Intelligente Laserbearbeitung

Die Nachfrage nach hochwertigen Bauteilen in großer Stückzahl sowie die Verlagerung von Wertschöpfungsketten in Regionen mit niedrigen Produktionskosten sorgen bei vielen Fertigungsbetrieben für Wettbewerbsdruck, der oftmals nur durch schnellere Bearbeitungsverfahren abgefedert werden kann. Dafür sind jedoch moderne Technologien mit hohem Automatisierungsgrad notwendig, die gerade für kleine und mittlere Unternehmen (KMU) überdimensioniert erscheinen – häufig sind die Beschaffungskosten wie etwa von Ultrakurzpuls-Laseranlagen schlicht zu hoch.

Im Rahmen des EU-Förderprogramms „Horizon 2020“ haben die Unternehmen GFH GmbH und neoLASE GmbH gemeinsam eine kostengünstige und branchenübergreifende Lösung entwickelt: Bei dem „Smart Modular All-in-One Robust Laser Machining Tool“ – SMAART – handelt es sich um ein hochflexibles und vollautomatisches Laserbearbeitungssystem, das mittels eines eigens programmierten intelligenten Steuerungssystems automatisch zwischen verschiedenen Arbeitsschritten wie Laserdrehen oder Feinstrukturieren wechselt. Zudem deckt die Anlage einen Pulsbereich von 500 ps bis 500 fs ab, ohne dass ein aufwendiges Umrüsten notwendig ist. Dadurch bleiben die Anschaffungskosten niedrig und langfristig sollen so Stückzahlen erhöht und Arbeitsplätze geschaffen werden.

Steigen die Produktions- oder Personalkosten, sehen sich viele Betriebe gezwungen, ihre Fertigungsprozesse zu restrukturieren oder komplett auszulagern. Gerade Länder mit geringeren Lohn- und Betriebskosten außerhalb der Europäischen Union sind in diesem Zusammenhang attraktiv für deutsche Unternehmen. „Dadurch geht dem europäischen Raum ein signifikanter Betrag an potentiellem Umsatz und Added Value verloren“, erklärt Anton Pauli, Geschäftsführer der GFH GmbH. „Berechnungen nach – basierend auf Daten der Weltbank – sind durch die Abwanderung in Niedriglohnländer allein in den letzten Jahren circa neun Billionen Euro abgeflossen.“ Um diesem Trend entgegenzuwirken, fördert die Europäische Kommission durch Initiativen und Ausschreibungen wie der Horizon 2020 Kampagne neue Technologien, die Fertigungsprozesse effizienter und dadurch günstiger gestalten können.

Eine dieser Technologien ist die Werkstückbearbeitung mit Ultrakurzpuls-Lasern (UKP), die hochpräzise, kontaktlos und dadurch materialschonend operieren. Bisher waren solche Anlagen nicht nur sehr teuer, vielmehr zeigten sie sich komplex im Aufbau und auf einzelne Fertigungsschritte beschränkt. In der Praxis mussten so häufig verschiedene Anlagen für unterschiedliche Bearbeitungsverfahren angeschafft werden, oder aufwendige und lange Umrüstarbeiten durchgeführt werden. Auch die Voraussetzung für umfangreiches Know-How in Bezug auf die Steuerung und die Lasertechnik, um optimale Ergebnisse liefern zu können, machte die Technologie für Klein- und mittelständische Unternehmen bislang nicht nur unrentabel, sondern stellte auch den Grund für gehemmte Investitionsbereitschaft dar. Mit dem Ziel, gemeinsam eine Bearbeitungsanlage zu entwickeln, erfolgte der Zusammenschluss der beiden Laserspezialisten GFH GmbH und neoLASE GmbH. Mit SMAART wurde ein System entwickelt, welches in die neuen Anlagetypen der GFH GmbH integrierbar ist und je nach vorhandenem Bearbeitungsmaterial und Bearbeitungsprozess über die Eingabemaske die passende Laserauswahl – Piko- oder Femtosekunden Laser – anbietet und die richtigen Prozessparameter generiert. Auf diese Weise kann effizienter und mit größerer Bandbreite produziert werden – und das ohne umfangreiche Spezialkenntnisse auf dem Gebiet der Laserbearbeitung. „So lässt sich eine schnelle Amortisierung erreichen und die Etablierung der Laserbearbeitung als Schlüsseltechnologie für den gesamten Sektor der Materialbearbeitung ist realistisch“, erklärt Maik Frede, Geschäftsführer der neoLASE GmbH. Die Finanzierung des ehrgeizigen Projekts erfolgt unter anderem durch Mittel aus dem Rahmenprogramm European Union Horizon 2020. GFH und neoLASE konnten sich dabei mit ihrem SMAART-Projekt gegen 1658 Mitbewerber durchsetzen.

Flexibles Verstärkerdesign ermöglicht variable Pulsdauer und Leistungsklassen

Zu Beginn war es nur eine vage Idee, geboren auf einem Laser-Netzwerktreffen. „Ein gemeinsamer Erfahrungsaustausch im Anschluss der Veranstaltung hat gezeigt, dass die Lasertechnologie prädestiniert für ein solches Vorhaben ist“, erklärt Pauli. „Durch die kontaktlose und flexible Bearbeitung mit Lasern ohne nennenswerte Wärmeleitung hat die Technologie das Potential, auch energieaufwendige Prozesse zu ersetzen.“ Für beide Unternehmen galt es zunächst, die Herausforderungen, die Marktsituation, den technischen Status Quo sowie die notwendigen Entwicklungsschritte genau zu definieren. „Damit die Umsetzung eines solchen Projekts überhaupt möglich wird, mussten wir die Lasertechnologie kundennäher gestalten und ihre Komplexität minimieren“, erläutert Frede.

Damit die hohe Flexibilität – also das Wechseln zwischen verschiedenen Arbeitsschritten und Laserparametern ohne Umrüsten – garantiert werden kann, ist es notwendig, dass eine universelle Laserquelle für die Bearbeitung bereitsteht, deren Pulsdauer und Intensität zügig automatisch angepasst werden kann. Die Maschinen mit integriertem SMAART-Tool verfügen über eine Art eigene Intelligenz, welche die jeweiligen Parameter und Komponenten für die einzelnen Bearbeitungsschritte automatisch erkennt, ohne dass diese durch einen Bediener im Voraus berechnet und manuell in die Steuerung eingegeben werden müssen. „Diese Schaltzentrale liefert uns neoLASE mit ihrem GAP-Modul“, berichtet Pauli. „Durch das flexible Verstärkerdesign können auf unseren GL-Anlagen unterschiedliche Pulsdauern und Leistungsklassen abgerufen werden, ohne zusätzlich CPA- oder regenerative Verstärker integrieren zu müssen.“ Dies ermöglicht einen kompakten Aufbau der Anlagen, die dennoch Pulsenergien bis zu 400 µJ und mittlere Leistungen von 80 W generieren können. Gleichzeitig werden zusätzliche Kosten durch aufwendigere Laser oder Komponenten vermieden. „Die Bearbeitungsanlagen von GFH sind generell auf Modularität und Flexibilität ausgelegt, weshalb sie perfekt für unsere Verstärkermodule geeignet sind“, bestätigt Frede. Da durch Kombination beider Technologien der Pulsbereich zwischen 500 ps und 500 fs abgedeckt und ein schneller Wechsel garantiert ist, kann die Anlage signifikante Geschwindigkeitsvorteile und Qualitätssteigerungen erzielen. Durch die gleichzeitige Nutzung von Piko- und Femtosekundenpulsen ist sogar darüber hinaus eine weitere Optimierung der Abtragsgeschwindigkeit vorstellbar.

Berührungslose Bearbeitung ersetzt energieintensive Prozesse

Dazu trägt auch die berührungslose Bearbeitung mittels Lasereintrag bei: Weil die Pulse so kurz sind, dass keine nennenswerte Wärmeleitung stattfindet, werden Materialaufschmelzung, Gefügeveränderungen, Phasenumwandlungen und thermische Spannungen im Werkstück vermieden. „So eröffnet sich ein großes Anwendungsfeld für die Herstellung von Mikrokomponenten nicht nur im klassischen Maschinenbau, sondern auch für diverse Industrien wie die Medizintechnik oder die Textil- und Uhrenindustrie“, erklärt Pauli. „Im Idealfall lassen sich energieintensive oder ökologisch bedenkliche Prozesse ersetzen.“ Dies ist besonders wichtig, soll gleichbleibend hohe Qualität in großer Stückzahl erreicht werden, ohne die Produktionskosten zu erhöhen.

Damit die gewünschte Flexibilität auch tatsächlich von Beginn an gewährleistet ist, verfügen SMAART-fähige Anlagen neben der optimierten Hardware auch über eine integrierte Datenbank, auf der die verschiedenen Prozessparameter wie Pulsdauer, Verfahrweg der Optik oder Werkstückmaße und Materialart hinterlegt sind. So ist es möglich über die Eingabemaske, aus über 100 Bearbeitungsverfahren zum Laserbohren, Laserschneiden, Strukturieren und Abtragen mit dem Laser von Metall, Keramik, Glas und Polymeren auszuwählen. „Somit kann der Bediener einfach per Knopfdruck den gewünschten Arbeitsschritt initiieren. Die Ausrichtung der Maschine erfolgt dann automatisch in derselben Aufspannung“, erklärt Frede. „Sollten neue, noch nicht vorhandene Anwendungen oder Parameter hinzukommen, werden Maschine und GAP entsprechend angepasst.“ Auf diese Weise kann SMAART kontinuierlich weiterentwickelt werden und „dazulernen“.

Anwenderfreundlichkeit und Qualitätskontrolle stehen im Zentrum

Damit auch die Werkstückqualität selbst bei schwierig zu bearbeitenden Materialien wie Diamant gleichbleibend hoch ist, verfügen SMAART-fähige Anlagen mit einer Online-Qualitätskontrolle über ein Tool, das die Prozessparameter während der Bearbeitung validiert. Dadurch sind auch während des laufenden Arbeitsschritts Qualitätsproben möglich. „Wir wollten nicht einfach nur die Lasertechnik optimieren, sondern den Mehrwert dieser Verfahren so gut es geht steigern, etwa mit Vereinfachungen im Handling“, erklärt Pauli. „Eine zuverlässige Maschinenlösung, mit der sofort universell produziert werden kann, hält den Betrieb konkurrenzfähig und lässt ihn langfristig wachsen, ohne Personaldruck oder Investitionsängste fürchten zu müssen.“

SMAART – FACTSHEET

Projektdauer: 2 Jahre
Fördervolumen: 70 Prozent European Union Horizon 2020
Aufbau: Modulare Architektur mit u.a. mehreren Laserquellen, Strahlformungselementen, Optiken, Handling-Instrumenten
Pulsdauer: zwischen 500 fs und 500 ps
Pulsenergie: bis zu 400 μJ
Mittlere Leistung: bis zu 80 W
Wiederholrate: von Einzelschuss bis zu mehreren MHz
Strahlqualität: TEMοο mit M2 < 1,3
Anwendungsdatenbank: 100 verschiedene Bearbeitungsverfahren zum Bohren, Schneiden, Strukturieren und Abtragen von Metall, Keramik, Glas und Polymeren (kann erweitert werden)
Rüstzeit: Vollständige Automatisierung des Umrüst- und Einstellvorgangs (innerhalb von 1 Minute)
Online-Qualitätskontrolle für die Probenanalyse während oder unmittelbar nach der Probenverarbeitung

Weitere Informationen unter:
https://gfh-gmbh.de/de/
https://neolase.com/