Effektive und präzise Laserbearbeitung durch synchron verfahrende CNC- und galvanometrische Achsen (SYNGAL)

Problemstellung
Die laserbasierte Materialbearbeitung nutzt zum einen die Strahlführung mit Galvanometerachsen und zum anderen die Strahlführung mit mechanischen CNC-Achsen. Letztere ermöglichen mit zunehmend größeren Bearbeitungsbereichen eine präzisere Materialbearbeitung als derzeitige Galvanometerachsen. CNC-Achsen sind aber langsam und benötigen kostenintensive, schwere Portalanlagen. Allein aufgrund der bewegten Massen ist die Dynamik begrenzt. Hingegen bleibt die Präzision bei Galvanometerachsen auf ein kleines Scanfeld beschränkt. Ansätze, große Brennweiten bei Galvanometeraufbauten einzusetzen, erweitern zwar das Scanfeld, jedoch geht dies einher mit einer Vergrößerung des Fokusdurchmessers und damit einer Reduktion der Präzision und Strukturfeinheit. Eine Kombination beider Antriebsarten wird derzeit nur in einigen speziellen Applikationen eingesetzt, wobei die Ansteuerung der beiden verschiedenen Achstypen ausschließlich sequentiell realisiert ist.

Projektziele
Ziel des Verbundes war es eine Steuerungstechnik zu entwickeln, die den parallelen, synchronen Betrieb von CNC-Achsen und einem sog. Scanner oder Scan-Kopf mit Galvanometerantrieben ermöglicht, um die Vorteile beider Antriebe zu vereinen. NC-Achsen, die konstruktiv für hohe Beschleunigungen und hinreichende Steifigkeit ausgelegt sind, weisen hohes Gewicht und großes Bauvolumen auf, was beim neuen Ansatz völlig irrelevant wird. Durch die kontinuierliche, synchrone Ansteuerung einer Achskonfiguration, in der klassische NC-Achsen und trägheitsarme Galvanometerachsen gemischt sind, lassen sich hohe Beschleunigungen der NC-Achsen vermeiden und kostengünstigere, leichte Aufbauten realisieren. Es ist vorgesehen, diese Vorteile an einer Anlage zu demonstrieren, die für die präzise Fertigung komplexer Freiformflächen auf hochfesten Oxidkeramiken mit kurzen Laserpulsen konzipiert wurde.

Vorgehensweise
Zunächst musste ein Konzept für die Kopplung und Synchronisierung der CNC-Steuerung mit der Scanner-Steuerung entwickelt werden. Grundlage des Konzepts ist der Einsatz einer CNC-Steuerung, die – wie die Scanner-Steuerung – eine Taktfrequenz von bis zu 100 kHz für die Lageregelung ermöglicht. Jede Einheit führt dabei die ihr zugeteilten Bewegungsaufgaben aus und durch eine Kopplung des Scannerkoordinatensystems an das CNC-Koordinatensystem wird auf dem Werkstück die gewünschte Bahnbewegung erzielt. Dabei werden die Bewegungsabläufe so auf die beiden Teilsysteme aufgeteilt, dass die CNC-Achsen nur ruckarme Bewegungen ohne starke Beschleunigungen ausführen und die Scannereinheit die schnellen Strahlbewegungen realisiert. Um die Vorteile dieser Anordnung insbesondere auch für dreidimensionale Bearbeitungen effizient nutzen zu können, wurde eine spezifische Bahnplanungssoftware als Erweiterung zu einer gängigen CAD/CAM-Software entwickelt. Das Zusammenspiel aller Komponenten wurde schließlich am Beispiel der Laserbearbeitung mit einem prototypisch erstellten Maschinenaufbau demonstriert.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Als Hauptergebnis des Projekts entstand eine Steuerungstechnik, welche die synchrone Ansteuerung von CNC- und Galvanometerachsen ermöglicht. Dies ermöglicht die schnelle und präzise Laserbearbeitung großer Flächen und echt dreidimensionaler Geometrien mit Maschinen, die nicht auf allerhöchste Steifigkeit ausgelegt sein müssen. Damit können solche Bearbeitungsaufgaben künftig schneller und zu geringeren Kosten als mit heute verfügbaren Techniken erfüllt werden. Zur Nutzbarmachung der Technologie für Endanwender wurde ein Bahnplanungsmodul für gängige CAD/CAM-Software entwickelt, mit dem CAD-Geometrien automatisch in geeignete Bearbeitungsabläufe umgesetzt werden können.
Mögliche Anwendungen sind beispielsweise die direkte Strukturierung von Hologrammen für die Sicherheitstechnik, die ultrapräzise Mikrostrukturierung von Prägewalzen oder die Bearbeitung von Mikrospritzgussformen. Konkret soll auf Basis der Ergebnisse eine kostengünstige Anlage zur dreidimensionalen Bearbeitung vollkeramischer Zahnkronen entwickelt werden.

• Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main
• Kugler GmbH Feinmechanik + Optik
• ARGES GmbH