Industrielle Lasermikrobearbeitung

Transkript

1 1 Industrielle Lasermikrobearbeitung Mikrolas 2014 Florian Lendner

2 2 Fragestellungen Eignet sich der UKP-Laser für die Fertigung (Werkstoff, Geometrie,..)? Kann die geforderte Qualität erreicht werden? Wie hoch sind die Kosten?

3 3 Agenda Industrielle Lasermikrobearbeitung Kurzvorstellung GFH GmbH Hochvolumenabtrag effiziente Nutzung der optimalen Fluenz Pulse on Demand Zeitgewinn durch Laseransteuerung Die richtige Pulslänge Piko oder Femto? Zusammenfassung & Fazit

4 4 STANDORT Deggendorf I Bayerischer Wald I Deutschland DEGGENDORF Einwohner Hochschulstadt Tor zum Bayerischen Wald in der Donauebene 146 km nach München 576 km nach Berlin

5 5 HISTORIE Gründung der Betriebsstätte von Lucas Varity Systems durch die Initiative von Prof. Dr.-Ing. Hans Joachim Helml. Übernahme von Lucas Varity Systems durch Delphi Automotive Systems und Spin-off der Betriebsstätte Delphi Automotive Systems in die GFH GmbH. Einweihung des neuen GFH-Gebäudes in Deggendorf, Großwalding 5. Erfolgreicher Abschluss des Forschungsprojektes für Delphi Automotive Systems mit Lieferung einer Laserbohranlage für Dieseleinspritzdüsen. Forschungsprojekt: Untersuchung des Laserbohrverfahren zur Herstellung von Einspritzbohrungen. Verwertung der Entwicklungsergebnisse in den Bereichen Sondermaschinenbau und Präzisionsfertigung.

6 6 HISTORIE 11/ / / /2012 Markteinführung der Lasermikrobearbeitungsanlage GL.evo. Markteinführung der Lasermikrobearbeitungsanlage GL.compact. Neubau Gebäude 2 Erweiterung der Produktionsfläche im Maschinenbau um qm. Verkauf eines Teilbereiches der Präzisionsfertigung an Liebherr und Fokussierung auf die Lasermikrobearbeitung.

7 7 GESCHÄFTSBEREICHE MASCHINENBAU PRÄZISIONSFERTIGUNG Lasermikrobearbeitungsanlagen Lasermikrobearbeitung GL.evo GL.compact GL.eco Sondermaschinenbau Bohren Schneiden Abtragen Strukturieren

8 8 Hochvolumenabtrag Wo ist der Prozess am effizientesten? Effizientester Abtrag bei optimaler Energiedichte Beispiel Hartmetall ca. 1 J/cm2 Viel hilft nicht viel! Zu hohe Fluenz führt zur Schmelze- und Lunkerbildung (Abb. Edelstahl) Pulsenergien von 250µJ führen zu Fluenzen die Faktor 500 oberhalb des effizienten Abtrags liegen

9 9 Hochvolumenabtrag Skalierung durch viele Pulse mit der idealen Fluenz Scannersysteme liefern heute nicht die notwendigen Geschwindigkeiten bei der geforderten Präzision Beschleunigungs- und Bremsphasen schränken die Skalierbarkeit ein 10-fache Scannergeschwindigkeit führt maximal zu einer Halbierung der Bearbeitungszeiten Werkstoffe wie Stähle weisen die effizienteste Fluenz nahe der Abtragschwelle auf ca. 100 mj/cm2 Mit konventionelle Lasersystemen keine effiziente Nutzung der Abtragsleistung bei guter Qualität möglich.

10 10 Hochvolumenabtrag Burst-Bearbeitung Einzelpulsenergie wird in bis zu 8 Pulsen aufgeteilt Pulsabstand 12,5ns Einzelpulse im Energieinhalt variierbar Strahlquelle: Time Bandwidth Das Resultat Material: Werkzeugstahl Abtragsvolumen: 180mm3 Bearbeitungszeit: 1h Ohne Lunker und Einschüsse

11 Pulse on Demand 11 UKP-Bearbeitung läuft mit Handbremse Kurzpulslaser arbeiten auf einer festen Grundfrequenz Änderungen der Grundfrequenz haben meist Änderungen der Pulsenergie zur Folge Gleichbleibende Pulsenergie und überlapp für konstanten Abtrag entscheidend Kleinster Radius bestimmt die maximale Verfahrgeschwindigkeit Große Schwierigkeiten bei temperatursensitiven Materialien Bearbeitung mit 1000mm/sec

12 Pulse on Demand 12 Bearbeitungszeit um bis zu 70% reduziert Laserpulssteuerung unter Berücksichtigung der Bahngeschwindigkeitsinformationen Pulse in konstanten Abstand gemäß aktueller Geschwindigkeit gesetzt (Pulse on Demand) Die Frequenz des Laser wird nur bei kleinen Radien reduziert, Pulsenergie bleibt gleich Geschwindigkeit muss nicht mehr gedrosselt werden Beschleunigungskompensationen sind nicht mehr notwendig Bearbeitungszeit kann um bis zu 70% reduziert werden Temperatursensitive Materialien können mit dieser Lösung hochqualitativ bearbeitet werden Bearbeitung mit Pulse on Demand mit 2000mm/sec

13 Pulslänge Piko oder Femto Berechnung der Wärmeakkumulationsgrenze Quelle: A. Ancona et al - High speed laser drilling of metals OSA 13

14 14 Pulslänge Piko oder Femto Bohrdauer bis Durchbruch eines 0,5mm Edelstahl FeCr18Ni10; 70µJ Pulsenergie 100 khz Quelle: A. Ancona et al - High speed laser drilling of metals OSA 400 khz

15 15 Pulslänge Piko oder Femto Wärmeakkumulation Piko vs. Femto mit realer Pulsenergie beim Bohren und Schneiden 1500 Typische Mikrobohrung: Durchmesser: 200µm Wandstärke: 300µm Bohrzeit: 1,5sec Bohrdauer in ms Rep.-rate in khz 800fs 200µJ 6ps 250µJ

16 16 Bearbeitung von superharten Werkstoffen Stand der Technik ns- oder ps-laser Vorschub ca. 1mm/min Scannerbearbeitung 2 Prozesse notwendig Kantenausbrüche Werkstoffeinschränkung Erodiert und geschliffen gelasert Quelle: DTS GmbH Anlagensetup GL.evo TruMicro 5050 Femto Edition 1030nm GL.trepan Wendelbohroptik GL.optifix Festoptik mit Gasdüse Optischer Fräser mit geometrisch bestimmter Schneide

17 Bearbeitung von superharten Werkstoffen Schnittkante PKD Draufsicht Dicke 1,6mm Schartigkeit <2µm Schnittgeschwindigkeit 6mm/min (Piko< 2mm/min) Pulsdauer 800fs 17 Schnittkante PKD Seitenansicht Durchtrennen der einzelnen PKD-Kristalle Riefen <2µm bis 1mm Schnitttiefe

18 Bearbeitung von superharten Werkstoffen Schnittkante CVD Draufsicht Dicke 1mm Schartigkeit <1µm Schnittgeschwindigkeit 3mm/min (Piko: 1mm/min) Pulsdauer 800fs Schnittkante CVD Seitenansicht Kristalline Struktur in der Schnittkante Riefen <2µm 18

19 Zusammenfassung & Fazit Industrielle Lasermikrobearbeitung Hochvolumenabtrag braucht hohe Repitionsraten mit Burstfunktionalität Bahngeschwindigkeitsabhängige Pulsansteuerung spart bis zu 70% Bearbeitungszeit Subpikosekunden helfen bei bestimmten Materialien weiter Es gibt für jede Anwendung auch den richtigen Laser! Effizienzsteigerung durch richtige Wahl von Strahlquelle + Maschine + Ansteuerung Neben Qualität auch Kosten überzeugend Breiter Einzug in die Industrie 19

20 20 HERZLICHEN DANK für Ihre Aufmerksamkeit GFH GmbH I Großwalding 5 I Deggendorf I Deutschland