AMB 2016 Im µm-Bereich: Drehen per Laser ist hochpräzis

Redakteur: Luca Meister

Präzises Bearbeiten ohne Grate, Späne und ohne Werkzeugverschleiss – aufgrund dieser Vorteile haben sich Lasersysteme in weiten Bereichen der Metallindustrie zum Schneiden, Bohren und Strukturieren etabliert. GFH hat dieses Einsatzspektrum jetzt um das Laserdrehen erweitert.

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Vorgestellt wird das neue Laserdrehen auf der AMB mit Hilfe einer «Holobox», die den sonst nur bedingt einsehbaren Prozess anschaulich macht.
Vorgestellt wird das neue Laserdrehen auf der AMB mit Hilfe einer «Holobox», die den sonst nur bedingt einsehbaren Prozess anschaulich macht.
(Bild: GFH)

Da beim Laserdrehen weder eine mechanische Kraft noch relevante thermische Einflüsse auf das Material wirken, lassen sich selbst kleinste Strukturen exakt und mit einer Oberflächenrauigkeit von Ra < 0,1 µm erzeugen. Gleichzeitig deckt derselbe Laser auch weiterhin alle üblichen Funktionen ab, so dass für folgende Bearbeitungsschritte das Werkstück nicht umgespannt werden muss, was den Produktionsdurchsatz erhöht, Kosten spart und das Risiko von Schäden minimiert.

Herzstück der Laserdrehtechnik ist ein Piko- oder Femtosekundenlaser mit einer Pulsdauer von lediglich 10 ps beziehungsweise 800 fs. Die Kürze des Pulses sorgt dafür, dass eine extrem hohe Energie zeitlich sehr begrenzt auf das Werkstück einwirkt und das Material verdampft, bevor es zu Schmelzerscheinungen oder thermischen Veränderungen kommen kann. Die Spitze des eigentlichen Abtragwerkzeugs bildet ein perfekt rotierender Laserspot, der mit Hilfe einer Trepanier-Optik erzeugt wird. Durch seinen geringen Durchmesser von minimal 25 µm lassen sich damit sehr feine Konturen und Geometrien herausarbeiten, die mit mechanischen Werkzeugen nicht realisiert werden könnten. Auch verdrückt der Laser das Bauteil nicht, wodurch grosse Ausspannlängen möglich sind.

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Verschleissfreies Drehen selbst bei härtesten Werkstoffen

Das Verfahren eignet sich sowohl zum Schruppen wie auch zum Schlichten; der mögliche Vorschub hängt vom Material sowie der geforderten Genauigkeit ab. Um trotz wechselnder Durchmesser und damit auch unterschiedlicher Bahngeschwindigkeiten eine gleichmässige Verteilung der Laserpulse zu gewährleisten, wird zudem eine spezielle Laser-Ansteuerung genutzt, die eine Pulse-on-Demand-Regulierung in Relation zur abzufahrenden Bahn erlaubt. Bearbeitet werden können so neben allen Arten von Metall auch Kunststoffe und Carbon sowie extrem harte Werkstoffe, beispielsweise Keramik oder Industriediamanten.

Da der Lichtstrahl berührungslos arbeitet, tritt bei dieser Form des Drehens kein Werkzeugverschleiss auf. Ausserdem bleibt die Schneidengeometrie dauerhaft scharf und formstabil, wodurch schwankende Schnittqualitäten vermieden werden. Dazu trägt auch bei, dass beim Abtrag per Laser keine Späne entstehen, die Werkstück oder Werkzeug beschädigen könnten. Ebenso bilden sich keine Grate, so dass nicht nachbearbeitet werden muss und eine einfache Reinigung der Werkstücke ausreicht.

Hohe Präzision, Dynamik und Flexibilität

Maschinelle Basis sind die «GL.evo»- und «GL.compact»-Bearbeitungszentren von GFH, die sich durch ihre sehr genaue und dennoch hoch-dynamische Kinematik auszeichnen. Dadurch lässt sich der Laser trotz Beschleunigungen von bis zu 20 m/s² auf ± 1 µm genau am Werkstück positionieren. Die fünf Achsen – einschliesslich zweier Drehachsen in der Werkstückeinspannung – ermöglichen sowohl Längs-Rund-, Quer-Stech- und Quer-Plan-Drehen als auch Kugel- und Formdrehen, wobei die realisierbare Präzision 1 µm im Durchmesser bei Rauigkeiten unter 0,1 µm beträgt. Zudem sind durch den geringen Werkzeugdurchmesser auch sehr filigrane Einstiche realisierbar.

Darüber hinaus bieten die Anlagen den Vorteil, dass sie auch zum Schneiden, Abtragen, Bohren und Strukturieren genutzt werden können – ohne Umspannung des Werkstücks. Die verschiedenen Bearbeitungsschritte können sofort nacheinander und ohne Werkzeugwechsel durchgeführt werden, da sich die Parameter des Ultrakurzpulslasers entsprechend der Programmierung stufenlos in µm-Schritten anpassen. So wurden bereits Edelstahl-Pinzetten mit 0,35 mm Kugeldurchmesser gedreht, längs geschnitten und mit einer 0,08-mm-Bohrung versehen. Diese hohe Flexibilität macht das Verfahren unter anderem für die Kleinserienfertigung oder das Prototyping interessant.

3D-Hologramm

Vorgestellt wird das Laserdrehen auf der diesjährigen AMB auf dem Messeauftritt von GFH. Anhand eines dreidimensionalen Hologramms wird hier die neue Technik, die sonst in den Bearbeitungszentren nur bedingt einsehbar ist, anschaulich präsentiert. -mei- SMM

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