Lasertechnik Multifunktionaler Laserbearbeitungskopf

In einer einzigen Fertigungsanlage gleichermaßen laserschneiden und -schweißen: Dies ermöglicht ein Laser-Kombikopf. Diese Doppelfunktion wird durch eine autonome Düse ermöglicht. Mit dieser integrierten Laserbearbeitung lässt sich die Prozesskette verkürzen und die Produktionskosten können erheblich gesenkt werden.

Anbieter zum Thema

Kinkele GmbH & Co. KG - Ihr Auftragsfertiger für den Maschinenbau

Franke GmbH

Weil Technology GmbH

Fraunhofer-Institut für Lasertechnik

Produkte aus Blech, wie Fahrzeug-Baugruppen, entstehen durch aufeinander folgende Schneid- und Schweißprozesse, die bisher in unterschiedlichen Bearbeitungsanlagen ausgeführt werden mussten. Die Blechkomponenten werden schrittweise vorgeschnitten, verbunden und beispielsweise mit Ausschnitten oder Anschweißungen komplettiert.

Seit neuestem kann in einer einzigen Fertigungsanlage gleichermaßen geschnitten und geschweißt werden. Durch diese Integration und Verkürzung der Prozesskette lassen sich die Produktionskosten erheblich senken und die Produkte deutlich flexibler fertigen.

Kosteneinsparungen über 50% beim Laserschneiden und Laserschweißen möglich

Die Laserfact GmbH in Aachen liefert dafür die Lösung – den Kombikopf zum Laserschneiden und -schweißen ohne Werkzeugwechsel (Bild 1). Er gestattet das automatische Umschalten zwischen Schneiden und Schweißen im Bruchteil einer Sekunde. Im Vergleich zur konventionellen Lasertechnik können Kosteneinsparungen bezüglich Invest, Stellfläche, Betrieb und Logistik von 50% und mehr erreicht werden.

Hinzu kommen die Qualitätsverbesserungen aufgrund der höheren Fertigungsgenauigkeit der integrierten Laserbearbeitung. Die Probleme bei herkömmlichen Prozessketten durch den Wechsel des Ordnungszustandes entfallen angesichts des konstanten Tool-Center-Point (TCP), des Kombikopfes und der Möglichkeit, in einer Aufspannung zu schneiden und zu schweißen.

Bei der Herstellung insbesondere nichtlinearer Tailored Blanks führen unzureichende Genauigkeiten in der Vorfertigung der Platinen zur Spaltbildung beim Zusammenführen der zu fügenden Kanten. So entstehen hohe Kosten für die Vorfertigung und erhöhte Anforderungen an eine exakte Nahtverfolgung und Fugenvermessung oder sogar an die Zugabe von Zusatzwerkstoff.

Schneiden und Schweißen ohne Werkzeugwechsel und Nahtfolgesensor

Vor diesem Hintergrund bietet das integrierte Schneiden und Schweißen mit dem Kombikopf neue Perspektiven. Der Kombikopf ermöglicht den genauen Vorschnitt und die zuverlässige Schweißung der dadurch passgenauen Blechteile ohne Werkzeugwechsel und ohne Nahtfolgesensor.

Zur Fertigung von Demonstrationsmustern wurde der Kombikopf F2-Y der Laserfact GmbH eingesetzt, dessen Funktionsprinzip auf Entwicklungsarbeiten des Aachener Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) basiert. Die Doppelfunktion des Kombikopfes wird durch die vom ILT entwickelte autonome Düse ermöglicht. Sie gestattet eine Entkopplung der optischen und gasdynamischen Funktionen des Kopfes bei koaxialer Anordnung von Laser- und Prozessgasstrahl. Trotz der hohen Druckbelastbarkeit des Düsensystems von bis zu 30 bar, die wichtig für die Schneidfunktion des Kopfes ist, werden keine hochdruckfesten Optiken benötigt, so dass sich das Optikdesign auf die Optimierung der optischen Eigenschaften konzentrieren konnte.

Die erste Industrieversion des Kopfes hat ein integriertes, gekapseltes Optikmodul mit Schnellwechseleinrichtungen für Schutzglas und Fokussierung. Zwischen autonomer Düse und Schutzglasfenster sorgt ein Mehrstrahl-Crossjetmodul für den effektiven Optikschutz. Ein ebenfalls integrierter dynamischer Z-Achsen-Antrieb dient der automatischen Abstandsregelung. Als Strahlquelle wird für die Testfertigung ein 4-kW-Faserlaser (Kerndurchmesser 50 µm) von IPG mittels einer Prozessfaser (Kerndurchmesser 100 µm) mit dem Kombikopf verbunden.

Der Kopf selbst ist mit seinem Anschlussflansch an die Hand eines 6-Achs-Knickarmroboters montiert. Die Musterteile werden aus zwei unterschiedlich verzinkten Karosseriestählen mit der Blechdicke 1 und 1,2 mm hergestellt.

Fügekanten der Platinen werden mit Lasern geschnitten

Zunächst werden die Fügekanten der beiden auf Linearschlitten quer zur Naht verschiebbaren Platinen mit identischer Kontur lasergeschnitten (Leistung 1,5 kW, Geschwindigkeit 8 m/min). Dann wird die zuerst geschnittene Kante an die zweite Kante herangefahren und beide werden in ihrer originalen Aufspannung mit dem gleichen Bahnverlauf wie beim Schneiden zusammengeschweißt (Leistung 2,2 kW, Geschwindigkeit 8 m/min) (Bild 2). Abschließend werden zwei genau zueinander positionierte Langlöcher in das fertiggeschweißte Blank geschnitten.

Selbst anhand nichtlinearer Schnittkonturen und Nahtverläufe konnte der integrierte Fertigungsablauf mit einer sehr guten Schnitt- und Nahtqualität demonstriert werden (Bild 3). Besonders zu erwähnen ist, dass die Schweißbahn ohne Nahtfolgesystem gefunden wird, weil Lage und Verlauf der Naht durch den vorangegangenen Laserschnitt im Maschinenkoordinatensystem bekannt sind. Die Schweißbahn wird daher ohne Probleme identisch reproduziert. Die Nahtqualität entspricht den Vorgaben der strengsten Automobilstandards (Bild 4).

Auch Bohrungen, Ausschnitte und Kantenschnitte in der gleichen Aufspannung

Nach dem Schweißen können in der gleichen Aufspannung noch optionale Bohrungen, konturierte Ausschnitte oder Kantenschnitte in die Bleche eingebracht werden. Dies steigert zusätzlich die Flexibilität der Fertigung und die wirtschaftlich herstellbare Variantenvielfalt. Diese nachfolgenden Ausschnitte können auch über die Schweißnaht hinweg ausgeführt werden und ergeben eine sehr genaue Komponente.

Die integrierte Fertigung von Tailored Blanks ist besonders bei kleinen und mittleren Losgrößen eine wirtschaftliche Lösung. Angesichts der mit der hervorragenden Strahlqualität heutiger Laser erzielbaren Schneidgeschwindigkeiten und der zunehmenden Festigkeiten der Karosseriestähle scheiden mechanische Schneidverfahren immer häufiger aus.

Laserfact präsentiert den ersten am Markt verfügbaren industriellen Kombikopf auf der Fachmesse Laser 2007 in München als Mitaussteller auf dem Messestand der Fraunhofer-Gesellschaft (Halle B3, Stand 131). Außer dem bereits beschriebenen Kombikopf für Festkörperlaser – insbesondere die neuen Scheiben- und Faserlaser – hat Laserfact auch eine speziell für CO2-Laser entwickelte Variante mit wassergekühlten Spiegeloptiken im Lieferprogramm.

Der Rüstaufwand kann reduziert werden

Fraunhofer ILT und Laserfact sehen in der integrierten Laserbearbeitung enormes Entwicklungs- und Marktpotenzial für neue Prozesse und Produkte in allen Branchen der metallverarbeitenden Industrie. Multifunktionale Fertigungszellen werden mit der Lasertechnik den Rüstaufwand und die Prozessnebenzeiten in der Produktion von Blechbaugruppen reduzieren – bei deutlich besserer Auslastung, Verfügbarkeit sowie Rekonfigurierbarkeit der Anlagen. Die multifunktionale Fertigung eröffnet zudem wirtschaftliche Produktionsbedingungen für bisher aus Kostengründen nicht realisierbare, besonders komplexe sowie typen- und variantenreiche Produkte und wird damit auch den zukünftigen Anforderungen an moderne Produktionstechnik gerecht.

Um die Vorteile der mit dem Kombikopf multifunktional gewordenen Lasersystemtechnik konsequent zu nutzen, lohnt es sich, die bisherigen Konstruktionen von Baugruppen, zum Beispiel des Fahrzeugbaus, zu überdenken, denn sie beruhen auf den eingeschränkten Möglichkeiten konventioneller Prozessketten. Eine genaue Fügekantenvorbereitung unmittelbar vor dem Schweißprozess sowie Fertigschneid-Prozeduren nach dem Fertigschweißen von Baugruppen, wie das maßgenaue Einbringen von Optionslöchern, das Genauschneiden von Funktions- oder Anschlusskanten und das Abschneiden von nach dem Schweißen überflüssigen Montage-, Spann- und Stützteilen, ermöglichen neue, hinsichtlich Genauigkeit, Funktion und Leichtbau optimierte Produktdesigns. MM

Dr. Dirk Petring ist Leiter der Abteilung Trenn- und Fügeverfahren am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT. Harald Dickler ist Geschäftsführer der Laserfact GmbH in 52074 Aachen

(ID:210177)