Vergleich von konventioneller und innovativer Prozesskette: Neben
dem Härteprozess sind weitere Laserprozesse denkbar, die in Kombination mit der konventionellen Drehbearbeitung in innovativen Prozessketten möglich sind. Beispielsweise können spezielle Optiken für Laserfügeoperationen, zum Laserauftragschweißen oder zum Laserstrukturieren oder -beschriften entwickelt und eingesetzt werden.
Monforts 400 LaserTurn
Diese Nachteile werden im neuesten Maschinensystem, der Monforts RNC 400 LaserTurn, beseitigt. In Zusammenarbeit mit Monforts wurde am Fraunhofer IPT ein industriell einsetzbares Werkzeugsystem entwickelt, bei dem eine Lichtleitfaser durch den Werkzeugrevolver der Drehmaschine verlegt ist. Durch diese Faser wird die Laserstrahlung eines Hochleistungsdiodenlasers bis in die Werkzeugrevolverscheibe geführt, dort auf einen konstanten Durchmesser kollimiert und auf einen bestimmten Werkzeugplatz umgelenkt. An diesem Werkzeugplatz kann die Laserstrahlung von Optiken aufgenommen werden, die den Laserstrahl entsprechend des Bearbeitungsprozesses formen und auf das Werkstück lenken. Diese Optiken verfügen über die gleiche Schnellwechsel-Schnittstelle wie konventionelle mechanische Drehwerkzeuge. Sie werden in gleicher Weise gehandhabt, ohne laserspezifisches Fachwissen des Maschinenbedieners vorauszusetzen. Durch den einfachen Austausch von Optiken und mechanischen Werkzeugen sowie durch das Rotieren der Revolverscheibe kann schnell sowohl zwischen mechanischer Bearbeitung und Laserbearbeitung wie auch zwischen unterschiedlichen Laserbearbeitungsprozessen gewechselt werden.
Dieser flexible Wechsel zwischen den Bearbeitungsprozessen bietet das Potenzial, Prozessketten zu verkürzen und somit die Fertigung schneller und kosteneffizienter zu gestalten. Nach dem Stangendrehen wird der Lagersitz induktionsgehärtet, das Bauteil gewaschen und brüniert. Durch den hohen Wärmeverzug erfolgt ein Rundschleifen des gehärteten Bereichs und im Anschluss das Drehen der rückseitigen Passungen. Die reine Fertigungszeit liegt bei etwa 6 min pro Teil, ohne die notwendigen Rüst- und Liegezeiten.
Drehmaschine Monforts RNC 400 LaserTurn mit Laserintegration.
Im Rahmen des Exzellenzclusters »Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer« wird die Prozesskette zur Herstellung des Bolzens mithilfe der Monforts RNC 400 LaserTurn verkürzt. Das Induktionshärten sowie die angeschlossen Prozessschritte Waschen und Brünieren werden durch Laserhärten substituiert bzw. können entfallen. So wie es für spezielle Drehoperationen (zum Beispiel Stirnseitenbearbeitung oder Einstechen) unterschiedliche Drehwerkzeuge gibt, so gibt es für das Laserhärten eine spezielle Optik. Die Optik ist für diesen Anwendungsfall darauf ausgelegt, einen rechteckförmigen Brennfleck mit einer homogenen Intensitätsverteilung zu erzeugen, der den zu härtenden Bereich in seiner Breite vollständig bestrahlt. Durch die homogene Intensitätsverteilung kann eine gleichmäßige Einhärtetiefe, die beim Laserhärten üblicherweise bis etwa 1,2 mm beträgt, erzeugt werden. Durch die Breite des Brennflecks kann das Werkstück mit einem Überlauf gehärtet werden, wodurch etwa das Anlassen an den Stoßstellen von lasergehärteten Bereichen auf ein Minimum reduziert wird.
Fertigungszeit reduziert
Beim Laserhärten wird im Allgemeinen die Maximalhärte des jeweiligen Werkstoffs erreicht. Die Abschreckung erfolgt dabei nicht durch Wasser oder Öl, sondern durch Selbstabschreckung. Dazu muss das Bauteil jedoch ein gewisses Volumen im zu härtenden Bereich haben, so dass die entstehende Wärme schnell ins Bauteilinnere abgeleitet werden kann. Durch den geringen Wärmeeintrag ins Bauteil beim Laserhärten ist der temperaturbedingte Verzug ebenfalls gering, so dass bei den Bearbeitungsschritten vor dem Härten nur ein geringes Aufmaß auf dem Bauteil verbleiben muss. Durch Hartdrehen nach dem Laserprozess wird das Schleifen in der konventionellen Prozesskette ersetzt. Abschließend bleibt die Drehbearbeitung der Rückseite. Durch den Einsatz der Laserintegration in der Drehmaschine kann die Fertigungszeit voraussichtlich zwischen 10 bis 20 Prozent auf unter 5 min reduziert werden. Durch den Entfall von Rüst- und Liegezeiten kann die Durchlaufzeit gegenüber der konventionellen Fertigung nochmals deutlich reduziert werden. Die Fertigung erfolgt in einer Anlage und einer Aufspannung und ist mit einem entsprechenden Stangenförderer voll automatisierbar.
Stefan Gräfe, Maximilian Wegener, Kristian Arntz
