• Firma: Laserpluss AG
  • Land: Deutschland
  • Artikel vom: 24 August 2011
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  • Kategorie(n): WERKZEUG FERTIGUNG, Laserbearbeitung
  • Lasertechnik steigert die Qualität von Diamantwerkzeugen und eröffnet neue Einsatzfelder

    Abb. 1
    Abb. 2
    Abb. 3
    Abb. 4
    Abb. 5

    Ein wichtiges Thema der EMO ist die Bearbeitung von innovativen zukunftweisenden Werkstoffen. In vielen Fällen können präzise gefertigte Diamantwerkzeuge die Lösung sein. Diese herzustellen ist jedoch mit herkömmlichen Verfahren kostenintensiv.

    Lasertechnik richtig angewendet ist eine Antwort. Die Laserpluss AG beschäftigt sich seit über zehn Jahren mit der Herstellung von Diamantwerkzeugen und gilt als eines der führenden Unternehmen auf diesem Gebiet.Bisher erfolgte die Bearbeitung diamanthaltiger Werkstoffe in den meisten Fällen mechanisch durch Schleifen oder durch thermische Reaktion wie das Erodieren. Beide Methoden zerstören die Diamantmaterialien in der Grenzschicht (einige 10μm) und rufen frühzeitigen Verschleiß hervor. Ausbrüche im Rahmen der Korngröße und Kantenverrundungen sind die Folge. Um gute Schneiden für hohe Präzision zu erhalten, werden kleine Korngrößen verwendet, die wiederum weniger Verschleißresistent sind. Größere Korngrößen, die wesentlich höhere Standzeiten erreichen, lassen sich nur schwer oder kaum bearbeiten. Doch weil es bisher nichts Besseres gab, waren alle damit „zufrieden“. Alternativen bietet seit einiger Zeit das berührungslose und schonende Bearbeiten mit dem Laser. Die richtige Kombination aus Maschinenkonzept, Laserauswahl und Bearbeitungsstrategie führt zu einer zuverlässigen und wirtschaftlichen Bearbeitungsmaschine zur Herstellung von Diamantwerkzeugen. Anlagen von Laserpluss sind seit Jahren in der Serienherstellung von Diamantwerkzeugen aktiv und erreichen Schneidkanten bei höchster Präzision. Insbesondere die Bearbeitung von CVD und MKD wird durch den Laser effektiv möglich.

    PKD, CVD und MKD verlangen nach neuen Bearbeitungsverfahren

    Um den Anschluss nicht zu verlieren, sehen sich Schleifmaschinenhersteller heutzutage gezwungen, in die Lasertechnologie einzusteigen. Insbesondere die vermehrte Nachfrage nach CVD- und MKD-Werkzeugen, aber auch die Vorteile bei der Bearbeitung von PKD, erfordern dies immer mehr. Laserpluss beschäftigt sich seit über zehn Jahren erfolgreich mit der Bearbeitung des Werkstoffes Diamant mittels Lasertechnologie und verfügt deshalb in diesem Bereich bereits über einen Entwicklungsvorsprung. Ausbruchfreie Schneidkanten mit gleichmässigen Verrundungen kleiner 2 μm sind an Diamantwerkzeugen mit der Lasertechnologie seit langem prozesssicher herstellbar. Die freie Geometriewahl erweitert die Vorteile zusätzlich.

    Die Laserbearbeitung bedient sich der thermischen Reaktion des Grundmaterials. Von der Laserstrahlquelle werden Lichtimpulse mit sehr kurzer Zeitdauer, hoher Energie und geringer räumlicher Ausdehnung erzeugt. Die Lichtpulse werden mit extremer Wiederholrate räumlich zu konturnahen Bahnen geführt und erzeugen den gewünschten Abtrag und damit die Schneidkante. Im Grunde kann man sich den Prozess analog zum Schleifen so vorstellen, als träfe ein Diamantkorn, das sich nie abnutzt und keine Kräfte ausübt, sehr schnell einige tausendmal pro Sekunde an Punkten der Schneidkante vorbei und trüge bei jedem Treffen Mikrovolumen Material ab, bis die gewünschte Geometrie entstanden ist.

    Eine thermische Schädigung des Diamanten ist nicht nachweisbar. Auch bei kleinsten Korngrößen (4μm) werden die Diamantkörner des PKD noch geschnitten. Die Schnittflächen sind glatt und optisch transparent. Mit der entsprechenden Vergrößerung kann mit polarisiertem Licht die Ausrichtung der Kristallachsen der geschnittenen Körner sichtbar machen. Wäre die Oberfläche thermisch geschädigt (wie beim Schleifen oder erodieren) wäre eine Betrachtung so nicht möglich.

    Alle Komponenten Der Anlage entscheiden über das Gesamtergebnis:

    Der Laser muss eine ausgesprochen hohe räumliche und zeitliche Stabilität aufweisen. Die Dauer des Laserpulses ist der zweite wichtige Faktor in der Wechselwirkung mit dem Material. Je länger der Lichtpuls andauert, desto stärker wird die vorhandene Energie über die Zeit verteilt und es entstehen thermische Schädigungen, wie sie beim klassischen Trennschneiden zu erkennen sind. Zu kurze Pulse enthalten zu wenig Energie um scharfe Schneidkanten zu erzielen. Da der einkristalline, reine Diamant nur Bruchteile des Laserlichts absorbiert, muss die Energiedichte des Laserstrahls beim ersten Auftreffen auf die Oberfläche ausreichend sein um eine Absorption in Gang zu setzen. Besonders entscheidend für die Präzision des Laserbrennpunktes sind der Durchmesser sowie die örtliche und zeitliche Energieverteilung. Auch hier gilt: Die optimale Auslegung ist entscheidend.

    All diese zur Diamantbearbeitung wichtigen Aspekte erfüllt der RayCutter:

    1. Strahlqualität bei kompaktem Laseraufbau
    2. Energiedichte durch kürzere Laserpulse und bessere Fokussierbarkeit
    3. Präzise Leistungsdosierung in allen Positionen der Bearbeitung

    Funktionsweise der Laserbearbeitung

    Die Skizze in Abb. 3 zeigt den Ablauf einer beginnenden Laserbearbeitung an einem Diamantwerkstück in zeitlicher Abfolge. Der erste Puls des Lasers trifft auf unbearbeitetes Material. Durch die Absorption des Lichtes an der Oberfläche wird ein Plasma (heißes Gas) gezündet. Die hohen Temperaturen (größer 5000° C für wenige milliardstel Sekunden) führen zu einer Reaktion des Kohlenstoffes im Diamant mit dem umgebenden Luftsauerstoff. Der Kohlenstoff verbindet sich mit dem Luftsauerstoff zu Kohlendioxyd. In der Grenzschicht der Umwandlung entsteht reiner Kohlenstoff. Bei polykristallinen (PKD) Diamantwerkstoffen wird zusätzlich die Metallbindung verdampft. Je enger die zeitliche und räumliche Begrenzung des Lichtpunktes ist, desto geringer ist die Grenzschicht zwischen unbearbeitetem, thermisch unbehandeltem Metall und verdampftem Material. Das Bearbeitungsergebnis wird präziser, eine Nachbearbeitung nicht mehr notwendig.

    Ein Abtrag im Volumen entsteht durch die Bewegung des Werkstücks unter dem Lasers. Die exakte Steuerung der Lichtpulse relativ zur Bewegung ist dabei sehr entscheidend für die Genauigkeit der Bearbeitung. Im RayCutter werden die Laserpulse mit einer Auflösung von 20 Nanometer synchron zur Bewegung der linearmotorgetriebenen Achsen getriggert. So setzt jeder Laserpuls exakt an einer neuen Position an. Mit der kontinuierlichen Wiederholung dieses Zyklus entstehen aus Linien Flächen und Volumen. Das gewünschte Bearbeitungsergebnis entsteht.

    Bewegungs- und Formfreiheit

    Bei der Erstellung von Bearbeitungswerkzeugen mit Diamantschichten wird eine exakt definierte Kontur für die Bearbeitung vorgegeben. Der Laser muss also auf einer frei programmierbaren Kurve geführt werden. Weiterhin muss der Bearbeitungswinkel variabel sein: ein Freiwinkel (Hinterschnitt) ist gefordert. Um diese Anforderungen zu erfüllen, ist eine spezielle Laserführung notwendig, mit der Präzision und Wirtschaftlichkeit vereinbar sind. Auch die Steuerung der Bewegung ist also neben der Laserstrahlqualität für die Präzision der Bearbeitung von ausschlaggebender Bedeutung. Da jeder Laserlichtpuls zum Materialabtrag beiträgt, ist die Gleichmäßigkeit der Verteilung der Lichtpulse über die Fläche relevant. Eine spezielle Elektronik in Verbindung mit der Präzision des Lasers übernimmt diese Aufgabe in Echtzeit. Um geringe Bearbeitungszeiten zu erreichen bedarf es einer Kinematik, die eine hohe dynamische Genauigkeit ermöglicht. Im RayCutter werden bei Geschwindigkeiten über 1 Meter pro Minute dynamische Genauigkeiten unter 2 Mikrometer erreicht.

    Als Lösung für diese Anforderungen hat Laserpluss bereits vor über zehn Jahren den RayCutter entwickelt und im Laufe der Jahre immer weiter verfeinert:

    Der RayCutter verfügt in der Grundausstattung neben einem diodengepumpten ND:YAG-Laser (1064 nm) mit kompletter Bearbeitungsoptik und Kamerasystem über alle zum Betrieb erforderlichen Komponenten. Die Positionierung der Bauteile zum Laserstrahl übernimmt ein linearmotorgetriebener Koordinatentisch. Die Konstruktion ist auf höchste dynamische Genauigkeiten optimiert. Auf dem Betriebsrechner der Anlage sind alle nötigen Programme (CAD, Postprozessor, CAM-Editor) vorinstalliert. Die Anlage arbeitet nach der Laserklasse 1 und verfügt über eine Absaugeinheit zur Aufnahme der Abtragstäube. Die Bedienung erfolgt über ein TouchScreen. Durch die Erweiterung einer Präzisions-Rundachse können ebenso rotationssymetrische Bauteile bearbeitet werden. Zur Erfassung der realen Bauteillage ist ein 3-D-Taster und eine Vermessungskamera integriert. Zur Bearbeitung flacher Bauteile wie Wendeschneidplatten ist die Automation bereits integriert. Dazu werden komplette Werkzeugpaletten auf dem Bearbeitungsbereich mit einem Schnellwechselsystem integriert.

    Die Programmierung erfolgt aus den CAD-Daten heraus mit den eigenen Postprozessor. Dieser erzeugt die Bearbeitungsbahnen passend zur Werkstückposition. Neben der Herstellung der eigentlichen Schneidkante kann in der gleichen Aufspannung auch eine frei definierbare Spanform-Geometrie hergestellt werden. Eine abschließende Beschriftung der Bauteile ist ebenso möglich.

    1. Wirtschaftlichkeit:
      Da die Bearbeitung ohne mechanische Kräfte erfolgt entsteht nahezu kein Verschleiß. Es werden keine Verbrauchsstoffe wie Schleifscheiben, Kühlmittel oder Prozessgas benötigt. Der Energieverbrauch der Anlage beträgt weniger als 2 Kilowatt. Die Bearbeitungszeiten sind zur Zeit mit denen von Schleifprozessen vergleichbar. Jedoch zeigt das Bearbeitungs-Ergebnis deutlich höhere Qualität.
    2. Kundenspezifische Lösungen
      In vielen Anwendungen ist die Lasertechnologie den klassischen Herstellungsverfahren
      überlegene Qualität für den Einsatz der Anlage ausschlaggebend. In eigenen Applikationslabor
      werden Prozesse optimiert und auf die Kundenanforderung angepasst. Durch individuelle Lösung kann so ein optimiertes Anlagenkonzept erstellt werden.