Powern beim Laserschneiden

Faserlaser für Schneidanwendungen dominieren nicht nur den Markt, ihre Qualität verbessert sich auch. Erhöhte Laserleistung, -geschwindigkeit und -fähigkeit ermöglichen neue Anwendungen.

Die Implementierung eines umfassenden Laserschneidsystems ist keine Aufgabe für schwache Nerven. Neben dem finanziellen Aufwand gehört laut Dustin Diehl, Produktmanager der Lasersparte, Amada America Inc., Buena Park, Kalifornien, die Planung eines kompletten Systems, nicht nur des Lasers, dazu. Hinzu kommen die Standortsuche und die Anschaffung des Lasers Einheit und Ausrüstung, einschließlich Lader, Entlader, Kühler und Steuerungen. Schließlich muss das System in die gesamten Berichts- und Feedbackschleifen integriert werden. Das Ergebnis ist ein System, das in überraschend kurzer Zeit einen erheblichen ROI generieren kann.

Obwohl CO2-Laser, die die Gründungsphase des Laserschneidens darstellten, von den neueren Faserlasern in den Schatten gestellt wurden, haben sie immer noch einen Platz auf dem Markt. Jeff Tyl, Vertriebsleiter für Fertigung in Nordamerika bei Murata Machinery USA Inc., Charlotte, N.C., erklärte:„Moderne CO2-Laser werden normalerweise zum Schneiden von Werkstoffen über 1″ verwendet und können einen sauberen Schnitt liefern. Außerdem sind sie nicht durch die Tischgröße begrenzt. Sie sind immer noch ein wichtiger Faktor in kritischen Branchen wie Schiffbau und Verteidigung, aber der Faserlaser ist eindeutig die beliebteste Wahl für konventionelle Blechanwendungen.“

Während die meisten heute verkauften Faserlaser im Bereich von 1 bis 6 kW liegen, dringen Konfigurationen mit höherer Leistung in ausgewählte Anwendungen ein und werden an Marktpräsenz weiter zunehmen. Brendon DiVincenzo, Produktmanager für Laser und Automation bei Bystronic Inc., Elgin, Illinois, kommentierte:„Stahlservicezentren begrüßen das Aufkommen von Einheiten mit höherer Leistung, die derzeit eine Betriebsleistung im Bereich von 10 bis 12 kW haben. Mit zunehmender Geschwindigkeit werden wir eine größere Nachfrage sehen.“

Heutige Faserlaser sind in der Regel Teil eines kompletten Bearbeitungssystems, wie Diehl von Amada feststellte. „Der Laser kann nicht als eigenständige Einheit betrachtet werden. Es muss Teil eines Systems sein“, sagte er. „Wir arbeiten mit unseren Kunden zusammen, um ‚die Hausaufgaben‘ zu machen, um ein Paket zu liefern, in dem alle Module – Beladen, Entladen und die Einheit selbst – zusammen konstruiert sind. Leistung ist ein Teil der Gleichung, aber je nach Anwendung muss das gesamte System betrachtet werden.“

Faserlaser müssen auch vielseitig sein und unterschiedliche Materialarten bearbeiten können. Beispielsweise verwendet die ENSIS-Serie von Amada eine proprietäre Faserlasertechnologie, um sowohl dünne als auch dicke Materialien ohne Wechsel der Schneidlinse oder manuelle Einrichtung zu bearbeiten. Der 3-kW-Fasermotor enthält die ENSIS-Technologie von Amada, die den Lasermodus und das Strahlparameterprodukt (BPP) basierend auf der zu verarbeitenden Materialdicke optimiert. Laut Amada America ist die ENSIS-Serie in der Lage, dünnes Material mit hoher Geschwindigkeit zu schneiden, eine Schlüsselfunktion der Fasertechnologie, und kann dicke Bleche effizient verarbeiten.

Verbesserungen in der Schneidtechnologie sind ein wesentlicher Faktor für die wachsende Popularität von Faserlasern. „Die frühen Fasereinheiten hatten Probleme damit, ausgefranste Kanten zu hinterlassen“, sagte Mark Bronski, Vertriebsleiter für Laser bei Trumpf Inc. in Farmington, Connecticut 5/8 bis 3/4″ [15,9-19,05 mm] Platte.“

Hank White, Manager für Softwaresysteme bei MC Machinery Systems Inc. in Elk Grove Village, Illinois, bemerkte, dass Kunden bei der Laserleistung wählerisch sind. „Obwohl wir ein Wachstum auf dem Markt für 8-kW-Systeme sehen, sind Kunden außerordentlich vorsichtig bei der Bestimmung des Leistungsbedarfs für ihre individuelle Anwendung. Wenn Einheiten mit geringerer Leistung die Arbeit erledigen können, bleiben sie in dieser Kategorie, da größere Einheiten in Anschaffung und Betrieb mehr kosten und in vielen Fällen nicht schneller fahren können.“

Spezialschneiden

Laserschneiden mit höherer Leistung macht einige bedeutende Fortschritte in spezialisierteren Bereichen. Dazu gehören 3D-Anwendungen, das Bohren sowie die Spulen- und Rohrbearbeitung. Mark Barry, Vizepräsident für Vertrieb und Marketing bei Prima Power Laserdyne LLC, Champlin, Minnesota, kommentierte:„Beim zweidimensionalen Schneiden sieht die Branche eine steigende Nachfrage nach 6 kW, aber wenn es um hohe Präzision in Anwendungen wie z beim Bohren von Kühllöchern in Turbinentriebwerken liefern QCW-Laser (Quasi Continuous Wave) mit höherer Leistung das erforderliche Maß an Präzision.“

Robert Adelman, nordamerikanischer Produktmanager für Laser bei der BLM Group USA, Novi, Michigan, stellte fest, dass sich der Leistungsbedarf bei Rohrschneidanwendungen von 3 kW auf 5 kW erhöht hat. „Faserlaser stechen alle schneller ein und schneiden schneller, obwohl wir nicht die Ausgangsleistungen verwenden, die in der Flachblechwelt typisch sind, da immer die andere Seite des Rohrs berücksichtigt werden muss“, sagte er. „Das gilt sowohl für konventionelle 2D-Maschinen als auch für 3D-Anlagen bis 45°. Je nach Maschine reichen die Durchmesser von 1/2 bis 24″ [12,7-610 mm] Außendurchmesser, und größere Maschinen können auch bohren und Gewinde schneiden.“

LaserCoil Technologies LLC aus Napoleon, Ohio, kauft Laser, um sie in Coil-Stanzvorgänge zu integrieren. Jay Finn, GM und CTO, erklärte:„Wir steigen an Macht auf, wenn wir mit der Optik zufrieden sind. Wir verwenden derzeit einen 8-kW-Laser für Anlagen, die Material von 0,5 bis 35 mm bearbeiten und gleichzeitig die gewünschte Kante erzeugen. Die meisten unserer Systeme verfügen über mehrere Köpfe und umfassen komplette Materialhandhabungssysteme.“

Automatisierung kombiniert mit Laser

Mit Faserlasern ist die Automatisierung eine Tatsache des Lebens. Es ist möglich, dass ein kleiner Laden mit einem einfachen Ladesystem beginnt. Schon bald stellt sich jedoch die Erkenntnis ein, dass mehr Komponenten benötigt werden, um das volle Potenzial auszuschöpfen. Dann wird deutlich, dass viel Planung und Engagement erforderlich sind.

Eine der Hauptüberlegungen betrifft den Platz. Laser benötigen einen dedizierten Bereich, der einigermaßen frei von Verunreinigungen und groß genug ist, um das Hinzufügen weiterer Automatenausrüstung zu ermöglichen. Diehl von Amada merkte an, dass es ratsam sei, „Dollar pro Quadratfuß zu schätzen. Machen Sie sich vor dem Betreten mit den verschiedenen modularen Systemen vertraut, um den Ablauf der Installation zu verstehen. Wir verkaufen selten eigenständige Laser. Die von uns angebotenen Systeme sind sowohl auf Erweiterung als auch auf Flexibilität ausgerichtet. Angesichts der Produktionsgeschwindigkeiten besteht die größte Herausforderung in der Verwaltung des Teilestroms, der von der Maschine kommt.“

DiVincenzo von Bystronic stimmte zu. „Automatisierung ist sowohl für große OEMs als auch für kleine Werkstätten ein wichtiger Faktor, auch wenn sie unterschiedliche Prozessanforderungen haben“, sagte er. „Zum Beispiel geht es einem Stahl-Service-Center in erster Linie um die Menge in Form von ‚Tonnen über dem Laserbett‘, während ein Lohnfertiger nach Geschwindigkeit und effizientem Materialfluss sucht.“ Die Vielfalt der Komponenten ermöglicht es Anwendern, individuelle Automatisierungsstrategien zu entwickeln, die zu ihnen passen.

Tyl von Murata Machinery bemerkte:„Wir verkaufen im Großen und Ganzen drei Arten von Systemen. Der Palettenlader, ein Turm mit vier oder acht Schubladen und ein Sortiersystem für Teile. Der Turm liefert das Material, und das Teilesortiersystem befördert geschnittene Teile zur nächsten Station. Auf dem Weg in die Zukunft sehen wir, dass Hybridlaser mit mehreren Funktionen immer beliebter werden.“ Kleine Geschäfte könnten durch die Kosten eingeschränkt werden. „Läden, die verschiedene Materialien verwenden, können ins Spiel einsteigen, indem sie einen einzigen Palettenlader programmieren“, sagte Tyl. „Wenn ihr Geschäft wächst, wird die Automatisierung dank des schnellen ROI unwiderstehlich.“

Da die Schneidautomatisierung die Produktion erhöht, ist eine weitere Automatisierung erforderlich. „Nachgelagerte Verarbeitung ist die nächste Grenze, einschließlich Kantenreinigung und Formung“, sagte White von MC Machinery Systems. Der Schlüssel zum Erfolg ist die Entwicklung von Software, die Module verschiedener Hersteller durch ein einheitliches Programm zusammenführen kann.“

Die vielen verschiedenen Formen und Konfigurationen von Schläuchen erfordern einen spezialisierteren Ansatz. „Herkömmlicherweise waren Maschinen nicht in der Lage, kundenspezifische Formen in Rohrlasern zu bündeln“, erklärte Adelman von der BLM Group USA. „Heute können Rohrlaser eine spezielle Form wie ‚Erdnuss‘ automatisch bündeln. Mithilfe spezieller Kameras kann die Maschine die Ausrichtung des Rohrs erkennen, um eine ordnungsgemäße Klemmung sowie die richtige Ausrichtung der Teile sicherzustellen.“

„Flexibilität ist der Schlüssel bei der Coil-Verarbeitung“, erklärte Finn von Laser-Coil. „Jedes System, das wir verkaufen, arbeitet im Endlos- und Indexmodus und kann mit jeder Art von Stapelung verbunden werden. Außerdem haben wir unsere Module so konzipiert, dass sie den gleichen Platzbedarf wie ältere mechanische Stanzgeräte aufweisen, um den Aktualisierungsprozess zu vereinfachen.“

Barry von Prima Power Laserdyne fasste es zusammen:„Wenn Sie Laserschneiden haben, werden Sie Automatisierung haben. Der Laser ist kein Einzelstück, sondern eine Komponente.“

Kontrollen, Automatisierung und Operatoren

Die Entwicklung hin zu automatisierten Laserschneidsystemen wird durch eine Vielzahl hochentwickelter Steuerungen unterstützt, die integriert werden müssen. „Das ideale Kontrollparadigma beinhaltet eine nahtlose Integration in ERP-Systeme, wodurch Verschwendung in den administrativen Prozessen vermieden wird. Entscheidend für den Erfolg ist eine durchgehende Überwachung sowie Wartungswarnungen. Das Ziel sind null ungeplante Ausfallzeiten“, erklärte Bronski von Trumpf.

Moderne Automatisierungssysteme haben den Status des Bedieners erheblich verbessert. Dies wird besonders deutlich in der Entwicklung von Steuerungen in integrierten Systemen. Diehl von Amada America kommentierte:„Vor zwanzig Jahren war die Steuerung eines Lasersystems so komplex wie ein Flugzeugcockpit. Jetzt ist es eher wie ein iPad und bietet eine Touchscreen-Oberfläche und bessere Grafiken. Die Systeme haben eine bessere Editierfunktion und ein stark verbessertes Feedback. Der Bediener kann Serviceprobleme, den Serviceverlauf und den Alarmstatus für vergangene oder aktuelle Alarme aus der Ferne überwachen.“

DiVincenzo von Bystronic stellte eine erhöhte Kundennachfrage nach standardisierten Steuerungen fest. „Kunden fordern kompatible Steuerungen, die nicht nur mit dem Laserschneidsystem, sondern auch mit anderen Maschinen und ERP-Systemen zusammenarbeiten, Arbeitsaufträge verarbeiten und Daten und Teile an den nächsten Vorgang weiterleiten können.“ White stimmte zu und merkte an:„Wenn es um den Prozessor geht, haben verschiedene Hersteller alle ihre eigene ‚geheime Sauce‘. Nichtsdestotrotz kommt die Standardisierung, aber damit ist die Sicherheit von entscheidender Bedeutung.“

Steuerungen und Software haben einen großen Unterschied in der Coilverarbeitung gemacht. Softwaresysteme können ein Nest basierend auf dem optimalen Schnittmuster für eine bestimmte Coilbreite berechnen und die Coilbreite bestimmen, die die beste Ausbeute bietet. Finn erklärte:„Das endgültige Nest hängt vom Coil-Zuführprozess ab. Die Vorderkante muss mit der Endkante übereinstimmen. Um die Einführung zu erleichtern, haben wir Software entwickelt, um die Verschachtelungs- und Schnittpfadoptimierung zu automatisieren. Dies macht es weniger einschüchternd, wenn Sie Laser in Ihren Betrieb bringen.“

Steuerungs- und Softwaresysteme haben auch umfangreiche Fortschritte bei der Manipulation des Lasers geschaffen. „Die Umrüstzeit hat sich sowohl für herkömmliche als auch für komplexe Teile enorm verbessert. Wir können jetzt die Leistung Impuls für Impuls mit einer Reaktionszeit von buchstäblich über Millisekunden ändern“, sagte Barry von Prima Power Laserdyne. „Dies hat es uns ermöglicht, eine enorme Flexibilität bei Mehrzweckoperationen zu erlangen. So sind wir beispielsweise in der Lage, nicht nur beliebige Lochformen in beliebigen Winkeln herzustellen, sondern vom Bohren zum Schweißen überzugehen. Durch die Anpassung von Leistung und Pulsation sind wir auch in der Lage, neue Materialien zu handhaben, darunter Kohlenstoffmatrix-Verbundwerkstoffe (CMC).“

Die Steuerungen haben ebenfalls eine verbesserte Flexibilität bei der Verarbeitung von röhrenförmigen Materialien. „Die neuesten integrierten Systeme nehmen der Maschine die Arbeit ab und haben sie in die Produktionsplanungsphase verlagert“, sagte Adelman von der BLM Group USA Schweißnahtorientierung an Rohren), um einen gesamten Produktionslauf zu erstellen, während sich ein unerfahrener Bediener auf die Verwaltung des Materialladens und der Teileverpackung konzentrieren kann. Die Steuerungsfunktionen können Produktionspläne erstellen und genaue Auftragszeiten und -kosten berechnen. Um sicherzustellen, dass unsere Kunden von den vielen Steuerungsmöglichkeiten profitieren können, bieten wir sowohl in unserer Einrichtung als auch an den Standorten unserer Kunden Schulungen an.“

Qualitätsverbesserungen bei Faserlasern

Dank der Kombination aus Leistungs- und Steuerfunktionen haben die heutigen Faserlaser in Bezug auf die Qualität die Kurve nach oben bewegt. Dies ist zu einem gewissen Grad auf die Erfahrung des Benutzers und die Kontrollfähigkeit bei der Definition der richtigen Parameter für bestimmte Materialtypen zurückzuführen. „Strömungstechnologie, Verbesserungen bei der Verwendung von Dioden und Optiken sowie eine größere Sorgfalt bei der Definition der Gasmischung haben alle dazu beigetragen“, so White von MC Machinery Systems. „Trotz der Verbesserungen am Laserkopf bleibt die Kostenrechnung bestehen, und einige Anwender halten es für wirtschaftlicher, eine nachträgliche Veredelung einzusetzen, als den Aufwand für die Regulierung des Lasers aufzuwenden.“

Zwei der wichtigsten Faktoren bei der Qualitätskontrolle sind laut Bronski von Trumpf die vorbeugende Wartung und das Materialmanagement. „Die Komplexität von Lasersystemen erfordert ein hohes Maß an vorbeugender Wartung, und Schulungen sind absolut erforderlich. Ein weiterer wichtiger Faktor hat mit dem Material zu tun, das im Prozess verwendet wird. Benutzer müssen überprüfen, was sie erhalten, um eine hohe Qualität sicherzustellen, oder sie verlieren an Leistung.“

Diehl von Amada America verwies auf die Bedeutung der Gasmischung. „Durch die Verwendung der richtigen Gasmischung kann die Kantenqualität so verbessert werden, dass Nachbearbeitungen eliminiert werden. Wir sehen die zunehmende Popularität der hausinternen Stickstofferzeugung durch Filtration, Druckerhöhungspumpen und Lagertanks. Es gibt auch einen Trend zur Teileinspektion durch 3D-Bildgebungs- und Bildverarbeitungssysteme.“

Das Gleichgewicht zwischen Geschwindigkeit und Qualität bleibt eine primäre Überlegung. Mit der Weiterentwicklung der Systeme umfassten die Bemühungen, die Qualität bei hoher Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten, die Verwendung von hochpräzisen Linearantrieben im Gegensatz zu Zahnstangenantrieben und den Einbau von Servomotoren. Echtzeit-Inspektion ist der Schlüssel zum Rohr- und Coil-Betrieb. Das Scannen kann jetzt Verdrehungen im Rohrmaterial erkennen und anpassen, um dies zu kompensieren. Ebenso kann Coil-Lager „on the fly“ inspiziert werden, um eine ordnungsgemäße Qualitätskontrolle zu gewährleisten. DiVincenzo von Bystronic fasste die Ökonomie der Qualität zusammen:„Es geht nicht mehr um die Arbeitskosten, sondern um die Arbeitsgeschwindigkeit.“

Mit fortschreitenden Verbesserungen in der Laserschneid- und Automatisierungstechnologie werden Hersteller und andere Endbenutzer mit einer Vielzahl von Entscheidungen konfrontiert, die sich nicht nur auf den Schneidvorgang, sondern im Fall von OEMs auf den gesamten Herstellungsprozess auswirken. Die Geschwindigkeit des Lasers und das Aufkommen einer umfassenderen Automatisierung können für die Fertigung das bewirken, was das Fließband für die Automobilproduktion getan hat.

Das Endbenutzererlebnis:Hatco Corp.

Hatco Corp. mit Hauptsitz in Milwaukee und Produktionsstätten in Sturgeon Bay, Wisconsin, ist ein Hersteller von gewerblichen Gastronomiegeräten. Es stellt Speisenwärmer, Lebensmittelhändler, Toaster und andere Produkte her. Die Produktionschargen reichen von Hunderten von Einheiten für die Aufstellung in Convenience- oder Fast-Food-Restaurants bis hin zu einem einzelnen speziell ausgestatteten Wärmer für eine bestimmte Einrichtung. Das Mantra des Unternehmens lautet „Eine wirtschaftliche Bestellmenge von einem.“

Um dieses Ziel zu erreichen, hat das Unternehmen seine Produktionsstätte kontinuierlich erweitert und mit den neuesten Geräten und Techniken aktualisiert.

Laut Steve Christoferson, Vice President of Manufacturing bei Hatco, „neigen viele Hersteller und Geschäfte dazu, ‚teilezentriert‘ zu sein und die Einzelteile als Selbstzweck zu betrachten. Bei Hatco sind unsere Prozesse produktorientiert, und da unsere Mitarbeiter den gesamten Prozess unter einem Dach sehen können, besteht ein ständiges Bewusstsein für strenge Bestandskontrollen und einen effizienten Fertigungsablauf.“

Hatcos Erfahrung mit Lasern reicht weit genug zurück, dass Christoferson sich erinnert:„Es war schmerzhaft, die langsame Geschwindigkeit der frühen Laser zu beobachten. Jetzt, dank Geschwindigkeit und Qualität, ist Glasfaser die Zukunft.“

Derzeit verwendet Hatco vier Mitsubishi-Laser, von denen drei CO2-Laser und der neueste ein 4-kW-Faserlaser sind. Das verarbeitete Metall umfasst über 100 verschiedene Größen und Dicken, von Platten bis zu 24 und 28 Zoll Dicke, und umfasst Edelstahl und Weichstahl sowie Aluminium. Toleranzen können bis zu 0,0001 Zoll (2,54 µm) betragen. „Da so viele der von uns hergestellten Teile dreidimensional sind, müssen wir das Teil buchstäblich nehmen und ‚entfalten‘, um das richtige Schnittmuster zu erhalten. Wir verwenden dynamische Verschachtelung, um die Ausbeute aus den Rohmaterialien zu optimieren“, kommentierte Christoferson.

Die Laser befinden sich in einem eigenen Bereich der Anlage. Ein Mitsubishi „River“ FFS transportiert Material ein und aus. „Es hat ein ganzes Jahr Arbeit gekostet, um zu dem automatisierten System zu wechseln, das wir wollten“, sagte Christoferson. „Wir haben uns für ein 4-kW-Glasfasersystem entschieden, da es für unsere Zwecke am wirtschaftlichsten ist. Je nach Art und Dicke des Materials und der erzielbaren Schnittqualität wird jedem der vier Laser eine Arbeit zugewiesen.“ Der Laserbereich wurde für zukünftige Erweiterungen konzipiert und grenzt an nachgelagerte Prozesse zum Entgraten (falls erforderlich) und Biegen.

In Bezug auf Qualität stellte Christoferson fest, dass „jeder Bediener ein Inspektor ist“. Die Mitarbeiter von Hatco sind in mehreren Fertigungsdisziplinen geschult, um die Komplexität des Prozesses zu verstehen und bei Auftreten von Problemen eingreifen zu können. Vor einigen Jahren wurde das Unternehmen von den Mitarbeitern gekauft, und es besteht ein „Eigeninteresse“ seitens aller.

Dave Rolston, Präsident von Hatco, war früher technischer Leiter und kann häufig in der Fertigung gesehen werden. „Wir sind außerordentlich stolz auf die Qualität unserer Ausrüstung und den Automatisierungsgrad, den wir in unserem Laserbereich erreicht haben“, kommentierte Rolston. „Aber am Ende sind es die Fähigkeiten und der Stolz unserer Mitarbeiter, die uns zum Klassenbesten machen.“