Laserunterstütztes Fräsen hochfester Werkstoffe

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Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

Des Weiteren führt die großvolumige Erwärmung zu thermischen Belastungen und Verformungen, sowohl des Werkstücks als auch des Werkzeugsystems, durch von der Werkstückoberfläche reflektierte Strahlung. Der Ansatz kontinuierlicher Werkstofferwärmung über großflächige Laserbestrahlung der Werkstückoberfläche vor dem Fräsereingriff ist daher für eine energieeffiziente, prozesssichere und konturflexible Fräsbearbeitung ungeeignet.

Laserunterstützte Fräsbearbeitung jetzt auch bei auf komplexen Konturen machbar

Vor diesem Hintergrund hat das Fraunhofer-IPT ein Bearbeitungssystem umgesetzt, das die beschriebenen Einschränkungen auf der Grundlage eines neuartigen Verfahrensansatzes aufhebt. Durch diesen Ansatz wird es erstmalig möglich, die laserunterstützte Fräsbearbeitung auf komplexe Konturen zu übertragen und damit die Potenziale zur Leistungssteigerung bei der Herstellung realer Bauteilgeometrien zu nutzen. Darüber hinaus wird durch eine gezielte Werkstückbestrahlung die für eine Werkstoffentfestigung benötigte Energie auf ein Minimum begrenzt.

Das entwickelte Verfahren basiert auf einer konventionellen Motorspindel (38 kW, 10.000 min-1), in die optische Komponenten zur Strahlformung und -führung integriert werden. Als Strahlquelle wird ein Hochleistungsfaserlaser über ein Lichtleitkabel mit einer Kollimationsoptik verbunden, welche die divergent aus dem Lichtleitkabel austretende Strahlung parallelisiert. Als paralleles Lichtbündel propagiert die Strahlung durch die Hohlwelle der Spindel und wird an deren Ende fokussiert. Über zwei mit dem Werkzeug rotierende Umlenkspiegel erfolgt schließlich die Projektion auf die Spanfläche.

Spanungsdicke muss dynamisch berechnet werden

Da bereits bearbeitete Flächen nicht erneut bestrahlt werden dürfen, muss die Laserbestrahlung mit der Eingriffssituation des Werkzeugs steuerungstechnisch so synchronisiert werden, dass nur das Werkstückvolumen erwärmt wird, welches beim nächsten Werkzeugeingriff abgetragen wird. Zur Synchronisation der Ein- und Ausschaltpunkte des Lasers mit dem Zerspanprozess ist deshalb die Bestimmung des Eingriffswinkels der Werkzeugschneide während der Bearbeitung notwendig.

Ferner wird zu jedem Zeitpunkt die Laserleistung an den Anteil des Zerspanungsvolumens angepasst, der von dem resultierenden Laserbrennfleck abgedeckt wird. Dies bedingt eine dynamische Berechnung der Spanungsdicke, die sich während der Schneidenrotation kontinuierlich ändert.

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