Think Laser! Technologie mit starkem Wachstumspotenzial
  • Firma: Ewag AG
  • Land: Schweiz
  • Autor(en): Dr. Claus Dold
  • Artikel vom: 30 März 2015
  • Seitenaufrufe: 2694
  • Artikel Nummer: 052-018-de
  • Kategorie(n): WERKZEUG FERTIGUNG, Laserbearbeitung
  • Schlüsselbegriffe: All-in-one machining, Carbide, Cutting tool insert, CVD-Diamant, Laserbearbeitung, Naturdiamant, PKD-Werkzeuge, Polycrystalline diamond (PCD), Präzisionswerkzeuge, Rotary tools, Ultrashort pulsed laser
  • Think Laser! Technologie mit starkem Wachstumspotenzial

    Ewag ist Synonym für innovative Fertigungslösungen in der Werkzeugherstellung und seit nun mehr als 35 Jahren mit der Formgebung von Diamantschneiden international im Markt tätig. Bereits in den achtziger Jahren bewies Ewag Pioniergeist mit der Kombination von Erodieren und Kraft geregeltem Oszillationsschleifen von PKD-Schneidstoffen in einer Aufspannung. Die vollautomatische und wirtschaftliche Fertigung von Diamantwerkzeugen begann somit ihren Siegeszug. Erneuten Pioniergeist bewies Ewag mit der weltweit ersten Laserbearbeitungsanlage für die 5-achsige Komplettbearbeitung von Diamantschneiden und 3D-Kavitäten in einer Aufspannung mittels Ultrakurzpulslaser (UKP Laser) und integrierter Scanner-Technologie, diese ist in Abb. 1 abgebildet. Seit nun mehr als sechs Jahren beschäftigt sich Ewag intensiv mit der Weiterentwicklung und Industrialisierung von Laserbearbeitungsprozessen für die moderne Werkzeugfertigung von morgen. Die Lasertechnologie birgt enormes Potenzial, eine neue Ära der Schneidwerkzeugfertigung einzuläuten, und steht an der Schwelle des industriellen Durchbruchs. Um die Leistungsfähigkeit der Lasertechnik jedoch voll auszunutzen ist ein Umdenken in der Werkzeuggestaltung nötig. Man muss die Vorteile des Laserprozesses zuerst genau verstehen und Abstand nehmen von alt bewährten Sachzwängen der traditionellen Werkzeugfertigung.

    Lasergerechte Werkzeuggestaltung

    Das Laserlicht hat bereits zahlreiche Industriefelder revolutioniert und dramatisch verändert. Ein Wandel steht auch der Welt der Schneidwerkzeuge bevor. Anfänglich wurde die neuartige Technologie im stark traditionellen Schneidwerkzeugmarkt eher kritisch aufgenommen. Inzwischen ist die Skepsis gewichen – nur wenige Jahre später werden bereits heute in einigen Anwendungen nur noch gelaserte Diamantwerkzeuge aufgrund der enormen Standzeitverbesserungen und optimierten Bearbeitungsergebnisse akzeptiert. Hier sehen gerade viele kleinere und mittlere Werkzeughersteller ein Potenzial, sich durch eine Investition in die Lasertechnik einen Technologievorsprung zu verschaffen und neue Wege in der Werkzeugfertigung zu beschreiten. Viele dieser innovativen Werkzeughersteller idealisieren ihre ganze Fertigungskette auf die neue Herstellungsmethode und können so flexibel, schnell und mit neuartigen Produkten am Markt punkten. Wer es hier versteht, Schneidwerkzeuge lasergerecht zu entwickeln und Produktionsprozesse auf die neue Fertigungstechnik abstimmt, die Vorteile des Laserprozesses ausnutzt, kann produktivere, flexiblere und hochwertigere Schneidwerkzeuge erzeugen. Moderne UKP Laser erzielen völlig unabhängig vom Schneidstoff qualitativ hochstehende Bearbeitungsergebnisse ohne thermische Schädigungen. So können Hartmetallwerkzeuge mit dem Laser veredelt als auch Naturdiamantwerkzeuge flexibel geformt werden.

    Speziell, auch in Bezug auf PKD-Schneidstoffe, bietet die Lasertechnik den enormen Vorteil, dass sich unabhängig von der PKD-Körnung ausbruchsfreie Schneiden herstellen lassen. Wer den Laserprozess beherrscht, kann auch im gleichen Arbeitsgang eine gewünschte Kantenkonditionierung durchführen. Die Lasertechnik bietet hier zusätzlich die Möglichkeit, auf die Anwendung abgestimmte Kantenverrundungen an der Schneide anzubringen. Bei vielen Vergleichsstudien zwischen Laser und konventionellen Technologien schneidet die Lasertechnik oft hinsichtlich Teilezeit unberechtigterweise schlecht ab. Hierbei wird leider meistens der lasergerechten Werkzeuggestaltung keine Rechnung getragen. Im Gegensatz zum Schleifen und Erodieren, wird beim Laserprozess schichtweise von oben Material abgetragen, dies ist in (Abb. 2 - links, konventionelle PKD-Bearbeitung mit Schleifscheibe - rechts, Laserbearbeitung von PKD-Werkzeugen und grundsätzliche Gestaltungsempfehlungen für effiziente Laserbearbeitung) dargestellt. Beim Schleifen spielt die Schneidstoff- dicke und die Ausbildung der darunter liegenden Trägerstruktur keine Rolle und die Gestaltung der Freifläche ist irrelevant, da von außen nach innen hin mit der vollen Scheibenbreite zugestellt wird. Somit wird die ganze Freifläche bearbeitet. Bei der Laserbearbeitung mit der angewandten schichtweisen Bearbeitung definieren die zu bearbeitenden Schichtdicken die Gesamtbearbeitungszeit. Daher gilt es, bei der Laserbearbeitung die zu bearbeitende Dicke so gering wie möglich zu halten. Dazu gehört auch die Installation eines sauberen Lötprozesses.

    Überschüssige Lotrückstände für zu lasernde Werkzeuge sollten vermieden werden. Ebenfalls sollte darauf geachtet werden, dass der Laserstrahl beim Durcharbeiten nicht auf den Werkzeuggrundkörper trifft und der Werkzeugkörper so ausgestaltet wird, dass der Laserstrahl ins Freie strahlt. Ansonsten können Brandspuren und ein ungewünschtes Aufheizen des Werkzeugs erfolgen. Berücksichtigt man bereits diese einfachen Gestaltungsleitsätze, so lässt sich in den allermeisten Fällen das Werkzeug produktiver, mit verbesserter Schneidkantenqualität, herstellen.

    kurz, kürzer, ultrakurz

    Die Entwicklung der letzten Jahre im Bereich der Pulsdauer von industriell verfügbaren Strahlquellen ist rasch vorangeschritten, insbesondere die Entwicklung der verfügbaren Systemvarianten im Bereich kurzer Pulse (Pulsdauer größer zehn Pikosekunden, z. B. Nanosekunden), aber auch der sogenannten UKP Laser mit Pulsdauern kleiner zehn Pikosekunden. Heute sind industriell einsetzbare Laserquellen von vielen Herstellern in diversen Bauformen und mit verschiedensten Resonatorkonzepten verfügbar. Bei Pulsdauern im Nanosekundenbereich und länger haben sich insbesondere fasergeführte Systeme aufgrund der vereinfachten Strahlführung in den letzten Jahren stark etabliert. Im UKP-Bereich ist eine Strahlführung mit hohen Pulsenergien im Bereich von typisch einigen hundert Mikrojoule in der Faser bis heute industriell nicht verfügbar. Die Strahlführung wird bei UKP-Lasersystemen über einen spiegelgeführten Strahlengang realisiert. Die Vorteile eines solchen UKP-Systems liegen hier in den physikalischen Eigenschaften und Abtragsmechanismen, siehe Abb. 3. Bei Pikosekundenbearbeitung ist keine Graphitisierung sichtbar. Aufgrund der sehr kurzen hochenergetischen Laserpulse und der Interaktion mit dem zu bearbeitenden Material bleibt eine thermische Schädigung des abzutragenden Materials fast gänzlich aus. Somit resultieren, sowohl bei Dielektrika (z.B. Diamant), als auch bei metallisch leitenden Werkstoffen, eine Abtragsqualität mit deutlich überlegenen Eigenschaften mit minimalen, thermisch induzierten Spannungen, Mikrorissen oder Gefügeveränderungen. Speziell vorteilhaft koppeln UKP-Laser auch bei transparenten Materialien wie Naturdiamant oder CVD-D-Schichten ein. Diese Materialien sind für Laserstrahlung mit längeren Pulsdauern hochgradig transparent und eine Absorption der eingestrahlten Laserleistung findet nur minimal statt. Laser mit ultrakurzen Pulsen sind somit das Mittel der Wahl für eine hochstehende Bearbeitungsqualität in allen gängigen Schneidstoffarten, speziell in allen hartspröden Werkstoffen. Im Hinblick auf metallische Werkstoffe eröffnet die UKP-Laserbearbeitung mit minimaler Wärmeeinflusszone ebenfalls neue Möglichkeiten bei der Werkzeugoptimierung. Die Hartmetallmatrix wird nicht geschädigt und auch nachgelagerte Beschichtungsprozesse zeigen bisher keine nachteiligen Haftungseinschränkungen.

    Einblick in das Highend-Bearbeitungszentrum

    Die Laser Line Ultra von Ewag bietet eine komplette Maschinenlösung zur vollautomatischen Laserbearbeitung aller gängigen Materialien und Schneidstoffe in beliebigen Geometrien, dargestellt in Abb. 4. Im Maschinenkonzept vollintegriert ist ein Hochleistungs-Pikosekundenlaser für die Lasermaterialbearbeitung höchster Ansprüche mit einer mittleren Ausgangsleistung von 50 Watt bis hin zu optional 100 Watt. Die fünfachsige Maschinenkinematik mit präzisen Direktantrieben führt das zu bearbeitende Werkzeug entlang des Laserstrahls. Überlagert werden zusätzlich drei weitere optische Achsen der Präzisions-Scannereinheit zur Erzeugung der Abtragsbahn für den dreidimensionalen Materialabtrag. Die Programmierung der Laserbearbeitungsanlage erfolgt mittels einer intuitiven 3D-CAD/CAM-Umgebung: Somit können die gewünschten Werkzeuggeometrien direkt als 3D-Datei eingelesen und verarbeitet werden. Die komplette Bearbeitung von Schneiden, Negativphasen, Spanleitstufen so wie Strukturierungen und Gravuren sind so in einer Aufspannung möglich. Als Werkzeugschnittstelle ist die Ewag Laser Line Ultra standardmässig mit einer HSK 63 Schnittstelle ausgeführt. Die Werkzeuge werden vollautomatisch mit dem integrierten sechsachsigen Knickarmroboter in den Präzisionsteilapparat eingefuttert. Eine Vielzahl kundenspezifischer Automationslösungen für das Handling von Wendeschneidplatten und Rotationswerkzeugen kann hier angeboten werden.

    Vorteile und Trends der Laserbearbeitung von Schneidwerkzeugen

    Die ausbruchsfreie Bearbeitungsmöglichkeit grobkörniger PKD-Sorten stellt klar einen zunehmenden Trend bei Diamantwerkzeugen dar. Der dabei erhöhte Diamantanteil an der Schneide führt zu erheblichen Standzeiterhöhungen im Vergleich zu feinkörnigen PKD-Sorten. Speziell auch für die hochabrasive Bearbeitung von kohlefaserverstärkten Kunststoffen sind mit der Lasertechnik sehr scharfe und definierte Diamantschneiden mit Schneidkantenradien und Schartigkeiten kleiner drei Mikrometer prozesssicher erzielbar. Eine solche Schneide ist in Abb. 5 dargestellt. Ergänzend zu den PKD-Grobkornsorten findet auch der chemisch abgeschiedene Dickschichtdiamant (CVD-D, typische Schichtdicke 0.5 mm) nun dank der Laserbearbeitung auch vermehrt Einzug in der Schneidwerkzeugfertigung. Die Vorteile des CVD-D Einsatzes bei der Werkzeugfertigung mittels Laser liegen vor allem in der geringeren Schichtdicke und der fehlenden Hartmetallträgerschicht im Vergleich zur PKD-Laserbearbeitung. Die Bearbeitungszeit einer vergleichbaren Schneidengeometrie ist somit bei CVD-D-Werkzeugen durch die reduzierte Schichtdicke kürzer und rechtfertigt somit auch den teureren Schneidstoff. Vorteilhaft ist die Lasertechnologie vor allem dann einsetzbar, wenn mehrere Bearbeitungsschritte und Werkzeuggeometrieelemente in einer Aufspannung realisiert werden sollen. Die dreidimensionale Bearbeitung mit dem Laserstrahl ermöglicht Geometrieelemente an Schneidwerkzeugen, welche durch herkömmliche Schleif- und Erodiertechniken nicht eingebracht werden können. Ebenfalls die Veränderung von Oberflächeneigenschaften mittels Laserbearbeitung öffnet neue Potenziale in der Schneidwerkzeugkonditionierung und die klassische Schneide erhält neue Optimierungsdimensionen. Selbst kleinste Geometrien können die Leistungsfähigkeit von Schneidwerkzeugen massiv erhöhen. Im Speziellen eröffnet die UKP-Lasertechnik auch für Hartmetallwerkzeuge unglaubliche Vorteile in deren Leistungsfähigkeit.

    Hohe Investitionen in Forschung und Entwicklung

    Die Lasertechnik entwickelt sich rasant weiter. Es gilt hier eine langfristige Strategie und Grundlagenentwicklungen vor Augen zu haben. In enger Zusammenarbeit mit Universitäten und Instituten investiert Ewag seit mehreren Jahren massiv in angewandte Forschungsprojekte. Eine enge Kooperation besteht mit der ETH Zürich, wo die Grenzen des Machbaren bezüglich der Laserbearbeitung von Schneidwerkzeugen laufend neu gesetzt werden. Im Fokus stehen hier die Ausarbeitung innovativer Laserbearbeitungsprozesse und -verfahren, welche die Zukunft der Werkzeugherstellung revolutionieren werden. In Abb. 6 ist beispielhaft eine Mikrogeometrie in polykristallinem Diamant gezeigt. Dabei wird eine Laserbearbeitungsanlage der Ewag AG in mehreren schweizerischen und europäischen Förderprojekten als Versuchsträger verwendet (z.B. im von der Europäischen Union geförderten DIPLAT Projekt - www.fp7-diplat.eu). Der Laserprozess ermöglicht auch die Entwicklung neuartiger Hochleistungsschneidstoffe. Korngrößen und elektrische Leitfähigkeit sind nicht mehr relevant, Härte ist keine Einschränkung mehr. Ähnliches gilt für die dimensionale Größe von Werkzeugen. Der Laserprozess ist kräftefrei, Bearbeitung filigraner Werkzeuge und Geometrien selbst aus härtesten Materialien sind nun möglich.

    Quellen

    [1]
    G. Eberle, C. Dold, K. Wegener, Picosecond laser fabrication of micro cutting tool geometries on polycrystalline diamond composites using a high-numerical aperture micro scanning system, Proc. of SPIE, 2015, accepted