Das nachfolgend beschriebene Teilvorhaben ist Bestandteil des Forschungsprojekts RoboLaSS.

Ausgangssituation

Laserstrahlschneiden ist heutzutage eine der bedeutendsten Anwendungen in der Laser Materialbearbeitung. Nach einer Studie des Verbands Deutscher Maschinen und Anlagenbau (VDMA 2007) entfällt auf das laserbasierte Schneiden und Schweißen mehr als 50% des Weltmarktes für industrielle Laserstrahlanlagen.

Jahrzehnte lang dominierte der CO2-Laser mit hoher Output-Leistung und hervorragender Strahlqualität den Markt für Laserstrahlschneidanlagen. Seit der Entwicklung von Scheibenlasern und Faserlasern jedoch bekommt diese etablierte Laserstrahlquelle Konkurrenz aus dem Wellenlängenbereich um 1 µm. Deren Vorteile sind ein noch besseres Strahlparameterprodukt (SPP < 0,5 mm*mrad) und damit eine bessere Fokussierbarkeit des Strahls nahe der Beugungsbegrenzung. Darüber hinaus ist der Absorptionsgrad in Metall bei 1 µm Wellenlänge höher als bei 10 µm was wiederum zu einer gesteigerten Effizienz führt. Nicht zuletzt kann die Strahlung der Festkörperlaser (Scheiben- und Faserlaser) über optische Fasern direkt von der Strahlquelle zur Bearbeitungszone geführt werden.

In den letzten Jahren hat die Entwicklung von Strahlquellen mit verbesserten Strahlqualitäten und hohen Strahlleistungen neue Ansätze im Bereich Laserstrahlmaterialbearbeitung ermöglicht. Ein Beispiel dafür ist das Remote-Laserstrahlschneiden, zu sehen in Abbildung 1.

Um in der Prozesszone das Material partiell in den dampfförmigen Aggregatszustand zu überführen sind sehr hohe Strahlungsintensitäten erforderlich. Durch die Entwicklung hochbrillanter Strahlquellen, wie zum Beispiel des Single-Mode-Faserlasers (Abbildung 3), der am iwb mit 3 kW Ausgangsleistung zur Verfügung steht, kann der Laserstrahl sehr fein auf dem Bauteil fokussiert werden. Durch den feinen Spotdurchmesser in Verbindung mit der hohen Ausgangsleistung kann die benötigte Intensität erreicht werden.

Die Strahlführung wird beim RLC über bewegliche Spiegelsysteme (Scanner) realisiert. Diese haben gegenüber konventionellen Optiken die Vorteile, dass zum einen deutlich höhere Prozess- und Positionierbewegungen möglich sind und zum anderen die optischen Elemente durch den großen Abstand zwischen Prozesszone und Optik besser vor Schmelzspritzer geschützt sind.

Ziel des Arbeitspakets

Ziel des iwb ist es, das Verfahren des RLC hinsichtlich einer industriellen Anwendung zu qualifizieren und die systemtechnischen Randbedingungen für einen Einsatz in der Fertigung zu schaffen.

Vorgehensweise und Ergebnisse

Das RLC ist ein neues Verfahren, bei dem die Haupt- und Nebeneinflussparameter noch nicht restlos geklärt sind und über deren Abhängigkeiten untereinander nahezu kein Wissen vorhanden ist.

Aus diesem Grund untersucht das iwb den Einfluss von bestimmten Prozessparametern (z.B. Laserleistung, Scangeschwindigkeit und Fokusdurchmesser) auf qualitätswiederspiegelnde Ausgangsgrößen (z.B. thermischer Verzug, Schnittgratbildung, Bahntreue und effektive Prozessgeschwindigkeit). Auf ausgewählte Ergebnisse wird nachfolgend näher eingegangen.

Der thermische Verzug bei der Materialbearbeitung mit Lasern ist die Freisetzung von Bauteilspannungen mittels geometrischen Verformungen. Das tritt vor allem bei ungleichmäßiger Wärmedeposition im Bauteil auf, bei der sich lokale Thermospannungen ausbilden. Da diese thermischen Verzüge das Werkstück unkontrolliert verformen ist dies ein qualitätsmindernder Effekt. Das iwb untersucht den Einfluss von System- und Prozessparametern auf die thermischen Verformungen und entwickelt Lösungen, wie diese minimiert werden können. Im Laufe der Untersuchungen hat sich gezeigt, dass vor allem die zeitliche Abfolge der Schnitte einen entscheidenden Einfluss hat. Durch Entwicklung angepasster Scann-Strategien können die thermischen Verzüge signifikant reduziert und die Bearbeitungsqualität erhöht werden (vgl. Abbildung 4).

Gerade für einen Vergleich verschiedener Schneidverfahren und die Bewertung der Wirtschaftlichkeit der Prozesse ist die effektive Schnittgeschwindigkeit entscheidend. Diese errechnet sich vereinfacht aus der Überfahrtgeschwindigkeit des Scanners und der Anzahl der Belichtungen, die für den Durchschnitt benötigt werden. Hier hat das iwb am Beispiel von Edelstahl verschiedener Blechstärken untersucht, für welche Materialdicken das Verfahren sinnvoll einsetzbar ist. Wie in Abbildung 5 dargestellt zeigt sich ein deutlicher Geschwindigkeitsvorteil des RLC gegenüber konventionellen Schneidprozessen vor allem im Dünnblechbereich bis 1 mm Blechstärke.

Insgesamt lässt sich feststellen, dass das RLC hohe Anforderungen hinsichtlich der Strahlqualität, Optikstabilität und Fokuspositionierung an die beteiligte Systemtechnik stellt. Diese übertreffen die Anforderungen, welche beim Remote-Laserstrahlschweißen (RLW) auftreten teilweise dramatisch. Das bedeutet jedoch im Umkehrschluss, dass eine Systemtechnik, die sich für das RLC als geeignet herausstellt, auch die Anforderungen des RLW erfüllt. Daher untersucht das iwb Kombinationsmöglichkeiten verschiedener Lasermaterialbearbeitungsprozesse mit einem Laser und einer Scanneroptik. Umgesetzt wurde dieser Ansatz der Flexibilisierung von Laserbearbeitungseinheiten auf der Messe World of Photonics 2009 in München (vgl. Abbildung 6). Dort wurden im Zuge einer live-Demonstration die Verfahren des Remote-Laserstrahlmarkierens, Remote-Laserstrahlschweißens und des Remote-Laserstrahlschneidens an einem Buchzeichen der Fachwelt vorgeführt (Video).

Abbildung 6: Messeaufbau für die World of Photonics 2009 (links) und Demonstratorbauteil (rechts)

Forschungsprojekt

Status

laufend

Laufzeit

07/2010-06/2013

Letzte Aktualisierung

16.04.2012

Förderer

BMBF

 Videos

Remote-Laserstrahlschneiden von Struktubbauteilen

Downloads

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