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Jul 09, 2023

Mit Licht führen

Moderne Medizin, Telekommunikation, Unterhaltungselektronik, Bauwesen und Datenspeicherung. Dies sind nur einige der Technologien, die sonst weitaus weniger fortgeschritten, wenn nicht sogar unmöglich wären

Moderne Medizin, Telekommunikation, Unterhaltungselektronik, Bauwesen und Datenspeicherung. Dies sind nur einige der Technologien, die ohne die Arbeit von Laserpionieren (siehe Seitenleiste auf S. 46) wie Theodore Maiman, Charles Townes, Arthur Schawlow und unzähligen anderen weitaus weniger fortgeschritten, wenn nicht sogar unmöglich wären.

Aber nirgends hatte ihre Arbeit einen tiefgreifenderen Einfluss als in der Produktion, wo immer mehr Hersteller Laser verwenden, um Metall zu durchtrennen, Teile zu verbinden, zu markieren und zu prüfen, Maschinen einzustellen und vor allem für die Sicherheit der Arbeiter zu sorgen. Dies gilt insbesondere für die Kombination von Lasern und Automatisierung (obwohl es hierfür viele Definitionen gibt).

Die leistungsstärksten Laser – diejenigen, die zum Schneiden verwendet werden – werden seit langem von automatisierten Materialhandhabungssystemen begleitet. Sie sind in Form einfacher Lade-/Entladestationen oder in manchen Fällen auch als Türme mit mehreren Regalen erhältlich, die eine enorme Anzahl von Blechen lagern und diese einzeln zur Bearbeitung in einen Laserschneider laden können. In beiden Fällen liefert die Maschine die Einzelblätter normalerweise zu einer nahegelegenen Palette oder einem Tisch, wo ein Bediener die Teile trennt und sortiert.

Brendon DiVincenzo, Leiter Lösungen für den amerikanischen Markt bei Bystronic Inc., Hoffman Estates, Illinois, stellt fest, dass sich die Dynamik dieses ziemlich standardisierten Ansatzes verändert. „Seit vielen Jahren ist das Schneiden der Engpass, daher war es nicht so wichtig, was an beiden Enden der Maschine passierte“, sagt er. „Aber diese Gleichung beginnt sich zu ändern. Faserlaser werden so schnell, dass Kunden begonnen haben, effektivere Lade- und Entladefunktionen zu fordern, um mithalten zu können. Dazu gehören automatisierte Sortiersysteme sowie größere, schnellere und flexiblere Türme.“

Ein Beispiel ist die kürzliche Einführung eines 30-kW-Lasers durch Bystronic, der laut DiVincenzo „31,75 mm dicken Stahl ohne großen Aufwand verarbeiten kann, bei bestimmten Anwendungen jedoch fast die doppelte Dicke schneiden kann“.

Wie bereits erwähnt, werden auch Turmsysteme immer leistungsfähiger, aber die vielleicht größte Veränderung ist die wachsende Akzeptanz der automatisierten Sortierung.

„Rechnen Sie die höheren Schnittgeschwindigkeiten und was das für den Gewichtsdurchsatz bedeutet“, bemerkt DiVincenzo, „und Sie werden schnell erkennen, dass selbst wenn Sie zwei oder drei Leute finden, die den ganzen Tag dort stehen, dies unwahrscheinlich ist.“ mithalten können.“

Michael Bloss, Laserproduktmanager an der Westküste von Amada America Inc., Buena Park, Kalifornien, weist darauf hin, dass es bei der Laserproduktivität um viel mehr geht als nur um die Wattzahl allein. „Ich habe mit einem Kunden zusammengearbeitet, der auf einer 12-kW-Maschine eine gehärtete 25,4 mm dicke Platte geschnitten hat“, sagt er. „Die Geschwindigkeit war in Ordnung, aber die Kantenqualität war nicht so toll, also haben wir es mit unserem VENTIS versucht, einem 6-kW-Faserlaser mit einem Modul. Der Schnitt war makellos.“

Es gibt eindeutig einen Platz für neuere Hochleistungslaser, obwohl Bloss darauf hinweist, dass der Vergleich mit Amadas Flaggschiff-Laser VENTIS so ist, als würde man einen fein abgestimmten Rennwagen gegen einen dieselbetriebenen Pickup antreten lassen – letzterer hat zwar viel Kraft, liefert aber möglicherweise nicht die nötige Leistung die gewünschte Qualität und Präzision.

Amada und die anderen für diesen Artikel befragten Unternehmen bieten robuste Materialtransportsysteme an, die alle einen ernsthaften Blick in jede Werkstatt verdienen, die ihren Durchsatz steigern möchte. Aber auch die Automatisierung verschiedener Aspekte des Schneidprozesses ist, wie Bloss betont, einer Bewertung wert.

„Bei einigen unserer Modelle stehen uns zahlreiche Überwachungs- und Steuerungsfunktionen zur Verfügung, beispielsweise mit der i-CAS, einer Kamera, die ein Bild eines Blechs aufnimmt und es dem Bediener ermöglicht, Teiledateien per Drag-and-Drop auf ungenutzte Bereiche zu ziehen“, sagt Bloss .

V-Monitor ist eine Kamera, die den Schnittbereich kontinuierlich aufzeichnet und Ereignisse meldet, die einen Alarm auslösen könnten. Dann gibt es noch den i-Nozzle Checker von Amada, der den Strahl automatisch zentriert und fokussiert im Schnitt hält, den i-Optic-Sensor, der den Bediener auf Linsenverschmutzung (und mögliche Schäden) aufmerksam macht, und eine fortschrittliche Durchstechfunktion, die erkennt, wann der Strahl durchbricht Es kann mit dem Schneiden begonnen werden, wodurch keine Zeit verloren geht. „Amada fügt ständig Funktionen wie diese hinzu, die dazu beitragen, den Prozess schneller und vorhersehbarer zu machen“, sagt Bloss.

Mazak Optonics Corp. aus Elgin, Illinois, erhebt ähnliche Behauptungen. Automatisierungsspezialist Jacob Fogarty sagt, dass der OPTIPLEX 3015 NEO des Unternehmens über eine kameragestützte Teileschachtelung und Düsenzentrierung verfügt und, ähnlich wie andere Hersteller, eine proprietäre Strahlformungstechnologie entwickelt hat, um optimales Schneiden in verschiedenen Materialien und Dicken zu ermöglichen.

„Darüber hinaus haben wir mehrere Steuerfunktionen eingeführt, die es dem Bediener erleichtern, sicherzustellen, dass er eine optimale Schneidleistung erreicht“, sagt Fogarty. „Aber wir verfügen auch über eine breite Palette an Automatisierungslösungen und automatisierten Teilesortiersystemen wie unsere neue Smart Cell, die Teile selbstständig aus einem Nest ziehen und sie dann auf ein Förderband legen oder zur Weiterverarbeitung auf einer Palette stapeln kann.“

Der Vorstoß zum Laserschneiden, das weniger auf qualifizierte Bediener und mehr auf Automatisierung und fortschrittliche Steuerungssysteme angewiesen ist, ist nicht nur bei Mazak oder Amada zu beobachten und beschränkt sich auch nicht auf das 2D-Laserschneiden – automatisierte Lasertechnologie ist für das 3D-Schneiden, Schweißen usw. genauso wichtig Markierung.

Von seinem Laser Application Center in Plymouth, Michigan aus erzielt Trumpf Inc. ähnliche Fortschritte, insbesondere im Automobilsektor. Jack Pennuto, Vertriebs- und Anwendungsleiter für Lasertechnologie, erklärt, dass ein Großteil dieser Bemühungen eine Reaktion auf den zunehmenden Einsatz von Borstählen in der Industrie ist, der die Festigkeit des Materials erheblich erhöht.

„Im letzten Jahrzehnt oder so haben Automobilhersteller mehr pressgehärtete oder warmumgeformte Stähle für ihre Strukturkomponenten eingesetzt“, sagt er. „Das Problem besteht darin, dass das Stanzen von Löchern in diese Materialien eine ziemliche Herausforderung darstellt, sodass viele Hersteller stattdessen auf Laserschneiden umgestiegen sind.“

Auch ohne die aktuellen Probleme der Belegschaft sind Automobil und Automatisierung seit langem ein Synonym. Automobilhersteller bauen auf dieser Beziehung auf, indem sie in Laserschneiden mit Roboterbe- und -entladung investieren – ein Bedarf, den Trumpf gerne erfüllen wird. „Ein Beispiel ist eine Komponente, die sie als Shell bezeichnen“, erklärt Pennuto. „Es handelt sich um ein grob geformtes Teil, das auf einem Gestell platziert wird, um es einem 3D-Laserschneider zu präsentieren. Ein Roboter platziert es auf einer Vorrichtung und diese wird dann in die Maschine eingeschoben, die die Löcher schneidet und alles auf die richtige Größe zuschneidet. Von hier aus transportiert der Roboter es zum Schweißen und für andere nachgelagerte Bearbeitungen in ein anderes Gestell. Durch die Implementierung von Robotik entsteht ein Prozess, der ohne menschliches Eingreifen das Licht ausschalten kann.“

Diese flexiblere 3D-Bearbeitung ist ein weiterer Bereich, in dem Faserlaser glänzen. „Automobilhersteller produzieren Autos mit weniger, aber komplexeren Teilen. Türsäulen sind ein gutes Beispiel dafür“, sagt Travis Stempky, Leiter der Hochleistungslaseranwendung bei Trumpf. „Da das Schweißen mit einem Faserlaser ein berührungsloser Prozess ist, können Sie weiter vom Teil entfernt sein und so leichter Bereiche erreichen, die ein herkömmlicher Schweißer nicht erreichen kann. Der Einsatz dieses flexiblen Laserwerkzeugs gibt Herstellern mehr Freiheit bei der Entwicklung von Designs, die eine hervorragende Teilepassung ermöglichen und die Kosten senken.“

Dan Belz, Produktmanager für Faserlaserschweißen (FLW) von Amada, sieht ähnliche Nachfragen nach Laserschweißsystemen, viele davon für Großserienanwendungen. Er nennt ein weiteres Beispiel – wenn auch aus einer unerwarteten Richtung –, das die Flexibilität der heutigen Lasertechnologie verdeutlicht: das Punktschweißen.

„Letztes Jahr haben wir eine Sondermaschine für einen Kunden entwickelt, der sehr große Mengen an HVAC-Komponenten verbinden wollte“, sagt er. „Damals bohrten und schnitten sie Löcher und befestigten dann einen kleinen Haken; Wie Sie sich vorstellen können, war es sehr arbeitsintensiv. Also haben wir eines unserer vorhandenen Laserschweißgeräte genommen, einen Drehtisch hinzugefügt und eine vollautomatische Zelle geliefert.“ Lachend fügt er hinzu: „Punktschweißen ist ein unkomplizierter Prozess, daher war ich etwas skeptisch gegenüber der Verwendung eines Faserlasers, aber es war ein großer Erfolg.“ Es entstehen keine Grübchen, kein Brennen oder Anbrennen, die Verbindung ist viel stärker und der Kunde spart allein beim Material eine halbe Million Dollar pro Jahr.“

Ein Großteil des Laserschweißens erfolgt ohne Zusatzwerkstoff, d. h. das gebündelte Licht des Lasers reicht aus, um die beiden Werkstücke zu schmelzen und zu verbinden. Aber wie Elliott Ash von Lincoln Electric Co. betont, bietet die Verwendung von Zusatzdraht oder -stab (wie bei herkömmlichen Metall-Inertgas- und Wolfram-Inertgas-Verfahren) die Möglichkeit, der Schweißverbindung Legierungselemente hinzuzufügen und so die Festigkeit zu erhöhen. „Das bedeutet auch, dass Sie Beschichtungsvorgänge durchführen können, bei denen Sie Edelstahl oder ein Hartauftragsmetall wie Stellite (Kennametal Inc.) auf die Oberfläche eines Teils auftragen, um die Verschleißfestigkeit zu erhöhen.“

Ash ist Schweißingenieur für den Schweißdienstleister mit Sitz in Cleveland, Ohio. Er beschreibt zwei laserbasierte Verfahren, die für Unternehmen im Elektrofahrzeugsegment besonders interessant sind und diese zum Verbinden von Batterieträgern und -polen einsetzen. Er weist jedoch schnell darauf hin, dass beide gleichermaßen für Anwendungen außerhalb des Automobilbereichs geeignet sind. Bei beiden handelt es sich ebenfalls um „rein automatisierte“ Schweißprozesse. Planen Sie also nicht, eines dieser Systeme für Hobbyarbeiten in Ihrer Garage unterzubringen.

„Das erste davon ist das Hybrid-Laser-Lichtbogenschweißen oder HLAW“, sagt er. „Hier erzeugt man mit dem Laser ein Schlüsselloch, das die Schweißzone geschmolzen hält, damit der darauffolgende MIG-Prozess die Verbindung ausfüllen kann. Diese Technologie sorgt für eine hervorragende Penetration bei hohen Fahrgeschwindigkeiten und hohen Abscheidungsraten; Die Herausforderung besteht darin, das geschmolzene Schlüsselloch aktiv und stabil zu halten, sodass Sie mehr zu bewältigen haben als nur einen reinen MIG-Prozess. Precision Power Laser (PPL) vereinfacht vieles davon.“

PPL ist ein lichtbogenloses „Heißdraht“-Verfahren. Es ist auch Eigentum von Lincoln Electric. Hier erhitzt eine fortschrittliche Schweißstromversorgung das Zusatzmetall, wenn es in die vom Laser erzeugte Schweißpfütze eintritt. Es gibt nur minimale Verformungen und es ist nicht erforderlich, große Fasen zur Vorbereitung der Schweißnaht zu bearbeiten – eine leichte Fase genügt, was die Kosten senkt. Es handelt sich außerdem um ein „kälteres“ Verfahren und ist daher ideal für dünne Bleche, obwohl es, wie Ash erklärte, auch für schwere Bleche geeignet ist.

„Wir haben Anwendungen, bei denen wir Materialien mit einer Dicke von sieben Zoll (178 mm) verbinden, und das viel schneller als mit einem herkömmlichen Ansatz“, sagt er. „Aber wo PPL sich wirklich auszeichnet, ist es bei dünnem Material – in einigen Fällen können wir Schweißgeschwindigkeiten von drei Metern pro Minute erreichen. Es ist ziemlich schnell.“

Dave Cotton ist Business Development Manager für Flachblechlaserprodukte (LS/LC) bei der BLM Group USA in Novi, Michigan. Er und der nordamerikanische Laserproduktmanager Robert Adelman können nicht über Schweißen sprechen, aber beide verfügen über umfangreiche Erfahrung mit Laserschneiden von Blech- und Rohrvorräten sowie deren Automatisierung.

Cotton bekräftigte, was Brendon DiVincenzo von Bystronic zuvor angesprochen hatte: Die Engpässe, die Laserschneider seit langem darstellen, und die heutigen leistungsstärkeren und effizienteren Laser machen es notwendig, nachgelagerte Handhabungsprozesse zu automatisieren. „Die gesamte Branche ist damit beschäftigt, neue Systeme als Reaktion auf leistungsfähigere Laser zu entwickeln, nutzt aber auch einige der aktuellen oder früheren Automatisierungsmöglichkeiten und verbessert sie.“ Aus diesem Grund und aufgrund des aktuellen Arbeitskräftemangels ist die Nachfrage nach Automatisierung deutlich gestiegen.“

Adelman stimmt zu. „Es ist noch gar nicht so lange her, da galt der Verkauf der Automatisierung mit 10 bis 15 % unserer Systeme als gutes Jahr. Heute rechnen wir mit 40 % und gehen davon aus, dass es im nächsten Jahr 60 % oder mehr sein wird.“

Diese Aussagen erstrecken sich auf die Rohrverarbeitungsseite des BLM-Geschäfts. Laut Adelman entscheiden sich viele Betriebe für Rohrschneidemaschinen, die große Materialbündel aufnehmen können und der Maschine automatisch ein Rohr nach dem anderen zuführen. Um noch einen Schritt weiter zu gehen, hat das Unternehmen ein kassettenartiges Lager- und Bereitstellungssystem entwickelt. „Es ist einem Turm nicht unähnlich, da man ihn mit großen Mengen Rohmaterial in verschiedenen Formen und Größen beladen kann. Unser Standardsystem nimmt bis zu 10 Kassetten auf, aber Kunden können es problemlos auf alles erweitern, was sie benötigen.“

Im Gegensatz zu Flachblechen gibt es in der Welt der Rohre weitaus mehr Variablen. „Hier gibt es verschiedene Profiltypen – rund, quadratisch, rechteckig usw. – sowie verschiedene Stärken und Materialien“, fährt er fort. „Letztendlich sind wir aber immer noch in der Lage, es zu automatisieren.“

Eine solche Automatisierung erstreckt sich auch auf das Rohrbiegen. Diese Umgebung ähnelt dem, was andere Hersteller beschrieben haben, wobei ein Roboter nicht nur geschnittene Teile einem CNC-Laser vorlegt, sondern die Teile (oder den Laser) auch in mehreren Achsen manipuliert, um die in diesem Markt erforderlichen komplexen Formen zu schneiden. Und in einigen Fällen verwalten kombinierte „All-in-one“-Lösungen das Schneiden und Biegen in einer einzigen Maschine oder integrieren es sogar in die Flachblechverarbeitung (die LC5 von BLM ist ein Beispiel).

„Wir haben auch Laserschneider mit Automatisierung auf der Rückseite der Maschine, aber offen auf der Vorderseite“, fügt Adelman hinzu. „Diese eignen sich hervorragend für Lohnfertiger und andere Kleinserien- und High-Mix-Hersteller, die tagsüber möglicherweise Prototypen oder Kleinserienaufträge ausführen müssen, nach Feierabend aber auf eine unbeaufsichtigte Verarbeitung umsteigen möchten.“ Diese Lösung bietet das Beste aus beiden Welten.“

IPG Photonics Corp. aus Marlborough, Massachusetts ist ein weiterer Lösungsanbieter, der sich ernsthaft mit Faserlasern beschäftigt. Tatsächlich waren die Gründer Valentin Gapontsev und Igor Samartsev Pioniere auf diesem Gebiet. John Bickley, Vertriebs- und Marketingleiter, wird Ihnen sagen, dass das Unternehmen automatisierte Lasersysteme anbietet, die die oben genannten Schneid- und Schweißanforderungen sowie Reinigen, Bohren, Markieren, Plattieren und Löten abdecken.

„In unserem Produktangebot an automatisierten Lasersystemen verfügen wir über etwa sechs verschiedene Gerätefamilien, die in der Regel nach der Größe der zu bearbeitenden Teile, der Art der Bearbeitung und der erforderlichen Präzision unterteilt werden“, sagt Bickley. „Wenn jemand zum Beispiel nach einem hochpräzisen System sucht, dann wird eine traditionelle kartesische Plattform mit einem XYZ-Tisch im Allgemeinen die besten Ergebnisse liefern; Bei höheren Geschwindigkeiten und sehr großen Teilen ist jedoch oft ein Robotersystem der bevorzugte Ansatz.“

IPG Photonics kümmert sich gerne um diese und alle anderen Anwendungen, die sich ihm bieten. Die Herausforderung besteht darin, dass ein Kunde einen Allzwecklaser wünscht, der an einem Tag schneiden, an einem anderen schweißen und am nächsten Tag markieren oder reinigen kann. Wie Ihnen jeder Experte sagen wird, sind Lasersysteme in der Regel für einen einzigen Zweck konzipiert – zum Beispiel Schneiden oder Schweißen –, während der Ansatz des Schweizer Taschenmessers noch nicht Realität ist.

Allerdings baut IPG kundenspezifische Systeme mit austauschbaren Prozessköpfen, sodass Kunden zwischen einer Anwendung und einer anderen wechseln können. „Hier könnten wir einen pneumatischen Werkzeugwechsler und einen Laserstrahlschalter einbauen, um die Laserquelle zum entsprechenden Bearbeitungskopf zu leiten“, sagt Bickley. „Kompliziert wird es, wenn zur Unterstützung des Laserprozesses unterschiedliche Prozessgase und Rauchabsaugungen eingesetzt werden müssen. Dennoch sind die Laserpreise in den letzten Jahren erheblich gesunken, so dass die Motivation für Betriebe, in eine einzige Allroundmaschine zu investieren, geringer ist. Dennoch ist es machbar.“

Wer maßgeschneiderte Lasersysteme kauft, muss viele Dinge überprüfen, fügt er hinzu. Zu den Parametern gehören:

Diese und andere Faktoren bestimmen die Preisgestaltung und Leistung (Geschwindigkeit, Genauigkeit und Flexibilität). Eine weitere wichtige Überlegung: Wird das System auch in einigen Jahren noch eine praktikable Lösung sein?

„Sobald man diese Variablen im Griff hat, wird die ideale Gerätekonfiguration viel klarer. Aber es ist auch wichtig zu beachten, dass es bei zunehmender Komplexität der Ausrüstung und der Anwendung von entscheidender Bedeutung ist, mit einem Lieferanten zusammenzuarbeiten, der Erfahrung in der Entwicklung, Modellierung und virtuellen Simulation sowohl der Ausrüstung als auch der Interaktion mit dem zu reduzierenden Prozess hat Entwerfen Sie Iterationen und verkürzen Sie die Zeit bis zum ersten Teil.

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