Z uvedbo lasersko obdelanih kotov rezanja vstopa v razvoj orodij povsem nov pristop, ki je konstrukcijsko in tehnološko drugačen. Namesto tradicionalnega, subtraktivnega obdelovanja s postopki brušenja, lasersko obdelovanje zahteva negativno konstrukcijo, pri kateri so geometrije orodij zasnovane posebej za odstranjevanje materiala z laserjem. To vodi do povečanih konstrukcijskih zahtev, zahteva specializirane CAD procese in postavlja nove zahteve glede strukturiranja podatkov.
„Integracija lasersko obdelanih geometrij v trdnih kovinskih orodjih označuje temeljno spremembo v konstrukciji in proizvodnji,“ poudarja Alexander Seifermann, vodja konstrukcije pri proizvajalcu preciznih orodij SIMTEK iz Mössinga. „Tam, kjer smo prej večinoma brusili, danes pogosto laseramo – z znatnimi vplivi na geometrijo, konstrukcijo in uporabo. Od klasičnega, obsežnega odstranjevanja materiala – k točkovnemu in tridimenzionalnemu oblikovanju kompleksnih geometrij v negativu.“
Tehnološki napredek prinaša tudi podjetniške prednosti: „Prednosti so očitne: lahko ustvarjamo visoko natančne, obkrožene geometrije rezil – z optimizirano kontrolo odrezkov in pogosto razširjenim funkcionalnim obsegom,“ dodaja direktor podjetja SIMTEK Norbert Seifermann. Kljub začetnim oviram, ki jih je bilo treba premagati, se dodatni trud za večino primerov uporabe individualnih orodij splača. „Rezultati odrezkov so tako prepričljivi, da postopoma vključujemo laserske geometrije v naš standardni katalog orodij.“
Konstruktivna preureditev: Od odstranjevanja do negativne konstrukcije
Klasična zasnova orodij je temeljila na principu klasičnega, obsežnega odstranjevanja materiala. Zasnova je bila prilagojena tako, da se je v proizvodnji iz polizdelka s brušenjem lahko ustvarili določeni koti rezanja in prosti površini. Lasersko obdelovanje pa zahteva povsem drugačno razmišljanje - modelira se tisto, kar bo kasneje odstranjeno.
Ta „negativna konstrukcija“ prinaša znatno večje stroške v CAD-u in ustvarja več dodatnih podatkovnih zapisov na orodje. Konstruktor mora natančno določiti, kateri deli naj bodo odstranjeni – načelo, ki spominja na izdelavo orodij pri brizganju, a je v izvedbi bistveno bolj zapleteno. „Ker pri laserskem rezanju dejansko delamo z negativom, služi zasnovani model zgolj za interno kontrolo,“ pojasnjuje vodja konstrukcije Alexander Seifermann.
„Proizvodnja neposredno dostopa do negativnega modela, ga virtualno postavi na rezilo in nato natančno odstrani material, ki je bil prej konstrukcijsko opredeljen.“
Lasersko obdelovanje odpira nove možnosti obdelave, a postavlja tudi višje zahteve.
Laserane geometrije omogočajo izjemno kompleksne strukture: prihranki, izbokline, grbine – vse je načrtovano tridimensionalno in natančno izvedeno. To ustvarja nove možnosti pri nadzoru odrezkov in optimizaciji orodij. Hkrati pa se povečujejo tudi zahteve glede konstrukcije: potrebna so temeljita znanja in bistveno ožji usklajevalni proces s strankami. Poleg tega so CAD-programi, ki jih uporablja SIMTEK, le omejeno primerni za ta proces – potrebne so posebne delovne metode, da se zagotovi čiste prehode in breznapake geometrije. Alexander Seifermann in njegova ekipa poznata to problematiko: „Kar smo v procesu brušenja še lahko rešili s pomočjo izkušenj in standardnih oblik, postane pri laserskem obdelovanju konstrukcijski izziv.
Zahteve po CAD, proizvodnji in komunikaciji s strankami se znatno povečujejo - in pri več kot 3.500 različnih individualnih razvoju strank na leto to ni majhna naloga. Hkrati odpiramo z laserskimi geometrijami povsem nove možnosti: boljša kontrola odrezkov, daljša življenjska doba, stabilnejši procesi in integracija več obdelovalnih korakov v eno samo orodje.
Znanje iz izkušenj
Vstop v lasersko obdelavo geometrij spange je bil pri SIMTEK-u naporen učni proces - skozi poskuse, napake in izkušnje se je skozi leta razvila globoka strokovnost. Danes je mogoče opremiti tako posebna kot tudi standardna orodja z lasersko obdelanimi geometrijami. Ta orodja prinašajo predvsem pri obdelavi majhnih delov, pri bakru, aluminiju ali drugih brezsvinčenih materialih ogromne prednosti glede vodstva odrezkov in kakovosti površine.
Kljub temu pri uvajanju laserskih geometrij pogosto obstaja potreba po pojasnilu. Pri tem strokovnjaki iz podjetja SIMTEK svojim strankam nudijo svetovanje in prikazujejo prednosti, ki jih prinaša laserska geometrija. V teh primerih se načrtovana geometrija najprej vizualizira in pojasni, da se konstruktivna namera naredi pregledna. Ta postopek usklajevanja običajno vodi do dodatnih vprašanj in lahko nekoliko podaljša postopek odobritve, vendar v večini primerov zagotavlja tudi večje razumevanje in na koncu boljše rezultate.
Laserjenje ne pomeni vedno istega.
V pogovorih se občasno omeni, da je lasersko obdelovanje geometrij orodij že vrsto let uveljavljeno. Vendar pa je treba razlikovati: medtem ko se je ta tehnologija na področju PKD-orodij (polikristalni diamant) že izkazala, lasersko obdelovanje trdnih zlitin - zlasti v kontekstu orodij za mikroproizvodnjo - predstavlja bistveno večji izziv.
Tehnološko pogojeni se materiali pri laserskem obdelovanju obnašajo različno: PKD-delci se pri približno 700°C razgradijo v grafit. V prisotnosti kisika se oksidativna razgradnja in razpad začnejo že pri približno 600°C, medtem ko se v vakuumu razgradnja upočasni na 1300°C. Grafit se razgrajuje, postaja vedno bolj nestabilen in ga je razmeroma enostavno odstraniti. „Ta proces se začne predvsem na mejah zrn, ki so še posebej pomembne pri rezalnih orodjih – tam se pogosto nahaja rezalna roba ali definirana oblika vodilnega koraka,“ pojasnjuje Alexander Seifermann. Nasprotno pa je tališče volframa v trdnih zlitinah pri približno 3400°C, točka izparevanja pa celo pri več kot 5000°C. Pri teh temperaturah pa se že izparevajo drugi sestavni deli veziv, kot sta kobalt in ogljik – kar močno oteži obdelavo.
Potem ko je SIMTEK prvič javno predstavil laserske geometrije na AMB 2024, so se zdaj pridružili tudi drugi. „Zavedali smo se, da bodo tudi drugi proizvajalci orodij zdaj še bolj intenzivno delali na temi laserja, potem ko so videli, da deluje,“ poudarja Norbert Seifermann. Čeprav so bile sprva še preprostejše strukture in daleč od glavne rezalne površine, so geometrije zdaj postale bolj kompleksne.
Poleg tega so tu še sintrane ali vbrizgane ISO-oblike. „Laseriramo mikrogeometrije, ki jih ni več mogoče sintrati ali vbrizgati, in sicer laseriramo do rezne robu – ciljno in z visoko natančnostjo.“ Rezultat so izjemno ostre rezne robove. „Kar se vizualno včasih zdi kot zaščitna faza, je v resnici natančno opredeljen, obkrožen kot, ki je natančno vnesen in funkcionalno natančno usklajen,“ pojasnjuje vodja konstrukcije Alexander Seifermann.
Nadzor obdelave potrebuje dialog - zakaj je komunikacija odločilna
Laserane geometrije odpirajo povsem nove možnosti v obdelavi materialov – od ciljanega lomljenja odrezkov do preusmerjanja in definiranja navijanja. Da bi te potenciale lahko v celoti izkoristili, je tesno sodelovanje med uporabnikom in proizvajalcem odločilnega pomena. „Več ko vemo o konkretnem primeru uporabe, bolj natančno lahko oblikujemo geometrijo,“ pojasnjuje Norbert Seifermann. To velja še posebej pri zahtevnih materialih, kot so C10 globoko vlečeni jeklo, svinčevemu aluminiju ali bakru. Tukaj je mogoče z usklajenimi parametri in laseranimi geometrijami doseči procesno zanesljive lomove odrezkov – celo tam, kjer fizične meje nasprotujejo popolnemu lomljenju odrezkov.
Praktične informacije kot osnova za optimalne rezultate
Da bo orodje lahko razvilo svoj polni potencial, so natančni podatki o materialu, rezalnih vrednostih in delovnih pogojih nepogrešljivi. V praksi se je izkazalo, da lahko majhne odstopanja v pomiku ali kakovosti materiala močno vplivajo na vedenje chipov. „Če te parametre poznamo zgodaj, lahko optimalno prilagodimo geometrijo,“ poudarja Alexander Seifermann. Pri posebnih orodjih, ki se pogosto uporabljajo le v majhnih količinah ali enkratnih aplikacijah, je konstruktivna povratna informacija še posebej dragocena. Tako lahko uspešne geometrije ciljano nadalje razvijamo. „Tesno usklajevanje z našimi strankami zagotavlja, da lahko tudi brez popolne digitalne simulacije razvijamo praktične rešitve - individualno, zanesljivo in usmerjeno v uporabo.“
Od posebnega primera do standardnega orodja
V nasprotju z individualnimi posebnimi izdelki je mogoče na standardnem področju pri SIMTEK izvajati notranje testne serije. Mnoge od danes uporabljenih standardnih geometrij temelji na prej uspešno izvedenih posebnih rešitvah. „Znanje iz posebnega razvoja, na primer o geometrijah, temelječih na polnem polmeru, smo prenesli v standardna orodja in tam z velikim uspehom uveljavili,“ pojasnjuje vodja konstrukcije postopek.
Še posebej pri rezilih s polnim radijem je geometrija, ki jo ustvari laser, posebej učinkovita: omogoča enakomerno vodenje odrezkov po celotnem območju rezanja - v nasprotju s klasičnim brušenjem, pri katerem se kot odrezka glede na pomik in globino vstopa nenamerno spreminja.
Večja učinkovitost z natančnim prilagajanjem geometrije Konkretni primer uporabe jasno pokaže prednost laserskih geometrij: kjer so prej potrebna bila dva orodja in dodatni nosilec za izvajanje radialnih izrezov in odklopov, danes zadostuje eno samo lasersko orodje, kot se izkaže v praksi. To ne prihrani le menjave orodij in energije, temveč tudi znatno zmanjšuje obrabo stroja in orodja.
Drug primer iz prakse se nanaša na obdelavo odtočne vijake za olje z več premeri in aksialnim izrezom. Medtem ko je bilo pri brušenju za takšne naloge običajno potrebno uporabiti dva ločena orodja z omejenim vodenjem geometrije, je mogoče s pomočjo laserskega rezanja in kotov rezanja doseči, da se vsi delovni koraki izvedejo z le enim orodjem - brez kompromisov pri vodenju odrezkov.
Norbert Seifermann je povedal: „S sledenjem bi v glavnem smeru rezanja uvedli stopnjo rezanja - toda kaj je v takem primeru sploh glavna smer rezanja? Verjetno bi izbrali 0° kot rezni kot, kar pa je izjemno suboptimalno. Pri laserskem rezanju pa je mogoče geometrijo natančno prilagoditi procesu okoli. “
Konstruktivna sprememba z vplivi
Medtem ko je konstrukcija na začetku vsako novo orodje še individualno ocenila, se je to zdaj razvilo v preizkušeno konstrukcijsko načelo. Prvi korak: obodna, rezalno prijazna geometrija, prilagojena pričakovanim pomikom. „To neposredno vpliva na obnašanje stroja: orodja delujejo tišje, rezalne sile se zmanjšujejo, vibracije se zmanjšujejo – hkrati pa je mogoče doseči višje rezalne vrednosti,“ pravi Norbert Seifermann.
Konkreten primer prikazuje ta učinek: Pri dobro obdelovalnem materialu je bilo z zamenjavo na lasersko orodje mogoče ne le znatno izboljšati kakovost površine, temveč tudi prihraniti celoten korak končne obdelave.
Pariški rez z laserjem nadomeščen
Čeprav je nadzor odrezkov pogosto glavni cilj, govorijo tudi višje rezalne vrednosti, krajši čas obdelave in boljša kakovost površin v prid uporabi laserskih geometrij. Očitni primer je tako imenovani „Pariški rez“ – kompleksna, brušena hibridna geometrija za vstopne in dolge obdelave. Ta geometrija pa je povzročila nekontrolirane odrezke in je bila za proizvajalca orodij zahtevnejša za izdelavo. Z prehodom na lasersko rešitev je SIMTEK popolnoma odpravila težavo. Prejšnja brušna različica je bila zdaj umaknjena iz kataloga in nadomeščena z lasersko različico.
Standardne geometrije s sistemom - in z omejitvami
Kljub vsem napredkom ostaja standardno področje omejeno na univerzalne geometrije, kot so na primer grobo obdelovanje in fino obdelovanje. Te morajo delovati za širok spekter materialov. Iz tega se nujno pojavijo ciljni konflikti: kar pri enem kupcu odlično deluje, je lahko pri drugem neprimerno. Popolna pokritost vseh primerov uporabe v standardu torej ni realistična - tukaj ostaja posebna orodja boljša izbira.
Laserjanje z očesom - gospodarstvo odloča
Kljub tehnološkim možnostim lasersko obdelovanje ni v vsakem primeru gospodarsko smiselno. Še posebej pri majhnih serijah ali preprostih obdelavah lahko laserska geometrija preseže dejanske potrebe. Odločitev bi morala biti vedno sprejeta individualno, odvisno od materiala, obdelovalne naloge, časovnih in nastavitev ter pričakovane količine. Prav tako se zgodi, da laserska različica prepriča, vendar se brušena različica bolje vklopi v časovne zahteve kupca. Zato je načelo: ne obdelujte vsega z laserjem, kar je tehnično mogoče – temveč le tisto, kar se izplača gospodarsko in procesno varno.
Zaključek: Od posebnega primera do serijske rešitve
Lasersko obdelovanje omogoča natančno prilagajanje orodij specifičnim zahtevam strank – na primer z obodnimi geometrijami za vrezne in kopirne procese. To zmanjšuje menjave orodij, prihrani čas obdelave in povečuje procesno varnost. Tudi doslej težko obvladljive težave, kot so zapleteni odrezki pri navoju ali nabiranje materiala pri negativnih kotih rezanja, je mogoče uspešno rešiti z lasersko obdelanimi geometrijami. Kar se je pri SIMTEK začelo kot eksperimentalni pristop, je danes uveljavljen postopek z jasno opredeljenimi procesi. Lasersko obdelane geometrije orodij zagotavljajo zanesljivo kontrolo odrezkov, dolgo življenjsko dobo in odpirajo nove možnosti v razvoju orodij. Za približno 80-90 odstotkov aplikacij ponujajo 3D-laserska orodja realno – in pogosto boljšo – alternativo konvencionalnemu brušenju – tako tehnično kot ekonomično.
Avtor: Ralf M. Haassengier
Kontakt:
