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Subtraktive Laserbearbeitung von Kunststoff Das Gegenteil der additiven Laserbearbeitung zeigt sein Können

| Redakteur: Peter Königsreuther

Additive Verfahren haben sich rasant entwickelt und leisten viel, wenn es etwa um die Prototypenfertigung zum flotteren Produktionsstart geht. Subtraktive Laserprozesse machen zwar das Gegenteil, punkten dabei aber auch.

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Viele sehen die Additive Fertigung als Universalwaffe der Zukunft – und das nicht zuletzt im Prototypenbau. Moderne Laserbearbeitungssysteme zur subtraktiven Fertigung, so gibt das Unternehmen Universal Laser System zu bedenken, können die generativen Verfahren durch vielseitige Anwendungsmöglichkeiten bei der Produktentwicklung und -herstellung aber wertvoll unterstützen.
Viele sehen die Additive Fertigung als Universalwaffe der Zukunft – und das nicht zuletzt im Prototypenbau. Moderne Laserbearbeitungssysteme zur subtraktiven Fertigung, so gibt das Unternehmen Universal Laser System zu bedenken, können die generativen Verfahren durch vielseitige Anwendungsmöglichkeiten bei der Produktentwicklung und -herstellung aber wertvoll unterstützen.
(Bild: Universal Laser Systems)

Digitale subtraktiv arbeitende Fertigungssysteme ergänzen nach Meinung von Universal Laser Systems die existierenden Fähigkeiten von additiv (oder auch generativ) arbeitenden Produktionsmethoden. Sie bieten, wie es weiter heißt, quasi komplementäre Funktionen, die aber mit einer vergleichbaren Flexibilität und Geschwindigkeit ablaufen. Dabei sei außerdem zu bedenken, dass viele der produzierten Teile aus flachem Rohmaterial hergestellt werde.

Bei der Auswahl einer passenden subtraktiven Fertigungsmethode, die zusammen mit additiven Produktionssystemen eingesetzt werden soll, sei es außerdem wichtig, dass das gewählte System in der Lage ist, die Qualität und Leistung der 3D-Technik zu erreichen. Außerdem muss das Verfahren flexibel, präzise und effizient arbeiten, heißt es weiter. Die Investition in eine Technik, die mit vielen verschiedenen Werkstoffen eingesetzt werden kann und auch noch schnell zu qualitativ hochwertigen Bauteilen führt, erweitert das bisher Machbare und erlaubt höhere Geschwindigkeiten bei der Produktentwicklung und -herstellung, sagt Universal Laser Systems (ULS).

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Je anwendungsflexibler, desto wertvoller das System

Die Lasersysteme von Universal Laser Systems gelten gutes Beispiel für Systeme, die die oben genannten Anforderungen erfüllen können. Die Systeme sind laut Hersteller etwa in der Lage, nahezu jeden Werkstoff innerhalb weniger Sekunden oder Minuten mit hoher Präzision zu bearbeiten (Schneiden, Bohren, Ritzen, Markieren, um nur einige zu nennen). Die Gründe, welche die digitale Lasertechnologie zu einer sinnvollen Ergänzung der Additiven Fertigung machen, fassen sich so zusammen: Die Produktzyklen werden immer kürzer und die Hersteller in vielen Branchen setzen zunehmend subtraktive Prozesse, wie das Laserschneiden oder -markieren ein, heißt es vorab. Übliche subtraktive Anlagen wiesen oft hohe Vorlaufzeiten auf, weil Vorrichtungen angefertigt und Programme erstellt werden müssten oder zur Bedienung der Maschinen hochqualifiziertes Personal benötigt werde. Kleine bis mittlere Losgrößen verteuern sich deshalb. Die Zeit für die Anfertigung und bis die Tests der Prototypen gemacht werden können, zieht sich dabei in die Länge. Die digitalen und subtraktiv arbeitenden Werkzeuge jedoch seien schnell einsetzbar, die Markteinführung könne so enorm beschleunigt und die Kosten für Überarbeitungen der Entwicklungen deutlich gesenkt werden.

Nur muss man wissen, dass nicht alle Lasersysteme gleich gut verwendbar sind, so Universal Laser Systems. Einige davon versprechen zwar viele Fähigkeiten zu haben, erreichen diese aber nur auf Kosten einer geringeren Gesamtleistung, weil sie für keine einzelne Aufgabe optimiert sind, präzisiert das Unternehmen. Deshalb ließen sich die hier beschriebenen Vorteile nur dann erreichen, wenn das ausgewählte Lasersystem wirklich fortschrittlich sei und hohe Leistung bei vielen verschiedenen Prozessen erreiche.

Harmonischer Dreiklang aus Funktionsspektrum, Präzision und Speed

Die Investition in die passende digitale Lasertechnik verbessere nicht nur die Arbeitsabläufe, sie erhöhe auch die Flexibilität in puncto Produktion. Fortschrittliche Lasersysteme ver- und bearbeiten zu Beispiel eine große Auswahl an Werkstoffen, indem sie dem Anwender die Möglichkeit geben, für jede Anwendung die beste Kombination aus Leistung und Wellenlänge zu wählen, so ULS. Die beste Wahl oder Kombination von CO2- oder Faserlaserquelle, Leistung und Wellenlänge(n) bestimmt natürlich der zu bearbeitende Werkstoff maßgeblich mit, denn jedes Material hat andere optische Absorptionseigenschaften in Bezug auf die jeweilige Wellenlänge des Lasers. Im hier befindlichen Beispiel mit dem Kunststoff PET (Polyethylenterephtalat) wird eine Laserwellenlänge von 9,3 µm (CO2) offensichtlich leichter absorbiert als ein Laser mit 10,6 µm (CO2) oder 1,06 µm (Faser) Wellenlänge.

Die zuvor genannte Laserstrahl-Wellenlänge von 9,3 µm wurde deshalb für die Bearbeitung des Kunststoffs PET gewählt, weil das Material die Laserenergie bei dieser Wellenlänge besser aufnehmen kann als bei anderen, wie dieses Diagramm (siehe 10,6 und 1,06 µm) beweist.
Die zuvor genannte Laserstrahl-Wellenlänge von 9,3 µm wurde deshalb für die Bearbeitung des Kunststoffs PET gewählt, weil das Material die Laserenergie bei dieser Wellenlänge besser aufnehmen kann als bei anderen, wie dieses Diagramm (siehe 10,6 und 1,06 µm) beweist.
(Bild: Universal Laser Systems)

Heute, merkt ULS an, verlangen Produktentwickler, Ingenieure und Hersteller selbst bei Prototypen beste Qualität und Oberflächenbeschaffenheit. Dafür sei ein Laser mit präzise steuerbarer Energieabgabe erforderlich. Erreicht werde das über eine intelligente Planung des Bewegungspfads, eine Positioniergenauigkeit im Mikrometerbereich und der Möglichkeit für den Anwender die Ausgangsleistung des Lasers genau auf seine Anwendung abzustimmen.

Einstellbare Laserparameter wie Wellenlänge, Leistung, Geschwindigkeit, das Tastverhältnis und die Anzahl der Impulse pro cm (PPI) sollen es ermöglichen, dass der Prozess auf eine spezifische Anwendung und einen Werkstoff hin kalibrierbar wird.

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Wenn die Anwender jedoch in der Lage sein sollen, das volle Potenzial fortschrittlicher Lasersysteme auszuschöpfen, müsse der Prozess zur Auswahl der Parameter oder der Konfiguration für einen gegebenen Werkstoff so einfach und fehlerfrei wie möglich sein: Wenn man dem Anwender eine Auswahl vorprogrammierter Parameter und Einstellungen zur Hand gibt, die vom Hersteller des Lasers im Rahmen umfangreicher Forschung getestet und überprüft worden sind, lässt sich dieser Prozess vereinfachen und der Zeitaufwand zur Produktion der Teile reduzieren, so ULS. Der Zugriff auf eine umfangreiche Datenbank von Werkstoffen und Konfigurationen erlaubt es dabei, eine maximale Auswahl an Werkstoffen mit höchster Präzision und Wiederholgenauigkeit zu bearbeiten.

Klare Anwendungsvorteile bei Teilen aus Flachmaterial

Fortschrittliche Lasersysteme wie die von ULS liefern laut Hersteller nicht nur eine stabil hohe Qualität, sondern sie sind auch produktiv. Die digitalisierte Technik vereinfacht dabei das Einrichten und die Arbeitsabläufe, verspricht ULS. Der Durchsatz und die Qualität würden sich mit hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten, der intelligenten Planung des Bewegungspfads und Funktionen wie der automatische Fokussierung des Strahls weiter verbessern. Die Beziehung zwischen dem Brennpunkt des Laserstrahls und der Oberfläche des Werkstücks hat erhebliche Auswirkungen auf Leistung und Qualität, heißt es weiter. Eine hochpräzise motorisierte Fokussierungseinheit mit hochauflösendem Berührungssensor sorge in ULS-Lasersystemen dafür, dass die korrekte Brennweite bei jedem Werkstoff zuverlässig eingestellt werde. Diese wertvolle Funktion arbeitet insbesondere bei den vielen Komponenten einwandfrei, die, wie Eingangs schon erwähnt wurde, weiterhin meist aus Flachmaterial hergestellt werden. In diesem Fall spielt die subtraktive Laserbearbeitung, wie ULS erklärt, ihre größten Vorteile aus.

Wenn die geometrische Integrität der Bauteile erreicht und zuverlässig reproduziert werden soll, während gleichzeitig sichergestellt werden müsse, dass das fertige Teil den Vorgaben aus der ursprünglichen Entwicklungsdatei entspreche, sei es unabdingbar, dass man die bestehende Funktionalität mit der Fähigkeit kombiniert, die Laserimpulse an definierten Punkten zu steuern. Dann wird die Genauigkeit und Konsistenz des Prozesses noch besser, verspricht ULS.

Leichte Einbindung in bestehendes Produktionsumfeld

Heutige Produktionsumgebungen verlangen nach immer mehr Konnektivität, sowohl aus digitaler als auch physikalischer Sicht, merkt ULS an, weil die Anzahl der miteinander zu verzahnenden Fertigungsprozesse weiter zunimmt. Ein fortschrittliches Lasersystem mit Eingängen zur Steuerung der Laserfunktion durch eine SPS und digitalen Steuerausgängen für externe Geräte beispielsweise erlaubt nun die Integration des Lasersystems in eine automatisierte Produktionsumgebung. In Verbindung mit einer robusten und intuitiven Schnittstelle könnten die Anwender das volle Potenzial im Stand-alone-Betrieb, aber auch in einer integrierten Umgebung nutzen.

Es sei keine Frage mehr, dass die richtige subtraktive Lasertechnik in Verbindung mit additiven arbeitenden Fertigungssystemen die Produktivität steigert und neue Möglichkeiten eröffnet. Ein passendes subtraktives Lasersystem als Teil einer breit angelegten Strategie zur Beschleunigung der Produktion hilft den Produktentwicklern und den Mitarbeitern in der Fertigung, den Durchsatz zu erhöhen und ihren Vorsprung weiter auszubauen, betont ULS abschließend.

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