Das Fertigungsverfahren der Lasermikrobearbeitung gewinnt aufgrund seiner vielfältigen Einsatzmöglichkeiten zunehmend an Bedeutung für die Serienfertigung. Typische Anwendungen sind z.B. die Herstellung von hochpräzisen Bohrungen oder die Erzeugung von speziellen Oberflächentopografien mittels Mikrostrukturierung. Dabei können fast alle Werkstoffe von Kunststoffen über Hartmetalle bis zu Diamant bearbeitet werden. Vorteilhaft sind hierbei z.B. die hohe Flexibilität des Verfahrens bezüglich der verschiedenen Anwendungen oder die verschleißfreie Bearbeitung. Zudem ermöglicht die Lasermikrobearbeitung eine hochpräzise Verarbeitung mit Genauigkeiten im Mikrometerbereich. Die Lasermikrobearbeitung ersetzt entsprechend mehr und mehr herkömmliche Fertigungsverfahren, wie das Mikrofräsen oder das Erodieren. Die Anwendungsgebiete reichen dabei von der Medizintechnik über den Werkzeug- und Formenbau bis hin zur Umformtechnik und zur Optik.
Dynamik und Präzision
Die Werkzeugmaschine vom Typ GL.3 des Maschinenbauers GFH verbindet die Anforderungen der Kurzpuls-Lasertechnik mit einer dynamischen und präzisen Kinematik. Die Haupteinsatzgebiete der Maschine liegen einerseits in der Herstellung von Bohrungen mit großen Aspektverhältnissen und andererseits bei abtragenden Bearbeitungen wie Entschichtprozessen und Tiefengravuren. Die Genauigkeit ermöglicht dabei Bauteiltoleranzen besser als 1µm und die maximale Beschleunigung liegt bei 20m/s². Um eine hohe statische und dynamische Steifigkeit zu erzielen, wurden das Maschinenbett sowie die Achsschlitten in X- und Y-Richtung aus Granit hergestellt. Die Maschine kann je nach Anwendung mit verschiedenen Strahlquellen ausgerüstet werden. Der Laser wird in einem gekapselten Strahlengang über Umlenkeinheiten geführt. Die Steuerung der Maschine, der Strahlquelle und der verschiedenen Module erfolgt aus einem einheitlichen Bedieninterface, welches in die CNC-Steuerung integriert worden ist. Die eingesetzte Steuerung andronic 3060 aus dem Haus LTI Motion kann die Laseransteuerung, das Bedieninterface und die CNC-Steuerung vollständig integrieren. Die CNC ist als Doppelprozessorsystem mit zwei leistungsfähigen Prozessoren aufgebaut, die über eine PCIe-to-PCIe-Bridge miteinander kommunizieren. Ein Prozessor ist dabei für den Steuerungskern zuständig, der andere für die Bediensoftware. Diese Aufgabentrennung ermöglicht eine Entkopplung der beiden Prozesse, Bedien- und NC-Software laufen parallel ab. Auf der einen Seite wird dadurch eine ungestörte Verarbeitung der NC-Daten mit Satzwechselzeiten von weniger als 100µs sichergestellt. Auf der anderen Seite können alle Prozessparameter der Maschine in Echtzeit kontrolliert und gesteuert werden. Die Rechenauflösung der Steuerung bewegt sich im Pikometerbereich, dies führt zu einer genaueren Geschwindigkeits- und Beschleunigungsinterpolation. Mithilfe von Zusatzhardware werden von der andronic 3060 positionssynchrone Schaltsignale für die Ansteuerung des Lasers erzeugt. Innerhalb einer Kontur kann ein Puls- oder Dauersignal ohne Genauhalt an einer exakt definierten Position ein- bzw. ausgeschaltet werden. Die Zeitauflösung beträgt dabei 10ns. Bei einer Geschwindigkeit von 2m/s ergibt sich somit eine Auflösung der Schaltposition von nur 0,02µm. Das Pulssignal wird über die Pulsdauer und die Pulsdistanz definiert.
Topografie des Werkstücks
Die Werkzeugmaschine GL.3 lässt sich mit einem Sensor ausrüsten, der die Topografie eines Werkstücks vermessen kann. Beispielsweise lässt sich durch einen Vergleich von Soll- und Ist-Kontur eines Werkstücks noch abzutragendes Restmaterial ermitteln. Die Positionierung des Werkstückes im Raum während des Messvorgangs kann dabei fünfachsig erfolgen. Für die Rückführung der erfassten Achs- und Sensorpositionen zurück in das Werkstück-Koordinatensystem stellt die CNC-Steuerung die Funktion Reverse RTCP zur Verfügung. Die ServoOne-Antriebe von LTI Motion erhalten ihre Positions- und Geschwindigkeitssollwerte von der Steuerung über Sercos mit einer Zykluszeit von 125µs. Um eine hohe Oberflächengüte zu erreichen, wird bei der mit Linearmotoren angetriebenen X- und Y-Achse eine erweiterte Rastmomentkompensation verwendet. Bei herkömmlichen Rastmomentkompensationen für Linearmotoren wird die Tabelle mit den Korrekturwerten nur für eine Polteilung erstellt und anschließend für den gesamten Verfahrbereich verwendet. Die Rastmomentkompensation des ServoOne erzeugt im Gegensatz dazu Korrekturwerte für den gesamten Verfahrbereich des Linearmotors. ServoOne und andronic 3060 sind auf die dynamischen Anforderungen im Werkzeugmaschinenbau abgestimmt. Die gute Regelungsqualität und die hohe Dynamik des Antriebs sowie die hohe Genauigkeit und Verarbeitungsgeschwindigkeit der CNC garantieren auch bei sehr hoher Bearbeitungsgeschwindigkeit Oberflächengüte und Konturtreue. Die Möglichkeit zur Kontrolle und Steuerung der Prozessparameter in Echtzeit verkürzt die Entwicklungszeit für den Bearbeitungsprozess und ermöglicht die Identifikation des passenden Parametersatzes in kurzer Zeit.
Gesamtsystem SystemOne
Trotz der Vielfalt im Maschinenbau, lassen sich die Grobanforderungen, die an eine neue Entwicklung gestellt werden, oft auf wenige Punkte herunterbrechen: kleiner, schneller und präziser, kostengünstiger sowie sicherer. LTI Motion trägt diesen Anforderungen Rechnung und leistet mit dem neuen Automatisierungssystem SystemOne CM einen wesentlichen Beitrag dazu. Dabei handelt es sich um ein System, das Motion Controller, Sicherheitssteuerung, zentrale Versorgungseinheit und Mehrachsregler zu einem abgestimmten System integriert. Drei Punkte wirken sich insbesondere auf den kompakten Anspruch der Automatisierungslösung aus: die Integration der Safety-Steuerung in den Motion Controller, die Integration eines 500W-Schaltnetzteils in die Versorgungseinheit sowie der Einsatz von Doppel- und Dreiachsreglern. Möglich wird dies durch den Einsatz moderner Technik, wie ASICs im Steuerteil der Antriebsregler, einem neuen Aufbaukonzept für die Endstufen und einem Schaltnetzteil mit sehr hohem Wirkungsgrad. Das reduziert den Platzbedarf um rund 40% gegenüber herkömmlichen Mehrachssystemen, verringert den Materialeinsatz und somit auch die Kosten. Neben dem Platzbedarf reduzieren sich die Verkabelungs- und Montageaufwendungen, da der Anschluss von Servomotoren nur noch über ein Kabel erfolgt. Das bisher benötigte Geberkabel entfällt komplett. Der im SystemOne CM integrierte Motion Controller besitzt eine skalierbare Prozessorleistung von 1,3 (Intel Atom) bis 2,2GHz (Intel Core i3) und ist sowohl für einfache Steuerungsanwendungen als auch für dynamische und komplexe Applikationen geeignet. Dem Anwender bleibt es hierbei überlassen, ob er die Applikation selber auf einer Linux-Plattform erstellt, oder Funktionspakete von LTI Motion verwendet. Letztere decken einfache Handling-Aufgaben ebenso ab wie Robotikanwendungen und die typischen Synchronaufgaben der Verpackungstechnik. Für die Automatisierung von Werkzeugmaschinen stehen ebenfalls umfangreiche Funktionspakete zur Verfügung, die sowohl einfache 2,5D- als auch High-End-CNC-Anwendungen schnell und zuverlässig lösen. Auch für den Bereich der Laserbearbeitung werden Funktionsbausteine entwickelt, die genau wie die CNC-Steuerung andronic 3060 mit dem eigenentwickelten Laserpulsgenerator, alle Anforderungen an Präzision und Geschwindigkeit für die Laserbearbeitung erfüllen.
