Laserdraaien: Een doorbraakgereedschap voor complexe medische onderdelen

In de precisiebewerkingsindustrie hebben lasers geen prominente rol gespeeld buiten onderdeelmarkering en graveren, maar ze zijn aan Zwitserse draaibanken toegevoegd om buismateriaal te snijden, primair voor medische toepassingen. Lasers zijn nuttig geweest voor het creëren van kleine gaten en het genereren van gleuven, spiraalen, helicale vormen, vensters en andere complexe geometrieën in kanulerende voorraad op die machines.

Nu gebruikt nieuwe technologie een laser als snijgereedschap om onderdelen van massieve staafmateriaal te “draaien”. Dit proces, ontwikkeld door het Duitse bedrijf GFH GmbH, vervangt het conventionele draaigereedschap door een contactloze laser die het materiaal verdampt met ultrakorte laserpulsen terwijl minder energie wordt gebruikt dan traditionele draaimethoden. De GL.smart high-speed precisiedraaimachine, beschikbaar voor Amerikaanse klanten via GFH in Duitsland, is bijzonder nuttig voor microbewerking, waardoor hoge nauwkeurigheid voor kleine, complexe onderdelen mogelijk is die vaak delicaat en moeilijk te machineeren zijn bij het implementeren van conventionele draaiprocessen.

“Dankzij contactloze materiaalverwijdering blijft het werkstuk vrij van kracht en deformatie tijdens het hele bewerkingsproces,” legt Florian Lendner, CEO van GFH, uit. “Dit betekent dat er geen nauwkeurheidsverlies is, zelfs met zeer dunne en delicaat componenten.”

De machine splitst ook de bundel van één laserbron en levert deze in twee aparte koppen, zodat het kan draaien alsook frezen, boren en graveren twee onderdelen tegelijk. Structuurmatig, voorstellen een dubbele-spindel, dubbele-pallet verticale freesmachine met elk station in staat om te draaien en vijf-as bewerking.

Contactloze verwerking

Het hart van de machine is een diode-gepompte, vastestof-laser die pulsen in picoseconden of femtoseconden op het werkstuk levert. Deze “puls op aanvraag” techniek stelt de aanpassing van warmte-invoer op het materiaal in, waardoor het werkstuk minder geneigd is om te oververwarmen. Als resultaat treedt geen spanning of onderdeeldeformatie op. Het bedrijf zegt dat dit proces goed geschikt is voor componenten gemaakt van zowel zeer harde als broze materialen.

Hoewel de diode-gepompte laser de standaardlaser is op de GL.smart, kan GFH afhankelijk van de behoeften van de klant verschillende typen laserbronnen leveren die verschillen in golflengte, laservermogen of pulsbreedte. Met deze ultrakorte en ultrakorte laserpulsen, wordt zoveel mogelijk materiaal verwijderd door ruwbewerking. Bij het afwerken van een onderdeel wordt de eindkwaliteit bereikt met lagere laserenergie.

De laserbundel kan gericht worden op het midden van het onderdeel of tangentiëel, afhankelijk van de operatie. Bijvoorbeeld, als het onderdeel een vaste diameter heeft die gedraaid moet worden, raakt de laserbundel het materiaal tangentiëel. Echter, als alleen bepaalde gebieden over de hele diameter gemachineerd worden, zoals gaten, raakt de laserbundel het midden van het materiaal.

De reeks diepten van materiaal die de laser in één pas kan draaien/verwijderen, hangt af van het materiaal en het draaiproces zelf. Bij tangentiële verwijdering is het bereik van afwerken tot ruwbewerken 1 micron tot 200 micron, en met de laserbundel gericht op het midden, is het bereik 0,1 micron tot 10 micron (afwerken tot ruwbewerken).

Na bewerking, worden afgeronde onderdelen afgehandeld en verzameld door ofwel handmatig uit het spanningsysteem te worden genomen door de operator of door onderdelen in een container onder het bewerkingsgebied te vallen. Om geërodeerd materiaal uit de machine te verwijderen, is de GL.smart uitgerust met een zuigsystem voor het verzamelen van aerosolen en stof.

“Slimme” mogelijkheden

Machinewerkplaatsen die leveren aan de medische en horlogerie-industrie zullen vooral profiteren van de micromachineerkundigheden van GL.smart, volgens GFH. Bijvoorbeeld, de machine kan microgereedschappen produceren zoals pincetten, microzwepen en implantaten alsook draaipuntjes die in klokwerken worden geïnstalleerd, zegt het bedrijf.

alsook parallelle verwerking op twee C-as spanningsstations tegelijkertijd, wat de productiviteit verdubbelt.

Vanwege vijf-as beweging kunnen alle operaties in één opstelling worden uitgevoerd. Daarom kan het werkstuk gegraveerd, gesneden, geboord of gestructureerd worden zonder herklepping.

De luchtlager hoofdas van het werkstuk hebben een momentaandrijving die gebruikt kan worden om onderdelen te indexeren/positioneren en tot 3.500 toer/min in 0,4 seconde te draaien. Radiale en axiale concentriciteit in nanometers maken productie met slijptoleranties mogelijk. De machine biedt ook een kracht-geregeld spanningsysteem. De compacte voetafdruk van GL.smart van 2.212 mm (L) × 1.026 mm (B) × 2.320 mm (H) is vervat in een zwart glazen behuizing die bescherming biedt tegen laserstraling.

De machine is beschikbaar met maximaal 16 gelijktijdige assen, bestuurd door het eigen ontwikkelde systeem, GL.control. Elk werkstation (Z-as is hetzelfde voor beide werkstations; Y-as is apart voor elk werkstation) kan uitgerust worden met een hoofdas (X- en A-as) en een draaieenheid (X-, B- en C-as). De drie overige assen worden in de optische doos voor bundelmanipulatie geplaatst.

CNC controleert laserprecisie

Geprogrammeerd en beheerd met de door GFH ontwikkelde GL.control-software, bestaat de computernumerieke controle (CNC) van de machine uit één computer die uitsluitend verantwoordelijk is voor de numerieke besturingsoftware en een andere eenheid die verantwoordelijk is voor de besturingsoftware. De CNC integreert de CAD/CAM-functies alsook al zijn subsysteem. De snelle programmeerbare logische controller (PLC) van de GL.smart is ontworpen voor laserverwerking en biedt real-time toegang voor lasercontrole, zodat de laser met een nauwkeurigheid van 40 nanometer over het volledige bereik van asbeweging ingeschakeld kan worden.

Het proces voor het maken van een snij-CAD/CAM-programma voor een onderdeel omvat:

1. Het 3D-bestand uploaden naar de software van de machine
2. Alle te genereren geometrieën selecteren
3. De G-code genereren voor laserbewerking
4. Materiaal-specifieke parameters bewerken
5. Naar PLC uploaden
6. De bewerkingsopdracht starten

Bij het instellen van de laserdraaimachine voor een nieuw type te machineeren onderdeel, kan het eenvoudig of iets complexer zijn, afhankelijk van de grootte van het grondmateriaal, volgens Lendner. “Als het grondmateriaal dezelfde grootte heeft, duurt het slechts een wijziging van software-instellingen om een nieuw ontwerp te creëren,” zegt hij. “Als het een nieuw type grondmateriaalformaat is, moeten de optische opstelling en het spanningsysteem ook gewijzigd worden.” De machine accepteert grondmateriaal tot 12 mm diameter en lengte tot 2 m.

Een aangepaste machine bouwen

GFH biedt tal van add-ons en accessoires voor de GL.smart die gebruikers helpen een aangepaste machine te bouwen voor hun specifieke toepassingen. Opties omvatten accessoires voor automatisering, monitoring en kwaliteitsborging.

Vanwege de groeiende populariteit en vaak noodzaak van machinewerkplaatsautomatisering, is een toevoeging van een zes-as robot werkstukafhandelingssysteem en staafvoeder voor de GL.smart beschikbaar. Het implementeren van deze optie biedt mogelijkheden voor lights-out bewerking ook.

Andere opties voor de laserdraaimachine omvatten een roterende zwenk-eenheid als tegenspindel en ofwel een korte of lange draai-ontwerp, of beide. De opstelling van de span en de onderdeelgeleiding definiëren of de machine een korte of lange draai-ontwerp heeft.

GFH biedt de volgende apparatuur als opties voor de GL.smart die eenvoudig te programmeren zijn via de GL.control.

Laag-trilling laserbundel: De GL.beomvat het complete bundelpad van de laser tot de procesoptica binnen de machine. De laser is gemonteerd en uitgelijnd op een granietbasis in overeenstemming met de specificaties van de fabrikant voor laag-trillingsbedrijf.

Precisie spanningsysteem: Voor herhaalde componentenspanning kan de machine uitgerust worden met GL.clamp, een precisie spanningsysteem van Erowa. Op verzoek zijn spanningsystemen van andere fabrikanten of vacuümspanningsapparaten ook beschikbaar.

Monitoring en bundelaanpassingsmodi: De lasersystemen kunnen uitgebreid worden met de bedrijfsmodi GL.om3 en GL.om4. Bedrijfsmodus 3 wordt gebruikt voor procesmonitoring, en bedrijfsmodus 4 is voor bundelaanpassing.

Scannersysteem: Voor precisieproductie van onderdelen of diepgravure, kan de machine uitgerust worden met een scannersysteem genaamd GL.scan. Het positioneert de laserbundel op de werkstukken via twee galvo-spiegels.

Optisch meetsysteem: Het optische meetsysteem, GL.vision, vergemakkelijkt de positionering van het onderdeel onder de laser en biedt ook de mogelijkheid van optische meting met de resolutie van een microscoop.

Vaste optische module: De GL.optifix-module biedt vaste optica voor laserboren, precisiesnijden en ablatie. Er zijn geen bewegende componenten in de optica, wat de positioneringsfout terugbrengt tot de precisie van de assenstelsel.

Afstandmodule: De GL.distance-module is beschikbaar voor de hoogste precisievereisten voor microboren en precisiesnijden. Afwijkingen en toleranties van het componentoppervlak kunnen worden vastgelegd en gecorrigeerd voordat bewerking plaatsvindt.

GFH GmbH | gfh-gmbh.de/en/