Gelaserte Spanleitstufen

Von Franz J. Gruber Die Wendt GmbH aus Meerbusch braucht man an dieser Stelle nicht weiter vorzustellen: Als weltweit einziger Systemlieferant im Sektor Hartstoffzerspanung entwickelt, produziert und vertreibt das Unternehmen Schleifmaschinen und Schleifwerkzeuge aus einer Hand. Die hochpräzisen Maschinen, die für etwa ein Viertel des Geschäftes der Wendt Group stehen, gehören zum Premiumsegment in Sachen Schleifen. Mit einer echten Weltpremiere sorgte Wendt auf der EMO jedoch mit einem anderen Bearbeitungsverfahren für Aufsehen: Mit der Spectra 820 präsentierte Wendt eine Laserbearbeitungsmaschine zur Erzeugung komplexer 3D-Konturen in Hartstoff-Wendeschneidplatten. Genauer: Es geht um die Erzeugung von Spanleitstufen.

Die Wendt Group ist mit gut 1.000 Mitarbeitern und weltweiten Produktionsstandorten längst ein Global Player mit Produkten rund um die Schleiftechnik. Automobil-, Zuliefer-, Glas- oder die Werkzeugindustrie schätzen die Produkte von Wendt, deren bekannteste Vertreter wohl Diamant- und CBN-Schleifscheiben in allen möglichen Korngrößen, Spezifikationen und Größen sind, schon seit mehr als 80 Jahren. Gut drei Viertel des Geschäftes werden mit Schleifwerkzeugen generiert. Ebenso bekannt sind jedoch die hochpräzisen Schleifmaschinen, die am Hauptsitz in Meerbusch entwickelt und gefertigt werden. Dr. Ralf Egger, Leiter Machine Development bei Wendt, spricht jedoch lieber von Schleifzentren, als von -maschinen: „Wir verstehen uns als Systemanbieter und bieten neben den Maschinen, der Werkzeugtechnik und der Prozessauslegung auch die gesamte Peripherie, von der Kühlmittelaufbereitung bis hin zur Absauganlage.“ Ähnlich wird das auch beim jüngsten Kind der Wendt-Entwickler sein, der Laseranlage namens Spectra 820. Mit der kompletten Neuentwicklung ergänzt Wendt sein Produktprogramm der Umfangs- und Planschleifmaschinen um das neue Anwendungsfeld der Laserbearbeitung. Die Maschine, die auf der EMO ihre Weltpremiere feierte, ermöglicht es, komplexe 3D-Strukturen in Hartstoff-Wendeschneidplatten einzubringen. Konkret geht es um komplex geformte dreidimensionale Spanleitstufen in Wendeschneidplatten aus den Hartstoffen PKD und CBN, aber auch in Hartmetall, Cermet und Keramik. Für alle Hersteller von Wendeschneidplatten sind Spanleitstufen ein zentrales Thema, schließlich soll bei der spanenden Bearbeitung optimaler Spanfluss beziehungsweise Spanbruch gewährleistet sein. Folgerichtig hat Wendt mit den Laseraktivitäten letztlich auf die Anforderungen des Marktes reagiert – die Kunden kaufen die Schleifmaschinen aus Meerbusch, fragen aber zunehmend nach der Laserbearbeitung. Dr. Ralf Egger weiß: „Viele unserer Kunden wollen insbesondere in PKD-Schneidplatten Spanleitstufen einbringen und es gibt bislang kein wirtschaftliches Verfahren hierfür. Das Erodieren rechnet sich aufgrund des hohen Personalaufwands und großen Elektrodenverschleißes nicht und ist zudem nur schwierig zu automatisieren. Mit dem Laser bietet sich die Chance, ein sehr flexibles Verfahren in der Hand zu haben, das selbst im Kleinserien- und Prototypenbereich wirtschaftlich einsetzbar ist.“ Für das Team um Dr. Egger ist die Laserbearbeitung ein komplett neues Produktfeld und so wundert es nicht, dass man in Meerbusch die Gelegenheit genutzt hat, um ein von Grund auf neues Konzept zu entwickeln – allerdings mit dem Background eines Herstellers hochpräziser Maschinen, was den Anspruch von vornherein sehr hoch geschraubt hat. Vor dem Hintergrund jahrelanger Marktkenntnis wurde eine Evaluation durchgeführt, um alle Möglichkeiten der Lasermaterialbearbeitung im Umfeld der Wendt-Aktivitäten zu beleuchten. An dieser Stelle sei nur kurz erwähnt, dass es eine ganze Reihe interessanter Laserapplikationen sind, die für Wendt von Interesse sein können. Angefangen vom Abtragen, über das Formerzeugen (zum Beispiel von PKD-Profilplatten) und die Oberflächenstrukturierung bis hin zu RP-Verfahren reicht das Spektrum, für das sich Dr. Ralf Egger Laser-Engagement von Wendt vorstellen kann. Immer geht es dabei um typische Werkzeug-Werkstoffe, wie Keramik, Hartmetall, Cermet und insbesondere natürlich CBN und PKD. Dr. Egger: „Wir fokussieren uns zunächst auf das Thema 3D-Konturen, also die Erzeugung von Spanleitstufen, Schutzfasen, Spannmulden oder Serrations. Hier ist der Markt vorhanden und der Bedarf unserer Ansicht nach derzeit am größten.“ Dabei ist nicht nur die Erzeugung der Schneidplatte, sondern beispielsweise auch der zur Pressstempelfertigung eingesetzten Elektrodenform beziehungsweise des Pressstempels selbst hochinteressant. Es geht letztlich um einen Abtragsprozess via Laser und die Methodik ist schnell erklärt. Dr. Egger: „Unser Verfahren beruht auf einem mäanderförmigen Abzeilen der Oberfläche. Wir oszillieren sehr schnell in Y-Richtung und stellen in X-Richtung zu – bis eine Oberflächenschicht bearbeitet ist. Danach wird der Fokus nachgestellt und die nächste Schicht erzeugt, bis die gewünschte Kontur erreicht ist.“ Der Laserstrahl bleibt dabei aus Gründen der Genauigkeit ganz bewusst unbewegt – die Werkstückbewegung wird in den Linearachsen mit Direktantrieben durchgeführt. Dabei übernehmen die Achsen auch Mess- und Handlingaufgaben. Wenn wir uns die Spectra 820 näher ansehen, so ist sie im Grunde nichts anderes als die konsequente Umsetzung der Marktanforderungen. Es geht um hohe Genauigkeit, hohe Produktivität und größtmöglichste Produktionskapazität. Last but not least ist hohe Bedienerfreundlichkeit ein zentrales Thema – aber das ist für Wendt-Maschinen nichts Neues. Für die hohe Genauigkeit kann Wendt eine gehörige Portion Maschinenbau-Kompetenz einbringen. Das fängt an bei der mechanischen Stabilität, also einem massiven Granitgestell in Portalbauweise, auf dem die Achsen und der Laser angebracht sind, und einer sehr soliden Grundkonstruktion. Über sieben Tonnen bringt die Maschine auf die Waage. Auch die Direktantriebe versprechen neben kurzen Zykluszeiten ein Plus an Genauigkeit. Die mit Linearmotoren ausgerüsteten Achsen des Werkstückkreuztischs haben extrem hohe Beschleunigungen: So erreicht die X-Achse 1,5 g; die Y-Achse sogar 3 g. In einer weiteren Ausbaustufe sollen später auch rotatorische Achsen optional angeboten werden, um das Werkstück zu schwenken. Insgesamt zeigte sich das Premierenkind in Hannover unter der Kategorie „Maschinenbau vom Feinsten“. Der Maschinenbau ist es aber nicht alleine. Die hohen Genauigkeitsanforderungen fordern auch die eingesetzte Laserstrahlquelle. Dr. Egger: „Was wir für das Verfahren brauchen, ist eine überragende Strahlqualität, um kleine Strukturen zu bearbeiten. Wir arbeiten mit Fokusdurchmessern zwischen 20 und 50 µm. Darüber hinaus wollen wir eine möglichst geringe thermische Beeinflussung des Materials, das heißt, wir wollen kurze Pulse haben, die im Nanosekundenbereich liegen.“ Die Laserparameter sind für das Verfahren entscheidend und letztlich müssen sie auf das zu bearbeitende Material angepasst werden. Mit einem Neodym-YAG-Laser wurden die Wendt-Spezifikationen bis ins Detail getroffen. Der eingebaute Festkörperlaser wurde speziell für die Bedürfnisse im industriellen Maschinenbau mit unterschiedlichsten Umgebungsbedingungen entwickelt. Der diodengepumpte Festkörperlaser arbeitet mit einer Wellenlänge von 1.064 nm und mit extrem kurzen Pulslängen. Dies führt zum kühlen Bearbeiten ohne Wärmebeeinflussung des Werkstücks. Die Kombination von höchster Strahlqualität des Lasers, sehr guter Puls-zu-Puls-Stabilität und präziser Fokussierung erlaubt es, sehr hohe Genauigkeiten am Werkstück abzubilden. Die Wirtschaftlichkeit wird durch hohe Pulsfrequenzen und dadurch bedingte, hohe Abtragsraten gewährleistet. Zur Wartungsfreundlichkeit trägt die lange Lebensdauer der Leistungselemente des Lasers bei, die im Feld getauscht werden können. In enger Zusammenarbeit mit dem Laserhersteller wurden Versuchsreihen mit unterschiedlichen Laserleistungen und Wellenlängen durchgeführt, um schließlich den Nd-YAG-Laser für die Aufgabe zu qualifizieren. Dr. Ralf Egger bringt es auf den Punkt: „Was wir vom Laserhersteller erwarten, ist letztlich ein solider und industrietauglicher Laser. Dabei wollen wir größtmögliche Einflussmöglichkeiten auf die Strahlquelle haben.“ Nicht zuletzt deshalb, weil je nach Material oder gewünschter Oberflächenqualität die Parameter variieren. Egger: „Wir wollen den Strahl beeinflussen können, um gezielte Dinge erreichen zu können. Genau das bietet uns der Laser, abgesehen von den hervorragenden Strahl- und Pulseigenschaften.“ Aber das sind letztlich Interna – den Anwender brauchen die technischen Details der Strahlquelle nicht so sehr zu interessieren, wie das, was sie zu leisten vermag. Viel wichtiger im Alltag einer Spectra ist für den Kunden das Thema Produktivität und Kapazität – einer Maschine wie dieser ist es vorherbestimmt, an sieben Tagen die Woche rund um die Uhr zu arbeiten. Neben einer nahezu wartungsfreien Strahlquelle geht dies kaum ohne Automatisierung. Daher ist es gut zu wissen, dass die Maschine sich problemlos in den Materialfluss von Schleif- und Verpackungsmaschinen einbinden lässt. Verschiedene Handlinglösungen erlauben das zuverlässige automatische Be- und Entladen der Werkstücke aus Paletten. Auf der EMO wurde zunächst eine Handlinglösung mit der Werkstückpalette im Arbeitsraum gezeigt. Die Palette ist auf dem Palettenwagen angeordnet, der sich von den Bearbeitungsachsen unter den Werkstückgreifer verfahren lässt. Mit dieser einfachen und kostengünstigen Lösung werden automatisiert Werkstücke aus der Palette zu- und abgeführt. Kurze Rüstzeiten werden durch ein modulares Werkstückspannsystem erzielt. Die Maschine besitzt die bewährte industrielle Steuerungs- und Antriebstechnik und die von den Wendt-Maschinen bekannte ergonomische Bedienoberfläche. Für optimale Ergonomie des Bedieners sorgt der integrierte 3D-CAD/CAM-Postprozessor. Aus dem 3D-Werkstückmodell des Kunden generiert er den Bearbeitungscode. In Kombination mit der grafischen Bedienoberfläche von Wendt können auf diese Weise rasch Programme auch für komplexe Konturen erzeugt werden. Bleibt zuletzt die Frage nach den Markterwartungen, die man im Hause Wendt hat. Dr. Ralf Egger rechnet mittelfristig mit 10 bis 25 Maschinen pro Jahr, bemerkt aber, dass letztendlich der Marktbedarf in diesem neuen Produktfeld nur schwer zu quantifizieren ist. Tatsache ist, dass sich für die Erzeugung von Spanleitstufen in PKD-Wendeschneidplatten mit der Laserbearbeitung eine wirtschaftliche Alternative anbietet, die mehr und mehr nachgefragt wird. Hinzu kommt, dass das Verfahren auch für andere Materialien hochinteressant ist. Noch werden beispielsweise bei Hartmetall die Spanleitstufen oftmals gesintert – aber das muss ja nicht so bleiben.

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