Hochgeschwindigkeitsschneiden von Dünnblechen mit dem Faserlaser

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Die hohen Schnittgeschwindigkeiten, wie sie der Faserlaser ermöglicht, haben Auswirkungen auf die Dynamik der Maschinen. Die Herausforderung besteht darin, auch bei der entsprechend höheren mechanischen Belastung die geforderte Genauigkeit sicherzustellen. Die entscheidende Rolle spielt dabei die Konstruktion der bewegten Teile. Das heißt konkret: Die komplette Y-Achse mit Anbauteilen und den Verbindungselementen zu den X-Achsen muss bei erhöhter Steifigkeit leichter sein.

Grundkörper sowie Schlitten und Platten komplett in Kohlefasertechnik ausgeführt

Metallischen Materialien sind bei der Umsetzung dieser doppelten Anforderung werkstoffspezifische Grenzen gesetzt. Der notwendige Leichtbau erfordert vielmehr geringe Werkstoffdichten, hohe Festigkeitskennwerte und eine hohe Materialdämpfung. Bei der Laserschneidmaschine Stiefelmayer effective wurden deshalb sämtliche Stahl- und Aluminiumteile der bewegten Y-Achse durch Bauteile aus Kohlefaser ersetzt. Der normalerweise als Stahlblech-Schweißkonstruktion ausgeführte Grundkörper sowie Schlitten und Platten sind komplett in Kohlefasertechnik gebaut.

Das größte und schwerste Einzelteil ist der Grundkörper der Y-Achse. In klassischer Stahlblechschweißkonstruktion läge sein Gewicht bei 125 kg. Bei der Stiefelmayer effective wiegt der entsprechende Kohlefaser-Rohling dagegen nur 46 kg — und das bei doppelter Steifigkeit.

Dies setzt besonderes Know-how voraus: Denn die werkstoffgerechte Konstruktion von faserverstärkten Kunststoffen ist wesentlich komplexer als die Auslegung von Bauteilen aus Stahl. Die metallischen Werkstoffe besitzen einen isotropischen Materialaufbau mit eindeutigen Kennwerten. Dagegen werden die mechanischen Eigenschaften der Kohlefaserwerkstoffe durch die Orientierung der einzelnen Gewebelagen im Laminataufbau bestimmt.

Linearmotoren setzen Faserlaser und Kohlefaser-Gantry in Bewegung

Die Aufgabe des Antriebsmotors besteht nun darin, die spezifischen Vorteile von Faserlaser und Kohlefaser-Gantry in Dynamik und Geschwindigkeit umzusetzen. Linearmotoren sind dabei anderen Antriebstypen deutlich überlegen. Sie erzeugen direkt eine translatorische, also geradlinige Bewegung. Damit ermöglichen sie eine unmittelbare und schwingungsfreie Krafteinspeisung in die zu bewegenden Maschinenteile — und dies bei höchster Geschwindigkeit und Bahngenauigkeit. Außerdem arbeitet dieses Antriebsprinzip weitgehend verschleißfrei. Je komplexer die Kontur eines Teils ist, desto schwerer wiegen diese Argumente.

Drehende Elektromotoren, wie sie in den meisten Laserschneidmaschinen verwendet werden, sind dagegen weniger geeignet. Weil bei diesem Typ die Drehbewegung erst über Getriebe und Zahnstange oder Spindel in eine lineare Bewegung umgesetzt werden muss, begrenzen große zu bewegende Massen, Reibung, Spiel sowie Elastizitäten die erzielbare Dynamik und Genauigkeit.

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