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Dynamische Anlage macht hohe Strahlleistung nutzbar

CO2-Laserschneiden wirtschaftlich noch nicht ausgereizt
Dynamische Anlage macht hohe Strahlleistung nutzbar

Die Kombination höherer Leistung und verbesserter Prozesstechnologie gestaltet das CO2-Laserschneiden wirtschaftlicher. Die Produktivität kann um bis zu 50 % gesteigert werden.

Dipl.-Ing. Urs W. Hunziker ist Entwicklungsleiter Laser bei der Bystronic Laser AG in Niederönz/Schweiz

Laserschneidsysteme erfüllen in puncto Produktivität, Verfügbarkeit und Bedienkomfort, Schnittqualität, Prozesssicherheit und vor allem Wirtschaftlichkeit immer mehr die Anforderungen industrieller Anwender. Angesichts sinkender Losgrößen und eines verstärkten Zeit-, Kosten- und Qualitätsdrucks verlangt der Markt jedoch eine immer leistungsstärkere und präzisere werkzeugunabhängige Schneidtechnik. Dieser Bedarf ist die wichtigste Triebfeder für die Weiterentwicklung der Lasertechnologie.
Hochdynamische Maschinenantriebe, schnelle Steuerungshardware sowie intelligente Prozessüberwachungs- und -regelungssysteme steigern Produktivität und Zuverlässigkeit der Laserschneidanlagen. Darüber hinaus spielt die automatisierte Materialbeschickung und Teileentnahme gerade bei hohen Produktivitätsanforderungen und teilweise bedienerlosen Schichten eine zunehmende Rolle.
Das CO2-Laserschneiden befindet sich zwar in einer anhaltenden Hochphase, doch ist es noch lange nicht ausgereizt. Leistung, Strahlqualität und Kompaktheit der Strahlquellen nehmen simultan zu, während die Kosten für die Systeme sinken. Die höheren Laserleistungen eröffnen neue Möglichkeiten im Schneidprozess. Kombiniert mit einer hochdynamischen Schneidanlage, ausgerüstet mit Prozessmonitor, automatischer Fokuseinstellung und -nachführung sowie effizientem Blechhandling lassen sich Produktionssteigerungen von bis zu 50 % erzielen.
Bei den hochdynamischen Laserschneidsystemen hat sich das Prinzip der fliegenden Optik durchgesetzt, bei dem sich der Laser über das Werkstück hinweg bewegt. Die Anlagen zeichnen sich durch einen geringen Platzbedarf, einfaches Blechhandling und hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten aus. Dank dieser Vorteile ließen sich die Nebenzeiten stark reduzieren.
Bei den unproduktiven Nebenzeiten dominieren die Positionierzeiten des Schneidkopfes von einer Bearbeitungsoperation zur nächsten. Abhilfe schaffen
– verkürzte Positionierwege,
– hüpfendes Positionieren des Schneidkopfes, wobei drei Achsen gleichzeitig eingesetzt werden,
– Positionieren mit abgesenktem Schneidkopf sowie
– fliegendes Einstechen.
Positiv auf die Nebenzeiten wirkt sich auch aus, wenn Radien statt Ecken gefahren und Schnitte zusammengelegt werden.
Bei der Anschaffung werden die Laser in der Regel nach der Strahlqualität beurteilt. Der Anwender will – vielfach aus Prestigegründen – die stärksten Strahlquelle mit der besten Strahlqualität. Das bedeutet aber noch lange nicht, dass dieser Laser in der Lage ist, in Verbindung mit der entsprechenden Führungsmaschine qualitativ hochwertige Teile in kurzer Zeit zuzuschneiden.
Richtigerweise ist beim Beschaffen eines Lasers zunächst zu klären, welche Strahlqualität er tatsächlich haben muss, damit der Anwender Teile in geforderter Qualität möglichst schnell fertigen kann. Um hohe Ausgangsleistungen umsetzen zu können, ist ein dynamisches Schneidsystem erforderlich. Darüber hinaus muss der Schneidprozess der gesteigerten Laserleistung angepasst werden.
Die Verfahrensgrenzen hinsichtlich der erzielbaren Schneidgeschwindigkeiten und der zu bearbeitenden Materialdicken werden stetig erweitert. Zwar ist der Laserschneidprozess selbst hochdynamisch, doch wird dies in den wenigsten Fällen ausgenutzt, da die meisten Laserschneidanlagen nicht über die entsprechende Maschinendynamik verfügen. Gerade beim Einsatz eines Hochleistungslasers mit 4 kW Strahlleistung ist ein entsprechend dynamisches System zwingend erforderlich, um die Leistung auch in Schnittmeter umsetzen zu können.
Um die Dynamik der Maschinenachsen zu steigern, werden sich in den kommenden Jahren die Direktantriebe durchsetzen – und dies trotz höherer Investitionskosten. Allein durch die Substitution der Antriebssysteme lassen sich jedoch keine wesentlichen Verbesserungen erzielen. Gleichzeitig ist es erforderlich, die Steifigkeit des Systems zu erhöhen und die bewegten Massen zu reduzieren. Um weitere Verbesserungen zu erreichen, muss der Schneidprozess der gesteigerten Maschinendynamik angepasst werden.
Fliegendes Einstechen verkürzt Nebenzeiten
Beim Schneiden mit dem Prozessgas Sauerstoff wird die Schneidgeschwindigkeit nicht durch die Laserleistung limitiert, sondern durch die Diffusionsgeschwindigkeit des Sauerstoffs an der Schneidfront im Schnittspalt. Der Anwender einer 4-kW-Strahlquelle sollte bedenken, dass er zum Umsetzen der verfügbaren Leistung im Dünnblechbereich nicht auf das Laserbrennschneiden angewiesen ist, sondern ein inertes Gas wie Stickstoff verwenden kann. Da dieses nicht mit dem geschmolzenen Material reagiert, bestim-men nur Laserleistung und Schneidgasdruck den Schneidprozess.
Mit gesteigerter Leistung schneller schneiden und zudem mit bedienerlosen Schichten arbeiten – das geht nur, wenn der Schneidprozess überwacht und bei Abweichungen mindestens ein Parameter nachgeregelt wird. Besteht diese Möglichkeit nicht, ist damit zu rechnen, dass die Anlage mehr Ausschuss als Gutteile produziert.
Ein Prozessmonitor, wie ihn beispielsweise die Bystronic AG, Niederönz/Schweiz, entwickelt hat, kann den Schneidprozess beobachten und die Lichtemission aus der Schmelze messen. So stellt er fest, wenn ein Prozess nicht optimal abläuft und gibt eine Warnung heraus. Ist der Prozess vollends ungenügend, wird er automatisch gestoppt. Die Prozessdetektoren sind in den Schneidkopf integriert. Mit dem Einsetzen des Schneidkopfes ist der Prozessmonitor sofort angeschlossen.
Um eine gleichbleibende Schnittqualität über den gesamten Arbeitsbereich zu erhalten, lässt sich mit Hilfe einer adaptiven Optik der Laserstrahl automatisch so korrigieren, dass die Fokuslage auf dem gesamten Verfahrweg konstant bleibt. Die adaptive Optik besteht aus einem Topfspiegel, der in der Regel direkt über der Schneidoptik montiert ist. Die Korrektur der Fokuslage erfolgt, indem die Oberfläche des Spiegels wegabhängig hydraulisch verformt wird.
Mit dieser Technologie lässt sich der Fokus entsprechend dem jeweiligen Material, der Laserleistung und den Maschinenparametern über den gesamten Schneidbereich softwaregesteuert in Echtzeit nachführen. Neben der konstanten Schnittqualität ergeben sich als weitere Vorteile eine höhere Schneidgeschwindigkeit und Prozesssicherheit. Hieraus resultiert, dass der Anwender speziell beim Schneiden von Chrom-Nickel-Stählen den Ausschuss um rund 25 % reduzieren kann.
Das Einstellen der optimalen Fokuslage von Hand am Schneidkopf gehört der Vergangenheit an. Stand der Technik ist, dass der Fokus mit dem Einlesen der Materialparameter automatisch auf die richtige Lage eingestellt wird. Bei Schneidanlagen von Bystronic geschieht dies mittels der adaptiven Optik im zweiten Funktionsbereich.
Ein erhebliches Einsparpotenzial in puncto Nebenzeiten liegt in einem durchdachten Blechhandling. Die Zeitvorteile ergeben sich durch
– ein optimiertes Blechlager,
– den integrierten Wechseltisch,
– die automatische Blechlageerkennung,
– den automatischen Beschicker sowie
– das automatische Abräumen und Sortieren.
Eine Kombination aus Laserschneidanlage, Blechlager sowie Be- und Entladeeinrichtung bietet die Möglichkeit, die genannten Komponenten inklusive Fertigteile-Zwischenlagerung auf engem Raum unterzubringen.
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