Werkzeugkerne mit Laserenergie generieren

Eine branchenübergreifende Technologie sorgt für effektive Zeit- und Kostenersparnis

Auf der EuroMold 2001 brachte die CONCEPT Laser GmbH, als jüngste Firmentochter der Unternehmensgruppe Hofmann, eine bis dato weltweit einzigartige Laserbearbeitungsanlage auf den Markt. Wir haben in der Special Tooling bereits darüber berichtet. Zielstrebig arbeitet und forscht man an der Weiterentwicklung der Maschine M3 linear und der neuen Technik LaserCUSING. Die kundenorientierten Anwendungsbeispiele aus der Praxis lesen sich schon heute wie eine spannende Erfolgsstory.

Laser in der Materialbearbeitung haben bei Hofmann schon eine lange
Tradition. Genauso wie sich der Lasereinsatz im Prototypenbereich bei Hofmann Modellbau etabliert hat, wird er für Beschriftungs- und Schweißanwendungen bei Hofmann Werkzeugbau genutzt. Ein großer Erfahrungsschatz in der Anwendung von Lasertechnologien hatte sich gebildet, der durch eigene Entwicklungs- und Forschungsarbeiten entscheidend erweitert wurde. Es wurden Ergebnisse erzielt, mit denen sich effektive Verbesserungen in der konventionellen Fertigungskette erreichen ließen, welche die am Markt befindlichen Systeme nicht erlaubten. Diese Erfahrung zu nutzen und zu konkreten Entwicklungs- und Forschungstätigkeiten zu bündeln, machte den Aufbau der neuen Firma CONCEPT Laser GmbH zu einer interessanten Herausforderung.
Von Anfang an war es Zielsetzung, ein Maschinenkonzept zu entwickeln, das die Überwindung der Hürden in den konventionellen Fertigungs-methoden erlaubte ¿ mit Blickrichtung auf die jeweiligen Zielwerkstoffe dieser Bereiche. Darüber hinaus sollten kleinere bis mittlere Betriebe aus dem Werkzeug- und Formenbau in die Lage versetzt werden, eine derartige Anlage auslasten zu können.
 Zur Umsetzung dieser konkreten Entwicklungsvorhaben wurde die CONCEPT Laser GmbH gegründet. Ein hochmotiviertes Team bestens qualifizierter Ingenieure, seit kurzem verstärkt durch den Vertriebsprofi Oliver Edelmann, beschäftigt sich mit der Entwicklung, Produktion und eben dem Vertrieb von Lasertechnologien. Die innovativen Aktivitäten mündeten in der Entwicklung der M3 linear, einer in Modulbauweise konzipierten Laserbearbeitungsanlage. 
 Die Anlage zeichnet sich dadurch aus, dass in einer Maschine drei Technologien der Lasertechnik integriert sind. Man hat hier also nicht einfach am Markt befindliche Lasertechnologien in eine Maschine gepackt, sondern diese weiterentwickelt und entscheidend verbessert. Die einzelnen Techniken werden dabei durch sogenannte Technologie-Module, die in die Anlage eingeschoben und präzise arretiert werden, realisiert:
³ Das Technologiemodul LaserCUSING ist eines der drei Module, mit dem man dreidimensionale Objekte im Schichtbauverfahren erstellen kann.
³ Das Technologiemodul 3D Laserabtragen er-möglicht das Bearbeiten von Werkzeugen und Werkzeugeinsätzen durch schichtweises Entfernen von Material. Das heißt durch Einwirkung des Laserstrahles kann durch Verdampfung des Materials selbst gehärteter Stahl ohne Schwierigkeiten bearbeitet werden. Ein zusätzlicher Lasermess-Sensor reguliert dabei die Ab-tragtiefe auf 20 µm genau.
³ Das dritte sogenannte Beschriftungsmodul gleicht im wesentlichen dem Abtragmodul. Aufgrund der Modularität kann das Beschriftungsmodul je nach Anwendungsfall mit entsprechenden Aufbauten erweitert werden.
 Als Kern der Erfindung gilt die Laser-CUSING-Technik. Mit ihr lassen sich dreidimensionale Werkstücke bzw. Bauteile im Zielwerkstoff herstellen. Der große Vorteil dieser Tech- nologie ist, dass im wesentlichen die Laserstrahlquelle und der sich darunter befindliche Pulverwerkstoff von einander abgekoppelt sind. Auf diese Weise können unterschiedliche Be-reiche, wie Werkzeug- und Formenbau, Maschinenbau, Medizin und Leichtbau mit den ihnen typischen Werkstoffen bedient werden.
 So ist die LaserCUSING-Technik eine ¿branchenübergreifende Technik¿, da Bauteile für jeden dieser unterschiedlichen Anwendungs-bereiche im Originalwerkstoff hergestellt werden können.
 Die wesentlichen Faktoren, mit denen man diese Technik beschreiben kann, sind der schicht-weise Aufbau, das vollständige Umschmelzen des Pulvers mit dem speziell dafür modifizierten Lasersystem, und die dadurch erreichte nahezu 100-prozentige Dichte. Dieser letztgenannte Punkt ist das entscheidende Merkmal des gesam-ten Verfahrens. Mit der nahezu 100-prozentigen Dichte der Bauteile wird das Tor für die unterschiedlichsten Anwendungen geöffnet, da dadurch im Prinzip die Originaleigenschaften des Ausgangs-werkstoffes nahezu erreicht werden. Bauteile im LaserCUSING-Verfahren hergestellt, können unter Originalbedingungen eingesetzt werden. Dies trifft für Werkzeugeinsätze von Serienwerkzeugen im Werkzeug- und Formenbau ebenso zu wie für Maschinenbauteile, die für Prototypenmaschinen bzw. als Ersatzteile für solche Maschinen über Nacht gebaut werden können. Die nahezu 100-prozentige Dichte macht zudem die Herstellung von Werkzeugkernen mit konturangepassten Kühlkanälen möglich. Die früher bestehenden Einschränkungen in der Werkzeuggestaltung in Bezug auf Zykluszeiten gehören nun fast der Vergangenheit an.   Aufgrund dieser günstigen Eigenschaften lassen sich auch alle gängigen konventionellen Bearbeitungen an solchen Bauteilen durchführen (Erodieren, Laser-schweißen, etc.). Durch eine spezielle Belichtungsstrategie und eine weit fortgeschrittene Prozessführung gelingt das ver-zugsarme Bauen von großvolumigen Körpern. Zudem kann aufgrund des modifizierten Strahl-systems und der Strahlführung eine für einen Pulverprozess hohe Bauteilauflösung erreicht werden. Die Ingenieure von CONCEPT Laser arbeiten unter der Prämisse ¿time is money¿ ¿ in jedem möglichen Bereich des Prozesses gilt es, Zeit zu sparen. Eine einzige Sekunde Zeitersparnis, gerechnet auf eine Vielzahl von  Ø
×  Bauteilschichten, macht sich in der gesamten Produktionszeit deutlich bemerkbar.
 Ein Hauptmerkmal des LaserCUSING-Prozesses ist, dass er unter Schutzatmosphäre abläuft. Für diese wesentliche Vorraussetzung gibt es in der Maschine eine nahezu gasdichte Prozesskammer, in welcher der Prozess unter Ausschluss von Sauerstoff abläuft. Das verwendete Inertgas ist dabei Stickstoff mit hohem Reinheitsgrad, bevorzugt wegen
seiner guten Verfügbarkeit und den entsprechenden Preisen.
 Durch Andocken des Technologiemoduls LaserCUSING schließen das Technologiemodul und die nach unten offene Prozesskammer im wesentlichen einen nahezu gasdichten Raum ein, die erste Grundvoraussetzung für den Prozess ist geschaffen. Im Technologiemodul selbst befinden sich nun sämtliche Komponenten, die für den schichtweisen Aufbau der Bauteile benötigt werden. Dies sind die Dosierkammer, die Baukammer und das Beschichtungssystem. Die Dosierkammer bevorratet dabei das einkomponentige Metallpulver und durch Zustellung der Dosier-kammerplatte wird bei jedem Beschichtungsvorgang eine gewisse Menge Pulver zur Verfügung gestellt. Für den Beschichtungsvorgang wurde ein spezielles Beschichtersystem, das im wesentlichen aus zwei sich gegen-überstehenden Klingen besteht, entwickelt. Es erlaubt, bei jedem Verfahrweg Baumaterial in Form von Metallfeinstpulver zu transportieren. Das Baumaterial wird mit gewissen Schichtdicken auf einen Bauteil-
träger, der sogenannten Bauplatte aufgebracht, und den Schichtdaten der Bauteile entsprechend umgeschmolzen. Die Schichtdicken können dabei zwischen 25 und 100 µm variieren, was geometrieabhängig ist.
 Um während des Prozesses den Inertgasverbrauch so gering wie möglich zu halten, wird das Inertgas in einem geschlossenen Kreislauf geführt und die Bearbeitungsstellen entsprechenden gezielt bedüst. Eine technische Raffinesse ist in diesem Technologiemodul das Pulverentleersystem. Bei Prozessende wird die Bauplatte in eine untere Entleerposition verfahren, wo aufgrund der Schwerkraft und der extremen Rieselfähigkeit des Baumaterials, das Metallpulver automatisch und in kürzester Zeit in einen Sammelbehälter fällt. Der Maschinenbediener hat an dieser Stelle keinen Kontakt mit dem Pulver mehr.

Der Nutzen in der Praxis
Die Möglichkeiten, die das LaserCUSING für den Formenbau eröffnet sind, so Dipl.-Ing. Frank Herzog, Geschäftsführer der CONCEPT Laser GmbH, heute noch gar nicht abzusehen. Drei Arten von Formeinsätzen dienen als Beispiele, wie die neue Technologie im Hause Hofmann seit ca. einem Jahr in der Praxis Einsatz findet.

Einsätze für Versuchswerkzeuge
Bei Formeinsätzen für Versuchswerkzeuge liegt der Hauptvorteil in der um vieles kürzeren Durchlaufzeit. Man benötigt keine NC-Program-mierung, keine Elektroden und keine Funken-erosion. Nach der 3D-Konstruktion kann der Formeinsatz über Nacht gefertigt werden.

Formangepasste Kühlkanäle
Der größte Vorteil liegt hier in der völlig freien Auslegung der Kühlkanäle. Man ist in der Lage, die Kanäle der Kontur anzupassen; ihre Form lässt sich beliebig verändern (zum Beispiel von rund in oval), und die Kanäle können im Querschnitt beliebig variieren. Seitens der Technologie sind praktisch keine Grenzen mehr gesetzt. Der einzige Schwachpunkt, den das Verfahren in diesem Bereich momentan noch mit sich bringt, liegt in der ¿Genauigkeit¿: Es entsteht eine Toleranz von ± 5 Hundertstel Millimeter bei kleinen Formeinsätzen und bis zu ± 1 Zehntel Millimeter bei größeren Werkstücken. Die Serien-einsätze werden deshalb zum Teil konventionell nachgearbeitet. Zum Beispiel müssen Ausstoßer-bohrungen nachgerieben oder Tuschierflächen nachgefräst werden. Zur Zeit werden die meisten Einsätze aus dem Material 1.4404 gefertigt. Nennenswerte Erfahrungen wurden mit Warmarbeitsstählen gemacht und sind mit den unterschiedlichsten Materialien in der Erprobung.
Formteile in Mischbauweise
Produkt- und kundenorientierte Versuchsreihen haben zu dem Ergebnis geführt, die Größe der Formeinsätze beim LaserCUSING aus wirtschaft-lichen Gründen auf ca. 150 x 150 mm zu begrenzen. Diese Tatsache
veranlasste zur Herstellung einer dritten Art von Formeinsätzen: Werkstücke werden teilweise konventionell und teilweise mit LaserCUSING produziert. Zunächst fertigt man auf konventionelle Art einen Grundkörper aus Stahl und setzt dann im LaserCUSING-Verfahren den komplizierten Teil mit dem angepasstem Kühlkanal auf. Diese Vorgehensweise hat sich in vielen Fällen als die wirtschaftlichste Lösung erwiesen.
www.concept-laser.de