Werkzeuge werden in Automatisierungsprojekten oft als Nebensache betrachtet. Bei Lasern sind sie jedoch ein entscheidendes Konstruktionselement. Ob beim Schweißen, Schneiden oder bei der Oberflächenbehandlung – Lasersysteme erfordern ein höheres Maß an Präzision, Konsistenz und Wiederholbarkeit der Werkzeuge als andere Verfahrenstechnologien. Selbst die besten Lasergeräte können eine schlechte Teilepräsentation nicht ausgleichen.
Die Aufgabe der Vorrichtung ist auf den ersten Blick einfach: Das Werkstück muss sicher fixiert und ausgerichtet werden, damit der Laser seine Arbeit verrichten kann. Dies jedoch über Tausende von Zyklen hinweg zuverlässig zu gewährleisten – unter Berücksichtigung von Abweichungen in der Teilegeometrie, der Belastung durch den Bediener, thermischen Verformungen und dem Zugang zum Strahl – ist oft alles andere als einfach.
Hier beschreiben wir die wichtigsten Überlegungen bei der Konstruktion von Werkzeugen für die Laserautomatisierung. Und vor allem zeigen wir auf, warum Laserbearbeitungswerkzeuge eine andere Herangehensweise erfordern. Dies wird Ihnen helfen, bessere Werkzeuge zu entwickeln und zu verstehen, warum die meisten Anbieter von Automatisierungsanlagen oft nicht in der Lage sind, Ihre Werkzeuganforderungen zu erfüllen.
Anforderungen an Laserwerkzeuge
Laserverfahren sind im Allgemeinen weniger tolerant gegenüber schlechten Befestigungen als andere Methoden, insbesondere das Laserschweißen. Während Verfahren wie das MIG-Schweißen kleine Spalten oder Fehlausrichtungen tolerieren können, erfordern Laser engere Toleranzen und eine höhere Wiederholgenauigkeit.
Beispielsweise kann das Kehlnahtschweißen bei uneinheitlicher Teilekantenposition zu Schweißspalten, Hinterschneidungen und einer verminderten Schweißnahtfestigkeit führen. Daher müssen die Werkzeuge eine gute Passgenauigkeit für Schweißanwendungen (in der Regel deutlich weniger als 0,040") sowie gleichmäßige Abstände und einen gleichmäßigen Strahlzugang über komplexe Geometrien hinweg gewährleisten.
Lasersysteme erfordern ebenfalls Konsistenz – und die Automatisierung insgesamt profitiert erheblich von wiederholbaren Eingaben. Wenn sich Teile verschieben, verformen oder von einem Zyklus zum nächsten variieren, kann der Laser dies nicht immer ausgleichen. Effektive Werkzeuge sorgen dafür, dass der Prozess jedes Mal an derselben Stelle stattfindet.
Dann gibt es noch das Problem der Wärmeeinbringung. Laserprozesse sind zwar schnell, aber lange Schweißnähte oder wiederholte Einwirkung können dennoch zu wärmebedingten Verformungen führen. Die Werkzeuge müssen diese Kräfte vorhersehen und ihnen entgegenwirken, bevor sie sich negativ auf die fertige Schweißnaht auswirken.
Das Teil selbst ist auch ein wesentlicher Bestandteil der Werkzeugkonstruktion (und oft des gesamten Automatisierungsprozesses). Ein häufiger Fehler besteht darin, einen Laserprozess aufgrund seiner Produktions-, Qualitäts- und Präzisionsvorteile zu nutzen, ohne die Optimierung des Teiledesigns zu berücksichtigen, um dessen Vorteile voll auszuschöpfen.
Manchmal kann eine relativ geringfügige Änderung, wie beispielsweise der Wechsel von einer Verrundung zu einer Überlappungsverbindung, einen Laserprozess zuverlässiger machen und laserfreundliche Werkzeuge besser unterstützen. Diese Art von Optimierungen sind jedoch für Werkzeuglieferanten, die sich ausschließlich auf die Werkstückhalterung konzentrieren, nicht immer offensichtlich.
Die umfassendere Rolle der Werkzeugtechnik
Über all die eben genannten Details hinaus ist es wichtig, die allgemeine Rolle zu verstehen, die Werkzeuge in Ihrem Automatisierungssystem und -prozess spielen. Sie sichern nicht nur das Teil. Sie beeinflussen auch, wie zuverlässig, effizient und genau der gesamte Laserprozess abläuft.
Das bedeutet, dass gute Werkzeuge unter Berücksichtigung des Prozesses und nicht nur des Teils entwickelt werden müssen. Um dies effektiv zu erreichen, müssen sie vier voneinander abhängige Funktionen erfüllen:
- Effizientes Be- und Entladen ermöglichen
- Halten Sie Teile während des Prozesses sicher und wiederholbar fest.
- Sicherstellung eines ungehinderten Zugangs zu den Bearbeitungsorten für den Laserstrahl
- Erhaltung der mechanischen Integrität und Zuverlässigkeit über einen längeren Zeitraum
Die Optimierung jedes dieser Aspekte erfordert unterschiedliche Designstrategien. Und jeder birgt potenzielle Fallstricke. Lassen Sie uns diese einzeln betrachten.
Be- und Entladen
Be- und Entladezyklen wirken sich direkt auf die Produktivität, Sicherheit und Betriebszeit der Automatisierung aus. Unabhängig davon, ob das System vollautomatisch oder bedienerunterstützt ist, muss das Werkzeug eine schnelle, präzise und wiederholbare Platzierung der Teile ermöglichen.
Bei manuell geladenen Teilen können schlecht konstruierte Vorrichtungen zu Ausrichtungsfehlern, Ermüdung des Bedieners oder sogar Sicherheitsrisiken führen. Idealerweise werden Vorrichtungen im Kontext ihrer gesamten Arbeitszelle konstruiert. Das bedeutet, dass die Ausrichtung und Klemmung der Teile berücksichtigt werden muss, um die Interaktion sowohl mit dem Bediener als auch mit dem Automatisierungssystem (Bahnplanung) zu optimieren.
Bei Systemen mit hohem Durchsatz ist es entscheidend, die Ladezeit zu minimieren. Funktionen wie selbstpositionierende Aufnahmen oder Führungsstifte können verwendet werden, um die Platzierung von Teilen schnell, einfach und fehlerfrei zu gestalten.
Wenn die Teilebeladung robotergesteuert erfolgt, müssen die Eigenschaften und Fähigkeiten der Roboter-Ende-Arm-Werkzeuge (EOAT) berücksichtigt werden. Dies ist notwendig, um sicherzustellen, dass die Vorrichtung Zyklus für Zyklus zuverlässig und wiederholbar mit den EOAT zusammenarbeitet.
Virtuelle Tools können auch verwendet werden, um Ladesequenzen zu simulieren und Reichweiten- und Freiräume während der Konstruktionsphase zu validieren. Dies hilft, spätere Überraschungen zu vermeiden und erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass Automatisierungssysteme unter realen Einsatzbedingungen reibungslos funktionieren.
Teilhaberschaft
Wenn es um die Werkstückhalterung für die Laserautomatisierung geht, gibt es keine Einheitslösung. Letztendlich ist jede einzelne Anwendung einzigartig.
Gleichzeitig ist es unerlässlich, die Teilehalterung richtig zu positionieren. Einfach ausgedrückt: Kein Verfahren – ob Laser oder anderes – funktioniert, wenn es nicht an der richtigen Stelle durchgeführt wird.
Eine Laserschweißvorrichtung, die für schnelle Anpassungen der Werkstückhalterung an verschiedene Werkstückmodelle ausgelegt ist.
Beim Halten eines Werkstücks geht es jedoch nicht nur um das Spannen. Es geht auch um die Kontrolle von Abweichungen. Selbst kleine Verschiebungen bei der Ausrichtung der Bezugspunkte oder Bewegungen der Gleitfläche können einen Laserprozess beeinträchtigen.
Glücklicherweise ist es nicht immer notwendig, auf die Prototypenentwicklung und die frühen Produktionsphasen zu warten, um Probleme zu erkennen, die durch Abweichungen verursacht werden.
Häufig helfen Tools wie die Variationssimulationsanalyse (VSA) dabei, Probleme bei der Teilehalterung aufzudecken, bevor die Fertigung überhaupt beginnt. Die Teilegeometrie sowie alle Bezugspunkte und Toleranzen werden in die VSA-Software eingegeben. Anschließend werden verschiedene statistische Methoden verwendet, um vorherzusagen, wie sich Teile aufgrund von Fertigungstoleranzen im Werkzeug verschieben und wie sich diese Verschiebungen auf Faktoren wie Schweißstelle und Schnittgenauigkeit auswirken.
Mit VSA lässt sich modellieren, wie Teiletoleranzen und Vorrichtungsdesign zusammenwirken, und vorhersagen, ob das Werkzeug die Teile konsistent innerhalb der Prozessanforderungen positionieren wird. Die Analyse hilft bei der Bewertung von Bezugspunktstrategien und der Lokalisierung von Abweichungsquellen, die die Qualität beeinträchtigen könnten. Wenn Probleme identifiziert werden, liefert VSA die erforderlichen Erkenntnisse, um Änderungen am Vorrichtungskonzept, an der Teilegeometrie oder am Schweißverbindungsdesign vorzunehmen, die zur Verbesserung der Prozessfähigkeit erforderlich sind.
Speziell für das Schweißen modelliert die Schweißverformungsanalyse (WDA) die thermische Reaktion des Bauteils, um festzustellen, wo Verformungen auftreten könnten. Wie bei jeder Form der VSA können, wenn das modellierte Verhalten potenzielle Probleme aufzeigt, Änderungen am Bauteil, an den Werkzeugen oder am Prozess vorgenommen werden, um diese zu beseitigen.
Prozesszugriff
Unabhängig davon, wie effektiv die Werkstückhalterung ist, funktioniert der Prozess dennoch nicht, wenn der Laserstrahl den Prozessbereich nicht erreichen oder nicht im richtigen Winkel darauf zugreifen kann. Der Zugang zum Prozess ist eines der am häufigsten übersehenen Elemente bei der Werkzeugkonstruktion.
Bei Laserprozessen sind spezifische Einfallswinkel, Abstände oder Bewegungsbahnen häufig erforderlich. Komplexe Schweißnähte oder Prozessbahnen können eine dynamische Strahlbewegung oder sogar eine Neupositionierung des Teils während des Zyklus erfordern. Bei Reinigungsanwendungen ist der Abstand ebenso wichtig wie der seitliche Zugang.
Werkzeug zum Spannen mehrerer Merkmale an einem einzigen Teil, das gleichzeitig den Zugang des Strahls für einen Hochgeschwindigkeits-Laserscanvorgang ermöglicht.
Überlegungen zum Prozesszugang können nicht bis zur Integration warten. Diese Entscheidungen müssen bereits in der Werkzeugkonstruktionsphase getroffen werden. Manchmal können Werkzeugentscheidungen sogar die Spezifikationen für das Automatisierungssystem selbst beeinflussen (z. B. die erforderliche Reichweite des Roboterarms).
Haltbarkeit
Konsistenz ist in jedem automatisierten Prozess von entscheidender Bedeutung. Ein wesentlicher Vorteil von Lasern gegenüber mechanischen Verfahren besteht darin, dass das Laserwerkzeug selbst niemals verschleißt. Die höhere Prozessstabilität und die nahezu vollständige Eliminierung von Ausfallzeiten aufgrund von Werkzeugwechseln sind wichtige Gründe dafür, dass Laser in der industriellen Materialbearbeitung so beliebt geworden sind.
Idealerweise sollten auch Vorrichtungen über einen längeren Zeitraum hinweg eine ähnliche Konsistenz aufweisen. Bei Lasersystemen bedeutet dies, dass sie widerstandsfähig gegen Verschleiß durch wiederholtes Einspannen, Temperaturwechsel und möglicherweise sogar gelegentliche Streustrahlenbelastung sein müssen.
Beachten Sie, dass es bei der Haltbarkeit nicht nur um mechanische Festigkeit geht. Der wichtigste Maßstab ist die Wiederholbarkeit über Tausende von Zyklen hinweg.
Erste Schritte mit der Laserautomatisierung
Eine erfolgreiche Laserautomatisierung hängt von viel mehr als nur einer guten Ausrüstung ab (obwohl auch diese wichtig ist). Sie hängt von der Qualität der Werkzeuge ab, die den Prozess unterstützen. Laser erfordern engere Toleranzen, eine konsistentere Teileplatzierung und ein intelligenteres Vorrichtungsdesign als die meisten anderen Fertigungsmethoden. Und obwohl der Laser selbst nicht wie mechanische Werkzeuge verschleißt, hängt die langfristige Prozessstabilität dennoch von Werkzeugen ab, die Zyklus für Zyklus ihre Präzision beibehalten.
Angesichts der Vielzahl zu berücksichtigender Faktoren lohnt es sich oft, mit einem erfahrenen Laserintegrator zusammenzuarbeiten.
Bei IPG arbeiten wir mit Ihnen als umfassender Partner für die Laserautomatisierung zusammen, von der Laser-Material-Analyse über die Prozessentwicklung und Integration bis hin zum laufenden Support und Werkzeugdesign.
Der Einstieg ist ganz einfach: Schicken Sie uns einige Musterteile, besuchen Sie eines unserer weltweiten Anwendungslabore oder erzählen Sie uns einfach von Ihrer Anwendung.
