Laser wird hoffähig

Die Metaller-Regel “Dreimal messen, einmal abschneiden” scheint einerseits überholt, stehen doch verschiedene Verfahren zum Materialaufbau zur Verfügung. Auf der anderen Seite steigt der Änderungsbedarf bei Formen und Werkzeugen an. Ständig engere Toleranzvorgaben und höher geschraubte Qualitätsanforderungen verkürzen die Einsatzdauer bis zum Erreichen einer kritischen Verschleißgrenze. Zudem häufen sich die Situationen, wo Geometrieanpassungen auch nach Fertigstellung des Serienwerkzeugs erforderlich werden. Außerdem schleichen sich ungeachtet aller Raffinessen heutiger CAD/CAM-Programme, immer wieder Fehler ein. So stellt sich oft beim Zusammenbau oder gar erst bei der Bemusterung einer Form heraus, dass Material “fehlt”, weil beispielsweise der falsche Fräser am richtigen Platz im Werkzeugmagazin gesteckt hatte.

“Bei der Instandsetzung von Formen setzen wir den Laser mit gutem Erfolg ein”, sagt Horst Klein, Inhaber eines CNC-Fertigungsbetriebs in Velbert. Er erhalte zahlreiche Instandsetzungsaufträge für Formen und Werkzeuge aus dem Umland, hauptsächlich für Stahlformen, seltener auch mal für solche aus Aluminium. Kunden sind größtenteils Formenbauer sowie Instandhaltungsabteilungen von Druck- oder Spritzgießereien. Das Laserverfahren sei im Vergleich zum ebenfalls angebotenen WIG-Schweißen wesentlich schonender für die Formen. Dadurch eröffneten sich ganz neue Märkte, weil jetzt auch solche Anwender über Reparaturen nachzudenken beginnen, die das Schweißen an Formen früher aus Qualitätsgründen strikt abgelehnt hatten. Zeitdruck sei bei solchen Aufgaben fast schon die Regel; oft wolle der Kunde das Werkzeug gleich wieder mitnehmen. Dies zwinge ihn zu umfangreicher Vorratshaltung bezüglich der verwendeten Drahtlegierungen, was recht teuer sei, da manche dieser Spulen einige 100 Euro kosteten. Wenn es schnell gehen solle, müsse er jedoch die gesamte Bandbreite an Materialien in ausreichender Menge vorrätig halten.
“Je kleiner der Fehler, desto geeigneter der Laser”, weiß Dipl.-Phys. Dr. Thomas Renner, Leiter Innovation und Marketing der Firma Rofin Baasel Lasertech in Starnberg. Für den Bereich Werkzeug- und Formenbau stellt das Unternehmen Lasersysteme und -anlagen sowohl für das Auftragsschweißen als auch für die abtragende Bearbeitung her. Beim Laserauftragsschweißen wird der Schweißzusatz als dünner Draht von Hand zugeführt und - zusammen mit einem sehr kleinen Bereich der Werkstückoberfläche - durch kurze Laserimpulse aufgeschmolzen. Wesentlicher Vorteil des Verfahrens ist der äußerst geringe Wärmeeintrag ins Grundmaterial. Damit gibt es keine Einbrandkerben, keinen Verzug und kaum das Risiko, dass die Form “klingelt” - Fachjargon für einen Riss bekommen. Zudem erreichen die aufgetragenen Schichten aufgrund der schnellen Abkühlung hohe Härten von bis zu 60 HRC. Die Nachfrage nach Lasersystemen habe in jüngster Zeit sprunghaft zugenommen: Jetzt beginne sich die seit Jahren konsequent betriebene Vorarbeit auszuzahlen.
Die beim Laserauftrag verwendeten Drähte sind recht dünn - im Bereich von 100 µm bis etwa 1 mm. Dementsprechend gering ist auch die Dicke der pro Arbeitsgang aufgetragenen Schicht. Wenn mehr “Fleisch” aufgetragen werden muss, so werden mehrere Lagen übereinander gelegt. Eine solche Reparatur kann deshalb ohne weiteres einige Stunden dauern. Dennoch, so T. Renner, ergebe sich gegenüber dem herkömmlichen WIG-Schweißen ein Zeitvorteil, da die Zeiten für Aufheizen und Abkühlen entfallen und die mit dem Laser aufgetragene Schicht in vielen Fällen nicht mehr nachgefräst, sondern nur noch leicht geglättet werden müsse. Zu den Besonderheiten der angebotenen Geräte gehört ein spezieller Resonator, der die Bearbeitung auch hochreflektierender Metalle wie z.B. Kupfer ermöglicht. Angeboten werden drei Systeme - eine Anlage für kleinere Werkstücke mit geschlossener Kabine, ein Handarbeitsplatz für Werkstücke bis etwa 350 kg und ein offenes System mit fasergekoppeltem Laser für Schweißungen an beliebig großen Werkstücken.
“Der Laser ist die Fortsetzung des WIG-Schweißens zum Feinen hin”, erläutert Dipl.-Phys Hans-Jürgen Penser, Geschäftsführer der Alpha Laser GmbH in Puchheim. Das von ihm mit gegründete Unternehmen ist seit 1998 als Hersteller von Lasersystemen für das Auftragschweißen im Werkzeug- und Formenbau aktiv. Bei den Anlagen handelt es sich um gepulste Nd:YAG-Laser mit Leistungen bis zu 150 W mit direktem Strahlengang ohne Einsatz von Lichtleitfasern. Neben einem geschlossenen System für Werkstücke bis etwa 400 kg bietet man auch eine offene Anlage mit Dreh-Schwenktisch sowie ein offenes Mobilsystem für den Einsatz z.B. an Großformen vor Ort an. Diese Geräte verfügen über einen geschlossenen Kühlkreislauf und brauchen keine externe Kühlwasserzufuhr. Besonderen Wert legt man bei Alpha Laser auf eine ausgereifte Ergonomie: Das sei bei solchen Reparaturen besonders wichtig, weil dabei stundenlange Konzentration erforderlich ist. Deshalb habe man bei der Entwicklung den Rat erfahrener Schweißtechnik-Fachleute eingeholt.
Von den Wattzahlen gängiger Laserschweißanlagen darf man sich bei der Bewertung übrigens nicht beeinflussen lassen: “Bei diesem Verfahren geht es nicht darum, viel Wärme einzubringen, sie muss vielmehr zeitlich und örtlich genau dosiert werden”, verrät H.-J. Penser. Da der Impuls nur Millisekunden dauere, komme man auf Impulsleistungen von einigen kW bis über 10 kW. Diese Impulsenergie sei darauf abgestimmt, eine bestimmte Menge Material aufzuschmelzen und sofort wieder abkühlen zu lassen, ohne den Rest des Werkstücks unnötig zu erwärmen. Die schnelle Erwärmung und Abkühlung erzeuge besonders günstige Eigenschaften der aufgetragenen Schicht, insbesondere eine hohe Härte.
“Größere Werkzeuge für das Druck- oder Spritzgießen wiegen oft etliche Tonnen. Bei ihrer Reparatur ist Mobilität daher Trumpf”, weiß Dipl.-Ing. Shervin Rahimi, Leiter Prozessentwicklung der O.R. Lasertechnologie GmbH in Dieburg. Das Unternehmen bietet Dienstleistungen im Bereich Laserauftragsschweißen an. Neben den reinen Kostenaspekten spielt hierbei auch die Zeit eine entscheidende Rolle, denn das enge Zeitraster heutiger Produktionsplanungen lässt wenig Raum für aufwendige und zeitraubende Transporte. Speziell mit Blick auf solche Einsatzfälle entwickelte das Unternehmen ein automatisiertes, robotergestütztes Verfahren mit der Bezeichnung Rolap. Vom Prinzip her handelt es sich um eine Weiterentwicklung des vom Fraunhofer Institut für Produktionstechnologie (IPT) in Aachen vorgestellten CMB-Verfahrens zum Auftrag von Pulver mit Hilfe eines Lasers. Herausragender Vorteil im Vergleich zum Auftragschweißen von Draht ist die wesentlich größere Volumenleistung: Bei Rolap kann diese nach Angaben des Unternehmens bis zum Faktor 50 höher liegen. Dabei stünden beide Verfahren nicht im Wettbewerb, sondern ergänzten sich. Die Entscheidung hänge letztlich davon ab, was wichtiger sei, Volumen oder Feinheit. Neben dem Rolap-System setzt man bei O.R. Lasertechnologie auch stationäre und mobile Systeme für das manuelle Laserauftragschweißen von Draht ein. Vorteile seien hierbei vor allem die Präzision bei feinen Arbeiten und dünnen Schichten sowie die bessere Zugänglichkeit bei engen Geometrien.
“Das Laserauftragsschweißen hat sich innerhalb von wenigen Jahren etablieren können”, sagt Christian Frank, Geschäftsführer der DSI Laser-Service GmbH in Maulbronn. Das Unternehmen bietet sowohl Anlagen als auch Dienstleistungen und Schulungen wie zum Beispiel “Laser-Basic” im Bereich des Laserauftragsschweißens an. Weitere Einsatzbereiche sind Laserhärten sowie Laserbeschriften. Wichtigste Vorzüge des Lasers im Vergleich zum WIG- oder Plasmaschweißen, so C. Frank, seien Geschwindigkeit, Feinheit und Materialschonung, weil die Werkzeuge nicht aufgeheizt werden müssen, was bei großen Formen etliche Tage in Anspruch nehmen kann. Weitere Vorteile ergeben sich durch verringerten Nacharbeitsaufwand und Entfall von Verzug. Angesichts heutiger just-in-
time-Anforderungen könne der Geschwindigkeitsvorteil des Laserverfahrens gerade bei großen Formen die Kostendifferenz zum WIG-Schweißen mehr als wettmachen.
Die Leistung heutiger Systeme, die etwa 40.000 bis 70.000 Euro kosten, liege zwischen 50 und 150 Watt. Entscheidend sei dabei die Spitzenleistung innerhalb eines Impulses. Damit könne man Drähte mit Durchmessern bis zu 0,8, teilweise sogar bis zu 1,0 mm verarbeiten. Das Verfahren eigne sich auch für empfindliche Werkstoffe wie zum Beispiel nitrierte Stähle. “Der Laser tut allerdings nichts von selbst”, verrät C. Frank. Solche Aufgaben seien schweißtechnisch nicht unproblematisch und erforderten viel Know-how. Deshalb gehe er davon aus, dass sich mit dem rasanten weiteren Vormarsch des Lasers ein Nebeneinander von eigengenutzten Laserplätzen und hoch qualifizierten Dienstleistern für anspruchsvolle Sonderaufgaben einpendeln werde.

www.hklein-tec.de
www.rofin.com
www.alpha-laser.de
www.dsi-lsaser-service.de
www.or-laser.de