Dynamische Strahlformung, Fortsetzung Seite 2

 

Eine verbesserte Schnittqualität durch die dynamische Strahlformung bezieht sich primär auf die reduzierte Gratbildung, aber auch auf die Kantenrauheit und Winkligkeit. Sind diese Kenngrößen optimiert, reduzieren sich Nachbehandlungen der Zuschnitte oder entfallen komplett. Anhand von zwei Beispielen ist der praktische Nutzen angeführt:

Im ersten Beispiel behindern zu enge Schnittspalte und Gratanhaftungen die automatisierte Handhabung und stellen ein erhebliches Verletzungsrisiko für den Maschinenbediener dar. Gerade bei dicken Blechen verkippen die geschnittenen Bauteile häufig im Restgitter und sind schwierig zu entnehmen. Ursächlich dafür ist das ungünstige Verhältnis zwischen kleiner Schnittspaltbreite und großer Blechdicke. Abhilfe lässt sich oft nur durch strategisches Zerschneiden des Restgitters leisten. Die dynamische Strahlformung ermöglicht es hingegen neben einer guten Schnittqualität auch eine breitere Schnittfuge zu erzeugen, sodass sich die Bauteile leicht entnehmen und handhaben lassen.

Das zweite Beispiel bezieht sich auf Baustahl. Die dynamische Strahlformung ermöglicht erstmals einen qualitativ hochwertigen Laserstrahlschmelzschnitt für Blechdicken über 8 mm mit 3 kW Laserleistung. Einen besonderen Vorteil gegenüber dem herkömmlichen Laserstrahlbrennschnitt stellt die oxidfreie Schnittkante dar, die beispielsweise in der Weiterverarbeitung das direkte Lackieren der Bleche ohne zusätzliche Arbeitsschritte ermöglicht.

Hardwareseitig benötigt die dynamische Strahlformung einen 2D-Scanner in Kombination mit einem Schneidkopf. Im Konturschnitt muss die hochdynamische Oszillation des Laserstrahls mit der Maschinenbewegung synchronisiert und mitgeführt werden. Dafür wurde am Fraunhofer IWS das ESL2-100-Modul als flexible Kopplung zur Maschinensteuerung entwickelt. Es fungiert als Interface zwischen dem industriellen Feldbussystem EtherCAT und dem Scannerprotokoll und lässt sich einfach in ein vorhandenes Steuerungssystem integrieren. Diese Lösung ermöglicht das echtzeitfähige Bewegen des Scanners über eine speicherprogrammierbare Steuerung. Die Berechnung der Nachführung erfolgt zyklisch in Intervallen von 100 Mikrosekunden anhand der jeweils aktuellen Positionsdaten. Im selben Takt bietet das ESL2-100-Modul die Möglichkeit, die Oszillationsparameter zu verändern. Sensoren lassen sich einfach und flexibel über das vorhandene Feldbussystem integrieren und ermöglichen es, die Bewegungsbahn des Scanners zu beeinflussen. Für die dynamische Strahlformung bedeutet dies, dass zusätzlich zur Nachführung auch die Oszillation selbst verändert werden kann – z. B. abhängig von der Bahngeschwindigkeit – um Prozessinstabilitäten an Konturecken zu vermeiden.

 

Servo-Regler

Abb. 4: Das am Fraunhofer IWS entwickelte ESL2-100-Modul dient der Ansteuerung von Scannern. Es ermöglicht das Schneiden komplexer Geometrien.

 

Oszillationsfigur

Abb. 5: Die Oszillationsfigur wird konturabhängig anhand der aktuellen Positionsdaten der Führungsmaschine mitgeführt und zum Beispiel prozessabhängig umgeschaltet. Die Verknüpfung zum Prozess lässt sich frei implementieren.

 

Fazit

 

Das Schnittergebnis der dynamischen Strahlformung zeigt signifikante Verbesserungen gegenüber dem konventionellen Laserstrahlschneiden.

Maßgebliche Ergebnisgrößen sind die erreichbare Schneidgeschwindigkeit, die Schnittspaltgeometrie sowie die qualitätsbestimmenden Merkmale der Schnittkante, die Oberflächenrauheit und mögliche Gratanhaftungen.

Es ergeben sich glattere und homogenere Oberflächenrauheiten sowie geringere Gratanhaftungen in Abhängigkeit der Optiken des verwendeten Schneidkopfes.

Neben Qualitätsverbesserungen lässt sich die Schnittgeschwindigkeit steigern und die Schnittspaltgeometrie beeinflussen. Das optimiert das Schneidergebnis, spart Nacharbeiten des Schnittergebnisses und erhöht die Produktivität einer Laserschneidmaschine.

Die Prozessentwicklung des scannergestützten Laserstrahlschneidens erzielt mit einem einzigen optischen Aufbau sowohl für Dünn- als auch im Dickblech eine sehr gute Schneidleistung.

 

 

Curriculum Vitae der Autorin: M.Eng. Cindy Goppold, Fraunhofer IWS, Dresden

M.Eng. Cindy Goppold, Fraunhofer IWS, Dresden
M.Eng. Cindy Goppold, Fraunhofer IWS, Dresden

 

Cindy Goppold studierte Laser- und Optotechnologie an der Ernst-Abbe Hochschule in Jena.
Als Mitarbeiterin der Arbeitsgruppe Laserschneiden am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik beschäftigt sie sich mit innovativen Ansätzen zur Steigerung der Performance im Dickblechschneiden. Ihr favorisierter Lösungsansatz ist die dynamische Strahlformung, indem der Energieeintrag unter Berücksichtigung der Materialeigenschaften bedarfsgerecht gestaltet wird.
Sie gilt als weltweit anerkannte Expertin in diesem Themengebiet.

 

 

Kontakt Autor:

Verantwortlich für diesen Beitrag:

Cindy Goppold
E-Mail: cindy.goppold@iws.fraunhofer.de
Webseite: https://www.iws.fraunhofer.de/de/geschaeftsfelder/abtragen_trennen/laserschneiden.html

Bei weiteren Fragen, wenden Sie sich bitte direkt an die Autorin Cindy Goppold.


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