Laserstrahlhärten – Integration in die Fertigung ermöglicht schlanke Prozesse

Das Laserstrahlhärten hat sich als Verfahren zum Härten lokal beanspruchter Bauteile durch die Verfügbarkeit von Hochleistungsdiodenlasern und einer Reihe von systemtechnischen Entwicklungen der letzten Jahre als Ergänzung zu klassischen Härteverfahren etabliert. Besonders der Formen- und Werkzeugbau aber auch die Automobilindustrie setzen zunehmend häufiger dieses Verfahren ein. Durch Integration des Laserstrahlhärteverfahrens in die Prozesskette können Produktionskosten gesenkt und Fertigungsabläufe zeitlich gestrafft werden. Das Fraunhofer IWS erarbeitet hierfür optimierte Fertigungsketten unter Betrachtung des gesamten Prozesses.

Von den Rahmenbedingungen hängt es ab, in welcher Weise die Integration des Laserstrahlhärtens in die Fertigung erfolgen kann. Für Einzelteilund Kleinserienfertigung ist häufig maximale Flexibilität gefordert, während in der Massenfertigung Kostenoptimierung im Vordergrund steht. So unterschiedlich die Anforderungen sind, so verschieden können die Integrationslösungen aussehen. Eine 6-Achs-Portalmaschine oder eine roboterbasierte Anlage mit an das gesamte zu bearbeitende Bauteilspektrum angepasstem Arbeitsraum sind sehr flexibel und werden eher lose integriert sein. Bauteilangepasste Einzweckmaschinen oder die direkte Integration in eine Dreh- oder Fräsmaschine sind weniger flexibel und stärker integriert.

Integrationsbeispiele

Im Großwerkzeugbau empfiehlt sich das Konzept einer Portalanlage, die z. B. mit mehreren Fräszentren verbunden ist. Da in der Regel mit einem nahezu rechteckigen Strahl gearbeitet wird, ist eine Anlage mit 6 interpolierenden Achsen notwendig. Bei BMW in Dingolfing wird ein solches durch die Entwicklungen des Fraunhofer IWS Dresden initiiertes System im Frühjahr 2009 installiert.

Fertigungszelle für Turboladerwellen bei der Borg Warner Turbosystems GmbH in Kirchheimbolanden

Fertigungszelle für Turboladerwellen bei der Borg Warner Turbosystems GmbH in Kirchheimbolanden

Anstelle der Portalanlage kann auch ein Knickarmroboter verwendet werden, der gegebenenfalls auf eine Linearachse aufgesattelt ist.

Der notwendige Arbeitsraum bestimmt unter anderem, welche Lösung zu bevorzugen ist. Die Integration in eine Fertigungszelle zeigt die mit Unterstützung des IWS realisierte Anwendung bei der BorgWarner Turbosystems GmbH in Kirchheimbolanden. Dort werden Turboladerwellen für Nutzfahrzeuge im Bereich der Lagerstellen partiell mit dem Laser gehärtet.

Die Taktzeiten liegen im Bereich von 60 Sekunden. In dieser Zeit werden, taktzeitparallel zum Drehen der Wellen und zum abschließenden Schleifprozess die Lagerstellen durch Hochgeschwindigkeitsrotationshärten behandelt, abgekühlt und anschließend induktiv entspannt. Anfang 2008 wurden in direkter Zusammenarbeit zwischen dem Fraunhofer IWS und dem Drehmaschinenhersteller Benzinger mehrere Anlagen zur Integration von Hochleistungslasern in Werkzeugmaschinen in Betrieb genommen. Anwendung ist die Herstellung von Hydraulikkomponenten bei Rexroth in Lohr/Main. Im Vergleich zur Taktzeit der mechanischen Fertigung beträgt die reine Härtezeit in diesem Fall nur wenige Sekunden.

RTEmagicC Drehmaschine

RTEmagicC Drehmaschine

Ein fasergekoppelter Hochleistungsdiodenlaser bedient drei Anlagen sequenziell. Eine intelligente Weichensteuerung vergibt prioritätsbezogen den Strahl auf die Anlagen. In den Drehmaschinen erfolgen die Weichbearbeitung, das Härten und die Hartbearbeitung als abschließender Prozessschritt. Die Laseroptik ist dabei in einem geschützten Bereich im Antriebsraum der Maschine untergebracht. Der Prozess findet in einer kleinen, durch die das Bauteil tragende Gegenspindel abgeschlossenen Prozesskammer statt. Dadurch kann während der Laserbearbeitung gleichzeitig in der Hauptspindel weiter gearbeitet werden, ohne dass der Laserprozess gestört wird.

RTEmagicC Prozessanimaion Härteprozesse

RTEmagicC Prozessanimaion Härteprozesse

Systemkomponenten für das Laserstrahlhärten

Für das Härten in der Großserienfertigung werden in der Regel Maschinensysteme und Optiken eingesetzt, die genau auf den Prozess und das betreffende Bauteil abgestimmt sind. Bei Kleinserien und in der Einzelteilfertigung müssen das Maschinensystem und die Optik häufig sehr variabel sein, um die auftretende Vielzahl von Härtezonengeometrien optimal bearbeiten zu können. Während im Bereich der Maschinensysteme sowohl kartesische 5- oder 6-Achs-Maschinen oder 6-Achs-Knickarmroboter als standardisierte Systeme kommerziell verfügbar sind, werden im Bereich der Laserstrahloptiken häufig nur Wechseloptiken mit verschiedenen Strahlfleckgeometrien angeboten. Ein Lohnhärter müsste dann über eine Vielzahl solcher Optiken verfügen. Zudem werden mit kommerziell verfügbaren Standardoptiken in der Regel nur mehr oder weniger homogene Leistungsdichteverteilungen im Strahlfleck erzeugt. In vielen Anwendungsfällen, z.B. beim Härten von Kanten, ist es jedoch vorteilhaft, gezielt lokale Maxima im Laserstrahlfleck zu erzeugen.

Eine Möglichkeit, sowohl variabel einstellbare Strahlfleckbreiten bei optimiert vorgegebenen Strahlflecklängen zu erzeugen und gleichzeitig die Intensitätsverteilung bauteilangepasst zu optimieren, bieten Strahlformungssysteme mit Scannerspiegeln. Das Fraunhofer IWS hat das dynamische Strahlformungssystem „LASSY“ für den industriellen Einsatz von Hochleistungsdiodenlasern entwickelt. Ein eindimensionaler Scanner mit variabler Ansteuerung ermöglicht einer große Vielfalt von Intensitätsprofilen bei variabler Härtespurbreite. Das System „LASSY“ wurde zudem mit einer kamerabasierten Temperaturmesseinrichtung „E-MAqS“ ausgestattet, so dass Laserstrahlhärteprozesse mit konstanten Oberflächentemperaturen sicher ausgeführt werden können. „E-MAqS“ kommt für alle anspruchsvollen Temperaturmessaufgaben in Frage, die mit normalen Pyrometern nicht ausreichend gut gelöst werden können. Der Einsatz des Systems ist zum Beispiel dann sinnvoll, wenn sehr große Laserstrahlflecken verwendet werden.

Der Ort der höchsten Temperatur wird immer im Sichtfeld der Kamera liegen, die höchste Temperatur kann so zuverlässig erfasst und Anschmelzungen können sicher verhindert werden. Das System „E-MAqS“ wurde als vergleichsweise preiswerte Alternative zu herkömmlichen Thermographiesystemen entwickelt und kann auch ohne die dynamische Strahlformung mit einem kompakteren luftgespülten Gehäuse in industriellen Umgebungen separat für Wärmebehandlungsprozesse eingesetzt werden. Der Messbereich beginnt bei etwa 600°C. Mit einem eigens dafür entwickelten Kalibrierstrahler können sehr schnell Anpassungen der Kennlinien an verschiedene Laseroptiken vorgenommen werden. Das System wird in der Regel in Kombination mit dem Temperaturregelsystem lasertronic® „LompocPro“ (Laser online monitoring power control Program) eingesetzt. „LompocPro“ realisiert neben der Prozessregelung auch die Prozessüberwachung und Sicherung der Prozessdaten zur Qualitätsdokumentation. Der Kunde erhält damit ein komplettes Sys tem zur ortsaufgelösten Temperaturmessung mit Temperaturregelung. Hoher Bedienkomfort, Automatisierbarkeit von komplexen Wärmebehandlungsprozessen, zu jeder Zeit gute Prozesskontrolle – die starke Leistungsfähigkeit, Robustheit und Nutzerfreundlichkeit des Systems hat sich in zahlreichen Industrieeinsätzen bewährt. Die Art und Weise der Integration der Lasertechnologie kann sehr unterschiedlich erfolgen und hängt von den Prozesserfordernissen und den produktionstechnischen Rahmenbedingungen ab. Das Fraunhofer IWS unterstützt die Industrie bei der Konzeption, Auslegung und Inbetriebnahme der erforderlichen Anlagentechnik sowie bei der Technologieentwicklung und Mitarbeiterschulung. Besuchen Sie uns auf der Hannover-Messe Industrie 2009 vom 20. – 24. April 2009 in Halle 5, Stand E29.

Ihr Ansprechpartner:
Dr. Steffen Bonss
Telefon: (0351) 25 83 201
Telefax: (0351) 25 83 300
E-mail:
steffen.bonss@iws.fraunhofer.de
Internet: www.iws.fraunhofer.de
Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und
Strahltechnik IWS Dresden
01277 Dresden, Winterbergstr. 28

 

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