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4-2013

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Fachzeitschrift für Medizintechnik-Produktion, Entwicklung, Distribution und Qualitätsmanagement

Produktion

Produktion Laserpräzisionsschneiden von metallischen hochschmelzenden Folienwerkstoffen Bild 1: REM-Aufnahme einer lasergetrennten Schnittkante Die konventionelle Bearbeitung von hochschmelzenden metallischen Werkstoffen mittels Drahterodieren ist zeitaufwändig und somit kostenintensiv. Das Laserstrahlschneiden ist eine wirtschaftliche Alternative, die allerdings durch den hohen Schmelzpunkt der im Beitrag betrachteten Folienwerkstoffen verfahrenstechnisch anspruchsvoll ist. Im Mittelpunkt der hier vorgestellten Untersuchungen standen das verzugsarme und qualitätsgerechte Trennen mittels Laserstrahlung, sowie die Entwicklung von Schneidtechnologien, die eine hohe Prozessgeschwindigkeit erlauben. Verschiedene Wellenlängen und Laserstrahlungsquellen zeigten unterschiedliche Eignung für das Laserstrahlschneiden. Derzeit ist die Bearbeitung hochschmelzender metallischer Folien mit effizienten spanenden Verfahren, wie bspw. das Fräsen, nur mit sehr hohem Aufwand bzw. gar nicht möglich. Somit bleibt in erster Linie nur das Verfahren des Drahterodierens zur Weiterverarbeitung und Formgebung des Folienmaterials. Wesentliche Nachteile sind hierbei der hohe Zeitaufwand, die sich daraus ergebenden hohen Verfahrenskosten, sowie eine gewisse Einschränkung im Hinblick auf die erreichbare Flexibilität. Um den Vorteil des Laserstrahlschneidens hinsichtlich Flexibilität, Schnelligkeit und Präzision für diesen Anwendungsbereich nutzen zu können, muss zum einen das Folienmaterial zum Laserstrahl exakt positioniert, gespannt und sicher gelagert werden, zum Andereren erfordern diese Materialien sehr hohe Prozesstemperaturen (thermische Trennverfahren), was zu Qualitätsproblemen im Schnittkantenbereich und zu einer Foliendeformation führen kann. Materialeigenschaften Refraktäre (hochschmelzende) Werkstoffe gestatten den Einsatz als Hochtemperaturwerkstoffe in vielen Anwendungsbereichen. Wolfram besitzt den höchsten Schmelzpunkt aller Metalle sowie eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Sintermetalle werden sehr oft auch als Legierungen hergestellt. Die ausgewählten Pulvermischungen ermöglichen, Autoren Jens Bliedtner, Simon Hilber, Andrea Barz, Ernst-Abbe- Fachhochschule Jena Martin Uebel, Falko Störzner, Daniel Störzner, Laser Cut Processing GmbH, Hermsdorf Bild 2: Konische Standarddüse: Links oben der Querschnitt, daneben das Geschwindigkeitsprofil des ausströmenden Schneidgases, darunter die Gaswirkung auf Metallfolien 40 meditronic-journal 4/2013

Produktion Werkstoff Wärmeleitfähigkeit [W/m*K] Schmelztemperatur [°C] Siedetemperatur [°C] Schmelzwärme [kJ/mol] Eisen 78 1535 2750 14 Molybdän 141 2610 5560 28 Wolfram 167 3410 5660 35 Kupfer 400 1083 2595 13 Nickel 89 1453 2732 18 Tabelle 1: Ausgewählte Metalle und laserrelevante Eigenschaften besonders homogene Werkstoffe mit maßgeschneiderten Eigenschaften herzustellen. Eine für das Verfahren geeignete 100 µm dicke W-Cu-Ni-Legierung enthält 90% Wolfram (Grundwerkstoff), 10% Kupfer und Nickel (Bindematrix). Die Schmelzschneiduntersuchungen zeigten, dass sehr schnell der niedrigschmelzende Binder des Werkstoffes aus dem Schnittspalt ausgetrieben wird. Für die Betrachtung der Mikrorauigkeit sind jedoch nicht ausschließlich die zurückbleibenden Wolframkörner an der Trennkante verantwortlich. Je nach gewählten Parametern wird der Binder unterschiedlich beeinflusst, was sich in den teilweise sehr differenzierten Einzelrauheiten widerspiegelt. Bild 1 zeigt eine typische Schnittkante nach dem Schmelzschneiden. In der REM-Aufnahme sind die hellen Wolframkörner zu sehen, die vom dunklen Kupfer-Nickel-Binder umgeben sind. Spann- und Handlingskonzepte Beim Folientrennen mittels Laserstrahlschmelzverfahren sind relativ hohe Gasdrücke wünschenswert, um die sehr zähe Schmelze auszutreiben und ein Verbrennen der Schnittkante zu vermeiden. Dies kann jedoch zur Deformation und zum Aufschwingen der Folien während der Bearbeitung führen (siehe Bild 2). Mit der im Bild 2a gezeigten Standarddüse strömt der Hauptteil des Gases zwischen Düse und Folien nach außen ab und gelangt nur unzureichend in den Schnittspalt. Aufgrund des geringen Düsenabstandes wird die Strömung nach dem Umlenken erneut beschleunigt und erzeugt einen Unterdruck zwischen Düse und Metallfolien, der zu einem Aufwölben des Materials führen kann. Infolge der partiellen Folienverwölbung wird der Abstand verringert, die Strömung weiter beschleunigt und das Druckgefälle vergrößert, bis es zum Kontakt zwischen Düse und Folie kommt. Durch eine kapazitive Abstandsregelung kann der Fokus nachgeregelt werden. Es kommt zum Abreißen des Folienkontaktes, wodurch ein periodischer Prozess (Folienschwingen) in Gang gesetzt und der Schneidprozess sehr instabil werden kann. Abhilfe schaffen hier Schneiddüsen mit einer Lavalgeometrie. [1]. Eine spezifische Gestaltung der Laserschneiddüsen beeinflusst den Prozess [2]. Hilfreiche Untersuchungen zur Gestaltung von Laserschneiddüsen werden auch in [3]; [4] ausgeführt Folien genau zu positionieren und zu spannen erfordert in den meisten Fällen besondere Spannkonzepte. Beim Lotpastenschablonenschneiden, kommen angepasste Spannkonzept oder auch das Aufkleben der Folien auf einen Spannrahmen zum Tragen [5]. Für das Spannen und Handhaben der Folien wurden mehrere Möglichkeiten betrachtet (Bild 3). Im Bild 3a ist die Integration einer speziell entwickelten Spanneinheit in eine Laserschneidanlage dargestellt. Grundsätzlich werden die Folien durch zwei Festkörpergelenke, die als Spannbacken fungieren, in Richtung der x-Achse des Maschinenkoordinatensystems gespannt. Die Biegeschlaffheit des Folienmaterials erfordert zusätzliche abstützende Strukturen an der Laserstrahlaustrittsseite. Dies wird über zwei parallele auf einem Gleitschlitten sitzende Leisten realisiert. Die Positionierung und Fixierung des Gleitschlittens unter dem Schneidkopf erfolgt so, dass der Laserstrahl stets durch den Spalt zwischen den parallelen Leisten strahlt [6]. Bild 3b illustriert eine spezielle Schneidbox, bei der die Folien auf einer Matrize aufliegen und mittels eines Unterdruckes positionsgenau angesaugt werden. Die Matrize bildet dabei die Kontur der Schneidgeometrie als ein Spalt nach, so dass der Laserstrahl die Kontur frei schneiden kann. Ausgewählte Bearbeitungsergebnisse Ein wichtiger Parameter beim Schneiden metallischer Werkstoffe ist die Streckenenergie bzw. die gewählte Vorschubgeschwindigkeit. Bei den durchgeführten Untersuchungen wurden experimentell diese Parameter hinsichtlich Schneidkantenrauigkeit und Trennzeit optimiert. Folgende Grundaussagen können diesbezüglich getroffen werden: Bild 3a (oben) und 3b (unten): Eingesetzte Spannkonzepte für Folienwerkstoffe. Bild 4: Abhängigkeit der Rauheit von der Streckenenergie beim CO 2 -Laser • die Rauheitskennwerte beim Schmelzschneiden ergeben sich zu Ra ≈ 10 µm; Rt ≈ 80 µm • für das Erreichen geringer Rauheitswerte sollte die Streckenenergie minimal und die Schnittgeschwindigkeit hoch gewählt werden Die Schnittgeschwindigkeit ist maximal, wenn die Folie gerade noch durchgetrennt werden kann, die weitere Erhöhung führt dazu, dass die Folie nicht mehr vollständig durchtrennt meditronic-journal 4/2013 41

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