Verfahrensintegration macht Fräsmaschine zu hybridem Bearbeitungszentrum

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Außer der Möglichkeit, flexible Bearbeitungsspuren zu erzeugen, wird durch das Scannen des Brennflecks über das Werkstück eine weitestgehend homogene Temperaturverteilung sichergestellt, die entscheidenden Einfluss auf das Prozessergebnis hat. Beim drahtbasierten Auftragschweißen hingegen dient das Scannen des Laserbrennflecks zur gezielten Beeinflussung dieser Temperaturverteilung auf der Schmelzbadoberfläche, wodurch die Oberflächenspannung lokal variiert werden kann und damit die Breite der resultierenden Beschichtungsspur in bestimmten Grenzen einstellbar wird.

Brennfleck bestimmt die Breite der Beschichtung

Für die systemtechnische Umsetzung wird hierzu ein Heißdraht-Fördersystem mit vertikaler Verstellung (Strahlpropagationsrichtung) zusammen mit einem 2-D-Scansystem in einer hybriden, modular durch den Roboter zu greifenden Laserbearbeitungseinheit integriert (Bild 3). Die Energiekettenanbindung erfolgt vertikal. Der Wechsel zwischen dem Prozess Auftragschweißen und den Prozessen Härten oder Abtragen erfordert die Aktivierung/ Deaktivierung der Drahtzuführung sowie das Ein-/Ausklappen der Drahtzuführdüsen in den beziehungsweise aus dem Prozessbereich. Eine entsprechende Schwenkkinematik für die Drahtzuführdüsen ermöglicht den automatisierten Prozesswechsel und minimiert die resultierende Störkontur in Bezug auf die Bahnführung beim Laserhärten und Laserabtragen.

Zusätzlich zu der entwickelten hybriden Bearbeitungseinheit wird zur Erzeugung definierter Designstrukturen mittels Abtragen ein Kurzpulsfaserlaser mit geringer mittlerer Leistung in Kombination mit einem aktiven 3-D-Strahlab-lenksystem eingesetzt, wodurch mit Pulsspitzenleistungen um 1 GW/mm² kleinere und definierte Strukturen im Pulsbetrieb erzeugt werden können (pw-Modus). Die Erzeugung solch diskreter Strukturen mit Strukturgrößen im Bereich um 20 µm kann nicht über die Führung durch den Roboter realisiert werden und erfordert die Genauigkeit der Werkzeugmaschine. Aus diesem Grund wird das Strukturiersystem über die Schnittstelle der Spindelwerkzeugaufnahme modular in die Werkzeugmaschine eingewechselt.

Einen wesentlichen Erfolgsfaktor für den Einsatz hybrider Maschinenkonzepte bilden Planungswerkzeuge, welche den Benutzer bei der Erstellung der im Vergleich zu konventionellen Anlagen komplexeren Prozessketten optimal unterstützen (Bild 4). Bei der Fertigungsplanung im hybriden Bearbeitungszentrum findet die Bahnplanung sowohl für das Fräsen als auch für die Laserprozesse im CAM-System statt. Hierfür wird ein kommerziell verfügbares CAM-System um entsprechende Module zur Darstellung der Laserprozesse erweitert.

Grundlage der Bahnplanung für die Laserprozesse bilden Strategien aus dem Fünf- und Sechs-Achs-Fräsbereich. Die erzeugten Bahnen werden mit Prozessparametern zur Steuerung der Laserleistung versehen. Die Planung geschieht dabei interaktiv, wobei das System dem Benutzer Vorschläge auf Basis des hinterlegten Prozesswissens generiert. Ein Postprozessor erzeugt aus den erzeugten Daten automatisch lauffähige Programme sowohl für die Maschinensteuerung (NC) als auch für die Robotersteuerung (RC). Aus Sicherheitsgründen durchläuft jedes Teileprogramm vor der Ausführung auf der Maschine eine Verifikationsschleife in einem Simulationsmodell. Hierbei kommen virtuelle Steuerungen zum Einsatz, welche das zeitliche Verhalten der realen Steuerungen exakt nachbilden. In Verbindung mit einem Kinematik-Modell können so Kollisionen schon im Vorfeld erkannt werden.

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