Werkzeugmaschinen Der Laser erobert neue Märkte

Die Materialbearbeitung mit dem Laserstrahl beschränkt sich längst nicht mehr auf das Schneiden und Schweißen von Blechen. Das Laserformen zum Aufbau von Werkzeugen aus Metallpulver oder Laser-Honen zum Strukturieren von Zylinderflächen sind nur zwei Beispiele für neue Segmente.

Anbieter zum Thema

Renishaw GmbH

Weil Technology GmbH

trivid GmbH

Die Materialbearbeitung mit dem Laserstrahl beschränkt sich längst nicht mehr auf das Schneiden und Schweißen von Blechen. Das Laserformen zum Aufbau von Werkzeugen aus Metallpulver oder Laser-Honen zum Strukturieren von Zylinderlaufflächen sind nur zwei Beispiele für neue Segmente. Der Weltmarkt für Lasersysteme zur Materialbearbeitung wächst weiter. Ausgezeichnete langfristige Wachstumsperspektiven für den Lasermarkt sieht beispielsweise das Marktforschungsunternehmen Optech Consulting AG. Die Schweizer glauben, dass das jährliche Absatzpotential für Lasersysteme zur Materialbearbeitung bereits 2010 die Grenze von 10 Mrd. Euro erreichen oder überschreiten kann – rund doppelt so viel wie im vergangenen Jahr. Die Prognose mit einer durchschnittlichen jährlichen Zuwachsrate von 13% bis 2010 basiert überwiegend auf der Annahme einer weiter steigenden Marktdurchdringung, setzt aber auch auf neue Anwendungen. Bislang, so schätzt man, sind die Anwendungspotenziale der Lasertechnik nicht einmal zur Hälfte ausgeschöpft. Innovative Lasertechniken erschließen neue MärkteProf. Reinhart Poprawe, Leiter des Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT), sieht eine ganze Reihe neuer Einsatzpotenziale für den Laser. Dazu gehört die Simultanbearbeitung mit Single-shot-Diodenlaser, das Laserreinigen mit Stab-Lasern oder die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung von Glas mit Slab-Lasern. An der Schwelle zur industriellen Praxis steht das selektive Laserschmelzen mit Faserlasern. Das direkte Laserformen ermöglicht die nahezu beliebige Herstellung dreidimensionaler Strukturen aus Metallpulver. „Potenzielle Anwendungsfelder sind insbesondere im Ultra-Leichtbau und der Medizintechnik zu finden“, so Poprawe. Aufgrund der fortwährenden Miniaturisierung auf dem Gebiet der Strukturierung gewinnt der Laser gegenüber konventionellen Bearbeitungsverfahren zunehmend an Bedeutung. Verfahren zur Strukturierung umfassen sowohl abtragende als auch auftragende Methoden. Zu den Anbietern in diesem Marktsegment gehört die Trumpf Werkzeugmaschinen GmbH & Co. KG, Ditzingen, die für den Bereich Laserformen zwei generative Verfahren entwickelt hat: das direkte Laserformen aus dem Pulverbett und das Direct-Metal-Deposition-Verfahren mit der Pulverdüse. Bei beiden Verfahren werden metallische Bauteile oder Bauteilsegmente direkt aus 3D-CAD-Modellen erzeugt, indem reines Metallpulver ohne Bindemittel schichtweise mit dem Laser aufgeschmolzen wird. Typische Anwendungsgebiete sind die Herstellung, Reparatur und Formänderung von Werkzeugen. Dr. Joachim Hutfless, Leiter neue Verfahren bei Trumpf, zu den Vorteilen: „Mit dem Direkten Laserformen lassen sich große geometrische Freiheiten bei Schichtdicken zwischen 50 und 200 µm realisieren.“ Ein Vorteil des Verfahrens ist die Schnelligkeit. Dazu Dr. Hutfless: „Durch die Integration des direkten Laserformens in die Prozesskette kann die gesamte Herstellzeit für ein Werkzeug stark verkürzt werden.“ Typische Bauzeiten liegen im Bereich weniger Stunden oder bei größeren Bauvolumina bei ein bis zwei Tagen. Direkt in der Maschine erreichbare Qualitäten liegen heute für die Werkstoffe Edelstahl 1.4404 und Werkzeugstahl 1.2343 bei Oberflächenrauheiten von wenigen Zehntel Millimeter und Härtewerten, die dem Grundwerkstoff entsprechen. Die hergestellten Metallgefüge sind praktisch porenfrei – eine notwendige Voraussetzung dafür, dass die Bauteile durch Fräsen, Erodieren oder Polieren fertigbearbeitet werden können.Herzstück der Anlage sind zwei identische Prozesskammern, in denen der eigentliche Bauprozess abläuft. Während in der einen Kammer gefertigte Teile noch abkühlen, kann in der anderen bereits ein Auftrag gestartet werden – bei Bedarf auch mit einem anderen Werkstoff. Als Laserstrahlquelle kommt der Scheibenlaser HLD 251 mit 250 W zum Einsatz. „Aufgrund der exzellenten Strahlqualität stellt er das perfekte Werkzeug für das Direkte Laserformen dar“, meint Dr. Hutfless. Metall schichtweise, dreidimensional auftragenBeim Direct Metal Deposition wird mittels einer Pulverdüse schichtweise Metall auf bestehende Werkzeuge und Bauteile dreidimensional aufgetragen. „Das Verfahren findet vielfältige Einsatzbereiche in der Werkzeugtechnik, wenn es darum geht, hochqualitative Strukturen gezielt aufzutragen, ohne dabei das Grundmaterial durch übermäßigen Wärmeeintrag zu schädigen“, erklärt Robert Ganter, Projektleiter der Trumpf Laser- und Systemtechnik GmbH in Ditzingen. Die Einsatzmöglichkeiten reichen von Formeneinsätzen aus Spritzgusswerkzeugen über Presswerkzeuge bis hin zu Bauteilen aus dem Offshore-Bereich. Eine Besonderheit besteht darin, unterschiedliche Pulver mischen oder wechselweise auftragen zu können, so dass ein für die Anwendung maßgeschneiderter Schichtaufbau möglich ist.Prozess-Sensoren überwachen den Schichtaufbau beim DMD-Prozess permanent. Die gemessenen Geometrieinformationen werden zur Echtzeit-Regelung der Maschine herangezogen. „Dies stellt sicher, dass die zusätzlichen Metallschichten in bester Qualität und stets reproduzierbar aufgebaut werden“, sagt Ganter. Durch das vollständige Aufschmelzen des Pulvers sollen vollkommen dichte Metallschichten entstehen, die eine feste und mechanisch belastbare metallurgische Verbindung mit dem Grundmaterial eingehen. Mit bis zu vier verschiedenen Pulverförderern können unterschiedliche Schichten aufgetragen sowie Mischstrukturen oder eigene Legierungen erzeugt werden. Die Oberflächen können unmittelbar nach der funkenerosiven oder spanenden Nachbearbeitung poliert oder geätzt werden. Das Bohren mit Laserstrahlung kommt als Fertigungstechnik immer dann zum Einsatz, wenn Geometrien erzeugt und Werkstoffe bearbeitet werden, die sich konventiellen Verfahren entziehen. Anwendungsmärkte sind unter anderem Düsen für Tintenstrahldruckerpatronen, Einspritzdüsen für die Automobilindustrie oder Kontaktierungsbohrungen bei Mehrlagen-Leiterplatten. Darüber hinaus gibt es weitere zukunftsträchtige Märkte, bei denen Präzisionsbohrungen in einer großen Stückzahl benötigt werden. Zu nennen sind hier vor allen Dingen die Flugzeugindustrie mit der Perforation von Flügelelementen, die Triebwerksindustrie mit der Erstellung von Kühlbohrungen sowie die Medizintechnik.Wendelbohroptik lässt sich in Laseranlagen integrierenZum Erzeugen kreisrunder Präzisionsbohrungen, wie sie beispielsweise in Mikrodosiersystemen der Medizintechnik oder in Einspritzdüsen der Automobilindustrie benötigt werden, hat das Fraunhofer ILT eine sehr kompakte Wendelbohroptik entwickelt, die sich in einfacher Form in Laseranlagen integrieren lässt. Bei Rotationsfrequenzen von bis zu 50 000 min-1 und gleichzeitiger Drehung von Strahlform und Polarisation können Bohrungsdurchmesser von 30 bis 300 µm erzielt werden. Durch Verkippung des Laserstrahls lassen sich sogar konische Bohrungen mit einem Aufweitungsverhältnis von 1 zu 2 realisieren. Ein weiteres Beispiel ist das Laserbohren von Kühlluftkanälen bei Turbinenschaufeln. Die unter Führung der MTU Aero Engines mit Partnern in Hochschulen und Industrie entwickelte Technik befindet sich in der Phase der industriellen Umsetzung. „Sie erlaubt es“, so Professor Dr. Klaus Broichhausen, Leiter der MTU-Technologieprogramme, „durch eine Kombination von Laserbohren und Laserabtragen sowie eine sehr genaue optische Messtechnik erstmalig auf effiziente Weise auch konisch geformte Kühlluftbohrungen in das hochfeste Turbinenmaterial zu setzen“. Erstmalig wird ab 2006, so eine Meldung der Gehring GmbH Co. KG in Ostfildern, weltweit das Laser-Honen auch bei der Produktion von Benzinmotoren genutzt. Die von Gehring entwickelte Laserbearbeitung von Motorenteilen wurde 2002 zum ersten Mal im Serienmotorenbau eingesetzt. Bisher war diese Bearbeitung zur Optimierung von Zylinderlaufbahnen nur bei Dieselmotoren anwendbar. Unter Laser-Honen versteht man die Strukturierung von Zylinderlaufflächen, in die mit hoher Genauigkeit per Laserstrahl mikroskopisch kleine Taschen gebrannt werden. Die Weiterentwicklung der Laserstrukturierung sieht die komplette Bearbeitung der gesamten Zylinderlauffläche vor. Damit steigt das Einsparpotenzial nochmals beträchtlich. Durch die weiter verringerte Reibung können auch die Kolbenringe angepasst werden, was zu einem noch leichteren Motorenlauf führt. Prüfungen der Universität Hannover an einem Versuchsmotor ergaben bei optimaler Auslegung Kraftstoffeinsparungen von über 6%. Außerdem soll Laser-Honen zu geringerem Ölverbrauch und weniger Schadstoffen führen. Laserstrahlabtragen ist ideal für kleine SerienEinen Beitrag zur Reduzierung der Durchlaufzeit kleiner Losgrößen insbesondere filigraner Werkzeugformen kann das Laserabtragen liefern. Durch die berührungslose und kräftefreie Bearbeitung ist der Prozess nahezu verschleißfrei und ermöglicht damit die Fertigung von Produkten mit gleichbleibend hoher Qualität. Weitere Merkmale sind die hohe Flexibilität bezüglich der bearbeitbaren Werkstoffe und erzeugbaren Geometrien, die gute Automatisierbarkeit sowie die Verringerung der Prozessketten-Komplexität. Aufgrund der relativ geringen Abtragraten lässt sich das Verfahren am besten für filigrane Kavitäten in kleinen Losgrößen einsetzen.Prozessüberwachungssysteme werden bei Schweißprozessen immer wichtiger. Dr. Uwe Zoske, Geschäftsführer der Precitec KG in Gaggenau, ist überzeugt, dass beim Laserschweißen „das Qualitätsmonitoring von der Ausnahme zur Regel wird“. Insbesondere die Automobilindustrie werde in Zukunft durch Einführen von Lasernetzwerken eine Erhöhung des Ausnutzungsgrades von Laserinstallationen anstreben: „Precitec stellt sich diesen Trends mit netzwerkfähigen Komponenten und Prozessüberwachungssystemen“, betont Zoske. So habe man ein Online-Monitorsystem, das die Vorteile von Kamera- und Einzelsensorsystemen miteinander verbindet. Ein Airbag-Hersteller verwendet das Laser-Welding-Monitor-System von Precitec zur zerstörungsfreien Online-Kontrolle in Echtzeit. Zum Überwachen des Schweißprozesses werden Laserleistung, Rückreflex, Schweißbadtemperatur und Plasmastrahlung erfasst. Dazu dienen vier in den Strahlengang des Lasers eingebaute Detektoren. Die Signalverläufe der aktuellen Schweißung werden mit Referenzkurven verglichen, die man aus Aufzeichnungen optimaler Schweißungen gewonnen hat. Der Laser-Welding-Monitor wertet die Signalverläufe dann für eine Gut-Schlecht-Entscheidung aus.Beim Laserstrahl-Auftragschweißen mit pulverförmigen Zusatzwerkstoffen kommt der Pulverzufuhr in das Schmelzbad eine entscheidende Bedeutung zu. Am Fraunhofer ILT und am Lehrstuhl für Lasertechnik der RWTH Aachen wurden verschiedene Konzepte für Pulverdüsen in industrietaugliche Produkte umgesetzt. Alle Düsen sind modular aufgebaut, so dass Teilkomponenten einfach und schnell ausgetauscht werden können. Die integrierte Wasserkühlung erlaubt einen kontinuierlichen Betrieb der Düsen über mehrere Stunden. An der FH Aachen wurde außerdem in Zusammenarbeit mit einem regionalen Unternehmen eine Laser-Plasma-Hybridschweißanlage entwickelt. Das Laserbeschichten in Kombination mit dem Plasmapulverbeschichten ist nach Meinung der Aachener das ideale Verfahren zur Instandsetzung von beschädigten oder verschlissenen Werkzeugen. Das Beschichten geschieht mit pulverförmigem Zusatzwerkstoff. Es ergeben sich Vorteile wie hohe Genauigkeit, minimale Bauteilbelastung, geringe Bearbeitungszeit und endformnahe Bearbeitung bei gleichzeitig wirtschaftlicher Fertigung. Schweißvorgang wird über Joystick gesteuertBeim Auftragsschweißen mit einem flexiblen Laser kann der zeitaufwändige Ausbau großer Werkzeuge und Formen entfallen. Mit einem Modell der Starweld-Tool-Open-Reihe von Rofin Baasel Lasertech in Starnberg kann man vor Ort reparieren. Das Kragarmkonzept mit fasergekoppeltem Nd:YAG-Laser erlaubt es, bei minimalen Rüstzeiten beliebig im Raum stehende Flächen gleichmäßig zu bearbeiten. Mit dem gewichtskompensierten Gelenkarm soll sich einfach und genau über zwei Achsen die Grundpositionierung am Werkstück vornehmen lassen. Mit einer Auskragung von 1,7 m und einer maximalen Arbeitshöhe von 1,8 m sind die gängigsten Form- und Werkzeuggrößen zu bearbeiten. Die Ausrichtung der motorbetriebenen Arbeitsachsen des Bearbeitungskopfes parallel zur Schweißnaht sorgt laut Hersteller für intuitive und damit erheblich vereinfachte Bedienung. Während des Schweißvorgangs steuert man das System über Joystick, in der Regel reicht dabei die Kontrolle nur einer Achse.