UKP-Laseranlage löst Drahterosion ab

UKP-Laseranlage löst Drahterosion ab: Lasersysteme haben sich in den letzten Jahren für viele Schneidprozesse aufgrund ihrer Schnelligkeit und Flexibilität als Standard etabliert. Eine Ausnahme bildete bisher das Feinschneiden hochpräziser Komponenten, da hierbei die Genauigkeit aufgrund des Wärmeeintrags und der teils unscharfen Schnittgeometrie noch hinter der traditionellen Funkenerosion per Schneiddraht zurückstand. Das Unternehmen GFH GmbH hat als Hersteller von Maschinen für die Lasermikrobearbeitung jetzt mit der »GL.evo« eine Anlage entwickelt, die einen Ultrakurzpulslaser (UKP) mit einer Trepanieroptik kombiniert und so selbst bei rechtwinkligen Konturen scharfe Schnittkanten erzeugen kann. Die Qualität übertrifft dabei sogar jene der Drahterosion: Die Toleranzen beim Abfahren der Schnittlinie bewegen sich bei diesem neuen Laserschneideverfahren im Bereich weniger Mikrometer, der Mittenrauwert der erzeugten Oberflächen liegt unter 0,3 µm. Gleichzeitig ist das System schneller und lässt sich auch bei nichtleitenden Werkstoffen einsetzen.

Herzstück der neuen GL.evo ist ein 50-W-ps-Laser mit einer Pulsrate von bis zu 1 MHz. Da dieser statt eines dauerhaften Laserstrahls nur ultrakurze Energieblitze von 10 ps Dauer aussendet, wird der Werkstoff rund um die Eintrittsstelle weniger stark erwärmt als bei herkömmlichen Strahlquellen. Verzug oder andere hitzebedingte Veränderungen des Materials werden somit verhindert, wodurch auch Folien von wenigen µm Stärke problemlos bearbeitet werden können. Aber auch dickere Werkstücke unterschiedlicher Materialien bis 1 mm lassen sich damit konturgetreu schneiden, ohne dass die Kanten und Schnittflächen nachbearbeitet werden müssen. Dazu dient die von GFH ursprünglich für das Mikrobohren entwickelte Spezialoptik »GL.trepan« in Verbindung mit der Festoptik »GL.optifix«. Erstere versetzt den Laserstrahl in eine Taumelbewegung mit bis zu 30.000 rpm, um ein absolut gleichmäßig geformtes und stabiles Strahlprofil zu gewährleisten, das auch rechtwinklige Schnitte erlaubt. Der Schnittspalt kann ab 50 µm eingestellt werden. Zudem lassen sich über den Anstellwinkel beim Eintritt des Lasers in die Trepanieroptik auch leicht Hinterschnitte bis 3° erzeugen. Ein integrierter, photosensitiver Detektor überwacht dabei den Strahl in vier Dimensionen und gleicht eventuelle Abweichungen in der Ausrichtung mittels steuerbarerer Spiegelumlenker aus.

Die exakt konditionierten Pulse werden durch die »GL.optifix« fokussiert und durch Verfahren der Anlagenachsen an der zu schneidenden Kontur entlang geführt. Fehler in der Achsbewegung werden dabei ebenso kompensiert wie der Laserstrahldurchmesser, so dass die Geometrietreue gewährleistet ist. Zugleich beinhaltet die Festoptik eine ringförmige Gasdüse, die Prozessgas auf die Schnittstelle bläst. Dadurch wird zum einen die Optik vor Schlackespritzern oder Dämpfen geschützt und zum anderen das aufgeschmolzene oder verdampfte Material aus der Schnittfuge getrieben, so dass sich saubere Oberflächen ohne Grate und Tropfen ergeben. Zusätzlich verhindert das Prozessgas bei metallischen Werkstoffen eine Oxidation des umgebenden Bereichs. Üblicherweise wird ein Scanner verwendet, um die hohen Repetitionsraten des UKP-Lasers umsetzen zu können. Durch die Trepanieroptik »GL.trepan« kann dessen Energie jedoch auch bei langsameren Verfahrgeschwindigkeiten effizient in den Werkstoff eingebracht werden. Darüber hinaus lässt sich die Trepanieroptik auch mit dem Galvoscanner zusammen nutzen, um die generell langsame Wobbel- oder Spiralierbewegung der Galvanometerantriebe durch die Wendelbohroptik darzustellen und die hohe Jump-Geschwindigkeit des Scanners effektiv einzusetzen. Dadurch können Bohrungsraster mit wenigen Sekunden Bearbeitungszeit in den geforderten Abmessungen mit höherer Geschwindigkeit hergestellt werden. Verwendet wird dieses Verfahren vor allem bei sehr dünnen Materialien mit einer Bearbeitungszeit von wenigen Millisekunden.

Mit dem Laserbearbeitungszentrum von GFH können Eisen- und Nichteisen-Metalle ebenso wie nicht-metallische Stoffe bis zu einer Stärke von 1 mm geschnitten werden. Die Geschwindigkeit hängt dabei vor allem von der gewünschten Kontur- und Oberflächenqualität ab. Bei einem Kupfer-Beryllium-Werkstück mit 0,12 mm Stärke und hohen Anforderungen an den Schnitt lässt sich beispielsweise eine Geschwindigkeit von mehreren Hundert mm/min erreichen, bei 0,2 mm dickem Edelstahl immerhin 60 mm/min. Der Zeitaufwand für das Laser-Mikroschneiden unterschreitet damit deutlich die Dauer einer vergleichbaren Bearbeitung mittels Drahterosion. Zudem ermöglichen die vielfältigen Einstellungsoptionen der Trepanier- und der Fokussieroptik für Schnittspaltdurchmesser, Schnittwinkel, Geschwindigkeit, Fokuslinse und Schneiddüse eine unkomplizierte Anpassung an den jeweiligen Anwendungsfall und somit eine wirtschaftliche Produktion bereits bei geringen Stückzahlen.