Dynamische Strahlformung

Ausgangssituation

Festkörperlaser, zu denen auch die Gruppe der Faserlaser zählt, besitzen aufgrund ihrer charakteristischen Wellenlänge bestimmte Schnitteigenschaften, die sich als Chancen für eine dynamische Strahlformung darstellen. Die Energieeinkopplung in das Material gilt als besonders vorteilhaft, so dass sich Werkstoffe mit spiegelnden Oberflächen sowie dickere Materialien besser schneiden lassen als dies mit der für Co₂-Laser typischen Wellenlänge der Fall ist. Doch gleichzeitig schränkt der besonders schmale Schnittspalt den Einsatz im Dickblechbereich ein. Die Rauheit des Schnittbildes gilt als grob, so dass der Faserlaser im Dickblechbereich optisch gegenüber dem Co₂-Laser und gegenüber dem Plasmazuschnitt schlechter aufgestellt ist. Die Schnittgeschwindigkeit im Grobblechbereich ist darüber hinaus geringer als bei adäquaten Verfahren.  

Zielsetzung

Es soll ein Verfahren entwickelt werden, dass diese Nachteile des Festkörperlasers reduziert.
Der Schnittspalt soll vergrößert, die Rauheit reduziert, der Dickeneinsatzbereich erhöht und die Schnittgeschwindigkeit gesteigert werden. 

Lösungsansatz

Mehrere Wege bieten sich an:

1. Mit einer Leistungserhöhung des Faserlasers lassen sich der Dickenbereich und die Schnittgeschwindigkeit erhöhen.
2. Mit einer Gasdruckveränderung und Fokussierungsanpassung lassen sich die Rauheit und die Schnittgeschwindigkeit in Grenzen verbessern. Die Lösungen 1 und 2 wurden auf der Cutting World® 2018 von Ausstellern vorgestellt.
3. Einen dritten Lösungsansatz verfolgt das Fraunhofer IWS Dresden, der am Deutschen Schneidkongress® 2108 ausführlich präsentiert wurde und den wir hier in komprimierter Form vorstellen. Lösungsansatz: Die dynamische Strahlformung

Neue Bearbeitungsstrategie für das effiziente Schneiden dicker Metallbleche mit dem Faserlaser

C. Goppold, T. Pinder, P. Herwig

Das Laserstrahlschneiden für Blechdicken ab sechs Millimetern weist lediglich einen geringen Marktanteil in der Lasermaterialbearbeitung auf. Dennoch fungiert es als Alleinstellungs- bzw. kaufentscheidendes Merkmal für aktuelle Laserstrahlschneidmaschinen. Während im Dünnblechschneiden die Maschinendynamik den limitierenden Faktor darstellt, ist beim Dickblechschneiden der Prozess entscheidend.

Seit einigen Jahren fokussiert sich die Forschung und Entwicklung auf das Optimieren der Schnittqualität von Dickblechen. Die Herausforderung besteht darin, dass eine höhere Qualität nicht zu Lasten der Produktivität gehen darf. Als geeigneter Ansatz hat sich die Adaption des Laserstrahles an die jeweilige Bearbeitungsaufgabe herauskristallisiert. Üblicherweise erfolgt dies statisch, zum Beispiel durch Kombination unterschiedlicher Linsenbrennweiten. Die statische Strahlformung wird vor Beginn des Laserstrahlschneidprozess initiiert und ist im Weiteren konstant.

Das Fraunhofer IWS hat die dynamische Strahlformung entwickelt, um die beiden Schlüsselattribute Qualität und Produktivität in einem Ansatz zu adressieren. Die Vorschubbewegung des Laserstrahles wird dabei um eine hochdynamische Oszillation innerhalb der zu generierenden Schnittfuge ergänzt. Dadurch lassen sich zum einen beliebige Strahlformen realisieren und zum anderen ermöglicht der dynamische Charakter, die Strahlform zu jedem Zeitpunkt an sich verändernde Prozessbedingungen anzupassen. Auf diese Weise ist die Wechselwirkungsfläche zwischen Laserstrahl und Materie beliebig formbar, wodurch sich die Absorptionsmechanismen an materialspezifische Anforderungen anpassen lassen.

Abb.1: Die dynamische Strahlformung beeinflusst die Wechselwirkungsfläche zwischen Laserstrahl und Materie auf vielfältigste Weise, sodass sich die Absorptionsmechanismen an materialspezifische Anforderungen anpassen lassen.

Oszillation des Laserstrahles und Prozesssteuerung

Dazu wird ein konventioneller Schneidkopf mit einem Hochleistungsscansystem kombiniert.
Eine Vielzahl ansprechbarer Freiheitsgrade steuert die Oszillation des Laserstrahles und bietet eine zusätzliche Möglichkeit der Prozesssteuerung in Ergänzung zu den konventionellen Schneidparametern, wie beispielsweise Laserleistung, Vorschub, Fokuslage und Gasdruck.

Die dynamische Strahlformung erfordert eine speziell entwickelte Ansteuerlösung. Diese ermöglicht es alle notwendigen Parameter in der Maschinendatenbank zu hinterlegen. Zusätzlich erlaubt die Ansteuerung es, die Strahlform online während des Prozesses zu beeinflussen. Auf diese Weise kann ein Schneidkopf mit einem einzigen optischen Aufbau vielfältigste Schneidaufgaben erfüllen.

Abbildung 2 und 3 zeigen Beispiele für die Prozessverbesserungen anhand der im Laserstrahlschneiden praxisrelevanten Materialien Edelstahl und Baustahl auf. Veranschaulicht sind sowohl die Erhöhung der Schneidgeschwindigkeit als auch der Schnittqualität, hinsichtlich Minimierung der Schnittkantenrauheit R_z sowie verringerte Gratanhaftungen. Beides wirkt sich direkt auf die Produktivität der Fertigungslinien aus, wie nachfolgend beschrieben.

Abb. 2: Die dynamische Strahlformung bietet Vorteile beim gasgestützten Laserstrahlschmelzschneiden; a) 12 mm Edelstahl (1.4301) geschnitten mit 3 kW Laserleistung und 1,2 m/min Vorschub; b) 12 mm Baustahl (1.0037) geschnitten mit 3 kW Laserleistung und 0,8 m/min Vorschub.

Abb. 3: Hochwertige Schnittkante bei 12 mm Edelstahl erzeugt durch die dynamische Strahlformung

Dynamische Strahlformung mittels 2D-Scanner in Kombination mit einem Schneidkopf

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.

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

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

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

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