Herstellung eines Zeigers einer hochwertigen Armbanduhr mittels Wasserstrahl-geführtem Laser

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1 Herstellung eines Zeigers einer hochwertigen Armbanduhr mittels Wasserstrahl-geführtem Laser Mikro- und Feinbearbeitung Januar 2011 Technische Universität Dresden

2 Gliederung 1. Allgemeines und Anforderungen bei der Zeigerherstellung 2. Beschreibung des Kernprozesses 3. Vorstellung des zu fertigenden Zeigers 4. Prozessauslegung und Werkzeugwahl 5. Literatur- und Quellenverzeichnis 6. Abbildungsverzeichnis Mikro-und Feinbearbeitung

3 1. Allgemeines und Anforderungen bei der Zeigerherstellung Anforderungen an den Zeiger Mechanische Anforderungen Geringes Massenträgheitsmoment, speziell: Sekundenzeiger, wegen kleiner Antriebsmomente (ca. 150 Nm) der Uhr Radius durch Design oft vorgegeben Masse ist variabel (Material) und muss möglichst klein sein Hohe Steifigkeit Kurzes Einschwingverhalten beim Sekundenschritt Durch schnelle, ruckartige Armbewegungen entstehen äußere Belastungen hohes Flächenträgheitsmoment senkrecht zur Zeigerlängsachse /3/ Mikro- und Feinbearbeitung 3

4 1. Allgemeines und Anforderungen bei der Zeigerherstellung Anforderungen an den Zeiger Optische Anforderungen Hohes Maß an Designintegration, Ästhetik Fertigungsfehler sind wegen der kleinen Abmaßeleicht sichtbar und störend schnelles Ablesen muss gewährleistet sein Zuverlässigkeit langjährige, bis hin zu generationsübergreifende, Zuverlässigkeit gefordert Mikro- und Feinbearbeitung 4

5 1. Allgemeines und Anforderungen bei der Zeigerherstellung Eingesetzte Materialen Werkstoffe Gehärteter Stahl, hochreines Gold meist poliert Messing galvanisch veredelt mit Gold- oder Rhodiumschicht lackiert Halbzeugform Metallbänder mit Dicke: μm Mikro- und Feinbearbeitung 5

6 1. Allgemeines und Anforderungen bei der Zeigerherstellung Anforderungen an den Herstellungsprozess Materialeigenschaften: wärmeempfindlich: Gefahr von Verzug und Verformung wegen der dünnen Metallbänder (Entfestigung bei gehärtetem Stahl) Oberflächen befinden sich schon in einem Endzustand Resultierende Anforderungen: wärmearme Prozesse, die keine Nachbearbeitung erfordern wenig Prozessschritte, um mögliche Oberflächenbeschädigungen zu eliminieren Realisierung hoher Designvariationen und -flexibilität Mikro- und Feinbearbeitung 6

7 2. Beschreibung des Kernprozesses Herstellungsprozesse Konventioneller Prozess Ausschneiden aus Metallband entgraten, polieren Einbau in die Uhr Ausschneiden mittels: Laserstrahlschneiden, Stanzen Prozess mittels Wasserstrahl-geführtem Laser Ausschneiden aus Metallband Einbau in die Uhr Mikro- und Feinbearbeitung 7

8 2. Beschreibung des Kernprozesses Prozessbeschreibung Kleiner Absorptionskoeffizient ( Einsatz von Nd:YAG-Laser cm) von Wasser beim Mikro- und Feinbearbeitung 8

9 2. Beschreibung des Kernprozesses Prozessbeschreibung Prozessprinzip: Laserstrahl wird über den Wasserstrahl zum Werkstück geführt Brechungsindex-Sprung von Wasser zu Luft bewirkt Totalreflexion des Laserstrahls innerhalb des Wasserstrahls /1/ /2/ Mikro- und Feinbearbeitung 9

10 2. Beschreibung des Kernprozesses Prozessbeschreibung Prozessparameter: Laser-Typ: Nd:YAG( nm), gepulst Düsendurchmesser: 25 µm Wasserstrahldurchmesser: 22 µm Druck in der Wasserkammer: bar Abstand zum Werkstück: max /1/ /2/ Mikro- und Feinbearbeitung 10

11 2. Beschreibung des Kernprozesses Prozessbeschreibung Gepulste Arbeitsweise des Lasers, Pulsdauer 0,05-0,25 ms, bis 4 khz) Kalter Wasserstrahl (Raumtemperatur) Vernachlässigbarer Wärmeeintrag an der Schnittfuge Leistung Temperatur an Schnittfuge Zeit /1/ /2/ /5/ /6/ Mikro- und Feinbarbeitung 11

12 2. Beschreibung des Kernprozesses WEZ am Werkstück Prozessvergleich Stanzen trocken Laserstrahlschneiden Wasserstrahlgeführtes Laserstrahlschneiden Ja Nein Nein Nein Hoch Klein bis vernachlässigbar Grat Ja Ja Nein Werkstückkontakt Werkzeugverschleiß Hoch (Werkstück ist u.a. aus gehärtetem Stahl) Klein (Düse) Klein (Düse) /1/ /2/ /5/ /6/ Mikro- und Feinbearbeitung 12

13 WEZ am Werkstück Prozessvergleich Stanzen trocken Laserstrahlschneiden Wasserstrahlgeführtes Laserstrahlschneiden Ja Nein Nein Nein Hoch Klein bis vernachlässigbar Grat Ja Ja Nein Werkstückkontakt Werkzeugverschleiß Hoch (Werkstück ist u.a. aus gehärtetem Stahl) Klein (Düse) Klein (Düse Mikro- und Feinbearbeitung 13

14 3. Vorstellung des zu fertigenden Zeigers Uhrzeiger Material: Gold, poliert Dicke: m Masse: mg Schnittkontur: mm Mikro- und Feinbearbeitung 14

15 4. Prozessauslegung und Werkzeugwahl Prozessparameter Prozessparameter: Laser-Typ: Nd:YAG( nm), gepulst 15 khz Leistung: W Düsendurchmesser: 40 m Wasserstrahldurchmesser: m Druck in der Wasserkammer: bar Abstand zum Werkstück: 10 mm Schnittgeschwindigkeit: 10 mm/s /1/ /2/ Mikro- und Feinbearbeitung 15

16 4. Prozessauslegung und Werkzeugwahl Prozessablauf Innenkonturen vor Außenkontur Fortlaufendes Metallband von einer Rolle in Einspannung in Maschine, Einspannung in -Achse motorisch gesteuert Werkzeug verfährt in -Achse Zustellung in -Achse nicht notwendig Mikro- und Feinbearbeitung 16

17 4. Prozessauslegung und Werkzeugwahl Prozessablauf Zeitermittlung, reine Schneidzeit: mit: Konturlänge: 51,4mm Schnittgeschwindigkeit: 10mm/s 5,14s Mikro- und Feinbearbeitung 17

18 4. Prozessauslegung und Werkzeugwahl Realisierung -Laser-Microjet Synova LCS 300 laser cutting system Arbeitsraum: (300 x 300) mm Genauigkeit: m Wiederholgenauigkeit: 1 m Nd:YAG( nm) Wasserdruck: bis 500 bar Düsendurchmesser: m Max. Achsgeschwindigkeit: 1000 m/s Abmaße(LxBxH): (1163 x 948 x 1626,5) mm Gewicht: ca. 700 kg /1/ /2/ Laser Microjet Trademark of Synova S.A., Ecublens, Switzerland Mikro- und Feinbearbeitung 18

19 4. Prozessauslegung und Werkzeugwahl Realisierung -Laser-Microjet Synova LCS 300 laser cutting system Hohes Maß der Designvariation möglich CAD-Schnittstelle im System Keine Nachbearbeitung nötig XY-Werkstücktisch, Laser fest (nur in -Achse beweglich) Kein Kontinuierlicher Betrieb möglich! Lösung: mehrere Metallstreifen nebeneinander platzieren (ideal 10 Stück, je 200 Zeiger 2000 Zeiger pro Aufspannung!) /1/ /2/ Laser Microjet Trademark of Synova S.A., Ecublens, Switzerland Mikro- und Feinbearbeitung 19

20 5. Literatur- und Quellenverzeichnis Literatur-und Quellenverzeichnis /1/ /2/ /3/ /4/ /5/ /6/ SYNOVA S.A. (Stand: ) SYNOVA S.A. Laser Cutting System, LCS Series (Broschüre) Tewald, A.; Laage, A.; Thissen, U.: Herstellung langer Kunststoffzeiger durch Spritzgießen. Institut für Konstruktion und Fertigung in der Feinwerktechnik. Universität Stuttgart Sibailly, O.; Manley, J.; Buchilly, J.-M.; Richerzhagen, B.: Wasserstrahl-geführter Laser zur Materialbearbeitung mit neuen Wellenlängen. Lasertechnik SYNOVA S.A.: VierGründewarumkonventionellesLaserschneidenniemalsdas Leistungsvermögendes wasserstrahlgeführtenlasers erreichenwird. September Richerzhagen, B.: Wasserstrahlgeführtes Laserschneiden. SYNOVA S.A Mikro- und Feinbearbeitung 20

21 6. Abbildungsverzeichnis Abbildungsnachweis Folie 1: SYNOVA S.A. (Stand: ) Folie 8: Optische Systeme - Michael Kaschke(Carl Zeiss AG); KSOP Universität Karlsruhe (TH) Folie 9, 10: SYNOVA S.A. (Stand: ) Folie 12: SYNOVA S.A. (Stand: ) Folie 13: SYNOVA S.A. (Stand: ) Folie 15: SYNOVA S.A. (Stand: ) Folie 18, 19: SYNOVA S.A. (Stand: ) Mikro- und Feinbearbeitung 21

22 Danke für die Aufmerksamkeit Mikro-und Feinbearbeitung