Laserhärten beschleunigt Fertigung zerspanter Werkzeuge und Bauteile

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Die Anwendung des Laserhärtens eröffnet dem Konstrukteur und Produktionsplaner neue Freiheitsgrade. Die Wirtschaftlichkeit des Laserhärtens ist bereits über viele Jahre bewiesen.

Hochleistungsdiodenlaser bis 10 kW verfügbar

So sind Hochleistungsdiodenlaser bis 10 kW am Markt verfügbar. Mit einem Lasersystem können Spurbreiten von maximal 60 mm erreicht werden. Die Kopplung mehrerer Lasersysteme für Spezialanwendungen ist möglich.

Zur Flexibilisierung der Härtespurbreiten hat das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS), Dresden, das Scannerstrahl-Formsystem Lassy entwickelt. Dieses dynamisch arbeitende System ermöglicht, Spurbreitenvariationen bei einer Scanfrequenz bis 200 Hz zu fahren.

Der Laserstrahl kann damit variablen Oberflächenformen folgen oder sie auch auslassen. Der Wechsel von festen Optiken zur Veränderung der Härtespurbreite entfällt. Schlupfzonen werden vermieden.

Drehkipptisch erleichtert Zugang beim Führen des Lasers mit Robotern

Die Strahlquelle des Hochleistungsdiodenlasers wird von einem Roboter geführt. Ein zusätzlicher Drehkipptisch zur Werkstückpositionierung gewährleistet fast ausnahmslos die Zugängigkeit des Laserstrahls zur Bauteiloberfläche. Im Bedarfsfall werden die Linear- und Rotationsachsen des Roboters um weitere ergänzt.

Die Leistungsregelung des Lasers erfolgt mit dem System Lompoc Pro. Die Software sichert die bestmögliche Temperaturkonstanz (etwa ±10 K) auf der Werkstückoberfläche. Vor allem bei wechselnden Wärmeableitungsbedingungen ist das entscheidend.

Laserleistungsregelung verarbeitet Oberflächentemperatur

Die Oberflächentemperatur wird von einer Kamera erfasst und in der Laserleistungsregelung verarbeitet. Dies erfolgt innerhalb der Härtespur punktgenau aufgrund der konkreten Zuordnung der Temperaturwerte zum Flächenelement. Damit wird die wichtigste Grundvoraussetzung für ein gleichmäßiges Härteergebnis bei hohem Qualitätsanspruch erfüllt. Anschmelzungen werden vermieden.

Weitere Prozessparameter, wie die Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahles und der bauteilgeometrisch bedingte unterschiedliche Einstrahlwinkel auf die Bauteiloberfläche, werden auf Basis von Erfahrungswerten festgelegt. Spiegelsysteme ermöglichen das Erreichen von Flächen im Innern von Bauteilen. Voraussetzung ist ein optimaler Auftreffwinkel des Laserstrahls. Systeme zur Strahlteilung sorgen beim Laserhärten dreidimensionaler Schneidkanten für funktionsgerechte Härteergebnisse.

Laserstrahlanalysegerät kann Leistungsdichteverteilung als 3D-Modell zeigen

Mit dem Laserstrahlanalysegerät Lasmon des Fraunhofer IWS können die Leistungsdichteverteilung geformter Laserstrahlen gemessen und als 3D-Modell anschaulich dargestellt werden. Mit der Simulationssoftware DCAM wird der Laserstrahl entlang der Bauteiloberfläche offline programmiert. Dafür ist das 3D-Modell des Bauteils notwendig, wobei sich Daten aus allen üblichen CAD-Systemen importieren lassen. Alternativ werden Programme im Teach-in-Verfahren erzeugt.

Seit dem vergangenen Jahr steht Alotec ein mobiler Laser zum Härten zur Verfügung. Damit werden Bauteile direkt bei Kunden gehärtet. Alotec hat als Anlagenhersteller und Lohnhärter unter dem Namen „Plug and Work“ ein Kleinlasersystem auf den Markt gebracht. Das Investitionsvolumen liegt deutlich unterhalb des auf dem Markt bekannten Rahmens. Wie die größeren Anlagen von Alotec lässt sich auch dieses Kleinlasersystem für das Laserpulver- und -drahtauftragschweißen erweitern.

Literatur

[1] Bonß, S.: Laserhärten – Integration in die Fertigung ermöglicht schlanke Prozesse. HTM-Zeitschrift 3/2008, S. 147–154.

* Dr.-Ing. Steffen Schubert ist Mitarbeiter der Alotec GmbH in 01277 Dresden

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Oberflächentechnik