• Firma: Sauer GmbH Lasertec
  • Land: Deutschland
  • Artikel vom: 25 November 2010
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  • Kategorie(n): WERKZEUG FERTIGUNG, Laserbearbeitung
  • Schlüsselbegriffe: CVD, PKD
  • Laser-Komplettbearbeitung von Schneidkanten, Freiwinkeln und Spanleitstufen in PKD / CVD

    Die Lasertec PrecisionTool-Baureihe der Gildemeister-Tochter Sauer demonstriert Vorteile der 5-Achs-Laserbearbeitung von ultraharten Schneidwerkstoffen wie PKD und CVD gegenüber konventionellen Schleif- oder Drahtschneideverfahren.

    So lassen sich beispielsweise ausbruchsfreie Schneidkanten mit Radien von bis zu 2 μm problemlos und ohne kostenintensiven Werkzeugverschleiß herstellen.

    Was versteht man unter Laser?

    Der Begriff Laser leitet sich aus dem engl. „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“ ab und bedeutet direkt übersetzt „Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung“ – sprich künstlich erzeugte Lichtstrahlen. Unter einem Laser versteht man monochromatisches Licht mit einer einzigen Wellenlänge sowie gleichförmiger Schwingung. In Form eines parallelen Lichtstrahls fast ohne Streuung, kann der Laser hohe Energiedichten fokussiert in ein Material einbringen und dieses thermisch beeinflussen. Je nach eingebrachter Energie, Leistung und verwendeten Prozessgasen erlaubt dieser thermische Eintrag ein Schneiden, Schweißen oder Abtragen des Materials. Dabei bestimmt zudem das Absorbtionsverhalten des jeweiligen Materials, welche Wellenlänge des Lasers für die Bearbeitung notwendig ist. Diamant eignet sich grundsätzlich sehr gut für die Laserbearbeitung. Der Kohlenstoff wird in CO2 umgewandelt und damit rückstandsfrei verbrannt. Die Härte des Werkstoffes spielt dabei keine Rolle, was einen großen Vorteil gegenüber spanenden Verfahren darstellt.

    Einsatz der Lasertec PrecisionTool- Maschinen beim Kunden

    Die 5-Achs-Laserpräzisionsmaschinen der Lasertec PrecisionTool- Baureihe kommen je nach Ausstattung und Optionsumfang beim Ausschneiden von Schneidplatten, 3D-Abtragen von Spanleitgeometrien oder in der Präzisionsbearbeitung von Schneidkanten und Freiwinkeln zum Einsatz. So verwendet auch die in Innsbruck ansässige Tirotool Werkzeugsysteme GmbH seit 2004 eine Lasertec 40 PrecisionTool und seit 2009 zusätzlich eine Lasertec 20 PrecisionTool für die Fertigung von hochwertigen Schneidplatten und Schaftfräsern aus den Diamantschneidstoffen PKD und CVD. Welche Vorteile diese Fertigungstechnologie gegenüber herkömmlichen Schleifverfahren hat, zeigt die Qualität der Produkte. „Wir erzielen eine wesentlich höhere Güte der Schneidkante, weil es praktisch keine Ausbrüche im Material gibt“, sagt Werner Heumader, Geschäftsführer von Tirotool. Hinzu kämen die freie Wahl des Freiwinkels zwischen 0° und 35° sowie minimale Schneidkantenradien von bis zu 2 μm. Die Qualität der lasergefertigten, ausbruchsfreien Schneidkanten ermöglicht einen Einsatz mit wesentlich geringeren Schneidkräften als sie bei herkömmlich gefertigten Schneidplatten üblich sind. Insbesondere bei der Zerspanung moderner Materialien, wie zum Beispiel Kohlefaser-Verbundwerkstoffen, sind solche Eigenschaften immens wichtig, um produktiv und wirtschaftlich arbeiten zu können.

    Sogar fertig gesintertes Hartmetall kann mit Tirotool-Schneidkanten gedreht werden. Werner Heumader ergänzt: „Wir maximieren mit der verbesserten Schneidkante schließlich auch die Standzeit des Werkzeugs und senken die Instandhaltungskosten bei unseren Kunden.“ Oftmals sei auch Trockenbearbeitung möglich, was zusätzliche Kosten einspare und die Umwelt schone. Eine Besonderheit, die Tirotool ebenfalls der Laserbearbeitung zu verdanken hat, ist die 3D-Spanleitstufe. Die sogenannte Tirowave garantiert sofortigen Spanbruch, sodass keine langen Späne entstehen, die regelmäßig von Bedienern entsorgt werden müssen. Dieses Problem besteht insbesondere bei der Zerspanung von Aluminium. Stattdessen fallen die kleinen Späne umgehend in die Maschine und werden entsorgt.

    Die ganzheitliche Prozesskette: Vom Ausschneiden bis zum fertigen Präzisionswerkzeug:

    In der Prozesskette bei Tirotool kommt es an drei Stellen zum Einsatz der innovativen Technologie: Zunächst werden die Rohteile aus dem Diamant- Blanks ausgeschnitten, was auf der Lasertec 40 PrecisionTool geschieht. Nachdem diese noch unbearbeiteten Diamanteinsätze auf die Träger gelötet wurden übernimmt die Lasertec 20 PrecisionTool das Finishing der Schneidkanten und Freiwinkel. Mittels Laserabtragen wird wiederum auf der Lasertec 40 PrecisionTool abschließend die 3D-Spanleitstufe auf die Schneidplatte eingebracht. Die hierfür nötige Programmierung erfolgt automatisch auf Basis von 3D-CAD-Daten und mit Hilfe einer Bildbearbeitungssoftware, welche die Spanleitstufe exakt auf der Schneidplatte positioniert. Werner Heumader betont dabei: „Unsere Schneidplatten sehen also zu keinem Zeitpunkt eine Schleifmaschine.“

    „Perfekte“ Schneidkanten dank rückstandsfreier Materialverbrennung

    Dass Tirotool auf Schleifverfahren in der Schneidplattenherstellung gänzlich verzichtet hat Gründe: Die Laserbearbeitung von Schneidkanten aus PKDund CVD-Diamantschneidstoffen ist konventionellen Bearbeitungstechnologien in vielerlei Hinsicht überlegen. Der Laser wandelt den Kohlenstoff in CO2 um und verbrennt das Material damit rückstandsfrei. Anders als bei spanenden Verfahren spielt die Härte des Werkstoffs in diesem Fall keine Rolle. Während Schleifmaschinen also mit kostenaufwändigen Diamantschleifscheiben arbeiten und dabei hohe Zerspanungskräfte auf das Material ausüben, was zwangsläufig in raschem Verschleiß der Schleifwerkzeuge resultiert, arbeitet der Laser absolut kraftlos – der Laser als perfektes „Werkzeug“. Im Fall des Verbundwerkstoffs PKD wirken sich die hohen Kräfte beim Schleifen insbesondere auf die Schneidkante negativ aus, denn hier werden nicht nur die Diamantkörner, sondern auch der zwischen den Körnern befindliche Binder bearbeitet. Die Folge ist, dass die Diamantkörner aus dem Binder gebrochen werden, was zwangsläufig zu einer gewissen Schartigkeit der Schneidkante führt. Diese Schartigkeit steht in direktem Zusammenhang mit der Korngröße der Diamanten. Das funkenerosive Drahtschneiden, birgt ebenfalls Nachteile in sich, denn der reine, nicht leitende Diamant im PKD-Verbundwerkstoff kann auf diese Weise nicht bearbeitet werden, sodass der Draht um die Diamantkörner herum schneidet.

    Wie beim Schleifen besteht auch beim Drahtschneiden eine direkte Korrelation zwischen Korngröße und Schneidkantenschartigkeit. Da der Laserabtrag unabhängig von elektrischer Leitfähigkeit und Härte ist, schneidet die Maschine hier gerade durch Binder und Diamantkörner hindurch. Damit lässt sich eine völlig ausbruchfreie, gerade Schneidkante erzeugen. Selbst ein für viele Zerspanungsaufgaben vorteilhaftes grobkörniges PKD lässt sich mittels Lasertechnologie ohne Beeinflussung der Schneidkantenqualität bearbeiten. Monokristalliner Diamant oder CVD-Dickfilm-Schneidplatten sind noch schwerer zu bearbeiten als PKD-Schneidstoffe. Der Schleifaufwand ist wesentlich höher und Drahtschneiden ist mangels elektrischer Leitfähigkeit des Materials gar nicht möglich. Doch gerade Diamantwerkzeuge mit CVD-Diamantschneidplatten haben beispielsweise in der Bearbeitung von Faserverbund-Werkstoffen deutliche Vorteile gegenüber Werkzeugen mit PKD-Schneidplatten – die Standzeiten sind um das Fünf- bis Zehnfacher höher. Da eine Fertigung der CVD-Diamantschneidplatten mittels Lasertechnologie heute einfacher ist, kann in den nächsten Jahren mit einem starken Wachstum gerechnet werden, was das Angebot dieser Werkzeuge angeht.

    Lösung für Diamantbearbeitung: die Lasertec 20 PrecisionTool

    Die Lasertec 20 PrecisionTool von Sauer vereint die Vorteile der Laserbearbeitung mit denen modernster 5-Achs-CNCWerkzeugmaschinen, wie der Gildemeister-Konzern sie anbietet. Martin Reisacher, Leiter Forschung & Entwicklung bei Sauer, geht auf den Laser ein: „Herzstück der Maschine ist ein Faserlaser der jüngsten Generation.“ Der einfach und zugleich robust aufgebaute Laser zeichne sich durch seine hohe Strahlqualität aus sowie durch eine enorme Lebensdauer von bis zu 100 000 Stunden. Der leistungsstarke und zugleich energiesparende Laser arbeitet innerhalb eines bewährten Maschinenkonzepts, einer 5-Achs- Portalmaschine mit Lineartechnologie bzw. Torque-Antrieben in allen Achsen. „Damit stellt die Lasertec 20 PrecisionTool für Anwender ein schlagkräftiges Gesamtpaket dar, das die Fertigbearbeitung von Schneidkanten und beliebigen Freiwinkeln in den genannten ultraharten Diamantschneidstoffen erlaubt – und das mit einer Präzision im μm-Bereich“, fasst Friedemann Lell, Leiter Vertrieb bei Sauer Lasertec, den Anwendernutzen der Maschine zusammen. Tirotool hat sich mit seinem Know-how in der Schneidplattenbearbeitung an der Entwicklung der Lasertec 20 PrecisionTool auf der Software- Seite beteiligt. So bietet Sauer in Verbindung mit der Stateof- the-art Siemens 840D solutionline – Steuerung spezielle Lasersoft-Softwarefeatures an, mit denen Normschneidplatten anhand ihres ISO-Codes automatisch programmiert und bearbeitet werden. Rundlaufende Werkzeuge und Sonderschneidplatten werden über eine dfx- Schnittstelle ebenfalls einfach programmiert – per Eingabe der Schneidenkontur. Martin Reisacher beschreibt ein weiteres Ausstattungsmerkmal auf Steuerungsebene: „Während der Bearbeitung vermisst die Maschine die Lage der Schneidplatten automatisch und steuert den Laser entsprechend dieser Position und Ausrichtung.“ Eine Visualisierung des Bauteils (Lasersoft-3D-Simulation) auf dem Steuerungsbildschirm veranschauliche diesen Prozess für den Bediener.

    Komplettbearbeitung in einer Aufspannung

    Als Anbieter der „neuen Technologien“ innerhalb des Gildemeister- Konzerns arbeitet Sauer intensiv an der kontinuierlichen Weiterentwicklung seiner Produkte. Was Tirotool bisher auf zwei Lasertec-Maschinen macht, wird künftig auf einer möglich sein. „Schneidkanten, Freiwinkel und Spanleitstufen in Schneidplatten und Schaftfräsern aus PKD oder CVD werden dann in nur einer Aufspannung möglich sein, was die Produktivität der Werkzeughersteller erhöht. Zusätzlich werden wir durch Optimierung der Technologie die Bearbeitungszeiten deutlich verringern können“, so Friedemann Lell. Die „nächste Generation“ der Lasertec 20 PrecisionTool wird erstmalig auf der EMO präsentiert.

    Ergebnisse auf einen Blick

    Benefits der Laserbearbeitung von Schneidkanten, Freiwinkeln und Spanleitstufen in PKD/CVD ggü. der konventionellen Schleifbearbeitung:

    • Perfekte Schneidkanten ohne Ausbrüche
    • Standzeitverlängerung der Werkzeuge
    • Bis zu 2 μm Schneidkantenradius
    • Freie Wahl des Freiwinkels zwischen 0° und 35°
    • Laser als „sauberes, verschleißfreies Werkzeug“
    • Keine Umstellung des Maschinenbedieners durch Verwendung von standardisierten Software-Tools für normierte Schneidplatten

    Prozesskette: Laserfestützte Fertigung von PKD / CBN / CVDPräzisionswerkzeugen

    1. Ausschneiden von Schneidplatten (PKD-Blanks)
      Ausschneiden der Schneideinsätze aus der PKD-Ronde; Laserquelle: Lampengepulster
      Nd:YAG Laser;
      Bearbeitungszeit: 10 malschneller als Drahterodieren;
      Vorschneiden von Freiwinkelmöglich mit 5-Achs Maschine;
      Schnittgeschwindigkeitenin 1,6mm PKD bis zu 100 mm/min;
    2. Fertigbearbeitung von Schneidkante und Freiwinkel
    3. Erzeugen von Schneidkanten und Freiwinkel; freie Wahl des Freiwinkels von 0° bis 35°;
      Beste Schneidkantenqualität ohne Ausbrüche;
      Schneidkantenradius bis 2μm;
      Mögliche Freiwinkelgeometrien:
      gerade, facettiert, radial hinterlegt, mit Rundschlifffase;
    4. Einbringen von Spanleitstufen
      Automatische Programmgenerierung aus 3D CAD Daten;
      Bildverarbeitungssoftware zur genauen Positionierung der Spanleitstufe auf dem Werkzeug.