Uvođenjem laserski obrađenih kutova struganja dolazi do potpuno novog pristupa u razvoju alata, kako konstruktivno, tako i u proizvodnoj tehnologiji. Umjesto tradicionalne, subtraktivne obrade kroz procese brušenja, laserska obrada zahtijeva negativnu konstrukciju, pri čemu se geometrije alata ciljano osmišljavaju za uklanjanje materijala putem lasera. To dovodi do povećanih konstrukcijskih zahtjeva, zahtijeva specijalizirane CAD procese i postavlja nove zahtjeve za strukturiranje podataka.
„Integracija laserski obrađenih geometrija u alatima od tvrdog metala označava temeljnu promjenu u konstrukciji i proizvodnji“, naglašava Alexander Seifermann, voditelj konstrukcije u proizvođaču preciznih alata SIMTEK iz Mössingena. „Gdje smo prije pretežno brusili, danas se često koristi laser – s značajnim utjecajem na geometriju, konstrukciju i primjenu. Od klasičnog, velikog uklanjanja materijala – prema točkastom i trodimenzionalnom oblikovanju složenih geometrija u negativu.“
Tehnološki napredak također donosi poduzetničke prednosti: „Prednosti su očite: možemo proizvesti visoko precizne, kružne geometrije oštrica – s optimiziranom kontrolom strugotine i često proširenim funkcionalnostima“, dodaje direktor SIMTEK-a Norbert Seifermann. Unatoč početnim preprekama koje je trebalo prevladati, dodatni trud se isplati za većinu primjena individualnih alata. „Rezultati struganja su toliko uvjerljivi da postupno preuzimamo laserske geometrije u naš standardni katalog alata.“
Konstruktivna promjena: Od uklanjanja do negativne konstrukcije
Klasična konstrukcija alata temeljila se na principu klasičnog, velikog uklanjanja materijala. Konstrukcija je bila osmišljena tako da se u proizvodnji iz poluproizvoda brušenjem mogu stvoriti definirani kutovi struganja i slobodne površine. Lasersko rezanje, s druge strane, zahtijeva potpuno drugačije razmišljanje - sada se modelira ono što će kasnije biti uklonjeno.
Ova „negativna konstrukcija“ zahtijeva znatno veći trud u CAD-u i generira nekoliko dodatnih skupova podataka po alatu. Konstruktor mora točno odrediti koje dijelove treba ukloniti – princip koji nalikuje izradi alata u injekcijskom prešanju, ali je u provedbi znatno složeniji. „Budući da se pri laserskom rezanju zapravo radi s negativom, konstruirani model služi samo za internu kontrolu“, objašnjava voditelj konstrukcije Alexander Seifermann.
„Proizvodnja izravno pristupa negativnom modelu, postavlja ga virtualno na rez i zatim točno uklanja materijal koji je prethodno konstruktivno definiran.“
Laseri otvaraju nove prostore obrade - ali postavljaju više zahtjeva.
Laserirane geometrije omogućuju izuzetno složene strukture: uštede, ispupčenja, izbočine – sve se planira trodimenzionalno i precizno provodi. To stvara nove mogućnosti u kontroli struganja i optimizaciji alata. Istovremeno, međutim, raste i zahtjev za konstrukcijom: potrebno je temeljno znanje i znatno uži proces usklađivanja s kupcem. Osim toga, CAD programi koje koristi SIMTEK, koji su uobičajeni na tržištu, samo su ograničeno prilagođeni ovom procesu – potrebne su posebne radne metode kako bi se osigurali čisti prijelazi i bezgrešne geometrije. Alexander Seifermann i njegov tim poznaju problematiku: „Ono što smo u procesu brušenja mogli riješiti putem iskustvenih vrijednosti i standardnih oblika, postaje konstruktivni izazov prilikom laseriranja."
Zahtjevi za CAD, proizvodnju kao i komunikaciju s kupcima značajno rastu – a s više od 3.500 različitih kupcima prilagođenih novih razvojnih projekata godišnje, to nije mala stvar. Istovremeno otvaramo potpuno nove mogućnosti s laserskim geometrijama: bolja kontrola strugotine, duži radni vijek, stabilniji procesi i integracija više koraka obrade u jedan alat.
Stručnost iz iskustva
Ulazak u lasersko rezanje geometrija alata bio je u SIMTEK-u mukotrpan proces učenja - kroz pokušaje, pogreške i iskustvo tijekom godina razvila se duboka stručnost. Danas se i posebni i standardni alati mogu opremiti laserski obrađenim geometrijama. Ovi alati nude posebno velike prednosti u obradi malih dijelova, kod bakra, aluminija ili drugih bezolovnih materijala u pogledu vođenja strugotine i kvalitete površine.
Ipak, pri uvođenju laserskih geometrija često postoji potreba za pojašnjenjem. U tom smislu, stručnjaci iz SIMTEK-a stoje svojim klijentima na raspolaganju i ističu prednosti koje donosi laserska geometrija. U tim slučajevima, planirana geometrija se prvo vizualizira i objašnjava kako bi se konstruktivna namjera učinila transparentnom. Ovaj proces usklađivanja obično dovodi do dodatnih pitanja i može malo produžiti proces odobravanja, no u većini slučajeva osigurava povećano razumijevanje i na kraju bolje rezultate.
Lasersko rezanje ne znači uvijek isto.
U razgovorima se povremeno spominje da je lasersko rezanje geometrija alata već godinama ustaljeno. Međutim, potrebno je razlikovati: dok se ova tehnologija već pokazala uspješnom u području PKD alata (polikristalni dijamant), lasersko rezanje tvrdog metala - posebno u kontekstu alata za mikroproizvodnju - predstavlja znatno veći izazov.
Tehnološki uvjeti uzrokuju da se materijali pri laserskom rezanju ponašaju različito: PKD čestice razlažu se na grafit pri otprilike 700°C. U prisutnosti kisika, oksidativni razgradnja i razlaganje započinju već od oko 600°C, dok se u vakuumu razgradnja odgađa na 1300°C. Grafit se razlaže, postaje sve nestabilniji i relativno se lako uklanja. "Ovaj proces počinje posebno na granicama zrna, koje su posebno važne kod reznih alata - tamo se često nalazi rezna ivica ili definirani oblik vođenja strugotine", precizira Alexander Seifermann. Nasuprot tome, točka taljenja volframa u tvrdim legurama iznosi oko 3400°C, dok točka isparavanja čak prelazi 5000°C. Pri tim temperaturama, međutim, već isparavaju drugi sastojci veziva poput kobalta i ugljika - što značajno otežava obradu.
Nakon što je SIMTEK prvi put javno predstavio laserske geometrije na AMB 2024, i drugi su se pridružili tom trendu. „Bilo nam je jasno da će i drugi proizvođači alata sada intenzivno raditi na temi lasera, nakon što su vidjeli da to funkcionira“, naglašava Norbert Seifermann. Iako su u početku to bile jednostavnije strukture, daleko od glavnog reza, geometrije su sada postale složenije.
Osim toga, tu su i sinterirane ili injekcijski oblikovane ISO forme. „Laserom obrađujemo mikrogeometrije koje se više ne mogu sinterirati ili injektirati, i to laserom do oštrice – ciljano i s visokom preciznošću.“ Rezultat su ekstremno oštre oštrice. „Ono što vizualno ponekad izgleda kao zaštitni rub, u stvarnosti je točno definirani, kružni kut, koji je precizno ugrađen i funkcionalno točno usklađen“, pojašnjava voditelj konstrukcije Alexander Seifermann.
Kontrola obrade zahtijeva dijalog - zašto je komunikacija ključna
Laserirane geometrije otvaraju potpuno nove mogućnosti u obradi materijala - od ciljanog loma strugotine do preusmjeravanja i definiranog namotavanja. Međutim, kako bi se ti potencijali u potpunosti iskoristili, ključna je bliska suradnja između korisnika i proizvođača. "Što više znamo o konkretnom slučaju primjene, to preciznije možemo odrediti geometriju", objašnjava Norbert Seifermann. To posebno vrijedi za izazovne materijale poput C10 čelika za duboko prešanje, olovnog aluminija ili bakra. Ovdje se uz usklađene parametre i laserom izrađene geometrije mogu ostvariti procesno sigurni lomovi strugotine - čak i tamo gdje fizičke granice otežavaju potpuni lom strugotine.
Praktične informacije kao osnova za optimalne rezultate
Kako bi alat mogao ostvariti svoj puni potencijal, točne informacije o materijalu, reznim parametrima i uvjetima korištenja su neizostavne. U praksi se pokazalo da male odstupanja u pomaku ili kvaliteti materijala mogu imati veliki utjecaj na ponašanje struganja. „Ako te parametre znamo rano, možemo optimalno prilagoditi geometriju“, naglašava Alexander Seifermann. Kod posebnih alata, koji se često koriste samo u malim serijama ili jedinstvenim primjenama, konstruktivna povratna informacija je posebno vrijedna. Tako se uspješne geometrije mogu ciljano daljnje razvijati. „Uska suradnja s našim kupcima osigurava da možemo razvijati praktična rješenja i bez potpuno digitalne simulacije – individualno, pouzdano i orijentirano na primjenu.“
Od posebnog slučaja do standardnog alata
Za razliku od individualne specijalne proizvodnje, u standardnom području moguće je provesti interne testne serije u SIMTEK-u. Mnoge od danas korištenih standardnih geometrija temelje se na prethodno uspješno implementiranim specijalnim rješenjima. „Preuzeli smo spoznaje iz specijalnog razvoja, primjerice o geometrijama temeljenim na punom radijusu, i prenijeli ih u standardne alate, gdje su s velikim uspjehom uspostavljeni“, objašnjava voditelj konstrukcije postupak.
Osobito kod reznih rubova punog radijusa, geometrija generirana laserom je posebno učinkovita: omogućuje ravnomjerno vođenje strugotine kroz cijelu površinu rezanja - za razliku od klasičnog brušenja, gdje se kut strugotine nehotice mijenja ovisno o pomaku i dubini rezanja.
Viša učinkovitost kroz ciljanu prilagodbu geometrije Konkretni primjer primjene jasno pokazuje prednost laserski obrađenih geometrija: Gdje su ranije bila potrebna dva alata i dodatni držač za izvođenje radijalnih utora i odvajanja, danas je dovoljno samo jedan laserski alat, kako pokazuje praksa. To ne samo da štedi promjenu alata i energiju, već također značajno smanjuje trošenje stroja i alata.
Još jedan praktičan primjer odnosi se na obradu odvoda ulja s više promjera i aksijalnim slobodnim rezom. Dok se u postupku brušenja za takve zadatke obično moraju koristiti dva odvojena alata s ograničenim vođenjem geometrije, laserskim rezanjem moguće je unijeti rezne kutove tako da se svi radni koraci mogu izvesti s jednim alatom - bez kompromisa u vođenju strugotine.
Norbert Seifermann rekao je: „S brušenjem bismo uveli korak za vođenje struganja u glavnom smjeru struganja - ali što je u takvom slučaju uopće glavni smjer struganja? Vjerojatno bismo odabrali kut struganja od 0°, što je izuzetno suboptimalno. S laserom, međutim, geometriju se može precizno prilagoditi procesu oko cijelog oboda.“
Konstruktivna promjena s utjecajem
Dok dok je konstrukcija isprva svako novo alat ocjenjivala individualno, to se sada razvilo u provjereno konstruktivno načelo. Prvi korak: okoštavajuća, rezna geometrija, prilagođena očekivanim pomacima. „To izravno utječe na ponašanje stroja: alati rade tiše, rezne sile opadaju, vibracije se smanjuju - a istovremeno se mogu postići veće vrijednosti rezanja“, zna Norbert Seifermann.
Jedan konkretan slučaj pokazuje ovaj efekt: Kod dobro obradivog materijala, prelaskom na laserski alat nije samo značajno poboljšana kvaliteta površine, već je također ušteđen i cijeli korak dorade.
Pariški rez zamijenjen laserom
Iako je kontrola strugotine često glavni cilj, također su veće brzine rezanja, kraće vrijeme obrade i bolje kvalitete površine razlozi za korištenje laserom obrađenih geometrija. Ilustrativan primjer je takozvani "Pariški rez" - složena, brušena hibridna geometrija za operacije ubacivanja i dužinskog okretanja. Ova geometrija je međutim proizvodila nekontrolirane strugotine i bila je zahtjevnija za proizvođača alata u proizvodnji. Prelaskom na lasersko rješenje, SIMTEK je potpuno riješio problem. Ranija brušena varijanta je već uklonjena iz kataloga i zamijenjena laserskom verzijom.
Standardne geometrije sa sustavom - i s granicama
Unatoč svim napretcima, standardno područje ostaje ograničeno na univerzalne geometrije poput grubog i finog rezanja. One moraju funkcionirati za razne materijale. Iz toga proizlaze neizbježni sukobi ciljeva: ono što kod jednog kupca odlično funkcionira, može biti neprimjereno kod drugog. Potpuno pokrivanje svih primjena nije realno u standardu – ovdje ostaje specijalni alat bolji izbor.
Lasersko rezanje s mjerom - isplativost odlučuje
Unatoč tehnološkim mogućnostima, lasersko rezanje nije uvijek ekonomski isplativo. Osobito kod maloserijskih proizvodnji ili jednostavnih obrada, laserska geometrija može premašiti stvarne potrebe. Odluka bi uvijek trebala biti donesena individualno, ovisno o materijalu, zadatku obrade, vremenskim ciklusima i pripremnim vremenima, kao i očekivanoj količini. Također se događa da laserska varijanta uvjerava, ali da se brušena verzija bolje uklapa u vremenske zahtjeve kupca. Stoga je načelo: ne treba rezati sve što je tehnički moguće - već samo ono što se isplati ekonomski i procesno sigurno.
Zaključak: Od posebnog slučaja do rješenja pogodnog za serijsku proizvodnju
Lasersko rezanje omogućuje precizno prilagođavanje alata specifičnim zahtjevima kupaca - na primjer, kroz obodne geometrije za proces rezanja i kopiranja. To smanjuje promjene alata, štedi vrijeme obrade i povećava sigurnost procesa. Čak i dosad teško upravljivi problemi poput zapetljanih chipsa kod rezanja navoja ili nakupljanja materijala pri negativnim kutovima rezanja mogu se uspješno riješiti laserski obrađenim geometrijama. Ono što je u SIMTEK-u započelo kao eksperimentalni pristup danas je etablirana tehnologija s jasno definiranim procesima. Laserski obrađene geometrije alata pružaju pouzdanu kontrolu chipsa, visoku trajnost i otvaraju nove mogućnosti u razvoju alata. Za oko 80-90 posto primjena, 3D laserski obrađeni alati nude realnu - i često superiornu - alternativu konvencionalnom brušenju - kako tehnički, tako i ekonomski.
Autor: Ralf M. Haassengier
Kontakt:
