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Hochpräzisions-Laserbearbeitung

Schweizer entwickeln Bearbeitung mit „Wasserlaser“ weiter

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Hürden, die bis zur Beherrschung des Prozesses zu nehmen waren

„Der Vorteil einer Bearbeitung mit einer klassischen Werkzeugmaschine besteht darin, dass die Werkzeugparameter mit äußerst engen Toleranzen definiert sind,“ merkt Zryd an. So wird ein Bohrer mit einem Durchmesser von 3 mm auch eine Bohrung mit exakt diesem Durchmesser und einer ebenfalls genau definierten Tiefe erzeugen. Aus diesem Grund lassen sich die entsprechenden Bearbeitungsprozesse mit hoher Sicherheit beherrschen. Beim LMJ-Prozess sind die Verhältnisse dagegen komplexer.

Vergleich von feinen Bohrungen, die mit einem konventionellen Ultrakurzpuls-Laser (Mitte und links) respektive mit einem LMJ-Laser (rechts) in eine beschichtete Nickelbasislegierung eingebracht wurden.
Vergleich von feinen Bohrungen, die mit einem konventionellen Ultrakurzpuls-Laser (Mitte und links) respektive mit einem LMJ-Laser (rechts) in eine beschichtete Nickelbasislegierung eingebracht wurden.
(Bild: Fraunhofer-ILT)

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Ein Laborsystem avanciert zum Arbeitspferd in der Werkstatt

„Um die Beherrschung dieses anspruchsvollen Prozesses zu verbessern, betreiben wir seit Jahren eine systematische Innovationsoffensive“, ergänzt Zryd. Ziel ist die Stabilisierung aller wesentlichen Prozessparameter. Hierfür wurden spezielle Sensoren sowie ausgeklügelte Mess- und Überwachungsmethoden entwickelt, die eine umfassende Automatisierung ermöglichen. Durch möglichst weitgehend geschlossene Regelkreise wolle man die Prozesse so in den Griff bekommen, dass die Arbeitsergebnisse innerhalb möglichst enger Toleranzen gewährleistet werden können.

Aufgrund der Stabilisierung der wesentlichen Anlagenparameter sei man auf einem guten Weg, um sich heutigen Anforderungen wie Industrie 4.0 weitgehend anzugleichen. Diesem Ziel habe man sich in den letzten Jahren bereits merklich nähern können. Viele der heutigen Anlagen seien in der Handhabung so einfach und so sicher, dass man sie auch mit Facharbeitern auf Werkstattebene bedienen könne. Von den zahlreichen bisher realisierten patentierten Lösungen sollen hier die wichtigsten vorgestellt werden.

Der Laserstrahl wird automatisch exakt auf die Mitte der Düse ausgerichtet und fokussiert.
Der Laserstrahl wird automatisch exakt auf die Mitte der Düse ausgerichtet und fokussiert.
(Bild: Synova)

„Während metallische Werkzeuge etwa bezüglich seiner Länge und seines Durchmessers sowie in puncto Zerspanungsparameter genau definiert sind, muss beim LMJ-Prozess deutlich mehr Aufwand getrieben werden“, verrät Zryd. So können sowohl die Leistung des Lasers als auch Kohärenz und Gleichmäßigkeit der Strömung des Wasserstrahls teils erheblich variieren, was wiederum die Wirksamkeit der Abtragung beeinflusst. Deshalb wurde ein ganzes Paket automatischer Regelmechanismen entwickelt, welche die wesentlichsten Parameter abdecken. Besonders wichtig ist dabei die Positionierung des Laserstrahls exakt in der Mitte des Wasserstrahls.

Diese Messzelle dient zur Erfassung der Laserenergie innerhalb des Wasserstrahls.
Diese Messzelle dient zur Erfassung der Laserenergie innerhalb des Wasserstrahls.
(Bild: Synova)

Diese gemeinsam mit Makino entwickelte Lösung beruht auf einem Kamerasystem, das die Position des Laserstrahls innerhalb der Düse mit einer Auflösung von 1 µm erfasst und mithilfe von Stellgliedern genau in die Mitte der Düsenöffnung manövriert. Auch für die direkte Bestimmung der Energie des Laserstrahls auf der Oberfläche des Werkstücks wurde eine spezielle Messzelle entwickelt.

Ebenso bedeutsam ist die genaue Kontrolle des Strahlwinkels. Technisch bedingt weist der im Kopf erzeugte Strahl in der Regel eine kleine, aber signifikante Winkelabweichung gegenüber der Vertikalachse des Strahlkopfs auf.

Blick auf die Einheit für die Ermittlung der Winkelabweichung des Wasserstrahls. Die Kompensation erfolgt durch Kippen des gesamten Strahlkopfs.
Blick auf die Einheit für die Ermittlung der Winkelabweichung des Wasserstrahls. Die Kompensation erfolgt durch Kippen des gesamten Strahlkopfs.
(Bild: Synova)

Diese Abweichung wird durch „Antasten“ mit dem Strahl an den scharfen Kanten einer Kalibriereinheit detektiert, die außerdem die Lage des Laser-Wasserstrahls in der Maschine mikrometergenau bestimmt, und durch automatische Nachjustierung den Neigungswinkel des gesamten Strahlkopfs korrigiert.

Ein weiterer wichtiger Aspekt betrifft die Laminarität der Strömung des Wasserstrahls nach dem Austritt aus der Düse. Diese Laminarität ist Voraussetzung für die Totalreflexion des Laserlichts an der Grenzfläche zur Umgebungsluft. Sie wird durch an der Düse auftretenden Verschleiß beeinträchtigt, was die Wirkung der Laserpulse auf das Werkstück verringert. Zur Erkennung entwickelte Synova eine spezielle Sensor-Einheit, welche die sogenannte Raman-Strahlung misst. Ist diese örtlich wie zeitlich über einen entsprechend großen Abschnitt des Strahls hinweg stabil, so signalisiert dies eine gute Düsenqualität. Bei Verringerung oder Fluktuation der Raman-Emission muss dagegen die Düse ausgetauscht werden.

Die Qualität der Düsenöffnung wird indirekt durch Analyse der Raman-Strahlung erfasst (das ist gestreutes Laserlicht, dessen Frequenzunterschied zum ursprünglichen Strahl zur Analyse dient). Links der Sensor, rechts der durch das Laserschutzfenster rot erscheinende LMJ-Strahl.
Die Qualität der Düsenöffnung wird indirekt durch Analyse der Raman-Strahlung erfasst (das ist gestreutes Laserlicht, dessen Frequenzunterschied zum ursprünglichen Strahl zur Analyse dient). Links der Sensor, rechts der durch das Laserschutzfenster rot erscheinende LMJ-Strahl.
(Bild: Synova)

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