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Werkzeugmaschinen

Laser-Einheit macht Auftragschweißen auf Bearbeitungszentrum möglich

17.04.2009 | Autor: Steffen Nowotny, Robert Münster und Siegfried Scharek

Im hier vorgestellten Beispiel wird ein 1,5-kW-Diodenlaser verwendet, dessen Strahlung mit einem Lichtleitkabel von 400 µm Durchmesser in die Maschine geführt wird. Die ausgewählte Laseroptik erzeugt einen Fokus-Durchmesser von 800 µm, der gleichzeitig die minimale Abmessung der Schweißraupe bestimmt. Mit der verwendeten Faser- und einer anderen Optik sind minimal sogar 400 µm Raupenbreite erzielbar.

Durch die Wahl des Lasers ist dieses Ausführungsbeispiel eher präzisionsorientiert, und die Auftragraten von Metalllegierungen sind nach oben auf etwa 0,5 kg/h begrenzt. Bei der bei diesem Schweißprozess realisierten Konstellation sind Raupenbreiten zwischen 0,8 und 2,0 mm und Schichtdicken zwischen 0,2 und 1,0 mm erzielbar. Das erforderliche Bearbeitungsaufmaß der auftraggeschweißten Strukturen beträgt typischerweise 0,3 bis 0,6 mm. Die wichtigsten fehlerfrei verarbeitbaren Metallpulver sind Stähle, Kobalt- und Nickel-Legierungen, Messing und Bronze sowie Titan.

Koaxial-Pulverdüse führt Schweißgutes exakt und gleichmäßig zu

Eine Koaxial-Pulverdüse (Bild 2) sorgt für die exakte und gleichmäßige Zufuhr des Schweißgutes in den Laser-Brennfleck. Sie ist gewissermaßen das lasertechnische Pendant zu den Fräsern und gewährleistet einen langzeitstabilen Prozess des Auftragschweißens. Je nach Aufgabenstellung kann aus einem vom Fraunhofer IWS entwickelten modularen System namens Coaxn die optimale Konfiguration des Bearbeitungskopfes ausgewählt und zusammengefügt werden. Es wird so der Geometrie und Zugänglichkeit des Werkstücks, der vorgesehenen Pulver, dem verwendeten Laser und auch Aspekten der Arbeitssicherheit Rechnung getragen. Die Laserbearbeitungsköpfe ermöglichen ein richtungsunabhängiges Schweißen im 2D- und 3D-Bereich und Pulvernutzungsgrade von über 60%.

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Lasereinheit wird in die Arbeitsspindel eingesetzt

Die Optikeinheit (Bild 3) wird komplett über einen genormten Steilkegel in der Werkzeugaufnahme der Frässpindel aufgenommen. Die Bearbeitungseinheit (Bild 4) besteht aus Laseroptik und Koaxial-Pulverdüse. Diese neue Integrationsvariante hat gegenüber den herkömmlichen Lösungen den Vorteil, dass die zusätzliche Linearachse für die Optikführung entfällt. Der Arbeitsraum der Maschine bleibt so im vollen Umfang erhalten. Außerdem kann schnell zwischen Fräs- und Laserbearbeitung gewechselt werden, was den Fertigungsablauf in der Kombination beider Verfahren vereinfacht.

Die CNC-Steuerung behandelt dabei den Laserkopf als ein den Fräsern gleichgestelltes Werkzeug. Unterstützt wird der Fertigungsablauf durch das eigens entwickelte Softwarepaket DCAM. Dieses unterstützt wirkungsvoll die Abwicklung der typischen Prozesskette mit den Teilschritten CAD-Datenmodellierung, Festlegen der Schweißstrategie und Eingabe der Prozessparameter, Vorab-Simulation des Bearbeitungsvorgangs, Kollisionskontrolle sowie schließlich die CNC-Programmerstellung für das Auftragschweißen und Fräsen.