Gebündelter Nutzen durch Lasertechnik

Anbieter zum Thema

neutec werkzeugmaschinen AG

TORNOS S.A.

ATP Hydraulik AG

BR TEC Bühler AG

Hoch beanspruchbare Zonen auf kostengünstigem Grundmaterial

Das Pulverauftragschweissen mit dem Laser ermöglicht es, in präzisen Geometrien schmale und dünne, fein strukturierte Funktionsschichten aus härtbaren, zähen oder verschleissfesten Werkstoffen auf kostengünstiges Grundmaterial aufzutragen. Dazu wird im Bearbeitungskopf durch eine Ringdüse Schweisspulver koaxial zum Laserstrahl auf das Werkstück aufgesprüht und mit dem Grundmaterial verschweisst. Transportmedium des Schweisspulvers ist ein Schutzgas, die Ringdüse ermöglicht Richtungsänderungen auf engstem Raum.

Die mit dem Laser aufgetragenen Schichten sind wahlweise 0,1 bis 1,5 Millimeter dick, die Breiten können zwischen einem und fünf Millimetern eingestellt werden. Um grössere Schichtbreiten zu erreichen, werden entsprechend viele Schweissraupen überlappend nebeneinander aufgetragen. Dickere Schichten erfordern das Stapeln von mehreren Schichten übereinander. Auf diese Weise können zum Beispiel bei Stanz- und Abkantwerkzeugen oder Spritzgussformen millimetergenau harte und verschleissfeste Schichten dort aufgetragen werden, wo die grossen Beanspruchungen stattfinden.

Auch bei Instandsetzungen teurer Werkzeuge spart es erheblich Kosten, wenn sich die Reparatur auf die beschädigten oder abgenützten Bereiche beschränkt. Derzeit wird die Anlage zu 70 Prozent für Reparaturschweissungen eingesetzt; zum Beispiel für die Reparatur von Exzenterwellen. Weitere Beispiele sind Werkzeuge für Blechverformungsmaschinen, Führungsschienen, Wellenlaufflächen, Lagersitze oder Abkantwerkzeuge für die Blechverformung.

Laser für Pulverauftragschweissen und Härten

Der Laser ermöglicht ein breites Spektrum von Möglichkeiten für die Materialpaarung. In der Praxis handelt es sich beim Grundmaterial meist um kostengünstigen Baustahl. Bei den aufgeschweissten Werkstoffschichten werden in der Regel Härten von 20 bis 65 HRC gewünscht, durch Einschmelzen von Hartstoffen sind jedoch extreme Härten bis zu 2000 HV möglich. Es besteht ausserdem die Möglichkeit, mit filigranen Schriftzügen, Grafiken oder durch nebeneinander angeordnete schmale Laser-Schweissraupen die optische Attraktivität eines Bauteils zu steigern.

Neben dem Pulverauftragschweissen eignet sich das Bearbeitungszentrum auch zum Härten. Dabei erhitzt der Laserstrahl die zu härtende Zone mit einer Aufheizgeschwindigkeit von mehr als tausend Grad pro Sekunde bis zur Austenitisierungstemperatur des Stahls. Da der Laserstrahl jedoch mit der Geschwindigkeit von 100 Millimeter bis über 1000 Millimeter pro Minute über das Werkstück geführt wird, kühlt der umgebende kalte Grundwerkstoff die erwärmte Zone unmittelbar nach dem Durchfahren des Laserstrahls sehr rasch wieder ab. Durch diese Selbstabschreckung bildet sich hartes Martensitgefüge. Auf diese Weise entstehen bis zu zwei Millimeter dicke, sehr harte Oberflächenzonen, wobei die Zähigkeit im Inneren des Bauteils jedoch erhalten bleibt.

Brückenkran für gesamte Arbeitsfläche

Die vier Meter lange X-Achse der Anlage besteht aus einem parallelen Längsschienenpaar im Abstand von zwei Metern, das in einer Höhe von etwa zwei Metern aufgeständert ist. Die zwei Meter Lange Y-Achse wird durch eine beidseits auf diesem Längsschienenpaar gelagerte Brücke gebildet, auf der sich der Werkzeugschlitten bewegt. Der Werkzeugschlitten wiederum ermöglicht dem Bearbeitungskopf einen senkrechten Verfahrweg von einem Meter in Z-Richtung. Zusammen mit den beiden Schwenkachsen am Bearbeitungskopf besitzt die Maschine fünf Achsen. Beide Längsschienen sind auf einer Beschickungsseite um zusätzliche vier Meter auf insgesamt acht Meter verlängert, so dass der integrierte Brückenkran auf der gesamten Arbeitsfläche zur Beschickung und zum Abtransport von Werkstücken eingesetzt werden kann.

Modular konzipierter Bearbeitungskopf

Als Laserquelle dient ein neben der Anlage installierter fasergekoppelter Drei-Kilowatt-Diodenlaser, ausgerüstet mit einem flexiblen Lichtleiterkabel bis zum Bearbeitungskopf. Das Schweisspulver wird dem Bearbeitungskopf YC50 durch eine koaxiale Ringspaltdüse zugeführt, damit lässt sich die Arbeitsrichtung beliebig ändern. Ausserdem sorgt die koaxiale Ringspaltdüse für einen homogenen Pulverfokus von nur 0,7 Millimeter Durchmesser.

Wenn erforderlich, lassen sich durch einen Zusatzgasanschluss direkt am Kopf Schutzgase zumischen. Da die für das Schweissen erforderlichen Medien wie Wasserkühlung, Pulverzuführung und Zuführung des Laserstrahls innerhalb des Kopfes verlaufen, ist dieser modular konzipiert und schlank gebaut. Die Schutzglaskassette, eine Schutzglasüberwachung und die Prozess-Sensorik mit Temperaturmessung sind ebenfalls im Kopf integriert.

Automatisch geregelte Laserleistung

Die Temperatur am Arbeitspunkt ist ein entscheidender Faktor bei der Laserbearbeitung. Sie wird von der Steuerung auf Basis der kontinuierlichen Temperaturmessung mit einer Genauigkeit von 20?°C geregelt. Fährt der Laserstrahl über eine dünnere Stelle, in die Nähe einer Kante oder einer Bohrung, so registriert das System sofort eine Temperaturerhöhung und fährt die Laserleistung entsprechend zurück. Nimmt die Dicke des Grundmaterials beim Weiterfahren des Laserstrahls wieder zu, beziehungsweise führt die Bahn des Lasers wieder in dickere Materialbereiche, wird die Laserleistung automatisch wieder hochgeregelt. Mit seiner schlanken Bauform kann der Laser-Bearbeitungskopf auch kompliziert geformte Werkstücke bearbeiten. Zum Härten und Beschichten sind unterschiedliche Laserköpfe erforderlich.

System zur Prozessüberwachung und Dokumentation

Bedient wird die Anlage von einer fahrbaren Bedienkonsole aus, auf der sich eine Tastatur und zwei übereinander angeordnete Bildschirme befinden. Der untere dient zur Steuerung der Gesamtanlage, der obere speziell zur Regelung des Schweissprozesses. Auf ihm sind während des Prozesses die Laser-Leistungskurve und die Temperaturregelkurve ersichtlich. Die vom Bearbeitungskopf abzufahrenden Bahnen können sowohl durch «Teachen» mit Hilfe einer Beobachtungskamera als auch durch Eingabe am Bildschirm programmiert werden.

Bei dem derzeit aktuellen Teilespektrum mit kleinen Stückzahlen erwies sich das Teachen als schnellste Variante. Dabei fährt der Maschinenbediener die Anlage mit der Steuerkonsole in die gewünschten Positionen, die Steuerung speichert alle auf diesem Weg durchfahrenen Koordinaten und optimiert anschliessend den Bewegungsablauf.

In Verbindung mit dem Laser Welding Monitor LWM steht ein System zur Prozessüberwachung und -dokumentation zur Verfügung. Alle relevanten Prozessdaten werden von der Steuerung laufend dokumentiert. Damit ist der gesamte Vorgang der Laserbearbeitung sicher reproduzierbar, die Daten bilden aber auch die Grundlage zu einer verlässlichen Qualitätskontrolle.

Bearbeitungssystem mit Zukunftspotenzial

Jan Koop bringt die Vorteile der Anlage auf den Punkt: Besonders wichtig für ihn ist, dass die Laseranlage sowohl das Härten als auch das Pulverauftragschweissen ermöglicht. Aufgrund der Flexibilität arbeitet sie auch bei kleinen Stückzahlen wirtschaftlich. Beim Härten besteht ausserdem die Möglichkeit, den Strahlquerschnitt zu verändern und damit Bahnen unterschiedlicher Breite zu härten. Ein weiterer Vorteil ist die grosszügige Fünfachsengeometrie der Anlage. Durch ihre Flexibilität besteht die Möglichkeit, auch sehr innovative und ausgefallene Wünsche des Kunden zu realisieren.

Autor

Martin Wohlgenannt, A-6850 Dornbirn

Information

Precitec Vision GmbH & Co. KG

Rotfarb 3, 8413 Neftenbach

Tel. 052 305 03 91, Fax 052 305 03 99

info@precitec.ch, www.precitec.ch

Riwalas, Ritzi & Walter

Nobelstrasse 15, D-70569 Stuttgart

www.riwalas.de

Stiefelmayer Lasertechnik GmbH & Co. KG Rechbergstrasse 42, D-73770 Denkendorf

www.stiefelmayer.de

Anwender

BR Tec Bühler AG

Tösstalstrasse 140, 8488 Turbenthal