Ein Wunder an Flexibilität

von Günter Kögel Egal, ob beim Verschweißen eines 0,8 mm dicken Röhrchens oder beim Reparatur-Schweißen tonnenschwerer Pressformen: Die neue multifunktionale Laserbearbeitungsmaschine PSM 400 von Schunk setzt in kürzester Zeit und bei einfachster Programmierung hochwertige Schweißnähte. Durch die besonderen Eigenschaften des Lasag-Lasers lassen sich dabei sogar schwierigste Werkstoffe wie gehärteter Werkzeugstahl rissfrei schweißen, was das System überaus interessant für Reparaturen an Formen und Werkzeugen macht.

Eine X-Achse, zwei Y-Achsen und drei Z-Achsen ergänzt mit mehreren standardmäßigen und optionalen Drehachsen verhelfen der Laserbearbeitungsmaschine PSM 400 von Schunk zu einer Flexibilität, wie sie die Laserbranche noch nicht gesehen hat. Und der Clou: Dies alles bei extrem einfacher Bedienung. Denn die zusätzliche manuelle 800 mm Y-Achse, die beiden ergänzenden Z-Achsen für den Laserkopf und den Werkzeugtisch sowie die Drehmöglichkeiten von Werkzeugtisch und Laserkopf dienen allein dem Zweck, den Arbeitsbereich der drei ‚normalen’ X-, Y- und Z-Achsen mit je 400 mm Verfahrweg optimal an das Werkstück anpassen zu können.

Michael Schneider, Geschäftsbereichsleiter der Anfang April 2010 neu gegründeten Schunk Lasertechnik GmbH: „Diese Flexibilität durch die Bewegung in zahlreichen Achsen, gepaart mit unserer einzigartigen Steuerung und einem universellen Laser, sind für mich die größten Vorteile des Systems.“ Zur Reparatur können Großwerkzeuge einfach mit einem Stapler vor die Maschine gestellt werden, einziges Limit für das bearbeitbare Gewicht ist damit die Tragfähigkeit des Hallenbodens. Die komplette Funktionalität inklusive der CNC-gesteuerten Bewegungen bleibt dabei voll erhalten. Ein Automobil-Zulieferer in Mexiko schweißt auf diese Art und Weise bis zu 30 Tonnen schwere Werkzeuge sehr flexibel und in höchster Qualität. Kleinteile beliebiger Form und Größe lassen sich mit dem von Schunk patentierten Phos-Ball-Magnetspannsystem in die optimale Bearbeitungsposition bringen. Dieses universelle System erlaubt durch eine kugelförmige Magnet-Spannvorrichtung das Positionieren und Bearbeiten von Werkstücken im freien Raum. Dazu wird einfach die Kugel mit dem darauf befestigten Bauteil in die gewünschte Position gedreht und die Vorrichtung samt Werkstück mit einer mechanischen Aktivierung des Magnetspannsystems fixiert.

Michael Schneider ist fest überzeugt: „Ein derart breites Spektrum kann kein anderes System abdecken – vor allem nicht in dieser Qualität und bei einer derart einfachen und ergonomischen Bedienung. Wir treten hier mit einer voll CNC-gesteuerten Maschine mit digitalen Antrieben und mit einer PC-basierten Steuerung an. Wir können durch unsere einzigartige Teach-Funktion sogar Spline-Kurven dreidimensional teachen und dann zum Auftragsschweißen gesteuert in beliebig vielen äquidistanten Bahnen abfahren. Im Werkzeug- und Formenbau, wo bei der Reparatur viel mit unbekannten Geometrien gearbeitet werden muss, ein immenser Vorteil.“

Wie einfach das Teachen unbekannter Geometrien ist, zeigte die Vorführung des Systems im Labor des Schunk-Werks in Brackenheim Hausen: Die einzelnen Punkte der zu schweißenden Kontur werden über den Joystick mit einem Pilotlaser, dessen Fokus dem Schweißlaser entspricht, auf dem Bauteil angefahren und mit Tastendruck bestätigt. Aus diesen Punkten errechnet die Steuerung dann bei zwei Punkten die Verbindungslinie oder bei komplexen Geometrien die räumliche Spline-Kurve, die sich dann sogar noch über eine ‚Gummiband-Funktion’ anpassen lässt.

Über die Steuerung kann der Bediener dabei die Spannung des Gummibandes einstellen, mit dem die einzelnen Punkte verbunden werden und dadurch sehr leicht einen harmonischen Verlauf der Kurve erzeugen. Zudem ist bei Bedarf das nachträgliche Eingeben weiterer Zwischenpunkte möglich, um die Spline-Funktion exakt an die reale Kurve anpassen zu können.

Um mehrere äquidistante Bahnen zu generieren, können im Anschluss daran die Zahl der Bahnen und deren Abstand definiert werden. Über den Joy-Stick kann der Bediener dann die Bahnen abfahren und auch zwischen den einzelnen Bahnen hin und her wechseln. Das System fährt ohne weiteres Zutun exakt der dreidimensionalen Kontur entlang, und der Bediener kann sehr einfach eine saubere Naht neben die andere legen. Neben Linien und Spine-Kurven lassen sich auch Kreise im Raum einfach über das Anfahren von drei Punkten und Aufrufen der Funktion ‚Kreisbahn’ programmieren – auch ist das Erzeugen äquidistanter Kreise eine Sachen von wenigen Mausklicks. Die dazugehörige Ebenentransformation erfolgt automatisch.

Michael Schneider: „In unserer Maschine und in der Steuerung haben wir diverse Alleinstellungsmerkmale, die es den Bedienern erlauben, auch bei unbekannten Geometrien sehr gute Schweißergebnisse zu erzielen. Für Bediener, die schon mit anderen Maschinen gearbeitet haben, ein echtes Aha-Erlebnis. Denn eine solche hohe Flexibilität und ein durchdachtes Ergonomiekonzept bietet kein anderes System. Wer möchte, kann das System aber auch ganz normal im G-Code programmieren, beziehungsweise DXF- und IGES-Files einlesen. Zudem lässt sich jede geteachte Kurve als NC-Programm speichern und später wieder aufrufen. Selbst eine vollautomatische 5-Achs-CNC-Bearbeitung durch Einbau einer vierten und fünften Achse auf den Tisch ist für die Steuerung kein Problem, für die derzeitige Hauptzielgruppe aber nicht unbedingt erforderlich. Michael Schneider: „Den Hauptaugenmerk legen wir momentan auf das Auftrags- und Reparaturschweißen. Und dies mit großem Erfolg, denn durch die sehr gute Pulsmodulation des Lasag-Lasers lassen sich auch schwierig zu schweißende Werkstoffe sehr gut und rissfrei schweißen.“

Entscheidenden Anteil daran hat der SLS 200 CL 60 Laser von Lasag – eine der universellsten Strahlquellen am Markt, mit der sich beim Auftragsschweißen hervorragende Ergebnisse erzielen lassen – selbst bei gehärteten Werkzeugstählen. Michael Schneider: „Viele Firmen werben damit, Stähle bis 60 HRC zu schweißen, doch mit welchem Ergebnis? Wer sich bei einem auf 60 HRC gehärteten Werkzeugstahl 1.2379 die Schweißergebnisse unterschiedlicher Laserschweißbetriebe unter dem Mikroskop betrachtet, kann die Risse schon auf der Oberfläche sehen. Im Schliffbild und bei der Analyse der Härte im aufgeschweißten Material sieht man deutlich, was man makroskopisch vermutet hat. Wir haben mit dem Lasag-Laser das ideale Werkzeug, um auch solche Stähle perfekt riss- und lunkerfrei homogen schweißen zu können – und wir können dies mit metallurgischen Untersuchungen aus unserem bestens ausgestatteten Labor auch belegen. Wir wissen genau, wovon wir reden. Aus diesem Grund beschäftigen wir uns intensiv mit dem Thema Metallurgie, um ein perfektes Schweißergebnis zu erzielen. Solche metallurgischen Untersuchung werden wir übrigens in Zukunft unseren Kunden zu einem Festpreis anbieten.“

Dass der Lasag-Laser diese Aufgaben besser meistert als andere Strahlquellen, führt Michael Schneider vor allem auf die Regelung und Formbarkeit der Pulse und die adaptive Regelung zurück: „Für uns ist die adaptive Regelung ein großer Vorteil. Wenn wir einen Puls mit einer gewissen Energie einstellen, dann liefert der Laser auch unter allen Bedingungen genau diesen Puls. Dazu wird von Lasag der Prozess im Laser permanent überwacht und nachgeregelt. Dadurch wird auch die über die Lebensdauer geringer werdende Leistung der Blitzlampe ausgeglichen und damit eine gleich bleibende Qualität gewährleistet. Wir können dadurch nachweislich gute Schweißverbindungen herstellen.“

Die Unterschiede in der Pulsformung und deren Auswirkungen auf das erzeilbare Schweißergebnis erklärt Dr. Ronald Holtz, Marketing Manager von Lasag: „Unser Laser bietet die Möglichkeit einer thermischen und – als einziges Gerät am Markt – einer metallurgischen Pulsformung. Der Laser bietet sogar die Möglichkeit, eine Wärmenachbehandlung innerhalb eines Laserpulses vorzunehmen. Dies erlaubt eine effektive Anpassung des Laserpulses an die Absorptionsbedingungen des Werkstoffes und eine gezielte Einstellung von Gefügeausscheidungen – und zwar sehr einfach. Denn mit unserem Puls-Editor lässt sich die Kurve der Pulsform durch Ziehen mit der Maus am Bildschirm verändern, und der Laser erzeugt genau diesen individuellen Puls. Hier haben zwar andere Hersteller nachgezogen, allerdings ist nur bei Lasag-Strahlquellen auf diese Art eine komplette Pulsmodulation machbar.“

Diese Möglichkeiten setzt Schunk für besondere Schweißaufgaben ein. Dazu Geschäftsbereichsleiter Michael Schneider: „Edelstahl lässt sich zum Beispiel sehr gut mit einem 8-Peak-Sägezahnpuls schweißen. Andere Formen sind so exotisch, da kommt man nicht so einfach drauf. Wir erzielen damit aber die besten Ergebnisse. Für alle gängigen Materialien stellen wir unseren Kunden die optimale Pulsform zur Verfügung, und wir unterstützen sie bei der Ermittlung optimaler Pulse für exotische Werkstoffe. Derzeit gibt es sehr interessante Projekte beim Schweißen von hochlegierten Stählen und Nickel-Basis-Legierungen. Hier wurden Ergebnisse erzielt, die auch Experten nicht für möglich gehalten hatten.“

Weiterer Unterschied des Lasag-Lasers ist die Pulslänge. Wie Dr. Ronald Holtz erklärt, wurde ein spezieller Laser für Schunk entwickelt, um auch gehärtete Werkstoffe oder Materialien mit höherem Kohlenstoffgehalt rissfrei schweißen zu können. Welche Vorteile dies in der Praxis hat, zeigt das Beispiel der Reparaturschweißungen von Turbinenschaufeln.

Wie Schunk dies in der Praxis nutzt, erklärt Michael Schneider: „Wir haben es nachweislich geschafft, Turbinenschaufeln aus einer Nickel-Basis-Legierung rissfrei zu schweißen, und zwar an Stellen, die momentan noch tabu sind. Wir haben eine sehr geringe Wärmeeinflußzone, keine Aufweitung der Korngrenzen, und wenn man sich das alles unter dem Mikroskop anschaut, freut man sich über das Ergebnis. Die mittlere Leistung des Lasag-Lasers geht bis 220 Watt, die Peak-Leistung bis 7 kW – da kann man schon ordentliche Sachen machen.“ Im Gegensatz zu vielen anderen Systemen wird die Laserenergie bei der PSM 400 übrigens nicht über Spiegel, sondern über eine Faser übertragen. Dies führt zu einem homogeneren Energieverlauf im Spot. Bei Direktstrahllasern ist die Energie sehr stark in der Strahlmitte konzentriert und fällt zum Rand hin deutlich ab. Mit einer Faser­übertragung ist die Energie dagegen deutlich homogener verteilt – mit positiven Folgen für die praktische Anwendung. Dazu Michael Schneider: „Wenn der Bediener den Schweißdraht nicht exakt in der Mitte positioniert, zieht sich der Laserstrahl praktisch den Draht heran und es lassen sich sehr gute Schweißergebnisse erzielen.“

Dass angesichts von so viel Licht auch irgendwo ein Schatten sein muss, sollte nicht nur Laserfachleuten klar sein. Doch viel ist es nicht, was Michael Schneider in diesem Punkt einfällt: „Unser einziges Manko: Die Anlage ist teurer als die Systeme der Wettbewerber. Der Kunde bekommt bei der PSM 400 jedoch deutlich mehr für sein Geld. Dies liegt auch daran, dass wir für die PSM 400 bis hin zum letzten Stecker nur hochwertige Industriekomponenten einsetzen, um die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit möglichst hoch zu halten. Viele Werkzeug- und Formenbauer haben sich deshalb bewusst für unsere Lösung entschieden, denn die Mehrinvestition lohnt sich über die Zeit.“

www.schunk.com

www.lasag.ch