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Hochpräzisions-Laserbearbeitung Schweizer entwickeln Bearbeitung mit „Wasserlaser“ weiter

Autor / Redakteur: Klaus Vollrath / Peter Königsreuther

Das von Synova entwickelte, patentierte LMJ-Verfahren beruht – bildlich gesprochen – auf der Kombination von Feuer und Wasser. Ein haardünner Wasserstrahl kühlt und führt dabei den Laserstrahl...

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Der Angriff auf den Todesstern? Nein! Sondern mit ausgeklügelter Sensorik verbesserte Hochpräzisionsbearbeitung mit dem wasserstrahlgeführten Laser (LMJ-Verfahren), wie sie das Schweizer Unternehmen Synova geschafft hat.
Der Angriff auf den Todesstern? Nein! Sondern mit ausgeklügelter Sensorik verbesserte Hochpräzisionsbearbeitung mit dem wasserstrahlgeführten Laser (LMJ-Verfahren), wie sie das Schweizer Unternehmen Synova geschafft hat.
(Bild: Synova)

Die Kühlung durch das Wasser beim LMJ-Verfahren (Laser Microjet) verhindert die Beeinträchtigungen des zu bearbeitenden Werkstoffs. Gute Einsatzbereiche sind zum Beispiel die Feinmechanik, die Medizintechnik, die Uhrenherstellung, die Elektronik, die Werkzeugherstellung und die Luft- und Raumfahrt. Aktueller Entwicklungsschwerpunkt ist die Vollautomatisierung mit Blick auf Industrie 4.0.

Gravierender Unterschied zur üblichen Laserbearbeitung

„Der LMJ-Bearbeitungsprozess unterscheidet sich grundsätzlich von allen anderen Laserbearbeitungsverfahren auf dem Markt“, erläutert Dr. Amédée Zryd, Direktor Applikation/ F&E der Synova S.A. in Duillier (Schweiz).

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„Um die Lücke zu konventionellen Werkzeugmaschinen zu schließen, betreiben wir seit Jahren eine systematische Innovationsoffensive bezüglich unserer Anlagen“, erläutert Dr. Amédée Zryd, Direktor Applikation, F&E der Synova S.A. in Duillier (Schweiz).
„Um die Lücke zu konventionellen Werkzeugmaschinen zu schließen, betreiben wir seit Jahren eine systematische Innovationsoffensive bezüglich unserer Anlagen“, erläutert Dr. Amédée Zryd, Direktor Applikation, F&E der Synova S.A. in Duillier (Schweiz).
(Bild: Synova)

Das Besondere dieser Technik ist die Tatsache, dass die kurzen, aber energieintensiven Laserimpulse – statt durch eine Optik – über eine „optische Faser“ aus einem haarfeinen Wasserstrahl auf das Werkstück geleitet werden.

Das Besondere dieser Technik ist die Tatsache, dass die kurzen, aber energieintensiven Laserimpulse – statt durch eine Optik – über eine „optische Faser“ aus einem haarfeinen Wasserstrahl auf das Werkstück geleitet werden. Weil der Laser im Inneren des laminar strömenden und damit über Distanzen von bis zu 50 mm gleichbleibend dünnen Wasserstrahls durch Oberflächenreflexion fokussiert bleibt, sind sehr tief reichende Schnitte mit faktisch vertikalen und dabei sehr glatten Oberflächen machbar.

Arbeitsprinzip: Die Laserpulse werden durch eine Optik in den haarfeinen Wasserstrahl eingekoppelt und können diesen dann wegen der Reflexion an der Grenzfläche nicht mehr verlassen – quasi wie bei einer Glasfaser auch.
Arbeitsprinzip: Die Laserpulse werden durch eine Optik in den haarfeinen Wasserstrahl eingekoppelt und können diesen dann wegen der Reflexion an der Grenzfläche nicht mehr verlassen – quasi wie bei einer Glasfaser auch.
(Bild: Synova)

Die Bearbeitung erfolgt durch aufeinanderfolgende Durchläufe, wodurch die sich zunächst bildende Kerbe jeweils ein wenig vertieft wird, bis der Schnitt komplett durch das Material geht. Wegen des Wasserstrahls bleibt der LMJ-Laserstrahl über wesentlich größere Distanzen voll fokussiert als derjenige eines konventionellen Lasers.

Während der wassergeführte LMJ-Laser über eine größere Strecke fokussiert bleibt (rechts), sinkt die Intensität des konventionellen Laserstrahls hinter dem Fokuspunkt sehr schnell wieder ab, wie das Schaubild verdeutlichen soll.
Während der wassergeführte LMJ-Laser über eine größere Strecke fokussiert bleibt (rechts), sinkt die Intensität des konventionellen Laserstrahls hinter dem Fokuspunkt sehr schnell wieder ab, wie das Schaubild verdeutlichen soll.
(Bild: Synova)

Im Werkstück bewirken die Pulse wie bei Laserverfahren üblich das kurzzeitige Aufschmelzen winziger Materialmengen. Der mit einem Druck von 50 bis 800 bar auftreffende Wasserstrahl kühlt dabei das Werkstück mit hoher Effizienz, so dass es keine thermische Schädigung erleidet. Zudem sorgt er dafür, dass abgeschmolzene Partikel schnell und effizient aus dem Arbeitsbereich herausgespült und abtransportiert werden. Das Ergebnis sind saubere Oberflächen sowie Materialeigenschaften, die denen des unbearbeiteten Werkstoffs entsprechen. Die dünne „Wasserfaser“ gewährleistet extrem enge Schnittspalte von 25 bis 80 µm mit sehr geringer Flankenrauheit. Bearbeitbar sind Materialien wie Metalle, Hartmetalle, Mineralien Keramik, Halbleiter oder Verbundwerkstoffe. Die Härte spielt keine Rolle, im Gegenteil, der Laser kann gerade bei harten und superharten Werkstoffen bis hin zum Diamant seine Stärken ausspielen.

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)

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)

So wird beim LMJ-Verfahren die Wekstückposition erfassbar:

„Genau wie bei der maschinellen Werkstückbearbeitung müssen auch beim LMJ-Verfahren Position und Ausrichtung des Werkstücks eingemessen werden“, sagt Zryd. Hierfür kommen wahlweise Taster oder Kamerasysteme zum Einsatz. Bei letzteren muss das Werkstück mit optischen Passer- beziehungsweise Referenzmarken versehen werden, die dann von der Kamera automatisch erfasst werden. Mit diesen Ausrüstungen lässt sich die Lage des Werkstücks in Maschinenkoordinaten in X-, Y- und Z-Richtung sowie eine gegebenenfalls vorhandene Winkelabweichung vollautomatisch bestimmen.

Ein Kamerasystem (links) bestimmt die Position und die Lage des Werkstücks.
Ein Kamerasystem (links) bestimmt die Position und die Lage des Werkstücks.
(Bild: Synova)

Hilfe bei der Erkennung des Laserstrahldurchbruchs

Für die Erkennung eines Durchbruchs durch das Material wurden gleich zwei Methoden entwickelt, welche die Intensität der vom Werkstück zurückgeworfenen Plasmastrahlung registrieren. Bei der ersten Variante, die bei Köpfen zur 3D-Bearbeitung eingesetzt wird, erfolgt die Messung direkt in der Lasereinheit. Bei 2D-Köpfen wird die Rückstrahlung dagegen vorher ausgeleitet und über eine optische Faser zu einem Sensor geführt. Durch Vergleich mit einer vordefinierten Schwelle wird der Durchbruch erkannt.

Der Durchbruch des Laserstrahls wird durch Messung des vom Werkstück zurückgestrahlten Lichts erkannt.
Der Durchbruch des Laserstrahls wird durch Messung des vom Werkstück zurückgestrahlten Lichts erkannt.
(Bild: Synova)

Dieses Signal kann je nach Aufgabenstellung unterschiedlich genutzt werden. In bestimmten Fällen – zum Beispiel bei der Bearbeitung von Teilen mit variierender Wanddicke wie Naturdiamanten – lässt sich dadurch die Gesamtdauer der Bearbeitung verringern. Beim Schneiden von Schlitzen in großformatige 7 mm dicke Siliziumscheiben, die zur Begasung in Plasmaätzkammern für Wafer verwendet werden, wurden so Zykluszeitvorteile von 10 bis 15 % erzielt.

Die Zukunft heißt 3D-Bearbeitung, Drehen und Schnellwechselkopf...

„Derzeit arbeiten wir an weitergehenden Projekten wie 3D-Bearbeitungen oder einem Schnellwechselkopf“, lässt A. Zryd wissen. Bei der angedachten 3D-Bearbeitung sowie beim Drehen kommt ein Sensor zum Einsatz, mit dem die aktuelle Bearbeitungstiefe kleinräumig festgestellt werden kann. Mögliche Einsatzbereiche seien beispielsweise spanbrechende Geometrien an Zerspanungswerkzeugen oder Feindrehbauteile für die Uhrenindustrie. Momentan sei das Verfahren allerdings noch in der Entwicklung.

Potential für die Einsparung von Rüstzeiten ergebe sich durch die ebenfalls angedachte Entwicklung von Schnellwechselköpfen. Derzeit verfüge man leider erst über eine Zwischenlösung, indem ein zweites Kupplungsstück verwendet wird. Wenn man dieses außerhalb der Anlage mit einer neuen Düse ausrüstet, kann ein Wechsel innerhalb von etwa 10 statt wie bisher 20 min ausgeführt werden.

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