A lézeres forgácsszög kialakításának bevezetésével egy teljesen új, konstrukciós és gyártástechnikai megközelítés lép életbe a szerszámfejlesztésben. A hagyományos, szubtraktív megmunkálás helyett, amely csiszolási folyamatokat igényel, a lézer negatív konstrukciót követel meg, ahol a szerszámgeometriákat célzottan a lézer általi anyageltávolításra tervezik. Ez megnöveli a tervezési igényeket, speciális CAD folyamatokat igényel, és új követelményeket támaszt az adatszerkezet kialakításával szemben.
„A lézerrel készült szerszámgeometriák integrálása a keményfém szerszámokba alapvető változást jelent a tervezésben és gyártásban”, hangsúlyozza Alexander Seifermann, a Mössinger precíziós szerszámgyártó SIMTEK tervezési vezetője. „Ahol korábban túlnyomórészt csiszoltunk, ma gyakran lézerezünk – jelentős hatással a geometriára, a konstrukcióra és az alkalmazásra. Elmozdulás a klasszikus, nagyméretű anyageltávolítástól – a komplex geometriák negatív formájának pontszerű és háromdimenziós kialakítása felé.”
A technológiai fejlődés vállalati előnyöket is hoz: „Az előnyök egyértelműek: képesek vagyunk nagy pontosságú, körkörös vágási geometriákat létrehozni – optimalizált forgácsellenőrzéssel és gyakran kibővített funkciókkal” – tette hozzá a SIMTEK ügyvezetője, Norbert Seifermann. A kezdeti nehézségek ellenére, amelyeket le kellett küzdeni, a többletmunka a legtöbb egyedi szerszám alkalmazási esetében megéri. „A forgács eredmények annyira meggyőzőek, hogy a lézerrel készült geometriákat fokozatosan átveszünk a standard szerszámkatalógusunkba.”
Konstruktív átalakítás: Az eltávolítástól a negatív konstrukcióig
A klasszikus szerszámtervezés a klasszikus, nagyméretű anyageltávolítás elvén alapult. A tervezés célja az volt, hogy a gyártás során egy alapanyagból csiszolással létrehozhassák a meghatározott forgácsszögeket és szabad felületeket. Ezzel szemben a lézerelés teljesen más gondolkodást igényel - most azt modellezik, ami később eltávolításra kerül.
Ez a „negatív konstrukció” jelentősen nagyobb munkát igényel a CAD-ben, és eszközönként több további adatállományt generál. A tervezőnek pontosan meg kell határoznia, hogy mely területeket kell eltávolítani – ez egy olyan elv, amely hasonlít a fröccsöntés szerszámgyártásához, de a megvalósítása lényegesen bonyolultabb. „Mivel a lézerezés során valóban negatívval dolgozunk, a megtervezett modell csupán a belső ellenőrzésre szolgál” – magyarázza a tervezési vezető, Alexander Seifermann.
„A gyártás közvetlenül hozzáfér a negatív modellhez, virtuálisan elhelyezi azt a vágóélre, majd pontosan eltávolítja azt az anyagot, amelyet korábban konstrukciósan meghatároztak.“
A lézer új forgácsolási teret nyit meg – de magasabb követelményeket támaszt.
A lézerrel készült geometriák rendkívül összetett struktúrákat tesznek lehetővé: megtakarítások, kiemelkedések, dudorok – minden háromdimenziósan van megtervezve és pontosan megvalósítva. Ez új lehetőségeket teremt a forgácsellenőrzés és az eszközoptimalizálás terén. Ugyanakkor nő a konstrukcióval szembeni elvárás is: megalapozott szakértelemre és sokkal szorosabb együttműködési folyamatra van szükség az ügyféllel. Ezen kívül a SIMTEK által használt piacon elterjedt CAD-programok csak korlátozottan alkalmasak erre a folyamatra – speciális munkamódszerek szükségesek a tiszta átmenetek és a hibátlan geometriák biztosításához. Alexander Seifermann és csapata ismeri a problémát: „Amit a csiszolási folyamat során még tapasztalati értékek és szabványformák segítségével meg tudtunk oldani, az lézeres vágásnál konstrukciós kihívássá válik.”
A CAD, a gyártás, valamint az ügyfélkommunikáció iránti követelmények jelentősen növekednek – és évente több mint 3.500 különböző ügyfélspecifikus új fejlesztés mellett ez nem kis feladat. Ugyanakkor lézeres geometriákkal teljesen új lehetőségeket nyitunk meg: jobb forgácsellenőrzés, hosszabb élettartam, stabilabb folyamatok és több megmunkálási lépés integrálása egyetlen szerszámba.
Tudás a tapasztalatból
A spangeometrák lézeres megmunkálásának bevezetése a SIMTEK-nél egy fáradságos tanulási folyamat volt – kísérletezés, tévedések és tapasztalatok révén évek alatt mélyreható szakértelem alakult ki. Ma már mind a különleges, mind a standard szerszámok lézerrel készült geometriákkal felszerelhetők. Ezek a szerszámok különösen a kis alkatrészek megmunkálásánál, réz, alumínium vagy más ólommentes anyagok esetében óriási előnyöket kínálnak a forgácsvezetés és a felületi minőség szempontjából.
Ennek ellenére a lézergeometriák bevezetésekor gyakran még mindig szükség van tisztázásra. Ebben a tekintetben a SIMTEK szakértői tanácsadóként állnak ügyfeleik rendelkezésére, és bemutatják azokat az előnyöket, amelyeket a lézerrel készült geometria nyújt. Ezekben az esetekben a tervezett geometriát először vizualizálják és magyarázzák, hogy a konstrukciós szándék átláthatóvá váljon. Ez az egyeztetési folyamat általában kérdéseket vet fel, és bár a jóváhagyási folyamatot kissé meghosszabbíthatja, a legtöbb esetben növeli a megértést, és végső soron jobb eredményeket biztosít.
A lézerelés nem mindig ugyanazt jelenti.
Beszélgetések során időnként arra hivatkoznak, hogy az eszközgeometriák lézeres megmunkálása évek óta bevett gyakorlat. Ezzel kapcsolatban azonban fontos a különbségtétel: míg ez a technológia a PKD-eszközök (polikristályos gyémánt) területén már bizonyított, a keményfém lézeres megmunkálása - különösen a mikrogyártásra szánt eszközök kontextusában - jelentősen nagyobb kihívást jelent.
Technológiai okokból a munkadarabok lézeres megmunkáláskor eltérően viselkednek: a PKD-részecskék körülbelül 700°C-tól grafittá bomlanak. Oxigén jelenlétében az oxidatív lebomlás és a bomlás már körülbelül 600°C-tól megkezdődik, vákuumban a bomlás 1300°C-tól késlekedik. A grafit lebomlik, egyre instabilabbá válik, és viszonylag könnyen eltávolítható. „Ez a folyamat elsősorban a szemcséhatárokon kezdődik, amelyek különösen fontosak a vágószerszámok esetében – itt található gyakran a vágóél vagy a meghatározott forgácsvezető lépcsőforma” – pontosítja Alexander Seifermann. Ezzel szemben a keményfém wolfram olvadáspontja körülbelül 3400°C, a párolgáspontja pedig meghaladja az 5000°C-t. Ezeken a hőmérsékleteken azonban már más kötőanyag-összetevők, mint például a kobalt és a szén is párolognak – ami a megmunkálást jelentősen megnehezíti.
Miután a SIMTEK először az AMB 2024-en nyilvánosan bemutatta a lézerrel készült geometriákat, azóta mások is csatlakoztak a trendhez. „Tudtuk, hogy más szerszámgyártók is intenzíven dolgozni fognak a lézeres témán, miután látták, hogy működik” – hangsúlyozza Norbert Seifermann. Bár kezdetben még egyszerűbb struktúrákról volt szó, amelyek messze voltak a fő vágóéltől, a geometriák mára összetettebbé váltak.
Ezen kívül sinterelt vagy fröccsöntött ISO-formák is szerepet játszanak. „Mikrogeometriákat lézerrel készítünk, amelyeket már nem lehet sinterelni vagy fröccsönteni, és a vágóélhez lézerel dolgozunk – célzottan és nagy pontossággal.” Az eredmény rendkívül éles vágóélek. „Ami optikailag néha védőperemnek tűnik, valójában egy pontosan meghatározott, körbefutó szög, amelyet precízen alakítanak ki és funkcionálisan pontosan hangolnak,” pontosítja a tervezési vezető, Alexander Seifermann.
A feszültségellenőrzés párbeszédet igényel - miért döntő a kommunikáció.
A lézeres geometriák teljesen új lehetőségeket nyitnak meg a forgácsolásban - a célzott forgács töréstől kezdve a terelésen át a definiált feltekercselésig. Ahhoz, hogy ezeket a potenciálokat teljes mértékben ki lehessen aknázni, elengedhetetlen a szoros együttműködés a felhasználó és a gyártó között. „Minél többet tudunk a konkrét alkalmazási esetről, annál pontosabban tudjuk megtervezni a geometriát” - magyarázza Norbert Seifermann. Ez különösen érvényes kihívást jelentő anyagok, például C10 mélyhúzó acél, ólommentes alumínium vagy réz esetében. Itt összehangolt paraméterekkel és lézeres geometriákkal folyamatbiztos forgács törések valósíthatók meg - még ott is, ahol a fizikai határok megakadályozzák a teljes forgács törést.
Gyakorlati információk az optimális eredmények alapjaként
Ahhoz, hogy egy szerszám teljes potenciálját ki tudja aknázni, elengedhetetlenek a pontos adatok az anyagról, a vágási paraméterekről és a felhasználási körülményekről. A gyakorlatban bebizonyosodott, hogy a kis eltérések a haladási sebességben vagy az anyagminőségben jelentős hatással lehetnek a forgácsolási viselkedésre. „Ha ezeket a paramétereket korán ismerjük, akkor a geometriát optimálisan tudjuk hozzáigazítani” – hangsúlyozza Alexander Seifermann. A különleges szerszámok esetében, amelyeket gyakran csak kis mennyiségben vagy egyszeri alkalmazások során használnak, a konstruktív visszajelzés különösen értékes. Így a sikeres geometriák célzottan továbbfejleszthetők. „Az ügyfeleinkkel való szoros együttműködés biztosítja, hogy teljesen digitális szimuláció nélkül is gyakorlati megoldásokat tudjunk kidolgozni – egyénre szabottan, megbízhatóan és alkalmazásorientáltan.”
A különleges esettől a szabvány szerszámig
A személyre szabott különleges gyártással ellentétben a SIMTEK-nél a standard területen házon belüli tesztsorozatok végezhetők. A mai használatban lévő standard geometriák sok esetben korábban sikeresen megvalósított különleges megoldásokon alapulnak. „A különleges fejlesztésekből, például a teljes sugárra alapozott geometriákból származó ismereteket átültettük a standard szerszámokba, és ott nagy sikerrel bevezettük” – magyarázza a tervezési vezető a megközelítést.
Különösen hatékonysággal bírnak a teljes sugárú vágószélek esetében a lézerrel generált geometriák: ezek lehetővé teszik a vágási területen belüli egyenletes forgácsvezetést – ellentétben a klasszikus köszörüléssel, ahol a forgácsszög a haladási sebesség és a bemerülési mélység függvényében akaratlanul is változik.
Több hatékonyság a célzott geometriai módosítással Egy konkrét alkalmazási példa különösen jól szemlélteti a lézeres geometriák előnyét: ahol korábban két szerszámra és egy további tartóra volt szükség a radiális bemetszések és leválasztások elvégzéséhez, ma elegendő egyetlen lézeres szerszám, ahogy a gyakorlat is mutatja. Ez nemcsak a szerszámcserét és az energiát takarítja meg, hanem jelentősen csökkenti a gép és a szerszám kopását is.
Egy másik gyakorlati példa az olajleeresztő csavar megmunkálása, amely több átmérővel és axiális kiemeléssel rendelkezik. Míg a csiszolási eljárás során az ilyen feladatokhoz általában két külön szerszámot kellett használni korlátozott geometriai vezetés mellett, lézeres vágással olyan forgács- és vágószögek alakíthatók ki, hogy minden munkafolyamat egyetlen szerszámmal elvégezhető legyen - kompromisszumok nélkül a forgácsvezetés terén.
Norbert Seifermann erre: „A csiszolással egy forgácsvezető lépcsőt hoztunk volna létre a fő forgácsirányba – de mi is a fő forgácsirány ilyen esetben? Valószínűleg egy 0°-os forgácsszöget választottunk volna, ami azonban rendkívül nem optimális. Ezzel szemben a lézeres megoldás lehetővé teszi, hogy a geometriát pontosan a folyamathoz igazítsuk.”
Konstruktív változás hatásokkal
Míg a tervezés kezdetben minden új szerszámot egyedileg értékelt, ez mára egy bevált tervezési elvvé fejlődött. Az első lépés: egy körbefutó, vágásra hajlamos geometria, amely a várható előtolásokhoz van igazítva. „Ez közvetlen hatással van a gép viselkedésére: a szerszámok simábban működnek, a vágóerők csökkennek, a rezgés csökken – és egyidejűleg magasabb vágási értékek valósíthatók meg” – tudja Norbert Seifermann.
Egy konkrét eset mutatja be ezt a hatást: Egy jól megmunkálható anyagnál a lézeres szerszámra való áttéréssel nemcsak a felületi minőség javult jelentősen, hanem egy teljes utófeldolgozási lépés is megtakaríthatóvá vált.
Párizsi csiszolás lézerrel helyettesítve
Bár a forgácsellenőrzés gyakran a fő cél, a magasabb vágási értékek, a rövidebb feldolgozási idők és a jobb felületminőségek is az lézeres geometriák alkalmazása mellett szólnak. Egy szemléletes példa a „Párizsi csiszolás” – egy összetett, csiszolt hibrid geometria bemerítő és hosszesztergálási műveletekhez. Ez a geometria azonban ellenőrizetlen forgácsokat eredményezett, és a szerszámgyártó számára bonyolultabb volt a gyártása. A lézeres megoldásra való áttéréssel a SIMTEK teljesen meg tudta oldani a problémát. A korábbi csiszolási változatot azóta eltávolították a katalógusból, és a lézeres verzió váltotta fel.
Rendszer szerinti standardgeometriák - és határokkal
A minden előrelépés ellenére a standard terület továbbra is univerzális geometriákra, mint például a durva megmunkálás és a finom megmunkálás korlátozódik. Ezeknek számos anyaggal kell működniük. Ez elkerülhetetlenül célkonfliktusokat eredményez: ami az egyik ügyfélnél kiválóan működik, az a másiknál nem megfelelő lehet. A standard esetében tehát nem reális az összes alkalmazási eset teljes lefedése – itt a különleges szerszám a jobb választás.
Lézeres mérés - A gazdaságosság döntő szerepet játszik
A technológiai lehetőségek ellenére a lézeres megmunkálás nem minden esetben gazdaságilag indokolt. Különösen kis szériák vagy egyszerű megmunkálások esetén a lézerrel készült geometria meghaladhatja a tényleges igényeket. A döntést mindig egyénileg kell meghozni, figyelembe véve az anyagot, a megmunkálási feladatot, a ciklus- és beállítási időket, valamint a várt darabszámot. Előfordulhat az is, hogy egy lézeres változat meggyőző, de egy csiszolt változat jobban illeszkedik az ügyfél ciklusidő-előírásaihoz. Ezért a mottó: Nem mindent lézerrel megmunkálni, ami technikailag lehetséges – hanem csak azt, ami gazdaságilag és folyamatbiztosan megtérül.
Következtetés: A különleges esettől a sorozatgyártásra alkalmas megoldásig
A lézeres megoldás lehetővé teszi, hogy az eszközöket pontosan a konkrét ügyféligényekhez igazítsák - például körkörös geometriák révén a bemerítő és másoló folyamatokhoz. Ez csökkenti az eszközváltásokat, időt takarít meg a megmunkálás során, és növeli a folyamatbiztonságot. Még a korábban nehezen kezelhető problémák, mint a fémforgácsok összekuszálódása menetes kivágásoknál vagy a negatív forgácsszögeknél fellépő felrakódások is sikeresen megoldhatók lézerrel készült geometriák segítségével. Ami a SIMTEK-nél kísérleti megközelítésként indult, ma már egy bevett technológiává vált, világosan meghatározott folyamatokkal. A lézerrel készült szerszámgeometriák megbízható forgácsellenőrzést, magas élettartamot biztosítanak, és új lehetőségeket nyitnak meg a szerszámfejlesztés terén. A felhasználások körülbelül 80-90%-ában a 3D lézerrel készült szerszámok reális - és gyakran jobb - alternatívát kínálnak a hagyományos csiszoláshoz képest - mind technikai, mind gazdasági szempontból.
Szerző: Ralf M. Haassengier
Kapcsolat:
