Gesteigerte Dynamik für das Laserstrahlschneiden

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Fraunhofer IWS Dresden

Beschleunigungsspitzen in den Hauptachsen reduzieren

Ziel ist es, durch die Integration eines zusätzlichen Achssystems in die Bearbeitungsoptik den führenden Hauptachsen Ruck- und Beschleunigungsspitzen abzunehmen. Die Hauptachsen fahren speziell in harten Konturübergängen der zu schneidenden Geometrie eine stark überschleifende Bahn, während das in der Bearbeitungsoptik integrierte Achssystem (Scanner und Düse) die Sollbahnabweichung korrigiert.

Hauptachsen werden in kritischen Bereichen nur noch minimal abgebremst

Die Hauptachsen müssen damit in diesen kritischen Bereichen nur noch minimal abgebremst werden, um der weichen Bahn im Rahmen ihrer dynamischen Eigenschaften folgen zu können. Dies führt neben der enormen Schneidzeitverkürzung zu einer mechanischen Entlastung der gesamten Maschine und damit zu einer deutlichen Lebensdauerverlängerung der entsprechend entlasteten Elemente.

Die Dynamik, mit der die Düse geführt wird, beschränkt das dynamische Verhalten des Zusatzachssystems (Strahlführung und Düsennachführung). Eine möglichst hohe Dynamik der Düse konnte durch den Einsatz von Direktantrieben und einer abgestimmten, gewichtsoptimierten Parallelkinematik erreicht werden. Das in die Bearbeitungsoptik integrierte Achssystem (Bild 3) besitzt ein Beschleunigungsvermögen von 80 m/s² bei einer Ruckbegrenzung von 7000 m/s³. (Typische Dynamikwerte konventioneller Führungsachsen sind ein Beschleunigungsvermögen von 10 bis 25 m/s2 bei einer Ruckbegrenzung zwischen 500 und 1200 m/s³.)

Bei optimalem Abgleich von Dynamikeigenschaften und Arbeitsfeldgröße der Zusatzachsen entspricht die Gesamtdynamik, mit welcher der Strahl auf dem Bauteil geführt werden kann, der des dynamischsten Achssystems (Düse) im Verbund. Dieses mehrfach überbestimmte Multi-Achssystem aus Hauptachsen, Scannerachsen (Spotbewegung auf dem Bauteil) und Düsenachsen stellt hohe Anforderungen an die eingesetzte Bahnplanungssoftware, die aktuell am IWS entwickelt und erprobt wird. Parallel werden am IWS Strategien entwickelt, welche die Grundlage für ein neuartiges Anlagensteuerungskonzept bilden, um träge Führungsachsen gemeinsam mit hochdynamischen Achssystemen speziell für das Laserstrahlschneiden zu steuern.

Bearbeitungszeit sinkt rapide

Im Vergleich zum konventionellen Laserstrahlschneiden ohne Zusatzachsen konnten so bei komplexen Schneidgeometrien bereits mehr als 60% der Bearbeitungszeit eingespart werden, bei merklich ruhigeren Bewegungsabläufen der Hauptachsen. Angesichts des gerade derzeit bestehenden Kostendrucks und der Forderung und Möglichkeit, die Flexibilität von Produktionsprozessen zu steigern, ist der Siegeszug gekoppelter Achssysteme in der Lasermaterialbearbeitung nicht mehr aufzuhalten. Innovative Systemlösungen, ergänzt mit CAD/CAM-Tools, Bahnplanung und Joboptimierung, garantieren eine Vielzahl potenzieller Anwendungsmöglichkeiten.

Dipl.-Ing. Florian Bartels, Dipl.-Ing. Annett Klotzbach und Dr. Thomas Schwarz sind wissenschaftliche Mitarbeiter der Arbeitsgruppe Systemtechnik und Scannertechnologie der Abteilung Abtragen und Trennen, die von Dr. Andreas Wetzig geleitet wird. Dr. Anja Techel ist stellvertretende Institutsleiterin des Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden. Prof. Dr. E. Beyer ist Institutsleiter des Fraunhofer IWS und Leiter des Lehrstuhls für Laser- und Oberflächentechnik 1 an der Technischen Universität Dresden.

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