Wprowadzenie laserowo wycinanych kątów skrawania wprowadza zupełnie nowe podejście do rozwoju narzędzi, zarówno pod względem konstrukcyjnym, jak i technologicznym. Zamiast tradycyjnego, subtraktywnego przetwarzania za pomocą procesów szlifowania, laserowanie wymaga konstrukcji negatywnej, w której geometrie narzędzi są celowo projektowane do usuwania materiału przez laser. Prowadzi to do zwiększonego wysiłku konstrukcyjnego, wymaga wyspecjalizowanych procesów CAD i stawia nowe wymagania dotyczące struktury danych.
„Integracja laserowanych geometrii w narzędziach węglikowych oznacza fundamentalną zmianę w konstrukcji i produkcji” – podkreśla Alexander Seifermann, kierownik konstrukcji w producenta narzędzi precyzyjnych SIMTEK z Mössingen. „Tam, gdzie wcześniej głównie szlifowaliśmy, dziś często laserujemy – z istotnym wpływem na geometrię, konstrukcję i zastosowanie. Od klasycznego, dużego usuwania materiału – w kierunku punktowego i trójwymiarowego kształtowania złożonych geometrii w negatywie.”
Postęp technologiczny przynosi również korzyści przedsiębiorstwom: „Zalety są oczywiste: możemy wytwarzać wysokoprecyzyjne, okrągłe geometrie ostrzy – z optymalną kontrolą wiórów i często rozszerzonym zakresem funkcji”, dodaje Norbert Seifermann, dyrektor generalny SIMTEK. Mimo początkowych przeszkód, które trzeba było pokonać, dodatkowy wysiłek opłaca się w większości przypadków zastosowań narzędzi indywidualnych. „Wyniki wiórów są na tyle przekonujące, że stopniowo wprowadzamy laseryzowane geometrie do naszego standardowego katalogu narzędzi.”
Konstruktywna zmiana: Od usuwania do konstrukcji negatywnej
Klasyczna konstrukcja narzędzi opierała się na zasadzie klasycznego, dużego usuwania materiału. Konstrukcja była zaprojektowana tak, aby w procesie produkcji z odkuwki poprzez szlifowanie można było uzyskać zdefiniowane kąty skrawania i powierzchnie wolne. Z kolei laserowanie wymaga zupełnie innego myślenia – modeluje się teraz to, co później zostanie usunięte.
Ta „konstrukcja negatywna” wiąże się z wyraźnie większym nakładem pracy w CAD i generuje kilka dodatkowych zbiorów danych dla każdego narzędzia. Konstruktor musi dokładnie określić, które obszary mają być usunięte – zasada ta przypomina budowę narzędzi w wtryskowym formowaniu, ale w realizacji jest znacznie bardziej skomplikowana. „Ponieważ podczas laserowania rzeczywiście pracuje się z negatywem, skonstruowany model służy jedynie do wewnętrznej kontroli,” wyjaśnia kierownik konstrukcji Alexander Seifermann.
„Produkcja bezpośrednio korzysta z modelu negatywowego, umieszcza go wirtualnie na ostrzu i następnie dokładnie usuwa materiał, który wcześniej został zdefiniowany konstrukcyjnie.”
Laserowanie otwiera nowe przestrzenie skrawania – stawia jednak wyższe wymagania.
Laserowane geometrie umożliwiają tworzenie niezwykle złożonych struktur: oszczędności, wypukłości, garby – wszystko jest planowane w trzech wymiarach i precyzyjnie realizowane. To stwarza nowe możliwości w kontroli wiórów i optymalizacji narzędzi. Jednocześnie rosną jednak wymagania wobec konstrukcji: potrzebna jest solidna wiedza fachowa oraz znacznie węższy proces uzgadniania z klientem. Ponadto, używane przez SIMTEK powszechnie dostępne programy CAD są tylko częściowo przystosowane do tego procesu – wymagane są specjalne metody pracy, aby zapewnić czyste przejścia i bezbłędne geometrie. Alexander Seifermann i jego zespół znają problem: „To, co mogliśmy rozwiązać w procesie szlifowania na podstawie doświadczeń i standardowych form, staje się wyzwaniem konstrukcyjnym przy laserowaniu.
Wymagania dotyczące CAD, produkcji oraz komunikacji z klientami wyraźnie rosną – a przy ponad 3.500 różnych, indywidualnych nowościach rocznie, to nie jest mała sprawa. Jednocześnie otwieramy zupełnie nowe możliwości dzięki laserowym geometriom: lepsza kontrola wiórów, dłuższe czasy eksploatacji, stabilniejsze procesy oraz integracja kilku kroków obróbczych w jednym narzędziu.
Kompetencja z doświadczenia
Wprowadzenie do laserowania geometrii narzędzi w SIMTEK było żmudnym procesem nauki - przez próbę, błąd i doświadczenie przez lata powstała głęboka ekspertyza. Dziś zarówno narzędzia specjalne, jak i standardowe mogą być wyposażone w laserowane geometrie. Te narzędzia oferują szczególne korzyści w obróbce małych części, przy miedzi, aluminium lub innych materiałach bez ołowiu, zwłaszcza pod względem prowadzenia wiórów i jakości powierzchni.
Mimo to, przy wprowadzaniu geometrii laserowych często istnieje potrzeba wyjaśnienia. W tym zakresie eksperci z SIMTEK służą swoim klientom doradztwem i wskazują zalety, jakie niesie ze sobą geometrii laserowa. W takich przypadkach planowana geometria jest najpierw wizualizowana i wyjaśniana, aby uczynić intencje konstrukcyjne przejrzystymi. Ten proces uzgadniania zazwyczaj prowadzi do pytań zwrotnych i może nieco wydłużyć proces zatwierdzania, jednak w większości przypadków przyczynia się do lepszego zrozumienia i ostatecznie lepszych wyników.
Laserowanie nie zawsze oznacza to samo.
W rozmowach czasami wskazuje się, że laserowanie geometrii narzędzi jest od lat ugruntowane. Należy jednak rozróżnić: podczas gdy ta technologia sprawdziła się w zakresie narzędzi PKD (polikrystaliczny diament), laserowanie węglika spiekanego - szczególnie w kontekście narzędzi do mikroprodukcji - stanowi znacznie większe wyzwanie.
Ze względu na technologię materiały zachowują się różnie podczas lasera: Cząstki PKD rozkładają się w temperaturze około 700°C do grafitu. W obecności tlenu proces rozkładu oksydacyjnego i dekompozycji zaczyna się już w temperaturze około 600°C, a w próżni rozkład opóźnia się do około 1300°C. Grafit ulega rozkładowi, staje się coraz mniej stabilny i można go stosunkowo łatwo usunąć. „Ten proces zaczyna się przede wszystkim na granicach ziaren, które są szczególnie ważne w narzędziach skrawających - tam często znajduje się krawędź skrawająca lub zdefiniowany kształt prowadzenia wiórów”, precyzuje Alexander Seifermann. W przeciwieństwie do tego, temperatura topnienia wolframu w węgliku wynosi około 3400°C, a temperatura wrzenia nawet ponad 5000°C. W tych temperaturach jednak inne składniki wiążące, takie jak kobalt i węgiel, już parują - co znacznie utrudnia obróbkę.
Po tym, jak SIMTEK po raz pierwszy publicznie zaprezentował laserowane geometrie na AMB 2024, do akcji dołączyli także inni. „Byliśmy świadomi, że inni producenci narzędzi będą teraz intensywnie pracować nad tematyką lasera, po tym jak zobaczyli, że to działa” – podkreśla Norbert Seifermann. Na początku były to jeszcze prostsze struktury, dalekie od głównego ostrza, ale geometrie stały się teraz bardziej złożone.
Dodatkowo pojawiają się również formy ISO, które są spiekane lub wtryskiwane. „Laserujemy mikrogeometrie, które nie mogą być już spiekane ani wtryskiwane, a mianowicie laserowo aż do krawędzi tnącej – celowo i z wysoką precyzją.” Efektem są ekstremalnie ostre krawędzie tnące. „To, co wizualnie czasami wygląda jak faza ochronna, w rzeczywistości jest dokładnie zdefiniowanym, okrągłym kątem, który został precyzyjnie wprowadzony i funkcjonalnie dokładnie dostosowany”, precyzuje kierownik konstrukcji Alexander Seifermann.
Kontrola skrawania wymaga dialogu – dlaczego komunikacja jest kluczowa.
Lasowane geometrie otwierają zupełnie nowe możliwości w obróbce skrawaniem – od celowego łamania wiórów, przez ich przekierowywanie, aż po definiowane nawijanie. Aby te potencjały mogły być w pełni wykorzystane, kluczowa jest bliska współpraca między użytkownikiem a producentem. „Im więcej wiemy o konkretnym przypadku zastosowania, tym precyzyjniej możemy zaprojektować geometrię”, wyjaśnia Norbert Seifermann. Dotyczy to szczególnie wymagających materiałów, takich jak stal głęboko ciągliwa C10, aluminium bez ołowiu czy miedź. Dzięki odpowiednio dobranym parametrom i lasowanym geometriom można zrealizować procesowo bezpieczne łamanie wiórów – nawet tam, gdzie fizyczne ograniczenia uniemożliwiają całkowite łamanie wiórów.
Praktyczne informacje jako podstawa dla optymalnych wyników
Aby narzędzie mogło w pełni wykorzystać swój potencjał, niezbędne są dokładne informacje na temat materiału, wartości skrawania i warunków pracy. W praktyce okazało się, że małe odchylenia w posuwie lub jakości materiału mogą mieć duży wpływ na zachowanie wiórów. „Jeśli wcześnie poznamy te parametry, możemy optymalnie dostosować geometrię”, podkreśla Alexander Seifermann. W przypadku narzędzi specjalnych, które często są stosowane tylko w małych ilościach lub jednorazowych zastosowaniach, konstruktywna informacja zwrotna jest szczególnie cenna. Dzięki temu można celowo rozwijać udane geometrie. „Ścisła współpraca z naszymi klientami sprawia, że nawet bez w pełni cyfrowej symulacji opracowujemy praktyczne rozwiązania – indywidualne, niezawodne i zorientowane na zastosowanie.”
Od przypadku specjalnego do narzędzia standardowego
W przeciwieństwie do indywidualnych rozwiązań specjalnych, w obszarze standardowym w SIMTEK można przeprowadzać wewnętrzne testy. Wiele z dzisiaj stosowanych geometrii standardowych opiera się zatem na wcześniej pomyślnie wdrożonych rozwiązaniach specjalnych. „Przenieśliśmy wnioski z rozwoju specjalnego, na przykład dotyczące geometrii o pełnym promieniu, do narzędzi standardowych i tam z dużym sukcesem je wdrożyliśmy” – wyjaśnia kierownik konstrukcji sposób działania.
Szczególnie w przypadku narzędzi o pełnym promieniu, geometria generowana laserowo jest szczególnie skuteczna: umożliwia równomierne prowadzenie wiórów w całym obszarze skrawania - w przeciwieństwie do klasycznego szlifowania, gdzie kąt wióra zmienia się niezamierzenie w zależności od posuwu i głębokości wnikania.
Większa efektywność dzięki celowemu dostosowaniu geometrii Konkretne przykłady zastosowań wyraźnie pokazują zalety laserowych geometrii: tam, gdzie wcześniej potrzebne były dwa narzędzia i dodatkowy uchwyt do wykonywania wcięć radialnych i odłączeń, dziś wystarcza jedno laserowe narzędzie, co potwierdzają praktyczne doświadczenia. To nie tylko oszczędza wymiany narzędzi i energii, ale także znacznie redukuje zużycie maszyny i narzędzia.
Kolejny przykład praktyczny dotyczy obróbki śruby spustowej oleju o różnych średnicach i osiowym wycięciu. Podczas procesu szlifowania do takich zadań zazwyczaj musiały być używane dwa oddzielne narzędzia z ograniczonym prowadzeniem geometrycznym, natomiast dzięki cięciu laserowemu można wprowadzić kąt skrawania w taki sposób, że wszystkie etapy pracy można wykonać za pomocą tylko jednego narzędzia - bez kompromisów w zakresie prowadzenia wiórów.
Norbert Seifermann powiedział: „Przy szlifowaniu wprowadzilibyśmy stopień prowadzenia wiórów w głównym kierunku skrawania – ale co w takim przypadku jest w ogóle głównym kierunkiem skrawania? Prawdopodobnie wybralibyśmy kąt skrawania 0°, co jednak jest ekstremalnie suboptymalne. Z kolei przy laserowaniu geometria może być dokładnie dostosowana do procesu w sposób ciągły.”
Konstruktywną zmianą z konsekwencjami
Podczas gdy konstrukcja na początku oceniała każde nowe narzędzie indywidualnie, obecnie przekształciło się to w sprawdzoną zasadę konstrukcyjną. Pierwszy krok: obwodowa, chętna do cięcia geometria, dostosowana do oczekiwanych posuwów. „To bezpośrednio wpływa na zachowanie maszyny: narzędzia pracują ciszej, siły skrawania maleją, wibracje są redukowane – a jednocześnie można osiągnąć wyższe wartości skrawania”, wie Norbert Seifermann.
Konkretny przypadek ilustruje ten efekt: W przypadku dobrze obrabialnego materiału, przejście na narzędzie laserowe pozwoliło nie tylko na znaczną poprawę jakości powierzchni, ale także na zaoszczędzenie całego etapu obróbki końcowej.
Szlif paryski zastąpiony przez laserowanie
Chociaż kontrola wiórów często jest głównym celem, wyższe wartości skrawania, krótsze czasy obróbcze i lepsza jakość powierzchni również przemawiają za zastosowaniem geometrii laserowej. Przykładem jest tzw. „paryski szlif” – złożona, szlifowana geometria hybrydowa do operacji wkręcania i toczenia wzdłużnego. Ta geometria jednak generowała niekontrolowane wióry i była bardziej skomplikowana w produkcji dla producenta narzędzi. Dzięki przejściu na rozwiązanie laserowe, SIMTEK mogło całkowicie rozwiązać problem. Wcześniejsza wersja szlifowana została już usunięta z katalogu i zastąpiona wersją laserową.
Standardowe geometrie z systemem - i z ograniczeniami
Pomimo wszystkich postępów, standardowy obszar pozostaje ograniczony do uniwersalnych geometrii, takich jak na przykład roughing i finishing. Muszą one działać dla wielu różnych materiałów. Z tego wynikają nieuchronnie konflikty celów: to, co u jednego klienta działa doskonale, może być nieodpowiednie u innego. Pełne pokrycie wszystkich przypadków zastosowania w standardzie nie jest więc realistyczne - w tym przypadku narzędzie specjalne pozostaje lepszym wyborem.
Laserowanie z wyczuciem – decyduje opłacalność
Pomimo możliwości technologicznych, laserowanie nie zawsze jest ekonomicznie uzasadnione. Szczególnie w przypadku małych serii lub prostych obróbek, geometria laserowa może przekraczać rzeczywiste potrzeby. Decyzja powinna być zawsze podejmowana indywidualnie, w zależności od materiału, zadania obróbczej, czasów cyklu i ustawienia oraz oczekiwanej liczby sztuk. Zdarza się również, że wariant laserowy jest przekonujący, ale szlifowany lepiej wpisuje się w wymagania czasowe klienta. Dlatego zasada brzmi: nie wszystko, co technicznie możliwe, należy laserować – tylko to, co jest opłacalne i bezpieczne procesowo.
Podsumowanie: Od przypadku szczególnego do rozwiązania seryjnego
Laserowanie umożliwia precyzyjne dostosowanie narzędzi do konkretnych wymagań klientów – na przykład poprzez obwodowe geometrie do procesów wcinania i kopiowania. To redukuje wymiany narzędzi, oszczędza czas obróbczy i zwiększa bezpieczeństwo procesu. Nawet dotychczas trudne do opanowania problemy, takie jak splątane wióry przy gwintowych frezach czy nagromadzenie wiórów przy ujemnych kątach skrawania, można skutecznie rozwiązać dzięki laserowanym geometriom. To, co w SIMTEK zaczęło się jako eksperymentalne podejście, jest dziś ugruntowaną technologią z jasno określonymi procesami. Laserowane geometrie narzędzi zapewniają niezawodną kontrolę wiórów, długie czasy eksploatacji i otwierają nowe możliwości w rozwoju narzędzi. Dla około 80-90 procent zastosowań narzędzia laserowane w 3D stanowią realistyczną – i często lepszą – alternatywę dla konwencjonalnego szlifowania – zarówno pod względem technicznym, jak i ekonomicznym.
Autor: Ralf M. Haassengier
Kontakt:
