Die photonische Produktion hat sich zur. Neue Impulse in der UKP-Maschinentechnik

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1 10 l S P E C I A L l M I K R O L A S E R B E A R B E I T U N G Neue Impulse in der UKP-Maschinentechnik Um das Potenzial der Laserbearbeitung mit Ultrakurzpulslasern auszuschöpfen, steht ein neues Maschinensystem für die Prozessentwicklung und Bauteilfertigung bereit. Dabei sorgt die Integration von Messtechnik und flexibler Strahlformung für durchgängige PROZESSKETTEN und ebnet den Weg zur photonischen Produktion von morgen. Verbreitung der Lasertechnik gesehen und unter dem Begriff Photonik 4.0 vereint. Bild 1. Das Maschinensystem RDX1000fbs der neuen Generation für die UKP-Materialbearbeitung mit High-Power-Laser, Strahformungs - system Flexible Beam Shaper und maschinenintegrierter Messtechnik zur Entwicklung neuer Laserprozesse STEPHAN EIFEL UND JENS HOLTKAMP Die photonische Produktion hat sich zur Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts entwickelt. Ein Teil der Prozesskette war dabei von Beginn an digital, insbesondere das Datenhandling und die Datenverarbeitung vom CAD-Modell bis zur Ansteuerung der Maschinenkomponenten. Durch zusätzliche maschinen - integrierte Messtechnik zur Vermessung der Bauteile, Condition-Monitoring-Systeme, neue Bearbeitungsoptiken und weitere Peripheriegeräte ergeben sich neue Herausforderungen bei der intelligenten Vernetzung der Komponenten und der Durchgängigkeit der digitalen Prozessketten. Diese werden als Voraussetzung für eine weitere Anforderungen an die UKP-Maschinentechnik In den vergangenen Jahren hat sich der Markt für UKP-Prozesse deutlich weiterentwickelt, sodass eine zunehmende Anzahl an Maschinenbauunternehmen entsprechende Systeme anbietet. Diese Maschinen bestanden bis vor einiger Zeit über - wiegend aus Standard-Systemkomponenten und Softwareroutinen, die denen der bekannten Systeme für gepulste oder CW-Laserprozesse gleichen. Häufig erfordern neue UKP-Anwendungen allerdings die Entwicklung von prozessangepasster Systemtechnik, um die geforderten Qualitäten und Zykluszeiten zu erreichen. Dafür sind neben der Hardware auch entsprechende Softwarepakete sowie eine geeignete Messtechnik notwendig, um die Einrichtprozesse zu erleichtern und robuste Prozesse zu gewährleisten. In Teilen hat dies in der Vergangenheit bereits dazu geführt, dass neue System- und Softwareansätze entwickelt wurden und inzwischen kommerziell verfügbar sind. Dabei hat sich neben der Software vor allem auch die eingesetzte Systemtechnik weiterentwickelt, sodass für bestimmte Anwendungen beispielsweise Maschinen mit speziellen Bohr- oder Schneidoptiken zur Verfügung stehen. Das Unternehmen Pulsar Photonics geht mit der Entwicklung und der Inbetriebnahme der RDX - Maschinenserie einen Schritt weiter hin zu einer uni versellen Plattform für die Laser-Mikromaterial - bearbeitung (Bild 1). Diese nähert sich in Bezug auf > KONTAKT HERSTELLER Pulsar Photonics GmbH Herzogenrath Tel info@pulsar-photonics.de MIKROvent, Mainburg MIKROPRODUKTION 03/17

2 S P E C I A L l 11 Laser-Scan-Kopf für höchste Ansprüche excelliscan Bild 2. Innenraum der RDX1000fbs mit Topografie - sensor TM-R2 zur präzisen 3D-Bauteilvermessung Produktivität und Komplexität einer konventionellen mechanischen Bearbeitung an, behält aber gleich - zeitig die Vorteile der UKP-Bearbeitung bei: höchste Präzision bei gleichzeitiger Materialunabhängigkeit. Der Schlüssel hierfür liegt darin, die Komplexität in der Bedienung einer UKP-Maschine deutlich zu reduzieren und gleichzeitig deren Anwendungsvielfalt zu erhöhen. Mit der neuen Lasermikrobearbeitungsmaschine RDX1000 geht Pulsar Photonics zudem einen großen Schritt in Richtung Photonik 4.0. Entwickelt aus der Sicht von Anwendern, ist durch die Kombination von Ultrakurzpuls-Lasertechnik und prozessspezifischer Software eine Maschinenserie zur Lasermikrobearbeitung von Metall, Glas- sowie Keramikwerkstoffen entstanden. Neben reinen Fertigungsaufgaben können damit auch völlig neue Laserprozesse für die High-Power-UKP-Bearbeitung entwickelt und ausgeführt werden. Die wesentlichen Komponenten der Maschine sind ein High-Power-UKP-Laser, ein hochleistungstaugliches Strahlformungssystem auf Basis eines Spatial-Light-Modulators sowie maschinenintegrierte Sensorik zur Topografiemessung und zum Condition Monitoring. Datenverarbeitung zur vereinfachten Bedienung Mit der Anwendungsvielfalt der UKP-Laserbearbeitung steigt auch die Anzahl der benötigten Soft- und Hardwaretools, um aus einem CAD-Modell ein Serien bauteil herstellen zu können. Besonders in der Datenverarbeitung ist eine durchgängige Prozesskette ein immer wichtigeres Merkmal einer UKP-Maschine. Dabei soll die Software alle Schritte der CAD/CAM-Kette von der Modellbildung über die Prozessentwicklung bis hin zur Bauteilqualifizierung abdecken, ohne dass Informations- oder Zeitverluste an den jeweiligen Schnittstellen entstehen. Viele aktuell verfügbare Lösungen decken dabei nur einen Besuchen Sie uns! Halle A2 am Stand JUNI 2017, MESSE MÜNCHEN MIKROPRODUKTION 03/17

3 12 l S P E C I A L l M I K R O L A S E R B E A R B E I T U N G Bild 3. CAD/CAM- Modul Photonic Vectors zur Korrekturbearbeitung: Durch Vergleich der Sollgeometrie mit Topografiemess - daten (Istgeometrie) kann das Programm eine Differenz bilden und diese in CAM- Daten zur Korrekturbearbeitung umwandeln Teil der dafür notwendigen Schritte ab, sodass der Anwender Teilabläufe entweder nicht oder nur außerhalb der Maschine manuell ausführen kann, was die Prozesskette unterbricht und den Zeit - aufwand vergrößert. Mit der Softwaresuite PhotonicX ermöglicht Pulsar Photonics eine vollständig durchgängige Datenverarbeitung. Verschiedene angepasste Softwaremodule decken dabei jeden Schritt der Prozesskette von der Idee bis zum fertig qualifizierten Bauteil ab und ermöglichen eine zielgerichtete und effiziente Bearbeitung ohne Schnittstellenverluste. Bisher werden Anwender noch mit einer Vielzahl an Datei - formaten konfrontiert: Während die Herstellung eines Bohrrasters durch eine Liste mit Punktkoordinaten vollständig definierbar ist, erfordert eine 2,5D- Bearbeitung ein Volumenmodell der abzutragenden Werkstückgeometrie. Die Aufgabe der CAD/CAM- Lösung besteht in der Überführung des Modells in eine möglichst effiziente Bearbeitungsstrategie. Dafür müssen die Daten für das eingesetzte Scansystem entsprechend aufbereitet werden. Dazu zählen unter anderem das Slicing des Volumenmodells, die Kachelung von Scanfeldern zur Vergrößerung des Bearbeitungsbereichs, die Optimierung des Scanzeit sowie ein geeignetes Thermomanagement zur materialschonenden Bearbeitung mit höheren mittleren Laserleistungen. Im Ergebnis steht ein Job-File zur Verfügung, das zunächst unabhängig von den später gewählten Laserparametern alle notwendigen Vektor - daten für den Scanner und das Achssystem enthält. Die Bestimmung geeigneter Laserbearbeitungsparameter basiert meist auf den Erfahrungswerten des Anwenders, der zunächst eine geeignete Prozessstrategie festlegt. Auch hierbei kann die Software unterstützen, indem vorgegebene Parameterbereiche automatisiert untersucht und verglichen werden. Die Maschinensoftware wird damit zum zentralen Element, das alle Komponenten vernetzt und die Grundlage für intelligente, softwarebasierte Bild 4. Flexible Beam Shaper FBS- G2 Strahlformungssystem auf Basis eines Phasenmodulators als digital konfigurierbares Werkzeug für die Lasermikrobearbeitung (CAD-Modell) Bilder: Pulsar Photonics MIKROvent, Mainburg MIKROPRODUKTION 03/17

4 S P E C I A L l 13 Bild 5. Mikroscanaufsatz zum Scannen durch Mikroskopobjektive Arbeitsabläufe bildet. Diese und die durchgängige Datenverarbeitung über alle Prozessschritte hinweg schaffen einen signifikanten Mehrwert für den Anwender. Qualitätskontrolle und Korrekturbearbeitung Trotz der guten Reproduzierbarkeit von UKP-Bearbeitungsprozessen erfordern die meist hohen Genauigkeitsspezifikationen sowie die Vielzahl an Einflussfaktoren eine nachgelagerte Qualitätskontrolle der Bauteile beziehungsweise der Oberflächenstrukturen. Für die Qualitätsbeurteilung ist der Nachweis geo - metrischer Merkmale der bearbeiteten Bauteile mithilfe einer hochgenauen 3D-Topografiemessung von großer Bedeutung. In den meisten Fertigungssystemen für die UKP- Bearbeitung sind 3D-Messsysteme nicht Teil der Maschine, vielmehr wird das Bauteil extern gemessen. Während eine externe Messung auf den ersten Blick sinnvoll erscheint, da die Hauptzeit der Maschine nicht durch Messaufgaben reduziert wird, ergibt sich aber ein erheblicher Nachteil: Eine externe Messung des Bauteils kommt meist dem Verlust des Bauteils gleich, wenn dieses nicht den finalen Spezifikationen entspricht. Allerdings ist es bei Mikrometergenauigkeiten nur schwer möglich, ein einmal aus der Maschine entnommenes Bauteil noch einmal einzumessen und präzise nachzubearbeiten. Bei einer maschinenintegrierten Messung, bei der das Bauteil in der Maschine verbleibt, entfällt dieser Nachteil, da die genaue Positionsinformation des Bauteils erhalten bleibt. Werden die Topografiemessdaten mit dem Abtragsmodell verglichen, kann in einem nachgelagerten Prozessschritt eine Korrekturbearbeitung des Bauteils erfolgen. Die Maschinenserie RDX1000 verfügt dazu über den integrierten Topografiesensor TM-R2, der die Topografie mit einer Genauigkeit bis MIKROPRODUKTION 03/17

5 14 l S P E C I A L l M I K R O L A S E R B E A R B E I T U N G Bild 6. Flexible Beam Shaper: Kombination von flexibler Strahlformung mit einem Phasenmodulator und Positionierung mit dem Galvanometerscanner in den Sub-µm-Bereich erfassen kann (Bild 2). Über das zugehörige Softwaremodul PhotonicSurfaces können diese Messungen zudem automatisiert oder manuell ausgeführt und ausgewertet werden. Die Messergebnisse lassen sich im Anschluss in die CAD/CAM-Software PhotonicVectors überführen und dort mit der Sollgeometrie vergleichen (Bild 3). Aus dem resultierenden Differenzvolumen lässt sich bei Bedarf ein neuer Bearbeitungsjob generieren, um die Korrekturen durchzuführen. Damit ergeben sich neue Bearbeitungsabläufe in der UKP-Bearbeitung, insbesondere für die Werkzeugtechnik: An die Stelle einer auf Annahmen basierten Prozessentwicklung, in der geeignete Zielparameter der Sollgeometrie extrapoliert werden, tritt eine zielbasierte Bearbeitung, bei der die Sollgeometrie durch einen geregelten Prozessablauf erreicht wird. Condition Monitoring Durch die in der Mikroproduktion üblichen Toleranz - anforderungen bis unterhalb von 10 µm wirken Veränderungen der Maschinenumgebung sowie der Betriebszustände in den relevanten Toleranzbereich hinein und beeinträchtigen unmittelbar die Genauigkeit und Stabilität der Prozesse. Dabei stellt beispielsweise die Zustandsmessung von Laserleistung und Strahlprofil durch optische Sensoren die notwendigen Daten bereit, die für eine aktive Regelung, Fehlerdiagnose, das Erreichen höherer Prozessfähigkeitsindices, zur zustandsorientierten Wartung oder für die Dokumentation erforderlich sind. Insbesondere bei der Fertigung vieler Gleichteile oder bei Prozessen mit langen Prozesszeiten ist eine ständige Überwachung von Bearbeitungsparametern wie Strahllage und Leistung der Laserstrahlung, aber auch von Maschinenzustandsparametern wie der Innenraumtemperatur vorteilhaft, um eine konstante Qualität der Bearbeitung zu ermöglichen. Angelehnt an das im klassischen Maschinenbau schon bekannte Condition Monitoring, hat die RDX1000 dazu eine Reihe von Sensoren und Messgeräten integriert. Sie gestatten es dem Bediener, den Zustand des Werkzeugs Laser sowie der Maschinenumgebung zu überwachen, um so im Prozess darauf reagieren zu können. So misst beispielsweise ein Leistungsmesskopf die mittlere Laserleistung. Mithilfe eines Strahl - diagnosesystems können darüber hinaus die Intensitätsverteilung und die Lage des Rohstrahls ermittelt und Abweichungen dargestellt werden. Ein Sensorsystem erfasst zudem an verschiedenen Positionen in und außerhalb der Anlage Umgebungseinflüsse die Temperatur und Beschleunigungen, um prozessrelevante Störgrößen zu erkennen und gegebenenfalls zu kompensieren. Systemtechnik für neue und produktive Prozesse Die Verwendung von Galvanometerscannern und Festoptiken als Strahlablenk- und -fokussiersysteme ist für die meisten Prozesse ausreichend und in der Lasermaterialbearbeitung deshalb weit verbreitet. Um den Anforderungen an neue UKP-Laserprozesse gerecht zu werden und gleichzeitig die verfügbare Laserenergie effizient zu nutzen, sind jedoch neue und wirtschaftlichere Ansätze notwendig. Dafür gibt es zwei grundlegende Herangehensweisen: eine schnelle Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Werkstück mit hohen Repetitionsraten oder alter - nativ eine prozessangepasste Strahlformung mit hohen Pulsenergien. Mit dem integrierten Strahlformungssystem Flexible Beam Shaper (FBS) bietet Pulsar Photonics ein maschinenintegrierbares Strahlformungssystem an, mit dem nahezu beliebige Strahlverteilungen und Fokusgeometrien realisiert werden können (Bild 4). Möglich macht dies die Kombination eines elektronisch regelbaren optischen Phasenmodulators mit einem klassischen Galvanometerscanner. Auf diese Weise können die Strahlverteilungen innerhalb weniger Millisekunden verändert und zur Werkstück - bearbeitung genutzt werden. Ein Mikroscanaufsatz für Galvanometerscanner erlaubt es dem Anwender zudem, auch mit sehr kleinen Laserspots mit Durch- MIKROvent, Mainburg MIKROPRODUKTION 03/17

6 S P E C I A L l 15 Die neue VIONiC Serie Entwickelt für Perfektionisten messern von weniger als 5 µm scannend zu arbeiten (Bild 5). Damit erschließt das Strahlformungssystem neue Prozessansätze, beispielsweise das optische Stempeln. Außerdem können durch die Generierung von 2D-Punktmustern in der Bearbeitungsebene beliebige Dotmatrix-Codes in das Werkstück eingebracht werden (Bild 6). Mithilfe des Phasenmodulators als Strahlteiler lassen sich die Prozesse außerdem parallelisieren, wobei die Anzahl und Konfiguration der Teilstrahlen individuell auf den Prozess adaptierbar ist. Mit dem System sind aber auch drei - dimensionale Strahlverteilungen wie Multi-Foki- Anordnungen entlang der Strahlachse oder komplexere Strahlverteilungen wie Bessel-Beams realisierbar, was komplett neue Laserprozesse entstehen lässt. Weil auch höhere Laserleistungen eingesetzt werden können, ist das Potenzial dieser Strahl - formung sehr groß. Dem Maschinenanwender steht damit ein multifunktionales Werkzeug zur Verfügung, mit dem unterschiedlichste Laserprozesse abgebildet werden können. An die Stelle mehrerer Bearbeitungsköpfe für verschiedene Anwendungen tritt im Sinne von Photonik 4.0 nur noch ein digital konfigurierbarer Bearbeitungskopf. MI AUTOREN Dr. STEPHAN EIFEL ist Geschäftsführer bei Pulsar Photonics in Herzogenrath; eifel@pulsar-photonics.de Dr. JENS HOLTKAMP ist ebenfalls Geschäftsführer bei Pulsar Photonics; holtkamp@pulsar-photonics.de Die neuen inkrementalen Wegmesssysteme der VIONiC Serie erfüllen die besonderen Anforderungen in der Automatisierung. Mit dem derzeit leistungsfähigsten integrierten Interpolatorchip auf dem Markt Hervorragende Punkt zu Punkt Genauigkeit <1 µm/m Höchste Präzision mit Auflösungen bis zu 2,5 nm direkt ab Lesekopf Einfache Installation und Ausrichtung ohne zusätzliches Inbetriebnahmetool Optionales automatisches Diagnosetool (ADT) Für weitere Informationen: MIKROPRODUKTION 03/17 Renishaw GmbH Karl-Benz Straße 12, Pliezhausen T F E verkauf@renishaw.com