Hochpräzise Dynamik

von Günter Kögel Stiefelmayer hat für einen ambitionierten Kunden einen Faserlaser, Linear-Direktantriebe und eine Kohlefaserbrücke zu der wohl schnellsten und genauesten Laserschneidmaschine der Welt vereint. BLECH durfte sich die Anlage, die demnächst auf den Markt kommen wird, beim sichtlich zufriedenen Pilotanwender Oswald Elektromotoren ansehen.

Mit seinen High-End-Elektromotoren gehört die Oswald Elektromotoren GmbH zur absoluten Spitzenklasse. Geschäftsführer Johannes Oswald mit sichtbarem Stolz: „Wir fangen dort an, Motoren zu verkaufen, wo die anderen aufhören. Wenn es erforderlich ist, bauen wir für unsere Kunden auch einen einzelnen, speziell für eine ganz bestimmte Aufgabe entwickelten Motor.“ Nachdem Oswald für den Zuschnitt der Elektrobleche für Stator und Rotor solcher Einzelstücke lange Zeit spezialisierte Laser-Lohnfertiger genutzt hatte, fiel 2007 die Entscheidung, ein eigenes, speziell auf die besonderen Bedürfnisse ausgerichtetes System anzuschaffen.

Denn die Zusammenarbeit mit Lohnfertigern war Johannes Oswald schon lange ein Dorn im Auge. „Diese Lohnschneidfirmen arbeiten ja nicht nur für uns, sondern auch für andere Hersteller. Wir bewegen uns aber immer am vordersten Ende der Technologie und bei den Elektromotoren steckt unheimlich viel Know-how in der Kontur der Zuschnitte. Wir wollten dieses Wissen einfach nicht in Unternehmen tragen, zu denen auch andere Hersteller Zugang haben, die daran sicherlich sehr interessiert sind.“ Dazu kommt noch die Zeitproblematik, denn beim externen Laserschneiden konnte es durchaus mehrere Wochen dauern, bis die Teile im Haus waren.

Bewusst keine Maschine von der Stange gekauft

Doch die Suche nach einem geeigneten Lasersystem gestaltete sich schwieriger als erwartet, denn 2007 konnte keine der am Markt verfügbaren Anlagen zu einem vertretbaren Invest die Vorstellungen und die hohen Anforderungen von Oswald erfüllen. Denn die High-End-Motoren erfordern einerseits eine hohe Produktivität, da für Stator und Rotor sehr viele Bleche zu schneiden sind, sie bedingen aber auch extreme Anforderungen an die Genauigkeit. Schließlich werden teils 1.000 Bleche übereinander gestapelt und in die Stapel Wellen und Kurzschlussstäbe eingebracht – da muss jeder einzelne Zuschnitt sehr genau passen.

Bei der Auswahl des Systems spielte zudem die Firmenphilosophie eine Rolle. Johannes Oswald: „Wir sind ein führender Hersteller hochleistungsfähiger Sondermotoren. Da würde es einfach nicht zu uns passen, wenn wir uns eine Standard-Laserschneidmaschine in die Hallen stellen. Wir wollten etwas Besonderes, das perfekt unsere Anforderungen erfüllt und auch deshalb haben wir keine Maschine von der Stange gekauft.“

Faserlaser zum Schneiden dünner Bleche ideal

Weiterer Grund: Johannes Oswald wurde bei seinen Recherchen auf den Faserlaser aufmerksam und kam im Rahmen vieler Gespräche mit Instituten und Laserherstellern zur Überzeugung, dass nur ein Faserlaser die Eigenschaften bieten kann, auf die es beim Schneiden seiner Elektrobleche ankommt: „Faserlaser sind ideal zum Schneiden dünner Bleche, zeichnen sich durch eine sehr hohe Schnittqualität und einen extrem dünnen Schnittspalt aus – für uns ein sehr wichtiges Kriterium, da wir äußerst filigrane Strukturen schneiden. Sehr wichtig war für uns zudem die extrem geringe Wärmeeinbringung ins Material, denn die Elektrobleche sind beschichtet, und diese Beschichtung darf beim Laserschneiden nicht beschädigt werden.“ Heute ist klar: Was die Theorie verspricht, kann der Faserlaser auch in der Praxis halten. Nur: Eine Flachbett-Laserschneidanlage mit Faserlaser gab es 2007 noch nicht.

Aber es gab eine Firma, die diese Entwicklung ebenfalls sehr aufmerksam verfolgte und durchaus willens war, so ein System zu bauen: die Stiefelmayer-Lasertechnik GmbH & Co. KG. Geschäftsführer Dieter Bulling: „Wir hatten ohnehin überlegt, eine schnelle, dynamische Laserschneidanlage mit Faserlaser zu bauen. Denn wir hatten schon vier Jahre zuvor als erster Hersteller eine Laserschneidmaschine mit Linearmotoren und CO2-Laser vorgestellt, die bereits sehr hohe Geschwindigkeiten erreicht, und deren Grundaufbau wir nutzen konnten. Wir wussten auch, wo der CO2-Laser seine Schwächen hat, denn die Genauigkeit hängt nicht nur von der Maschine, sondern von der gesamten Strahlführung ab. Hier hat der Faserlaser klare Vorteile.“

Für die ehrgeizigen Ziele von Oswald reichte es aber nicht, einen Faserlaser zu integrieren. Der zum hochgenauen und sehr schnellen Schneiden der Elektrobleche nötige Leistungssprung in Sachen Dynamik erforderte auch eine extrem leichte Schneidbrücke – für Stiefelmayer der Startschuss für den Einstieg in Kohlefasertechnik, den Dieter Bulling schon lange herbeigesehnt hatte.

Der Effekt kann sich sehen lassen: Die gesamte Brücke der ‚Stiefelmayer effektiv’ wiegt nur noch bescheidene 40 kg – eine vergleichbare Konstruktion in gewichtsoptimierter Blech-Leichtbauweise würde nach Schätzungen von Dieter Bulling locker 125 kg auf die Waage bringen. Dazu kommen noch diverse Anschlussplatten, die ebenfalls aus Kohlefaser bestehen, und die nur etwa die Hälfte von üblichen Aluminiumplatten wiegen. Weiterer Vorteil: Durch die besondere Konstruktion ist die Kohlefaserbrücke auch noch steifer als eine Stahlbrücke. Alles hervorragende Voraussetzungen für eine Dynamik, die sich sehen lassen kann. Michael Mozin, der als Projekt-Ingenieur von Oswald die Entwicklung des Systems betreut hat: „Gegenüber der besten, von uns untersuchten Wettbewerbsmaschine sind wir 10 bis 15 Prozent schneller, bei bestimmten Bauteilen mit filigranen Konturen können es auch 20 Prozent sein.“

Zu unvorstellbar hoher Dynamik fähig

Dabei ist schon erstaunlich, wie unspektakulär und gelassen dieses System eine Beschleunigung von 4 g beim Schneiden in der Kontur und eine Schneidgeschwindigkeit von 20 m/min aus dem Ärmel schüttelt. Kein Vergleich zu anderen Anlagen, die schon bei deutlich geringerer Dynamik reichlich gequält wirken. Und das System könnte noch weit mehr. Dieter Bulling über die schier unvorstellbare Dynamik, zu der das System fähig ist: „Bei der Abstimmung der Antriebe haben wir Werte von 10 g erreicht, doch für den Betrieb haben wir die Beschleunigungen deutlich reduziert. Wer ein Gespür für eine Maschine hat, dem tun die 10 g richtig weh. Das ist, als führe man gegen eine Wand.“ Der Effekt der freiwilligen Selbstbeschränkung ist sicht- und spürbar, die Anlage präsentiert sich völlig erschütterungsfrei und ohne fühlbare Vibrationen.

Zudem: Dynamik ist nicht alles. Gerade für Oswald als Hersteller von Elektromotoren der absoluten Spitzenklasse ist die Genauigkeit mindestens ebenso wichtig. Aber auch hier kann die ‚Stiefelmayer effektiv’ Bestwerte vorweisen. Michael Mozin, der als Projekt-Ingenieur von Oswald die Entwicklung des Systems betreut hat: „Stiefelmayer garantiert eine Genauigkeit von ± 5/100 mm, doch bei allen von uns gemessenen Teilen haben wir Abweichungen von weniger als ± 3/100 mm erreicht. Und bei Wellenbohrungen mit 130 mm Durchmesser, die wir mit einem Grenzleerdorn nachgemessen haben, lagen wir immer bei H7.“

Mit Faserlaser schneller trotz geringerer Leistung

Dank Faserlaser ist zum Schneiden nicht einmal eine hohe Laserleistung nötig. 1 kW reicht für die Elektrobleche, die üblicherweise Dicken von 0,5 mm oder weniger aufweisen, völlig aus. Dieter Bulling: „Wir sind mit dem 1 kW-Faserlaser doppelt so schnell wie mit unserem CO2-System. Ein CO2-Laser mit rund 3 kW bringt es bei Elektroblech typischerweise auf eine Schnittgeschwindigkeit von 10 bis 12 m/min. Mit dem 1 kW-Faserlaser schneidet Oswald aber prozesssicher mit 20 m/min und hat bei Versuchen auch schon 22 m/min erreicht.“ Dies erklärt auch die deutlich geringere Wärmeeinbringung. Michael Mozin: „Wir schneiden mit nur 1 kW statt 3 kW und dann auch noch mit doppelter Geschwindigkeit, das schlägt sich natürlich direkt im Wärmeeintrag nieder.“ Dass es bei Oswald dennoch Überlegungen gibt, die Leistung des Lasers aufzustocken, hat andere Gründe: Zu den Details wollten sich Johannes Oswald und Michael Mozin zwar nicht äußern, aber soviel ist klar: Eine Strahlquelle kann auch mehr als eine Bearbeitungsstation versorgen und es gibt genügend Dinge, die man mit einem Faserlaser tun kann und die mehr Leistung als 1 kW erfordern.

Zurück zum Laserschneiden: Deutliche Vorteile kann die ‚Stiefelmayer effektiv’ auch beim Energieverbrauch für sich verbuchen – und macht damit ihrem Namen alle Ehre. Um exakte Werte zu erhalten, hat Michael Mozin sogar die Leistungsaufnahme seiner Laserschneidanlage bei verschiedenen Betriebszuständen gemessen. Mit einem eindrucksvollen Ergebnis: Maximalbedarf 13,5 kW. Dieter Bulling schätzt, dass ein vergleichbares System mit einem 2,5 bis 3 kW CO2-Laser rund 35 kW Anschlussleistung für den Laser und weitere 20 kW für die Kühlung benötigt – die Antriebe der Maschine noch gar nicht gerechnet.

Kein Wunder, dass angesichts der vielen Vorteile das Resümee von Oswald zur ‚Stiefelmayer effektiv’ positiv ausfällt. Für Johannes Oswald steht fest: „Das war die richtige Entscheidung.“ Eine Einschätzung, die Michael Mozin trotz leichter Anlaufschwierigkeiten voll und ganz bestätigen kann: „Sicher gab es am Anfang ein paar Schwierigkeiten, schließlich haben wir gleich an mehreren Stellen Neuland beschritten. Aber sobald es Probleme gab, waren die Mitarbeiter von Stiefelmayer am nächsten Tag da und haben sie beseitigt. Inzwischen läuft das System absolut reibungslos.“W

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