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Drei auf einen Streich

28.09.2006 | Redakteur:

Modulare Laserbearbeitungsanlage mit drei integrierten Verfahren spart Zeit beim schichtweisen Aufbau von Werkzeugkernen und Bauteilen. Kundenanforderungen haben gezeigt, dass im Prototypenbau ein...

Modulare Laserbearbeitungsanlage mit drei integrierten Verfahren spart Zeit beim schichtweisen Aufbau von Werkzeugkernen und BauteilenKundenanforderungen haben gezeigt, dass im Prototypenbau ein großer Bedarf an innovativer Technik vorhanden ist. Dies war für die Ingenieure der Concept Laser GmbH, Lichtenfels, ausschlaggebend, die Prozesse beim selektiven Lasersintern von Metallen zu optimieren. Dabei konnte man auf einen großen Erfahrungsschatz in der Anwendung von Lasertechnik innerhalb der Hofmann Unternehmensgruppe zurückgreifen. Von Anfang an war es Zielsetzung, ein Maschinenkonzept zu entwickeln, das die Überwindung der Hürden in den konventionellen Fertigungsmethoden erlaubte. Darüber hinaus sollten kleinere bis mittlere Betriebe aus dem Werkzeug- und Formenbau in die Lage versetzt werden, eine derartige Anlage auslasten zu können. Die Aktivitäten mündeten in der Entwicklung der „M3 linear“, einer in Modulbauweise konzipierten Laserbearbeitungsanlage. Die Anlage zeichnet sich dadurch aus, dass in einer Maschine drei Laserverfahren integriert sind. Die einzelnen Techniken werden dabei durch so genannte Technologie-Module, die in die Laseranlage eingeschoben und arretiert werden, realisiert. - Mit dem Technologiemodul Lasercusing kann man dreidimensionale Objekte im Schichtbauverfahren erstellen. - Das Technologiemodul 3D-Laserabtragen ermöglicht das Bearbeiten von Werkzeugen und Werkzeugeinsätzen durch schichtweises Entfernen von Material. Das heißt durch Einwirkung des Laserstrahles kann durch Verdampfen selbst gehärteter Stahl ohne Schwierigkeiten bearbeitet werden. Ein zusätzlicher Lasermess-Sensor reguliert dabei die Abtragtiefe auf 20 µm genau.- Das dritte sogenannte Beschriftungsmodul, gleicht im wesentlichen dem Abtragmodul. Aufgrund der Modularität kann das Beschriftungsmodul je nach Anwendungsfall mit entsprechenden Aufbauten erweitert werden.Es werden Bauteile im Originalwerkstoff hergestelltDer Kern der Erfindung ist die Lasercusing-Technik. Mit ihr lassen sich dreidimensionale Bauteile im Zielwerkstoff herstellen. Der große Vorteil ist, dass im Wesentlichen die Laserstrahlquelle und der sich darunter befindliche Pulverwerkstoff von einander abgekoppelt sind. Auf diese Weise können unterschiedlichen Bereiche, wie Werkzeug- und Formenbau, Maschinenbau, Medizin und Leichtbau mit den ihnen typischen Werkstoffen bedient werden. So ist Lasercusing eine branchenübergreifende Technik, weil Bauteile für jeden dieser unterschiedlichen Anwendungsbereiche im Originalwerkstoff hergestellt werden können.Die wesentlichen Faktoren, mit denen man diese Technik beschreiben kann, sind der schichtweise Aufbau, das vollständige Umschmelzen des Pulvers mit dem speziell dafür modifizierten Lasersystem, und die dadurch erreichte nahezu 100%ige Dichte. Dieser letztgenannte Punkt ist das entscheidende Merkmal des gesamten Verfahrens. Mit der nahezu 100%igen Dichte der Bauteile wird das Tor für die unterschiedlichsten Anwendungen geöffnet, weil dadurch im Prinzip die Originaleigenschaften des Ausgangswerkstoffes nahezu erreicht werden. Bauteile, die im Lasercusing-Verfahren hergestellt werden, lassen sich unter Originalbedingungen einsetzen. Dies trifft für Werkzeugeinsätze von Serienwerkzeugen im Werkzeug- und Formenbau ebenso zu wie für Maschinenbauteile, die für Prototypenmaschinen oder als Ersatzteile für solche Maschinen über Nacht gebaut werden können. Die nahezu 100%ige Dichte macht zudem das Herstellen von Werkzeugkernen mit konturangepassten Kühlkanälen möglich. Die früher bestehenden Einschränkungen in der Werkzeuggestaltung in Bezug auf Zykluszeiten gehören nun fast der Vergangenheit an. Aufgrund dieser günstigen Eigenschaften lassen sich auch alle gängigen konventionellen Bearbeitungen an solchen Bauteilen durchführen. Aufgrund einer speziellen Belichtungsstrategie und eine weit fortgeschrittene Prozessführung gelingt das verzugsarme Bauen von großvolumigen Körpern. Zudem kann aufgrund des modifizierten Strahlsystems und der Strahlführung eine für einen Pulverprozess hohe Bauteilauflösung erreicht werden.Lasercusingprozess läuft unter Schutzgasatmosphäre abEin Hauptmerkmal des Lasercusing-Prozesses ist, dass er unter Schutzgasatmosphäre abläuft. Für diese wesentliche Vorraussetzung gibt es in der Maschine eine nahezu gasdichte Prozesskammer, in welcher der Prozess unter Ausschluss von Sauerstoff abläuft. Das verwendete Inertgas ist dabei Stickstoff mit hohem Reinheitsgrad, bevorzugt wegen seiner guten Verfügbarkeit und den entsprechenden Preisen. Durch Andockung des Lasercusing-Moduls schließen das Technologiemodul und die nach unten offene Prozesskammer im wesentlichen einen nahezu gasdichten Raum ein. Im Technologiemodul selbst befinden sich nun sämtliche Komponenten, die für den schichtweisen Aufbau der Bauteile benötigt werden. Dies sind die Dosierkammer, die Baukammer und das Beschichtungssystem.Die Dosierkammer bevorratet dabei das einkomponentige Metallpulver und durch Zustellung der Dosierkammerplatte wird bei jedem Beschichtungsvorgang eine gewisse Menge Pulver zur Verfügung gestellt. Für den Beschichtungsvorgang wurde ein spezielles Beschichtersystem, das im wesentlichen aus zwei sich gegenüberstehenden Klingen besteht, entwickelt. Es erlaubt, bei jedem Verfahrweg Baumaterial in Form von Metallfeinstpulver zu transportieren. Das Baumaterial wird mit gewissen Schichtdicken auf einen Bauteilträger, der so genannten Bauplatte aufgebracht, und den Schichtdaten der Bauteile entsprechend umgeschmolzen (Bild 2). Die Schichtdicken können dabei zwischen 25 und 100 µm variieren, was geometrieabhängig ist. Um während des Prozesses den Inertgasverbrauch so gering wie möglich zu halten wird das Inertgas in einem geschlossenen Kreislauf geführt und die Bearbeitungsstellen entsprechend gezielt bedüst. Eine technische Raffinesse in diesem Technologiemodul ist das Pulverentleersystem. Bei Prozessende wird die Bauplatte in eine untere Entleerposition verfahren, wo aufgrund der Schwerkraft und der extremen Rieselfähigkeit des Baumaterials, das Metallpulver automatisch und in kürzester Zeit in einen Sammelbehälter fällt. Der Maschinenbediener hat an dieser Stelle keinen Kontakt mit dem Pulver mehr.Lineare Direktantriebe sorgen für hohe Dynamik Einer der größten Vorteile dieses Anlagensystems, und somit für die einzelnen möglichen Verfahren, dürfte das Positionieren der Strahlablenkeinheit, des so genannten Scanners, mit Hilfe von linearen Direktantrieben in Kreuztischbauweise sein. Hier wird hohe Dynamik mit konstant hoher Genauigkeit über die gesamte Baufläche vereinigt. Werden sehr viele Einzelteile auf einer gemeinsamen Bauplatte erzeugt oder bearbeitet, so kann jedes Bauteil für sich positioniert und genau oberhalb des Bauteiles belichtet werden. Umgekehrt werden großflächige Bauteile aus Segmenten zu größeren Bauteilen zusammengesetzt, ohne Einbußen in Bezug auf die Genauigkeit der so erzeugten Körper zu erhalten.Drei Arten von Formeinsätzen dienen als Beispiele, wie die neue Technik im Hause Hofmann seit etwa einem Jahr in der Praxis Einsatz findet. Bei Formeinsätzen für Versuchswerkzeuge liegt der Hauptvorteil in der um vieles kürzeren Durchlaufzeit. Man benötigt keine NC-Programmierung, keine Elektroden und keine Funkenerosion. Nach der 3D-Konstruktion kann der Formeinsatz über Nacht gefertigt werden.Für ein Aluminiumwerkzeug wurde 1.4404 Edelstahl verarbeitet. Die Größe des Formeinsatzes betrug 13 mm • 34 mm • 72 mm. Die CAD-Aufbereitung und das Rüsten der Anlage nahm 15 Minuten in Anspruch, die reine Bauzeit belief sich auf sieben Stunden. Als Nachbearbeitung war ein Poliervorgang nötig, der lediglich eine Stunde dauerte. Bei Formeinsätzen für Serienwerkzeuge mit formangepassten Kühlkanälen liegt der größte Vorteil in der völlig freien Auslegung der Kühlkanäle. Man ist in der Lage, die Kanäle der Kontur anpassen, ihre Form lässt sich beliebig verändern (zum Beispiel von rund in oval), und die Kanäle können im Querschnitt beliebig variieren. Seitens der Technik sind praktisch keine Grenzen mehr gesetzt. Der einzige Schwachpunkt, den das Verfahren in diesem Bereich momentan noch mit sich bringt, liegt in der Genauigkeit: Es entsteht eine Toleranz von 6 5/100 mm bei kleinen Formeinsätzen und bis zu 6 1/10 mm bei größeren Werkstücken. Die meisten Formeinsätze werden aus Edelstahl gefertigtDie Serieneinsätze werden deshalb zum Teil konventionell nachgearbeitet. Zum Beispiel müssen Ausstoßerbohrungen nachgerieben oder Tuchierflächen nachgefräst werden. Zur Zeit werden die meisten Einsätze aus dem Material 1.4404 gefertigt. Nennenswerte Erfahrungen wurden mit Warmarbeitsstählen gemacht und sind mit den unterschiedlichsten Materialien in der Erprobung. Auch bei dem Formeinsatz für einen Staubsaugerdeckel (Bild 3) wurde 1.4404 Edelstahl verwendet. Die Größe des Formeinsatzes betrug 80 mm • 45 mm • 70 mm. Die CAD-Aufbereitung und das Rüsten der Anlage nahm 15 Minuten in Anspruch, die reine Bauzeit belief sich auf 25 Stunden. Für die Nachbearbeitung, in diesem Falle das Ein-passen und Polieren, wurden acht Stunden benötigt.Produkt- und kundenorientierte Versuchsreihen haben zu dem Ergebnis geführt, die Größe der Formeinsätze beim Lasercusing aus wirtschaftlichen Gründen auf etwa 150 mm • 150 mm zu begrenzen. Diese Tatsache veranlasste zur Herstellung einer dritten Art von Formeinsätzen: Werkstücke werden teilweise konventionell und teilweise mit Lasercusing produziert. Zunächst fertigt man auf konventionelle Art einen Grundkörper aus Stahl und setzt dann im Lasercusing-Verfahren den komplizierten Teil mit dem angepasstem Kühlkanal auf. Für den Materialaufbau auf einen vorgefertigten Formeinsatz (Bild 4) kam wiederum 1.4404 Edelstahl zum Einsatz. Die Größe des Formeinsatzes betrug 52 mm • 71 mm • 100 mm. Die CAD-Aufbereitung und das Rüsten der Anlage nahm für dieses Werkstück 30 Minuten in Anspruch, die reine Bauzeit lag bei nur 21 Stunden. Der Aufwand der Nachbearbeitung war dadurch höher anzusetzen. Nachfräsen, Erodieren und Polieren des Formeinsatzes erforderten 25 Stunden.

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