Die Entwicklung der 3D-Laserbearbeitung

Wenn es um die 3D-Laserbearbeitung geht, ist die Luft- und Raumfahrtindustrie ein wichtiger Anwender der Technologie. Bei dieser Anwendung bohrt ein Laser Kühllöcher in eine Turbinenschaufel. Bilder: Prima Power Laserdyne

Was ist der erste Gedanke, der einem Metallbauer in den Sinn kommt, wenn im Gespräch der Begriff „Multiprozess-Laserbearbeitungsmaschine“ fällt? Höchstwahrscheinlich handelt es sich um eine Kombinationsmaschine aus Laserschneiden und Stanzen.

Einige Branchenveteranen erinnern sich vielleicht sogar an die erste „Kombinationsmaschine“, die vor mehr als 40 Jahren auf der International Manufacturing Technology Show, damals bekannt als International Machine Tool Show, ihr Debüt feierte. Strippit installierte einen CO2-Laser auf einer Revolver-Stanzpresse und er erwies sich als Erfolg – ​​so sehr, dass die Laserschneidtechnologie in den meisten Werkstätten die vorherrschende Methode zur Herstellung von Rohlingen ist.

Für einige hochpräzise Metallverarbeiter hat ein Multiprozesslaser jedoch eine andere Bedeutung. Für sie liegen die Ursprünge dieser Art von Laserbearbeitungsmaschinen einige Jahre nach dem Debüt der ersten CO2-Laser-/Revolverstanz-Kombinationsmaschine. Einige Ingenieure in Minnesota entwickelten eine Maschine, bei der ein fokussierter CO2-Laserstrahl, der sich in drei Achsen bewegen konnte, zum Schneiden und Schweißen verwendet werden konnte. Dies war kein Fall, bei dem der Laser stationär war und sich der Tisch mit der daran befestigten Metallplatte unter dem Laser bewegte. In diesem Fall war das Werkstück stationär und der Strahl wurde ihm zugeführt.

Diese 3D-Lasermaschinen fanden schon früh Fans. Harley-Davidson nutzte sie zum Beschneiden von Tiefziehteilen. Dann wurde für Xerox eine Laserbearbeitungsmaschine mit der Fähigkeit zur Bewegung entlang der C- und D-Achse entwickelt, die nach einer Vorrichtung zum Bohren und Schneiden von geschweißten Computerrahmen suchte.

„Damals galt es als unkonventionelle Bearbeitung“, sagte Mark Barry, ein erfahrener Mitarbeiter von Prima Power Laserdyne, einem Hersteller von 3D-Laserbearbeitungsmaschinen. „Die Leute wussten nicht viel über Laser. Es gab große Skepsis.“

Diese Skepsis gegenüber Lasern besteht derzeit sicherlich nicht mehr. Vieles davon wurde durch die CO2-Lasertechnologie ermöglicht, die im Laufe der Jahre in vielen metallverarbeitenden Unternehmen das Arbeitstier war.

Mit der Entwicklung der Faserlasertechnologie begann sich das jedoch zu ändern. Anstelle eines großen Resonators mit Spiegeln und Gasen, um den Laser zu erzeugen, wie es bei der CO2-Technologie der Fall ist, wird ein Faserlaser in Glasfaserkabeln erzeugt und über diese übertragen.

Die Faserlasertechnologie hat im Vergleich zum CO2-Laser viele Vorteile. Der Faserlaser hat eine kürzere Wellenlänge (1,06 Mikrometer) als der CO2-Laser (10,6 Mikrometer), was bedeutet, dass der Faserlaser bessere Absorptionseigenschaften aufweist; Dies führt zu höheren Schnittgeschwindigkeiten und der Möglichkeit, reflektierende Materialien wie Kupfer, Messing und Aluminium viel besser und sicherer zu schneiden. Der fokussierte Strahl eines Faserlasers weist außerdem eine höhere Leistungsdichte auf als ein CO2-Laser mit ähnlicher Leistung. Eine höhere Leistungsdichte des Laserstrahls bedeutet, dass Metall schneller in den geschmolzenen Zustand gebracht werden kann, was zu einem schnelleren Schneiden führt. Ein Faserlaser ist außerdem wesentlich energieeffizienter und erfordert weniger Wartung als ein CO2-Laser.

Das ist ein ziemliches Resümee, und es ist kein Wunder, dass der Faserlaser mittlerweile die vorherrschende Technologie beim Schneiden ist, sowohl in der 2D- als auch in der 3D-Welt.

„Früher schaltete man eine Laserschneidmaschine ein und wartete etwa 15 Minuten, bis sie warm war“, sagte Barry. „Dann könnten Sie mit der Bearbeitung beginnen.

Mit einem Drahtvorschubgerät und einer optimalen Verteilung eines Schutzgases kann ein Laser zum Schweißen verschiedener reaktiver Materialien verwendet werden, wie beispielsweise dieses gewölbte Titan-Luft- und Raumfahrtbauteil.

„Gehen Sie noch heute zu einem Faserlaser und Sie können das Gerät einschalten und sofort mit der Bearbeitung beginnen. Sie haben die gleichen Strahleigenschaften und die gleiche Qualität wie am Tag zuvor, als Sie die Maschine heruntergefahren haben.“

Das Besondere an der Faserlasertechnologie war Mitte der 1990er Jahre, dass es sich um eine Dauerstrichtechnologie handelte. Damals war es nicht geeignet für das, was sich als eine der Hauptanwendungen der 3D-Laserbearbeitung herausstellte: das Bohren.

Barry sagte, dass Laserdyne mit seiner 3D-Verarbeitungstechnologie einen wachsenden Kundenstamm gefunden habe, als es begann, mit Herstellern in der Luft- und Raumfahrtindustrie zusammenzuarbeiten. Die Möglichkeit, innerhalb weniger Minuten Hunderte von Löchern in verschiedenen Materialien und in verschiedenen Winkeln zu erzeugen, war etwas, das Fräszentren und Erodiermaschinen nicht reproduzieren konnten.

Diese Laserbohraktivitäten wurden jedoch nicht mit CO2-Lasertechnologie unterstützt. Barry sagte, dass die von einem CO2-Laser erzeugte Spitzenleistung, Strahlqualität und Strahlform nicht ausreichend kontrolliert werden könne, um durch ihn zu schießen und hochwertige Löcher zu erzeugen. „Es hinterlässt eine Menge Spritzer und es ist kein beredter Prozess“, sagte er.

Der Nd:YAG-Laser hat das alles verändert. Die Atome in einem mit Neodym dotierten Yttrium-Aluminium-Granat werden von einer Blitzlampe angeregt, um diese Art von Laser zu erzeugen. Es hat eine Wellenlänge von 1,06 Mikrometern und war in der Lage, die für den Laserbohrprozess erforderlichen Spitzenleistungsstöße zu liefern. „Das hat das Spiel grundlegend verändert“, sagte Barry.

Im einfachsten Szenario beim Laserbohren wird ein einzelner Laserimpuls mit Spitzenleistung verwendet, um das Metall zu schmelzen und zu verdampfen, wodurch ein genau definiertes Loch entsteht. Dies kann wiederholt durchgeführt werden, um Löcher mit einheitlicher Größe über einem 3D-Objekt zu erzeugen. In anderen Fällen des Laserbohrens wird ein Loch mithilfe mehrerer kurzzeitiger Laserimpulse mit geringer Energie erzeugt. Dieser Ansatz eignet sich besser für Anwendungen, bei denen präzisere Löcher oder Löcher mit kleinerem Durchmesser erforderlich sind.

Bei größeren Löchern erfolgt das Trepanieren ähnlich wie in einem Fräszentrum. Das Pilotloch wird mit aufeinanderfolgenden Laserstichen erzeugt und anschließend wird das Loch vergrößert, indem der Laser in einem kreisförmigen Muster pulsiert. Durch das immer größer werdende Loch fällt geschmolzenes Material.

Barry sagte, dass diese Art des Bohrens schnell Löcher mit einem Durchmesser von 0,005 bis 0,035 Zoll erzeugen kann. Er fügte hinzu, dass es den Luft- und Raumfahrtunternehmen sehr gefiel, weil der Laser nicht nur in einem Winkel von 90 Grad zur Oberfläche, sondern auch in einem Winkel von bis zu 20 Grad bohren konnte. Dadurch wurde die Produktion von Bauteilen zur Kühlung von Strahltriebwerken deutlich effizienter. (Verkehrsflugzeugtriebwerke können im Betrieb Temperaturen von mehr als 3.000 Grad Fahrenheit erreichen. Kühlsysteme sind für die Funktionsfähigkeit dieser Triebwerke von entscheidender Bedeutung.)

Nd:YAG-Laser erwiesen sich als sehr leistungsfähiges Bohrwerkzeug. Die einzige wirklich konkurrierende Technologie war die Elektroentladungsbearbeitung, bei der thermische Energie zum Entfernen von Metall genutzt wird, die jedoch im Vergleich zum Laser äußerst langsam ist.

Mitte der 1990er Jahre kam dann die Fasertechnologie auf den Markt, und Barry sagte, seine Laserdyne-Kollegen fühlten sich verpflichtet, einen Blick auf diesen neuen Lasertyp zu werfen. Nd:YAG war besser als CO2, wenn es darum ging, Spitzenleistungsimpulse zu liefern, aber es pulsierte nicht sehr schnell. CO2 war natürlich immer noch die erste Wahl zum Schneiden, da es im Dauerstrichmodus verwendet werden konnte. Vielleicht könnte die Faserlasertechnologie diese Leistung verbessern.

Heutige Laserbearbeitungsmaschinen ermöglichen das Bohren von Löchern in sehr flachen Winkeln zur Oberfläche.

Das Laserdyne-Team wandte sich an IPG, einen der ersten kommerziellen Anbieter von Faserlaser-Stromquellen in Nordamerika, der wiederum den „Laserfreaks“, wie Barry ihn und seine Kollegen nannte, eine 20-kW-Dauerstrichfaser lieh Laser.

„So haben wir angefangen“, erinnert sich Barry. „Wir haben es ein Jahr lang in Angriff genommen und mit der Leistung des 20-kW-Faserlasers konnten wir fast alle Lochbohrungen durchführen, die wir mit dem Nd:YAG-Laser durchführen konnten.“

Es gab jedoch ein Problem. Ein 20-kW-Dauerstrich-Faserlaser war keine kostengünstige Ergänzung zu einer Laserbearbeitungsmaschine. Damit diese Technologie von der Metallverarbeitungsbranche angenommen wird, musste sie erschwinglicher werden.

Das Laserdyne-Team wandte sich noch einmal an den Präsidenten, den Gründungswissenschaftler und den leitenden Manager von IPG und erläuterte ihm sein Dilemma. Die Laserexperten schrieben ihre Gedanken auf eine Papierserviette und entwickelten den späteren leistungsstarken Quasi-Dauerstrich-Faserlaser (QCW).

Quasi ist eine gute Wahl, um diesen Lasertyp zu beschreiben, da er einige der Eigenschaften des Dauerstrich-Faserlasers beibehält. Der große Unterschied besteht darin, dass dieser Lasertyp eine günstige Wellenlänge hat und Spitzenleistungsimpulse liefern kann, wodurch er für das Laserbohren geeignet ist. Dies wird durch Modifikationen an der Stromversorgung und eine erhöhte Anzahl von Pumpdioden erreicht, die in die aktive Faser gespleißt werden.

Dieser QCW-Faserlaser gab Laserdyne die Flexibilität, die es für eine Stromquelle benötigte. Mit einer Spitzenleistung von 20 kW und einer Durchschnittsleistung von 2 kW könnte eine 3D-Laserbearbeitungsmaschine Löcher mit Spitzenleistung bohren, dünne Materialien schneiden und mit durchschnittlicher Leistung aggressiv schweißen.

„Das war eine große Veränderung für unsere Branche“, sagte Barry.

Bis heute verwendet Prima Power Laserdyne den QCW-Laser in seinen 3D-Laserbearbeitungsmaschinen. Ein Großteil davon wird bei der Herstellung von Komponenten für Kühlsysteme von Turbinentriebwerken verwendet, von denen einige sehr groß werden können.

Beispielsweise kann eine Raketendüse einen Durchmesser von etwa 8 Fuß und eine Höhe von 6 Fuß haben. Um etwas so Großes in Angriff zu nehmen, ist eine 3D-Laserbearbeitungsmaschine mit acht Bewegungsachsen – fünf Achsen für die Strahlbewegung, zwei Achsen für die Drehtischbewegung und eine Achse für die Bewegung des Wechseltisches – erforderlich.

„Kunden wissen, dass sie mit dieser Art von Funktionalität ihre Arbeit erledigen können“, sagte Barry.

3D-Laserbearbeitungsmaschinen haben sich weiterentwickelt, um mehrere Prozesse zu ermöglichen und Strahlbewegungssysteme anzubieten, die es noch nicht gab, als die frühen 5-Achsen-CO2-Systeme zum ersten Mal auf den Markt kamen.

Unternehmen verwenden diese 3D-Systeme immer noch zum Beschneiden von Stanzteilen und zum Laserbohren von Luft- und Raumfahrtteilen, aber Schweißanwendungen sind bei der Betrachtung möglicher Anwendungen im gesamten Fertigungsspektrum unterrepräsentiert, sagte Barry. Er bezeichnete das Laserschweißen als „wahrscheinlich die letzte Bastion der nicht standardmäßigen Fertigungsproduktion“.

Die Leistungsdichte des Laserstrahls erzeugt ein schmales Schweißbad und dringt tief in das Material ein. Dadurch entsteht eine saubere Schweißnaht, die häufig keiner Nachbearbeitung bedarf. Der Prozess kann auch schnell und präzise in einem einzigen Durchgang durchgeführt werden.

Darüber hinaus entsteht beim Laserschweißen eine begrenzte Wärmeeinflusszone (HAZ) um die Verbindung herum. (Dies war einer der Gründe, warum die Technologie zum Schweißen von Fahrzeug-Airbagbaugruppen verwendet wurde, die damals tatsächlich einen Zünder zum Auslösen des Airbags enthielten.) Die begrenzte HAZ reduziert Verformungen und Eigenspannungen im Metall.

Das Laserschweißen gelingt am besten mit engen Passungen. Dies erfordert möglicherweise den Einsatz moderner Abkantpressentechnologie, um von Teil zu Teil gleichmäßige Biegungen mit hohen Toleranzen zu erzielen. Beim Laserschweißen kann Fülldraht verwendet werden, um eine schlechte und inkonsistente Passung auszugleichen.

Das Aufkommen des Faserlasers hat tatsächlich dazu beigetragen, das Laserschweißen zu verbessern. Beim Laserschweißen mit einem CO2-Laser entstand Plasma, das dazu beitrug, die Schweißnahtdurchdringung zu reduzieren. Um die Plasmabildung zu reduzieren, wurden verschiedene Arten von Schutzgasen eingesetzt, die Risiken bestanden jedoch immer. Beim Faserlaser kommt es normalerweise nicht zu einer Plasmabildung. (Beim Schweißen dicker Abschnitte mit langsamer Schweißgeschwindigkeit kann sich über der Schweißnaht eine Gaswolke bilden, die die Verbindungsqualität gefährdet. Die Verwendung von Schutzgasen kann jedoch dazu beitragen, dies zu minimieren.)

Dominic Louwagie, Produktmanager bei Prima Power Laserdyne, fügte hinzu, dass fortschrittliche Steuerungen dazu beigetragen haben, dass 3D-Laserbearbeitungsmaschinen benutzerfreundlicher sind als frühere Generationen. Die Steuerung koordiniert die Laserleistung und die Durchflussraten der Schutzgase und Hilfsgase für die Bearbeitungsanwendung.

„Der Bediener muss lediglich die Düse physisch austauschen, die für Gasfluss und Druck optimiert ist“, sagte Louwagie. Eine komplette Umstellung, die beim Übergang vom Laserschneiden zum Schweißen erforderlich ist, erfolgt in weniger als zwei Minuten. (Beim Laserbohren und Laserschneiden wird oft der gleiche Düsentyp verwendet.)

Die Laserbearbeitung hat in den letzten 30 Jahren große Fortschritte gemacht. Werkzeugmaschinen sind für Laser konzipiert und nicht einfach auf einer Revolver-Stanzpresse befestigt. Laser haben sich so weit entwickelt, dass sie Schneid-, Bohr- und Schweißergebnisse liefern können, die andere Technologien hinsichtlich Qualität und Produktivität nur schwer erreichen können. Auch beim Einsatz dieser Laser ist die Branche deutlich intelligenter geworden.

„Vor dreißig Jahren kamen die Leute zu uns und fragten: ‚Können Sie das mit einem Laser machen?‘ „Oft wussten wir es nicht. Wir mussten um ein paar Proben bitten und uns damit befassen, um herauszufinden, ob wir das liefern konnten, was sie wirklich erreichen wollten. Es wäre für uns beide eine Entdeckung“, sagte Barry sagte.

„Heute wissen wir, was wir in der Materialverarbeitung leisten können. Jetzt müssen wir nur noch entscheiden, ob es eine praktische Anwendung ist oder nicht.“

Der nächste Schritt ist für die Metallbauer. Kann ihnen die 3D-Laserbearbeitung dabei helfen, ihre Arbeit besser zu erledigen als bisher ohne die Hilfe von Lasern?

Das Metallschneiden war eine der ersten Anwendungen der CO2-Lasertechnologie, als sie vor 40 Jahren auf einer Branchenmesse erstmals vorgestellt wurde. Heutzutage wird die Faserlasertechnologie zum Metallschneiden in 2D- und 3D-Anwendungen eingesetzt.