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Hochinnovatives Multi-Talent für die Feinstbearbeitung

Das Kräfte freie Laser Micro Machining in Kompaktbauweise ist nun in mehreren Bearbeitungsdisziplinen zuhause

von Tilo Michal

Eine hochinnovative Maschine, die Mikrobohren, Feinschneiden, Abtragen und (Laser-) Drehen kann, hat die Firma GFH aus Deggendorf, die auch unter dem Slogan „Laser Micro Machining“ firmiert, auf der GrindTec vorgestellt. Für diese Technologie hat sie auch den erstmals ausgelobten GrindTec Innovation Award erhalten.

Die Maschine spielt vor allem dort ihre Stärken aus, wo es um die Bearbeitung von schwer zerspanbaren oder sprödharten Materialien wie VHM, Titan, Keramik, und feinste Konturen und Mikro-Teile geht. Das auf der GL.smart eingesetzte Ultrakurzpulslaser-Verfahren hat von den Engineering-Seite zudem den Vorteil, dass bei der Präzisionsbearbeitung keine mechanischen Kräfte mehr auf das Bauteil wirken. „Rotationssymmetrische Bauteile werden im Zuge der Miniaturisierung immer kleiner und die Geometrien anspruchsvoller“, berichtet Florian Lendner, Geschäftsführer der GFH GmbH. „Hier stoßen die konventionellen Fertigungstechnologien oft an ihre Grenzen, denn die Zerspankräfte, die auf das Bauteil und die geringen Werkzeuggrößen wirken, erschweren die Bearbeitung und machen diese bei besonders sensiblen Geometrien sogar unmöglich. Dies gilt insbesondere dann, wenn Werkstoffe bearbeitet werden, die als schwer zerspanbar gelten.“ Bereits vor mehreren Jahren hat die GFH GmbH daher auf ihren universellen Lasermikrobearbeitungsanlagen die Möglichkeit der Dreh-Schleifbearbeitung mittels Laser demonstriert und erste Lösungen erarbeitet. Jedoch konnte das volle Potential der neuen Fertigungstechnologie damals nur teilweise ausgeschöpft werden, da die Maschinen noch nicht für diese Anwendungen konzipiert waren. Einschränkungen gab es etwa bei der Rotationsgeschwindigkeit der Bauteile, der effizienten Verwendung der Laserstrahlung und am Workflow.

Intensive Entwicklungsarbeit

Diese Einschränkungen konnten mit der GL.smart-Baureihe nun vollumfänglich beseitigt werden: „Nach einer mehrjährigen intensiven Entwicklungsarbeit zusammen mit Referenzkunden und unterstützt durch eine europäische Forschungsförderung im Rahmen des Projekts ´Horizon 2020` können wir voller Stolz unsere neue Laser-Dreh- und Mikrobearbeitungslösung vorstellen“, Lendner. „Sie ist als Doppelspindler in Kurz- und/oder Langdrehbauform erhältlich, wahlweise mit einer Dreh-Schwenkeinheit als Gegenspindel. Damit sind der Komplexität der Bauteile keine Grenzen gesetzt und sogar eine stirnseitige Endenbearbeitung ist möglich.“

Als neueste Maschine aus der GL-Serie bietet die GL.smart mit Maßen von 2.212 mm x 1.026 mm x 2.320 mm (L x B x H) Produktivität auf kleinstem Raum. Neben ihrem kompakten Design besticht die Anlage durch eine innovative, schwarze Glasumhausung. Diese gewährt neben dem Schutz vor Laserstrahlung auch eine sichere und durch Testverfahren nachgewiesene Abschirmung vor auftretender Röntgenstrahlung.

Außenansicht der GL.smart mit Ultrakurzpulslaser-Technologie. Fotos: GFH Deggendorf

Durch den Einsatz von Hochleistungslasern in Kombination mit einer Strahlteilung ist die gleichzeitige Bearbeitung auf zwei Stationen möglich, was gleichzeitig einen doppelten Output bedeutet. „Auf Wunsch kann die Maschine zudem mit einem Stangenlader als Beschickungseinheit ausgerüstet werden, sodass sie in Kombination mit einem integrierten Bauteil-Handling und Roboter ohne Einschränkung mannlos im 24-Stunden-Betrieb eingesetzt werden kann“, erläutert Lendner. „Die Zuführung des Rohmaterials sowie die Entnahme der Fertigteile erfolgt ohne Unterbrechung der Produktion.“ Darüber hinaus werden SPC (korrekte) und N.I.O. (Ausschuss) -Teile in der Maschine Ort getrennt gehalten und ebenfalls über den Roboter unterbrechungsfrei ausgegeben – eine weiterer Qualitäts- oder Endkontrolle entfällt hiermit.

Jede Position im 360 Grad-Spektrum ist realisierbar

Die Funktionalität von faktisch 16 simultanen Achsen in der Vertikalen und die „freie“ Positionierbarkeit des Lasers ermöglichen die Bearbeitung jeder beliebigen Geometrie oder Kontur: konstruktiv kann man den Laser sogar auf zwei Achsen aufteilen.

Der Laser wird von der Z- und Y-Achse geführt, das Werkstück wird über die Spindel auf der X-Achse positioniert, das bedeutet: kein Materialverschleiß, kein Nachschärfen o.Ä. Ein Ansatz, der sich auch in der Würdigung des Innovation Awards widergespiegelt hat: „Die Maschine GL.smart zur Präzisionsbearbeitung von rotationssymmetrischen Bauteilen wird auf der GrindTec erstmalig einem Messepublikum präsentiert. Der innovative Ansatz des Materialabtrags mit einem Ultrakurzpulslaser ist in der neuen Achsanordnung der Maschine zur Industriereife gebracht worden.

Das Verfahren beeindruckt durch den kraftfreien Materialabtrag insbesondere bei der Bearbeitung dünner, kleiner Werkstücke in hoher Genauigkeit“, begründete der Vorsitzende der Innovation Award-Jury Prof. Martin Reuber von der RFH Köln die Entscheidung.

Allround-Talent für rotationssymmetrische Bauteile

Man kann mit der GL.smart aber auch kombinierte Fertigungsprozesse fahren und damit Umspann- und Nebenzeiten einsparen. Neben der reinen Drehbearbeitung ist die Maschine auch in der Lage, Bohr-, Schneid- und Gravur-Operationen durchzuführen, ganz ohne Umbauarbeiten. Dadurch wird die GL.smart zu einem Allroundtalent für rotationssymmetrische Präzisionsbauteile. Ein wesentlicher Faktor, um dies zu gewährleisten, ist die hohe Geschwindigkeit bei absoluter Präzision, mit der bearbeitet werden kann. Die luftgelagerte Hauptspindel wird hierfür mittels Torque-Antrieb positionsgeregelt innerhalb von 0,4 sec. auf bis zu 3500 U/min beschleunigt. Radiale und axiale Rundläufe im Nanometerbereich ermöglichen die Fertigung mit Schleiftoleranzen. Ein kraftgeregeltes Zug-Spannzangensystem mit Taumelkorrektur und automatischen Stangenvorschub stellt die Schnittstelle zum Bauteil dar.

Hochpräzisionsspindel, die in 0,4 sec. auf bis zu 3500 U/min beschleunigt. Fotos: GFH Deggendorf

Die Einsatzbereiche der neuen GL.smart sind vielfältig und reichen von der Medizintechnik zur Herstellung von Mikrowerkzeugen wie Pinzetten, Mikroschneiden oder Implantaten bis hin zur Uhrenindustrie zur Fertigung sogenannter Pivots, die im Uhrwerk verbaut werden. Die Vorteile der Laserbearbeitung liegen dabei zum einen in den attraktiven Fertigungszeiten, die dank des Schrupp- und Schlicht-Verfahrens mittels Ultrakurzpuls-Laser realisierbar sind. In einem ersten Schritt wird dabei durch das Schruppen mit hohem Energieeintrag möglichst viel Material abgetragen. Für die Feinbearbeitung wird im Schlichtprozess mit weniger Energie die finale Qualität erreicht. Zum anderen kann bei der berührungslosen, verschleißfreien Bearbeitung auch kleinster Bauteile nahezu jedes Material verwendet werden.

Die GL.smart ist auch in der Disziplin des Laserdrehens zuhause. Fotos: GFH Deggendorf

„Das Laserdrehen ermöglicht insbesondere bei der Herstellung und Bearbeitung von Präzisionsteilen eine ungewöhnlich hohe Genauigkeit, sodass andere, aufwändigere Verfahren wie beispielsweise das konventionelle Schleifen oder Rollieren eingespart werden können“, erläutert Lendner. „Durch den berührungslosen Abtrag bleibt das Werkstück während der gesamten Bearbeitungszeit kraft- und verformungsfrei. So kommt es auch bei sehr dünnen und filigranen Bauteilen nicht zu Genauigkeitsverlusten.“ Auf diese Weise können auch Teile mit großer Ausspannlänge einfach bearbeitet werden.

 

Mikro-Bauteile, die mittels GL.smart bearbeitet worden sind. Fotos: GFH Deggendorf

Nicht für große Spanvolumen gedacht

„Es handelt sich mit der GL.smart aber nicht um den Ersatz etablierter Verfahren, sondern um die Erweiterung konventioneller Verfahren in Hinblick auf Präzision und im Mikro-Bereich um Durchführbarkeit“, führt Florian Lendner aus. „Es geht hier also um Prozessoptimierung und die Erschließung neuer Möglichkeiten, wie etwa bei der Bearbeitung von Wellen aus Keramik für die Uhrenindustrie. Die sind mit konventionellen Verfahren nicht mehr handhabbar.... Anders herum: Wenn es um den Abtrag großer Spanvolumen geht, also etwa dem Fräsen oder Drehen aus dem Vollen, dann ist unsere Lasertechnologie nicht Wettbewerbsfähig. Dafür ist die GL.smart aber auch nicht entwickelt oder gebaut worden“, berichtet Lendner.