Drehen per Laser: Neue Technik formt kleinste Werkstücke im µm-Bereich hochpräzise und aus unterschiedlichen Werkstoffen

Ultrakurzpulslaser (UKP) bewähren sich aufgrund ihres berührungslosen, „kalten“ und verschleißfreien Abtrags in zahlreichen Bereichen als Schneid- oder Bohrwerkzeug. Der Lasermikrobearbeitungsexperte GFH hat dieses Einsatzspektrum jetzt um eine zusätzliche Technik erweitert: das Laserdrehen. Mittels einer speziellen Trepanier-Optik wird dazu ein gleichmäßiger, bis zu 25 µm schmaler Laserspot erzeugt, der an das rotierende Werkstück geführt wird und es in die gewünschte Form bringt. Da hierbei weder eine mechanische Kraft noch relevante thermische Einflüsse auf das Material wirken, lassen sich auf diese Weise selbst kleinste Strukturen präzise und mit einer Oberflächenrauigkeit von Ra < 0,1 µm erzeugen. Gleichzeitig deckt derselbe Laser auch weiterhin alle sonstigen Funktionen wie Schneiden oder Bohren ab, so dass für folgende Bearbeitungsschritte das Werkstück nicht umgespannt werden muss, was den Produktionsdurchsatz erhöht, Kosten spart und das Risiko von Schäden minimiert. Eingesetzt wird das neue Verfahren bereits zur Produktion von Mikro-Pinzetten.

Herzstück der Laserdrehtechnik ist wahlweise ein Piko- oder Femtosekundenlaser mit einer Pulsdauer von lediglich 10 ps beziehungsweise 800 fs. Für beide Varianten charakteristisch ist der so genannte „kalte“ Abtrag: Die Kürze des Pulses sorgt dafür, dass eine extrem hohe Energie zeitlich sehr begrenzt auf das Werkstück einwirkt und das Material verdampft, bevor es zu Schmelzerscheinungen oder thermischen Veränderungen kommen kann. „Welche Strahlquelle sich besser eignet, hängt letztlich vom Werkstoff ab. Femtosekundenlaser erreichen aber bei Stählen beispielsweise eine etwa zweimal höhere Abtragsrate und bieten auf Grund der kürzeren Pulse eine noch höhere Qualität, so dass sich ihr Einsatz wirtschaftlich rechnet“, erklärt Florian Lendner, Mitglied der Geschäftsleitung von GFH. Generell lassen sich damit neben allen Arten von Metall auch Kunststoffe und Carbon ebenso sauber bearbeiten wie extrem harte Werkstoffe, beispielsweise Keramik, Hartmetall oder Industriediamanten.

Vom Schruppen bis zum Schlichten feinster Geometrien

Zum Drehen eines Produkts wird der Laserstrahl mit Hilfe einer Trepanier-Optik, die unter anderem auch für sehr gleichförmige oder negativ konische Bohrungen verwendet wird, in Rotation versetzt. Auf diese Weise entsteht ein geometrisch bestimmtes Werkzeug, bei dem ein perfekt rotierender Laserspot die Spitze des eigentlichen Abtragwerkzeugs bildet. Durch seine geringe Größe von minimal 25 µm im Durchmesser lassen sich damit sehr feine Konturen und Geometrien aus dem Rohling herausarbeiten, die mit mechanischen Werkzeugen nicht realisiert werden könnten. Zudem verdrückt der Laser – anders als die wirkende Zerspankraft bei der mechanischen Drehbearbeitung – das Bauteil nicht, wodurch große Ausspannlängen möglich sind. Der mögliche Vorschub hängt vom Material sowie der geforderten Genauigkeit ab, wobei sich mit entsprechend gröberen Parametern zulasten der Präzision auch höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten erreichen lassen. Somit erlaubt das Verfahren sowohl das Schruppen wie auch das Schlichten.

Eine besondere Herausforderung bei der Nutzung von Lasern zum Drehen waren die wechselnden Durchmesser und die damit verbundenen unterschiedlichen Bahngeschwindigkeiten, die im Normalfall zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Laserpulse führen würden. „Der Energieeintrag wäre so an einigen Stellen höher als an anderen, was die Qualität beeinträchtigt hätte. Um das zu verhindern, greifen wir auf eine spezielle Laser-Ansteuerung zurück, die eine Pulse-on-Demand-Regulierung erlaubt“, so Lendner. Die Pulse werden dabei nicht in festen Zeitabständen, sondern in Relation zur abzufahrenden Bahn gesetzt, so dass erhöhte Energiekonzentrationen vermieden werden – eine Methode, die bereits zum Schneiden enger Kurvenkonturen erfolgreich eingesetzt wird.

Bewährte Basisanlagen mit hoher Präzision und Dynamik

Maschinenbasis der innovativen Technik sind die bereits vielfach im praktischen Einsatz erprobten GL.evo- und GL.compact-Bearbeitungszentren von GFH, die sich insbesondere durch ihre sehr genaue und dennoch hoch-dynamische Kinematik auszeichnen. Ein Granit-Bett und spezielle Achslagerungen sorgen hier für die notwendige Stabilität und Schwingungsdämpfung, um trotz Beschleunigungen von bis zu 20 m/s² auf eine maximale Geschwindigkeit von 2 m/s den Laser präzise auf ± 1 µm genau mit einer Wiederholgenauigkeit von ± 0,5 µm am Werkstück zu positionieren, wie der Laserexperte ausführt: „Dadurch dass wir das Verfahren einfach auf die bewährten Geräte aufsetzen können, waren anlagentechnisch keine Entwicklungen nötig und die Idee des Laserdrehens ließ sich ohne große ‚Kinderkrankheiten’ umsetzen.“

Die fünf Achsen – einschließlich zweier Drehachsen in der Werkstückeinspannung – bieten eine umfassende Beweglichkeit und ermöglichen sowohl Längs-Rund-, Quer-Stech- und Quer-Plan-Drehen als auch Kugel- und Formdrehen. Der Rohling wird dazu einfach eingesetzt und mit bis zu 500 U/min in Drehung versetzt, bevor der Laserspot an ihn herangeführt wird und die programmierten Konturen abträgt. „Die gewünschte Form kann wie gewohnt designed oder auch direkt auf der Maschine programmiert werden“, so Lendner. Die mögliche Präzision beträgt 1 µm im Durchmesser bei Rauigkeiten unter 0,1 µm. Zudem sind durch den geringen Werkzeugdurchmesser auch sehr filigrane Einstiche realisierbar. Das Laserdrehen eignet sich dadurch insbesondere für sehr diffizile Geometrien und kleinteilige Strukturen, wie sie etwa in der Medizintechnik, der Elektronindustrie, im Werkzeugbau oder in der Feinmechanik benötigt werden.

All-in-One-Bearbeitungszentren vereinen alle Arbeitschritte

Da der Lichtstrahl berührungslos arbeitet, tritt bei dieser Form des Drehens kein Werkzeugverschleiß auf, weshalb die Wartungs- und Ersatzteilkosten vergleichsweise gering ausfallen. Zudem bleibt die Schneidengeometrie dauerhaft scharf und ändert nicht durch Abnutzung die Form, wodurch schwankende Schnittqualitäten oder fehlerhafte Produkte vermieden werden. Dazu trägt auch bei, dass beim Abtrag per Laser keine Späne entstehen, die Werkstück oder Werkzeug beschädigen könnten. Ebenso bilden sich keine Grate, so dass nicht nachbearbeitet werden muss und eine einfache Reinigung der Werkstücke ausreichend ist.

Darüber hinaus hat die Verwendung der bewährten Lasermikrobearbeitungszentren einen weiteren entscheidenden Vorteil: Die Laser können neben dem Drehen auch ebenso zum Schneiden, Abtragen, Bohren und Strukturieren genutzt werden. Durch die diversen Bewegungsachsen lässt sich das Werkstück nach dem Drehen zum Beispiel zum Einbringen von Bohrungen direkt neu positionieren, ohne dass es ausgespannt und neu eingespannt werden müsste. Die Parameter des UKP-Lasers, etwa der Strahl- bzw. Werkzeugdurchmesser, sind nicht auf feste Abstufungen in den verfügbaren Werkzeuggrößen beschränkt, sondern passen sich entsprechend der Programmierung in µm-Schritten stufenlos an, so dass sofort die folgenden Bearbeitungsschritte durchgeführt werden können. Ein zeitaufwändiger Werkzeugwechsel ist dadurch überflüssig. Tatsächlich erlaubt es die hohe Flexibilität der Lasertechnik sogar, die Konfiguration auch kurzfristig zu ändern, was das Verfahren unter anderem für Kleinserienfertigung oder Prototyping interessant macht. So wurden bereits Edelstahl-Pinzetten mit 0,35 mm Kugeldurchmesser gedreht, längs geschnitten und mit einer 0,08 mm Bohrung versehen.

Angepasste GL.evo- und GL.compact-Anlagen zum Laserdrehen sind ab sofort bei GFH verfügbar. Bestehende Systeme können je nach Aufbau teilweise nachgerüstet werden. Daneben bietet das Lasermikrobearbeitungsunternehmen auch die Lohnfertigung auf eigenen Maschinen an.

Weitere Informationen: www.gfh-gmbh.com

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