Dez 23 2017

Höhere Effizienz für die Laserbearbeitung

Die Intensität des Lasers auf die Geschwindigkeit abstimmen:

Ein wichtiges Qualitätsmerkmal bei Laserverfahren ist eine möglichst konsistente Kontur unabhängig vom Formmuster. Bei anspruchsvollen Aufgaben wie Lasermarkierung, Laserschneiden und Lasergravur ist das allerdings nicht immer gewährleistet, vor allem wenn gleichzeitig möglichst hohe Durchsatzraten verlangt werden. (Quelle: ACS/PI)

Die Leistungsfähigkeit präziser, mehrachsiger Positionierlösungen für die Laserbearbeitung hängt sowohl von der Mechanik und der gewählten Antriebsart ab, als auch von deren Ansteuerung. Für eine konsistente Schnittführung beim Laserschneiden beispielsweise gilt es, die Intensität des Lasers und die Geschwindigkeit der bewegten Komponenten präzise aufeinander abzustimmen, um an Ecken möglichst gleichmäßig und mit geringem Zeitverlust zu schneiden. In Kombination mit leistungsfähigen Controllern und intelligenten Algorithmen erfüllen präzise Positioniersysteme heute dafür die Voraussetzungen und ermöglichen Laserbearbeitung mit hoher Genauigkeit bei gleichzeitig hohen Durchsatzraten.

Ein wichtiges Qualitätsmerkmal bei Laserverfahren ist eine möglichst konsistente Kontur unabhängig vom Formmuster.

Bögen lassen sich mit hoher Präzision schneiden. (Quelle: ASC)

Allerdings kann diese bei anspruchsvollen Aufgaben wie Lasermarkierung, Laserschneiden und Lasergravur nicht immer gewährleistet werden, vor allem wenn gleichzeitig möglichst hohe Durchsatzraten verlangt werden. Viele Laserbearbeitungssysteme basieren auf einer Bewegungssteuerung, die den Laser positioniert, während er mit konstanter Leistung und Pulsfrequenz arbeitet. In diesem Fall ist die Schnittqualität von der Bewegung abhängig. Beim Schneiden einer Ecke beispielsweise kann es dann notwendig sein, die Geschwindigkeit des Lasers in Relation zum Werkstück zu reduzieren, um hohe Achsbeschleunigungen bei der Richtungsänderung zu vermeiden. Der Bearbeitungsprozess dauert dadurch länger, der Durchsatz sinkt. Es gibt aber noch weitere Nachteile: Tiefe und Breite der Schnittlinie ändern sich, wodurch die Bearbeitungsqualität leidet. Weitaus praxisgerechter ist es deshalb, die Pulsfrequenz und Intensität des Lasers mit der Bewegung zu synchronisieren, das erhöht allerdings die Anforderungen sowohl an die Ansteuerung als auch an das Positioniersystem.

Clevere Ansteuerung beim Schneiden von Ecken, Bögen und Kreisen

Die Gantry-Systeme mit ihrer hohen Steifigkeit, aber leichten Bewegungsplattformen bieten einen hohen Durchsatz bei geringen Resonanzen. Kabelmanagement und Bedienung sind dahingehend optimiert, dass vertikale Bewegungsachsen, Autofokus-Sensoren und ein Zuführsystem für den Laser ergänzt werden können. (Quelle: PI)

Als Lösungsanbieter für Antriebstechnik und Positioniersysteme hat Physik Instrumente (PI, vgl. Firmenkasten) sich dieser Herausforderung gestellt. Zusammen mit ACS Motion Control kann PI heute Komplettsysteme für die industrielle Laserbearbeitung aus einer Hand anbieten, die sowohl hohe Qualität als auch hohe Durchsatzraten ermöglichen. Die ACS-Controller für die hochgenauen Positioniersysteme unterstützen sowohl ein positions- als auch geschwindigkeitsabhängiges Lasertriggern. Daher lassen sich Bewegung und Laserpulse beim Schneiden von Ecken, Bögen, Kreisen und komplexen Mustern optimal aufeinander abstimmen.
Der konsistente Abstand zwischen den Laserpulsen entlang des Pfads und die Leistungsregulierung bestimmen die Qualität der Schnittlinie. Ein optimierter Algorithmus im Controller synchronisiert die Bewegung des Werkstücks so mit den Laserpulsen, dass der Abstand benachbarter Punkte und deren Größe bei Mustern wie Bögen und Kreisen konstant bleiben. Der Algorithmus vermeidet die Ungenauigkeiten, die durch mögliche Diskontinuitäten im Beschleunigungsverhalten beim Bogenfahren, verursacht werden. Rundheit und Bogenschnitt sind somit nicht mehr von den Bewegungsparametern abhängig.

Präzise Positioniersysteme für unterschiedliche Anwendungen

Der besonders flache von magnetischen Direktantrieben bewegte, luftgelagerte Planartisch A-311 spart Platz in Maschinen mit begrenztem Bauraum. (Quelle: PI)

Die mechanischen Komponenten in den Positioniersystemen für die Laserbearbeitung müssen verzögerungsfrei auf die entsprechenden Controller-Befehle reagieren und auf hohe Beschleunigungen und Reproduzierbarkeit sowie geringe thermische Ausdehnung ausgelegt sein. PI stellt verschiedene Antriebssysteme her und kann Knowhow zu den unterschiedlichen Anforderungen laserbasierter Anwendungen zur Verfügung stellen:
Die Gantry-Systeme mit ihrer hohen Steifigkeit, aber leichten Bewegungsplattformen bieten einen hohen Durchsatz bei geringen Resonanzen. Kabelmanagement und Bedienung sind dahingehend optimiert, dass vertikale Bewegungsachsen, Autofokus-Sensoren und ein Zuführsystem für den Laser ergänzt werden können. Das Design ermöglicht es zudem, die zu bearbeitenden Teile im Stillstand zu halten und nur den Laser samt Optik zu bewegen. Die von PI eingesetzten Absolutencoder erleichtern die Systeminitialisierung, denn mit ihnen ist nach dem Einschalten keine Referenzfahrt erforderlich.
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Der Präzisions-Kreuztisch bietet hohe Ablaufgenauigkeit, Stabilität und hohe Geschwindigkeiten. (Quelle: PI)

Der besonders flache, von magnetischen Direktantrieben bewegte, luftgelagerte Planartisch A-311 arbeitet über den gesamten Stellweg von 200 x 200 mm mit einer Wiederholgenauigkeit von ±0,05 µm. Sein kompakter Aufbau spart Platz in Maschinen mit begrenztem Bauraum. Er wird von einem eisenlosen magnetischen Direktantrieb angetrieben, der hohe Geschwindigkeiten und Beschleunigungen ermöglicht. Die Antriebskraft ist einstellbar, lässt sich also an die Anwendung anpassen.
Ebenfalls für Laserschneidanwendungen gut geeignet ist der als Kreuzrollentisch aufgebaute Positionierer der Baureihe V-731. Er bietet eine Wiederholgenauigkeit von 0,1 µm und die kleinste Schrittweite beträgt 0,02 µm. Seine dreiphasigen Linearmotoren kommen ohne zusätzliche Mechanik aus und treiben die Plattform direkt und ohne Reibung an. Damit sind hohe Geschwindigkeiten möglich.
Für hohe Geschwindigkeiten und Beschleunigungen bietet PI auch eine neue Serie von Linearachsen, die für Lasten bis 1.000 N ausgelegt sind und einfach zu XY-Aufbauten montiert werden können.

EtherCAT Laser-Steuermodul

Die neue Serie von Linearachsen ist für Lasten bis 1.000 N ausgelegt und kann einfach zu XY-Aufbauten montiert werden. (Quelle: PI)

Besonders gute Ergebnisse bei der Lasermikrobearbeitung lassen mit einem von ACS speziell für diesen Anwendungsbereich entwickelten Steuermodul erreichen. Es ermöglicht eine direkte Steuerung der Laserquelle, um Präzision und Durchsatz zu erhöhen. Das EtherCAT-Slave-Modul der LCMv2-Serie bietet eine breite Palette von Funktionen, einschließlich der digitalen Pulsmodulation für dynamische Leistungsregelung, Ausgangsimpulse oder Gating-Signale (Ein/Aus-Signale), die auf Positionen entlang eines zwei- bis sechsdimensionalen Bewegungspfades oder programmierbare Betriebszonen etc. synchronisiert sind. Über universelle elektrische Schnittstellen kann das Steuermodul praktisch jeden Laser steuern. Neben dem Hochgeschwindigkeits-Lasersteuersignalausgang verfügt das Modul über einen speziellen Sicherheitsverriegelungseingang, einen Fehlereingang und einen Freigabeausgang. Zusätzlich stehen acht digitale I/Os für laserspezifische Funktionalitäten zur Verfügung.
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Fazit

Die Lösung aus Positioniersystem, Controller und Lasermodul hat sich im praktischen Einsatz bei Laserintegratoren, Endanwendern und in Forschungsinstituten bereits bewährt. Beim Schneiden von komplexen Pfaden hat sie bewiesen, dass ein fein abgestimmtes Bewegungssystem, bei dem Bewegung und Laserpulse synchronisiert sind, zu hochwertigen Laserschnittergebnissen führt.

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Autorinnen

Dipl. Geogr. Doris Knauer (Bild 7), Fachredakteurin bei Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG

Autorin: Ellen-Christine Reiff, Redaktionsbüro Stutensee

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Physik Instrumente (PI)
Das Unternehmen Physik Instrumente (PI) ist für die hohe Qualität seiner Produkte bekannt und nimmt seit vielen Jahren eine Spitzenstellung auf dem Weltmarkt für präzise Positioniertechnik ein. Seit über 40 Jahren entwickelt und fertigt PI Standard- und OEM-Produkte mit Piezo- oder Motorantrieben. Eine kontinuierliche Entwicklung neuartiger Antriebskonzepte, Produkte und Systemlösungen und über 200 Technologiepatente kennzeichnen heute die Unternehmensgeschichte. Dabei entwickelt, fertigt und qualifiziert PI alle Kerntechnologien selbst: Von Piezokomponenten, -aktoren und -motoren und magnetischen Direktantrieben über Luftlager, Magnet- und Festkörperführungen bis hin zu Nanometrologie-Sensoren, Regeltechnik und Software. PI ist dadurch von den am Markt verfügbaren Komponenten unabhängig, um seinen Kunden die fortschrittlichsten Lösungen anzubieten. Die hohe Fertigungstiefe ermöglicht dabei eine vollständige Prozesskontrolle, um flexibel auf die Marktentwicklungen und neue Anforderungen zu reagieren. Durch die Übernahme der Mehrheitsanteile an ACS Motion Control, einem weltweit führenden Entwickler und Hersteller modularer Motion Controller für mehrachsige Antriebssysteme, kann PI außerdem maßgeschneiderte Komplettsysteme für industrielle Anwendungen liefern, die höchste Präzision und Dynamik fordern. Mit vier Standorten in Deutschland und fünfzehn ausländischen Vertriebs- und Serviceniederlassungen ist die PI Gruppe international vertreten.

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