdings müssen Werkzeugverschleiß, Anpresskraft und Bauteiltoleranzen entsprechend beherrscht werden.

Laserprozesse können ebenfalls automatisiert werden.

Hier werden Strahlbewegung und Bearbeitungskopf über Scanner, Achssysteme oder Roboter geführt.

Bei einem optischen Prozess entfällt die mechanische Kontaktkraft zwischen Werkzeug und Werkstück.

Das kann die Bahnplanung für bestimmte Aufgaben vereinfachen.

Umgekehrt muss beim Laser ein stabiles Prozessfenster für den Energieeintrag gefunden werden.

Auch hier besitzt keine Technologie automatisch den einfacheren Automatisierungsprozess.

Die Anforderungen sind lediglich verschieden.

Staub, Absaugung und Arbeitsschutz

Beim Schleifen können Staub, Partikel, Funken, Lärm und Gefährdungen durch rotierende Werkzeuge relevant sein.

Die DGUV Information 209-002 beschreibt typische Unfall- und Gesundheitsgefährdungen sowie geeignete Schutzmaßnahmen für Schleifarbeiten.

Beim laserbasierten Abtrag entstehen ebenfalls Partikel und Prozessemissionen.

Zusätzlich ist bei offenen leistungsstarken Systemen die Laserstrahlung selbst zu berücksichtigen.

Die DGUV FBHM-139 behandelt Klasse-4-Reinigungslaser und die erforderlichen Schutzmaßnahmen.

Damit darf Sicherheit nicht als Vorteil einer Seite pauschalisiert werden.

Beide Verfahren benötigen einen korrekt geplanten Arbeitsplatz.

Die Gefährdungsarten unterscheiden sich.

Wie der Vergleich am Bauteil durchgeführt wird

Für eine belastbare Entscheidung eignet sich eine geteilte Referenzfläche.

Ein vergleichbares Bauteil beziehungsweise zwei identische Bereiche werden mit beiden Verfahren auf denselben Zielzustand gebracht.

Anschließend werden mindestens folgende Größen bewertet:

• Bearbeitungszeit
• Oberflächenzustand
• Maßveränderung
• Rauheit, falls relevant
• Nacharbeit
• Verbrauchsmaterial
• Rüstzeit
• Bedienaufwand

Bei kritischen Funktionsflächen können zusätzliche Messungen notwendig sein.

Ein bloßer Vorher-Nachher-Blick reicht dort möglicherweise nicht.

Wann Schleifen klar sinnvoll bleibt

Schleifen ist besonders attraktiv, wenn:

• eine robuste Fläche vorliegt,
• mechanischer Materialabtrag erlaubt ist,
• Aufrauung erwünscht ist,
• ein einfaches Werkzeug genügt,
• nur gelegentliche Arbeiten stattfinden,
• Investitionskosten minimal bleiben sollen.

In solchen Fällen kann der mechanische Prozess die wirtschaftlichste Lösung sein.

Es gibt keinen Grund, ihn nur wegen einer neueren Technologie zu ersetzen.

Wann Laserabtrag geprüft werden sollte

Ein laserbasierter Prozess wird besonders interessant, wenn:

• Grundmaterial möglichst kontrolliert behandelt werden soll,
• präzise Teilflächen freigelegt werden,
• keine mechanische Kontaktkraft erwünscht ist,
• wiederkehrende lokale Bereiche automatisiert werden,
• Kanten beziehungsweise Funktionsflächen relevant sind,
• Schleifmittel in der Umgebung problematisch wären.

Ob daraus tatsächlich ein wirtschaftlicher Vorteil entsteht, muss am konkreten Prozess gemessen werden.

Fazit: Maßhaltigkeit kann wichtiger sein als maximale Abtragsleistung

Schleifen oder Laserabtrag: Wann entscheidet die Maßhaltigkeit?

Sobald die Oberfläche eine technische Funktion besitzt.

Schleifen bleibt für zahlreiche robuste Aufgaben eine schnelle, einfache und wirtschaftlich starke Methode.

Der mechanische Kontakt kann gleichzeitig aber die Oberflächenstruktur und bei entsprechendem Abtrag auch die Geometrie beeinflussen.

Laserbasierter Abtrag bietet einen anderen Ansatz ohne mechanischen Werkzeugkontakt.

Daraus entsteht jedoch nicht automatisch ein besseres Ergebnis.

Die Entscheidung sollte folgende Fragen beantworten:

1. Darf Grundmaterial abgetragen werden?
2. Ist eine Aufrauung gewünscht?
3. Wie empfindlich sind Kanten und Funktionsflächen?
4. Wie groß ist die Bearbeitungsfläche?
5. Welche Nacharbeit entsteht?
6. Welches Verfahren erreicht den Zielzustand schneller?

Erst dann lässt sich beurteilen, ob Schleifen oder ein laserbasierter Prozess für die konkrete Aufgabe wirtschaftlicher ist.

Quellen

• DGUV Information 209-002 „Schleifen“ — Typische Gefährdungen und Schutzmaßnahmen bei Schleiftätigkeiten.
• Fraunhofer IFAM – Surface decoating by laser — Lokaler und selektiver Beschichtungsabtrag.
• Fraunhofer IFAM – Oberflächentechnik — Vergleich und Entwicklung mechanischer, abrasiver und laserbasierter Vorbehandlungsverfahren.

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