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Diodenlaser im Einsatz

Automobil-Zulieferteile in der Serienproduktion
Diodenlaser im Einsatz

Diodenlaser finden auch heute noch vorwiegend in Nischen ihren industriellen Einsatz. Wie eine erfolgreiche Anwendung in der Serienproduktion aussieht, zeigt das Unternehmen Sitec aus Chemnitz, welches Komponenten für die Automobilindustrie mit den kompakten Strahlquellen von Rofin-Sinar härtet.

Sonja Müller, Rofin-Sinar, Hamburg

Mit der Gründung des Chemnitzer Unternehmens Sitec Industrietechnologie nutzten im Jahre 1991 Dr. Förster und Dr. Rudolph die Chancen zur Selbstständigkeit. Bereits vor der Gründung beschäftigten sich die beiden im Forschungszentrum des Werkzeugmaschinenbaus mit der Lasertechnik und verstanden es, dieses Wissen in das neue Unternehmen zu integrieren. „Die Materialbearbeitung mit dem Laser war für Dr. Förster und Dr. Rudolph schon immer ein Thema”, so Dr.-Ing. Klaus-Peter Wolf. Der promovierte Maschinenbauer ist nun bereits seit 14 Jahren für den Geschäftsbereich Laseranlagen verantwortlich und wird inzwischen von neun weiteren Ingenieuren in der Planung und Entwicklung von Laserbearbeitungssystemen unterstützt. Die besonders zur Präzisionsteilefertigung in Reinräumen oder unter Reinraum-ähnlichen Bedingungen geeigneten Anlagen basieren auf modularen Anlagenkonzepten und sind entsprechend kompakt und Platz sparend konzeptioniert. Gleich neben der modernen Montagehalle befindet sich als weiteres wirtschaftliches Standbein des Unternehmens die Laser-Lohnfertigung. Hier werden im Kundenauftrag unter anderem Schneid-, Schweiß-, Bohr- und Härteanwendungen realisiert. Neben der klassischen Lohnfertigung von Vor- und Kleinserien härtet Sitec für einen Zulieferer der Automobilindustrie seit September 2003 Bauteile als Großserie. Wöchentlich in 15 Schichten werden ca. 60 000 hochpräzise, einbaufertige Bauteile je Anlage (Bild 1) gefertigt.
Laserhärten bietet viele Vorteile
Die Anforderungen an den Prozess sind hoch: In einem präzisen, rotationssymmetrischen Bauteil muss eine Wandung in einer schwer zugänglichen Senke gehärtet werden (Bild 2). „Der Grund für den Lasereinsatz war, dass das Bauteil auch nach dem Härten noch maßgenau sein muss, weil eine Nachbearbeitung nicht möglich ist. Auf Grund der sehr genauen örtlichen und zeitlichen Kontrolle der Wärmeeinbringung können wir hier also einbaufertige Teile bearbeiten”, so Dr. Wolf. Da Härteanlagen mit Lasern fast immer kundenspezifische Lösungen sind, waren umfangreiche Vorversuche zur Ermittlung der optimalen Prozessparameter notwendig. Nach ersten Versuchen mit einem Nd:YAG Laser wurde schnell erkannt, dass der Einsatz eines Diodenlasers technisch und wirtschaftlich sinnvoll ist. Deutlich geringere Investitionskosten, moderate Betriebskosten sowie die zur Oberflächenbearbeitung besonders geeignete Wellenlänge waren hier ausschlaggebende Argumente. Zum Einsatz kommt ein 1000-W-Diodenlaser von Rofin, der dank seiner sehr kompakten Abmessungen komplett in die neu entwickelte Anlage integriert werden konnte.
Blankes Härten ohne Verzunderung
Ein Palettiersystem (Bild 3) stellt die aus speziellem Vergütungsstahl bestehenden Bauteile bereit und ermöglicht ein Be- und Entladen ohne Prozessunterbrechung. Die Bauteile werden aus den Paletten über einen Rundschalttisch in eine Stickstoffatmosphäre eingebracht und dem Prozess im 6-Sekunden-Takt zugeführt. Durch den Aufbau dieser Stickstoffatmosphäre ist es gelungen, die Bauteile blank, d. h. ohne Verzunderung zu härten. Dr. Wolf: „Die fertigen Bauteile sind dadurch äußerlich nicht von ungehärteten zu unterscheiden.” Um eine homogene Härtung der rotationssymmetrischen Bauteile mit dem rechteckigen Strahl des Diodenlasers ohne den Einsatz von Zylinder- oder Fokussierlinsen zu erreichen, rotieren sie während des Vorgangs mit einer Geschwindigkeit von 3000 Umdrehungen pro Minute.
Die Entwicklung dieser Anlage erfolgte in einer Zusammenarbeit von Sitec und dem Institut für Werkzeug und Strahltechnik (IWS) Dresden. Das IWS entwickelte eine temperaturgeregelte Leistungssteuerung (lasertronic LompocPro), mit der sich die Qualitätssicherung komplett über das System realisieren lässt: Während des Härtens wird mittels einer Online-Kontrolle die Härtetemperatur und Erwärmungsgeschwindigkeit erfasst (Bild 4). Diese Werte werden über einen Regelkreis verarbeitet, so dass durch Leistungsregelung der Laserstrahlung die Temperatur an der Bauteiloberfläche konstant gehalten wird. Abweichungen aus den Referenzbereichen deuten auf Bauteilfehler wie z. B. Späne aus der vorangegangenen spanenden Bearbeitung oder nicht stimmende Rauheiten hin. Diese Werte werden erfasst und als Folge das Bauteil als „nicht in Ordnung” aussortiert. Neben dieser Online-Kontrolle des Vorgangs wird jedes tausendste Bauteil ausgeschleust und von den erfahrenen Mitarbeitern metallografisch untersucht.
Aus zwei mach drei
Die hohen Anforderungen des Kunden an Qualität und Verfügbarkeit der Bauteile führte bei Auftragsannahme dazu, dass ein zweiter Rofin-Diodenlaser als Backup-Lösung angeschafft wurde. Während der Produktion stellte sich jedoch laut Dr. Wolf eine Maschinenverfügbarkeit von weit über 95 % heraus. Dies führte dazu, dass mit der steigenden Nachfrage von Seiten des Kunden mit diesem Backup-Laser im vergangenen Jahr eine zweite Anlage in Betrieb genommen werden konnte. Durch diese Kapazitätserhöhung können bis zu 6 Mio. Teile pro Jahr gehärtet werden.
Auch in Zukunft wird Sitec weiter auf Laserhärten setzen: „Die Qualität und Verfügbarkeit des Härtens mit dem Diodenlaser von Rofin-Sinar und der weiterhin steigende Bedarf des Kunden an diesen Bauteilen haben dazu geführt, dass eine dritte Anlage in der Planung ist.”
EPP 416

Bei den konventionellen CO2- und Nd:YAG-Lasern wird im laseraktiven Medium ein einzelner Laserstrahl hoher Leistung erzeugt. Bei Hochleistungs-Diodenlasern werden hingegen viele einzeln strahlende Halbleiter-Laser optisch gekoppelt. Ein Laserbarren, auf dem sich zwischen 20 und 25 einzelne Emitter-Streifen befinden, weist typischerweise Abmessungen von ca. 10 mm x 0,6 mm x 0,1 mm auf. Dieser Barren wird zur Kühlung auf einen wasserdurchflossenen Kühlkörper montiert. Die heute industriell genutzten Ausgangsleistungen eines solchen Barrens liegen bei 50 Watt. Durch die geeignete Stapelung dieser Barren zu so genannten Stacks addieren sich die Laserleistungen der Einzelbarren durch optische Überlagerung der einzelnen Strahlenbündel. Kombiniert man nun mehrere Stacks miteinander, lassen sich Ausgangsleistungen von mehreren 1000 Watt im Wellenlängenbereich von 790 bis 980 nm erzielen.
Die Kombination vieler Einzelemitter hat jedoch immer eine Auswirkung auf die Strahlqualität bzw. die Fokussierbarkeit. Daraus resultiert eine im Vergleich zu den konventionellen Lasertypen geringere erreichbare Leistungsdichte auf der Werkstückoberfläche. Dies beschränkt derzeit noch die Anwendungsfelder für Hochleistungs-Diodenlaser. Demgegenüber stehen jedoch eine Vielzahl von Vorteilen: Diodenlaser sind äußerst kompakt (eine Strahlquelle mit einer Ausgangsleistung von 3000 Watt findet mühelos Platz in einem Schuhkarton), leicht in bestehende Anlagen oder Systeme zu integrieren, weisen dank der typischen Diodenlebensdauer von über 10 000 Stunden eine hohe Verfügbarkeit auf und haben darüber hinaus einen Wirkungsgrad von bis zu 25 %. Diese Vorteile machen sie zu einem idealen Werkzeug für die verschiedensten industriellen Anwendungen wie dem Härten, Löten, Schweißen, Auftragschweißen und der Oberflächenbearbeitung.

Sitec
Das heute 140 Mitarbeiter zählende Unternehmen wurde 1991 von Dr. Harald Förster und Dr. Klaus Rudolph – zwei ehemaligen Mitarbeitern aus dem Forschungszentrum für Werkzeugmaschinenbau Chemnitz – gegründet. Die Erfahrungen und Kontakte aus dieser Zeit halfen dem Unternehmen, schnell von einem reinen Ingenieurdienstleister zu einem produzierenden und Gewinn bringenden Unternehmen heranzuwachsen. Heute reicht das Angebot von der Planung, Projektierung und Aufbau von kundenspezifischen Montage-Systemen in Kombination mit innovativen Technologien, modularen Laseranlagen und EC-Entgrateanlagen sowie EC-Entgratevorrichtungen bis hin zu Dienstleistungen wie der Laser-Lohnfertigung. Dank des fundierten Fachwissens und der guten Kontakte in die Industrie finden sich in der Referenzliste des Unternehmens heute Namen wie Volkswagen, Opel, BMW, Carl Zeiss Jena, Siemens VDO und viele andere.
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