Verfahrensintegration macht Fräsmaschine zu hybridem Bearbeitungszentrum

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Schiebetür im Dach sichert Zugänglichkeit zur Maschine

Für die Lasertechnologien Härten, Auftragschweißen und Abtragen wird ein 2,4-kW-Faserlaser mit hoher Strahlqualität verwendet. Diese Eigenschaftskombination birgt neben prozesstechnologischen Vorteilen auch Gefahrenpotenzial für das Bedienpersonal. Eine sensorüberwachte Laserschutzumhausung, die dem derzeitigen Stand der Technik entspricht, soll die Sicherheit der Bediener gewährleisten (Bild 1).

Im vorderen Teil der Maschine ergibt sich ein geschützter Arbeitsbereich für den Roboter, so dass keine weitere Absicherung nötig ist. Durch Schiebetüren im Dachbereich der Laserschutzzelle wird auch weiterhin die Zugänglichkeit der Arbeitsräume zur Beladung per Kran gewährleistet. Der Einsatz eines Hochleistungs-Faserlasers ermöglicht in Kombination mit einem aktiven Strahlablenksystem (Laserscanner) erstmalig die Integration mehrerer Laserbearbeitungstechnologien in einer modular einwechselbaren Bearbeitungseinheit.

Das hybride Konzept auf Basis der Strahlführung und -fokussierung verwendet ein 2-D-Scansystem (Bild 2). Der Einsatz eines 2-D-Strahlablenksystems mit telezentrischer Planfeldoptik ermöglicht die flexible Bearbeitung eines ebenen Scanfelds mit annähernd orthogonalem Strahleinfall auf die zu bearbeitende Werkstückoberfläche. Hierbei wird gezielt die innerhalb der Strahlpropagation variierende Intensitätsverteilung ausgenutzt, um die unterschiedlichen Verfahren zu versorgen und definierte Prozessbereiche zu schaffen.

Defokussierter Laser wird zum Härten verwendet

Die in der Fokusebene resultierenden hohen Intensitäten >1 MW/mm² liegen über der Abtragschwelle des Materials und werden zum lokalen Verdampfen genutzt. Auf diese Weise sollen Einzelpulsbohrungen im Millisekundenbereich bei Lochdurchmessern bis knapp unter 100 µm erzeugt werden können. In fortlaufender Propagationsrichtung nehmen die Spitzenintensitäten ab, der Laserstrahl in der Bearbeitungsebene ist defokussiert und der resultierende Brennfleck auf der Werkstückoberfläche wird größer.

In diesem defokussierten Arbeitsfeld des Laserstrahls werden die Verfahren Laserauftragschweißen und Laserhärten realisiert. Hierbei wird im kontinuierlichen Laserbetrieb (cw-Modus) bei Leistungsdichten < 1 kW/mm² vorwiegend Wärme in das Bauteil eingebracht, die im Falle des Härtens zur Erzeugung von Phasenumwandlungen in der Randzone genutzt wird, wodurch der Härtegrad der Werkstückoberfläche lokal gesteigert werden kann (martensitisches Härten). Beim Laserauftragschweißen wird diese Wärme genutzt, um Zusatzmaterial in Form eines im Brennfleck zugeführten Drahts aufzuschmelzen und durch das entstehende Schmelzbad eine mit dem Grundwerkstoff metallurgisch verbundene Schicht aufzubringen. Diese Schicht dient als Verschleißschutz bei stark beanspruchten Bauteilen oder zum generativen Aufbau von Bauteilen im Falle des Controlled Metal Build Up (CMB).

Der Einsatz eines 2-D-Scansystems soll innerhalb beider Anwendungen die Erzeugung variabler Spurbreiten und damit flexible Bearbeitungsspuren ermöglichen. Beim Härten wird hierzu der Brennfleck mit mehreren 100 Hz über eine einstellbare Breite von bis zu 20 mm gescannt und durch den Roboter simultan über das Bauteil geführt, wodurch die resultierende Bearbeitungsspur entsteht. Hierbei kann während der Relativbewegung zwischen Roboter und Werkstück über die Scanamplitude die Spurbreite angepasst und somit eine flexible Härtekontur erzeugt werden.

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