In der Herstellung von Werkstücken für die Luft- und Raumfahrtindustrie haben Laserschneidemaschinen mit Faserlasern im Bereich der Schneidprozesse eine Revolution mit sich gebracht. Denn sie minimieren hier die Wärmeeinflusszonen (Heat Affected Zone / HAZ) – und stehen somit jetzt auf Augenhöhe mit nicht-thermischen Verfahren. Tatsächlich verringern innovative Faserlaser drastisch die Versprödung des Materials – gleichzeitig ermöglichen sie Verarbeitungsgeschwindigkeiten, die weit über denen der herkömmlichen Verfahren und nicht-thermischen Technologien liegen.
Laserschneiden mit 5 Achsen in der Herstellung von Werkstücken für die Luft- und Raumfahrt
In der Herstellung von Komponenten für die Luft- und Raumfahrtindustrie schieben innovative Technologien die Grenzen des Machbaren kontinuierlich hinaus. Sie ermöglichen, was zuvor undenkbar erschien. Und nur weiterentwickelte Technik kann diese Industrie, in der es kein „gut genug“ geben darf, in die Zukunft begleiten.
Und auch in dieser Branche sind die Wissenschaft und die Kreativität der Ingenieure die treibenden Kräfte. Dabei steht die Verarbeitung vor allem folgender Materialien im Mittelpunkt: Aluminium, Chrom, Stahl, Karbon, Titan, Nickel, Kobalt und anderer Sonderlegierungen.
Das Laserschneiden hat diese Branche davon befreit, diese Materialien mit herkömmlichen Werkzeugen verarbeiten zu müssen. Doch die Lasertechnologie brachte anfangs hohe Kosten und im Vergleich zu heute eine geringere Produktivität mit sich.
Während der Einsatz der Lasertechnik beim Schneiden dieser Metalle einst kaum mehr als ein Wunschtraum war, ist sie hier heute mit ihrer Wiederholgenauigkeit, Genauigkeit und Qualität nicht mehr wegzudenken – zumal sie gleichzeitig den Ausschuss minimiert, den Arbeitsprozess optimiert und die Kosten reduziert.
So konnte das Laserschneiden dank der technischen Weiterentwicklung in eine Welt vordringen, die bislang vollkommen von nicht-thermischen Verfahren dominiert war. Zu den wichtigsten Aspekten dieser Revolution zählt, dass die Lasertechnik in der Herstellung von Bauteilen für die Luft- und Raumfahrtindustrie extrem kleine Wärmeeinflusszonen erzeugt – und gleichzeitig mit höchster Schnittqualität aufwartet.
Dieser Artikel gibt einen kurzen Überblick über die Verfahren und Technologien, die im Schneiden von Werkstücken aus Aluminium, Titan, Nickel und anderen Sonderlegierungen für die Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt werden und die die Wärmeeinflusszonen minimieren.
Wie entstehen Wärmeeinflusszonen bei lasergeschnittenen Komponenten?
Werden Werkstücke mit thermischen Verfahren geschnitten, entstehen so genannte Wärmeeinflusszonen. Das gilt nicht nur für thermische Schneidtechnologien wie zum Beispiel das Plasma- und das Autogenschneiden, die für ihre thermische Wirkung auf Materialien bekannt sind. Vielmehr können auch Verfahren wie das Funkenerodieren (Electrical Discharge Machining / EDM) sehr schmale Bereiche veränderten Materials erzeugen, die in der Luft- und Raumfahrtindustrie nicht akzeptiert werden können.
Wärmeeinflusszonen – bzw. thermisch veränderte Zonen – sind die Materialbereiche rund um die Schnitte, deren kristalline Struktur die Wärmenergie im Schneidprozess verändert. Diese Bereiche machen die Schnittkanten spröder und bruchanfälliger, was Materialermüdung zur Folge haben kann. Es wird unmöglich, die Lebensdauer der Werkstücke abzuschätzen.
Daher sind hier stets Folgeprozesse erforderlich, in denen die spröden Materialbereiche mechanisch abgetragen werden. Daraus resultieren höhere Arbeitskosten, die je nach Dicke des abzutragenden Materials variieren. In Kombination mit den Sicherheitsvorschriften haben diese Herausforderungen den technischen Fortschritt in der Luft- und Raumfahrtindustrie verlangsamt.
Werden Bauteile für die Luft- und Raumfahrtindustrie dagegen mit Lasern geschnitten, ist lediglich auf eine geeignete Kombination aus Material, Laserquelle, technischen Parametern und dem Betriebsgas zu achten.
Laserquelle
Angesichts ihrer mechanischen Stabilität, Leichtigkeit sowie ihrer Beständigkeit gegen Korrosion und UV-Strahlen gehören Aluminiumlegierungen in der Herstellung von Komponenten für die Luft- und Raumfahrtindustrie seit langem zu den am häufigsten eingesetzten Metallen.
Anfangs waren Laserschneidemaschinen für die Industrie in erster Linie mit CO2-Laserquellen ausgestattet. Allerdings wartet Aluminium gegenüber den Wellenlängen von CO2-Laserquellen mit einem niedrigen Absorptionskoeffizienten auf. In Kombination mit der limitierten Energie, die diese Technologie emittiert, war diese Lasertechnik für das Schneiden von Teilen aus Aluminium für die Luft- und Raumfahrtindustrie nicht effektiv genug.
Das änderte sich erst mit dem Aufkommen moderner Faserlaser.
Hier finden Sie weitere Informationen zur Geschichte der Lasertechnologier
Die Wellenlängen moderner Faserlaserquellen sind für die Verarbeitung von Aluminiumlegierungen besser geeignet. Bei ihnen wird weniger Energie reflektiert, so dass ihre Laser effizienter und effektiver schneiden.
Darüber hinaus mildern Faserlaser dank ihrer gepulsten Arbeitsweise die hohe Wärmeleitfähigkeit von Aluminium ab, womit die Wärmeübertragung auf die Bereiche rund um die Schnitte minimiert wird.
Das alles sind Gründe, weshalb diese Systeme die ideale Lösung für das Schneiden von Aluminiumlegierungen sind. Denn bei ihnen sind die Wärmeeinflussbereiche erheblich kleiner, womit die Genauigkeit und Qualität der Schnitte verbessert werden.
Laserschneiden eines tiefgezogenen Bauteils.
Laser beam quality and concentration
Im Hinblick auf die Reduzierung der Wärmeeinflusszonen ist auch die Qualität des Laserstrahls ein wichtiger Faktor. Mit Qualität ist hier gemeint, wie eng die Laserleistung um ihre Mittelachse fokussiert ist. Idealerweise sollte diese Konzentration einer Gaußschen Verteilung ähneln, die über den gesamten Strahl hinweg eine gleichmäßige Bestrahlungsstärke sicherstellt. Je näher die Leistungsverteilung dieser Idealform kommt, desto besser ist die Qualität des Laserstrahls – der Schlüssel zu einer überragenden Schneidleistung.
Moderne Faserlaserquellen, wie sie im 5-achsigen Laserschneidesystem LT-FREE mit 2 bis 5 kW Leistung eingesetzt werden, zeichnen sich durch ein bemerkenswert kleines Strahlparameterprodukt (Beam Parameter Product / BPP) aus – und damit durch eine herausragende Qualität des Laserstrahls, der im Laserschneiden höchste Leistung garantiert.
Mit innovativen Autofokussystemen lässt sich die Verteilung der Laserenergie weiter optimieren. Diese Systeme passen die Fokuslage des Laserstrahls automatisch an die Dicken und die Materialien der zu schneidenden Werkstücke an.
Innovationen wie Active Focus – mit dieser Funktion sind die 5-achsigen Laserschneidesysteme der BLM GROUP ausgestattet – sind unerlässlich, sollen die Wärmeeinflusszonen bei extrudierten, tiefgezogenen und gebogenen Werkstücken deutlich verkleinert und so Laserschnitte von höchster Genauigkeit erreicht werden.
Betriebsgas
Auch die Wahl des Betriebsgases spielt hinsichtlich der Eindämmung der Wärmeeinflusszonen eine entscheidende Rolle. Beim Arbeiten mit Sauerstoff als Betriebsgas wird im Schneidprozess erheblich mehr Wärme generiert. Kommt Sauerstoff bei hohen Temperaturen mit Metall in Kontakt, löst er eine stark exotherme Oxidationsreaktion aus, die zur Verflüssigung des Metalls beiträgt.
Würden in der Herstellung von Komponenten für die Luft- und Raumfahrtindustrie Titan- Nickellegierungen mit Sauerstoff geschnitten, wäre die Oxidationsreaktion äußerst intensiv. Sie könnte die Schnittqualität erheblich verschlechtern und große Wärmeeinflusszonen generieren, die innerhalb ihrer Strukturen kristalline Oxidverunreinigungen aufweisen.
Bei solchen Anwendungen ist der Einsatz von Inertgasen wie Stickstoff oder Argon unerlässlich. Diese Gase verursachen keine Oxidationsreaktionen, so dass die Qualität der Schnittkanten erhalten bleibt und die Wärmeeinflusszonen erheblich kleiner ausfallen.
Eine neuere Alternative ist der Einsatz von Druckluft als Betriebsgas im Laserschneiden. Dieses Verfahren verringert nicht nur die Oxidationsreaktion. Vielmehr handelt es sich bei ihm auch um eine wirtschaftliche Lösung, da hier ein Gas genutzt wird, das in der Natur am häufigsten vorkommt.
Die LT-FREE kann mit einer Vorrichtung namens Active Air Cutting ausgestattet werden, die das Schneiden mit Druckluft ermöglicht. Diese skalierbare, und an verschiedene Freiheitsgrade im Schneidprozess anpassbare Lösung verbessert die Prozesseffizienz und die Qualität der Schnitte. Darüber hinaus ist die LT-FREE mit verschiedenen Betriebsgasleitungen ausgestattet. Und sie verfügt über ein automatisches System, das das benötigte Betriebsgas eigenständig auswählt.
Treibstoffleitung eines Luftfahrzeugs.
Laserschneidesystem mit 5 Achsen für die Herstellung von Komponenten für Luftfahrzeuge
In den bisherigen Absätzen haben wir uns mit der Frage beschäftigt, wie technische Fortschritte das Faserlaserschneiden als Eckpfeiler der Produktionstechnik der nächsten Generation in der Luft- und Raumfahrtindustrie gefestigt haben.
Darüber hinaus erforderte die Komplexität dünner Profile hier einen Laserschneidkopf, der sich bei völliger Freiheit um dreidimensionale Objekte bewegen kann. Mit der Entwicklung der Laserschneidesysteme mit fünf Achsen wurde auch diese Herausforderung gemeistert.
So ist das 5-achsige Laserschneidesystem LT-FREE der BLM GROUP CTA LT-FREE eine optimale Lösung für die Herstellung von Bauteilen für die Luft- und Raumfahrtindustrie. Denn es minimiert effektiv die Wärmeeinflusszonen. Gleichzeitig schneidet es dreidimensionale Werkstücke wie gebogene Rohre, hydrogeformte Rohre und tiefgezogene Teile mit einzigartiger Genauigkeit und Qualität.
Kurz: In der sich permanent weiterentwickelnden Luft- und Raumfahrtindustrie wird die LT-FREE höchsten Anforderungen an den Automatisierungsgrad und an die Produktivität gerecht – womit sie für die Anforderungen dieser Branche ein ideales Produktionssystem ist.
5-achsigen Laserschneidesystem LT-FREE