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EFB-Forschungsbericht Nr. 246

Handgeführtes Werkzeugsystem zur lasergestützten Bearbeitung von Schneid- und Umformwerkzeugen

efb246.jpg

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h.mult. Dr.med h.c. Heinz Haferkamp, Dr.-Ing. Oliver Meier, Dipl.-Ing. Bernd Block Dipl.-Ing. Peter Kallage, Laser Zentrum Hannover e.V.

180 Seiten (sw 120 Abb., 29 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-206-9

Preis (Digital) EUR 74,00

Preis (Print) EUR 83,50

Zusammenfassung

Das Laserstrahlhärten hat sich zur Steigerung der Verschleißfestigkeit von stark beanspruchten Umformwerkzeugbereichen industriell etabliert. Das Verfahren zeichnet sich durch eine präzise lokale und zeitliche Energieeinbringung aus.

Bisher existieren keine einfach zu handhabenden Lösungen für den Lasereinsatz in kmU, da die heutigen Laserbearbeitungsprozesse den Nachteil haben, dass sie ausschließlich in Verbindung mit CNC-Maschinen oder Robotern zum Einsatz kommen. Dieses bedeutet meistens einen hohen Programmier- bzw. Teach-In-Aufwand. Darüber hinaus besitzen diese Handhabungstechniken einen eingeschränkten Bearbeitungsbereich, so dass große Werkstücke entweder gar nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand bearbeitet werden können. Das wesentlichste Defizit besteht in dem extrem hohen zeitlichen und finanziellen Aufwand, den der Transport und die Ausrichtung des zu bearbeitenden Werkzeuges auf der Anlage zur Lasermaterialbearbeitung in Verbindung mit einer Programmierung der zu härtenden Struktur mit sich bringt. Hierbei entstehen hohe Kosten für die Herstellung der Werkzeuge.

Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde ein handgeführtes System entwickelt, welches zum flexiblen Laserstrahlhärten von hochbelasteten Umform- und Schneidwerkzeugkanten verwendet werden kann. Dazu wurde ein Versuchsträger realisiert, der schnelle, gleichmäßige und verzugsfreie Bearbeitung der betroffenen Werkzeugebereiche ermöglicht.

Das System ist auf die Verwendung eines fasergekoppelten Festkörperlasers mit Strahlleistungen von bis zu 4 kW ausgelegt. Zur Gewährleistung einer größtmöglichen Prozessreproduzierbarkeit wurden eine pyrometerbasierte Temperaturregelung integriert. Die flächige Erwärmung wurde mittels eines variabel einstellbaren Galvanometerscanners realisiert, der den Strahl quer zur Vorschubrichtung ablenkt.

Durch eine automatische Nachführung der Fokuslage können Abweichungen im Bearbeitungsabstand, die der Bediener in das System Handgerät-Werkstück einbringt, ausgeglichen werden.

Eine komplexe Steuerungs- und Überwachungselektronik basierend auf einem Sicherheitsbussystem wurde in das Handgerät integriert und gewährleistet die Sicherheit des Bedieners und der Arbeitsumgebung.

Es wurden erfolgreiche Härteversuche mit dem Versuchträger durchgeführt.

An praxisnahen Umformwerkzeuggeometrien konnten Einhärttiefen bis zu 0,8 Millimeter bei Spurbreiten von 20 mm erzielt werden.

Das Forschungsvorhaben "Handgeführtes Werkzeugsystem zur lasergestützten Bearbeitung von Schneid- und Umformwerkzeugen" wurde unter der Fördernummer AiF 13682N1 von der EFB e.V finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF e.V) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWI) gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 246 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Inhalt

Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
1 Einleitung und Beschreibung der Ausgangssituation
2 Stand von Wissenschaft und Technik
2.1 Laserstrahlerzeugung
2.1.1 Co2-Laser
2.1.2 Nd:Yag-Laser
2.1.3 Diodenlaser
2.1.4 Faserlaser
2.2 Strahlführung (Spiegel- Und Lichtleitfaserkomponenten)
2.3 Strahl- und Prozessformung (Optische Strahlformung, Prozessgase, Etc.)
2.4 Strahlbewegung (Handhabungstechnik)
2.5 Laserklassen und Gefährdungspotential
3 Handlasersysteme
3.1 Stand der Entwicklungen
3.2 Anforderungen an handgeführte Laserbearbeitungssysteme
3.2.1 Allgemeine Anforderungen Und Randbedingungen
3.2.2 Prozesssicherheit
3.2.3 Arbeitssicherheit
3.3 Zusammenfassung der Eigenschaften von Handlasersystemen
4 Grundlagen des Randschichthärtens
4.1 Flammhärten
4.2 Induktives Härten
4.3 Elektronenstrahlhärten
4.4 Laserstrahlhärten
5 Temperaturmessung mittels Quotientenpyrometer
6 Zielsetzung des Forschungsvorhabens
7 Vorversuche
7.1 Untersuchungen zum Strahlführungssystem
7.1.1 Einfluss des Einstrahlwinkels
7.1.2 Strahlformungskonzepte
7.1.3 Ermittlung der Mustergeometrien
7.2 Aufbau des Versuchsträgers Stufe 1
7.3 Härteversuche mit dem Versuchsträger Stufe 1
8 Konzeption des Versuchsträgers Stufe 2
8.1 Anforderungsliste und Randbedingungen
8.2 Lösungsvariantenfindung
8.2.1 Verwendete systematische Methoden zur Lösungsvariantenfindung
8.2.2 Auswahl- und Bewertungssystem der Lösungsvarianten
8.3 Ergebnisse der Ideenfindung
8.3.1 Antrieb
8.3.2 Strahlführung und Formung
8.3.3 Sensorik
8.3.4 Anordnung der Geräteelektronik
8.3.5 Schnittstelle zwischen Bediener und Gerät
8.4 Bewertung der durch Vorauswahl gefundenen Lösungsvarianten
9 Auslegung der optischen und mechanischen Komponenten
9.1 Konzeptübersicht
9.2 Strahlführung und Formung
9.3 Antrieb
9.4 Fokusnachführung und Abstandmessung
9.5 Schutzglas und Crossjet
9.6 Schnittstellen zum Bediener
9.6.1 Anzeigen für den Bediener
9.6.2 Handgriffe und Taster
9.7 Pyrometrie
10 Auslegung der elektronischen Teilkomponenten
10.1 Systemschema der elektronischen Komponenten
10.2 Bussystem
10.3 Funktionsgenerator zur Scanneransteuerung
10.3.1 Amplitudeneinstellung
10.3.2 Frequenzeinstellung
10.3.3 Anzeigen (Amplitude und Frequenz)
10.3.4 Layout der Scanneransteuerung
10.4 Fokusnachführung
10.5 Verkippungsanzeige
10.6 Vorschubsystem
10.7 Sicherheit
10.8 Streulichtdetektion
10.9 Temperaturüberwachung
10.10 ASI-Bussystem
11 Bewertung des Versuchsträgers Stufe 2
11.1 Bewertung der Handhabung
11.2 Härteversuche
11.2.1 Härteversuche an gewölbten Probekörpern
11.2.2 Härteversuche an Realgeometrien
11.2.3 Zusammenfassung der Praxiserprobung
11.3 Bewertung der Wirtschaftlichkeit
12 Zusammenfassung
13 Ausblick
14 Literaturverzeichnis