Pulse-on-Demand ermöglicht präzise Konturen

Ultrakurzpulslaser übernehmen vor allem in der Mikrobearbeitung immer mehr Aufgaben. Bei komplexen Konturen mit engen Winkeln und Kurven können die festen Zeitintervalle zwischen den Laserpulsen jedoch zum Problem werden: Muss die Bearbeitung geometriebedingt verlangsamt werden, fallen mehr Pulse in einen kleinen Bereich und überlappen sich, was das Material beeinflussen kann. Oft müssen daher ganze Fertigungsprozesse mit der geringsten benötigten Geschwindigkeit gefahren werden, um überall gleiche Laserpulsabstände zu erhalten. GFH, ein Spezialist für Lasermikrobearbeitungsanlagen, hat dagegen nun ein System zur flexiblen Anpassung der Pulse entsprechend der jeweils aktuellen Bahngeschwindigkeit entwickelt. Damit können Schneide- oder Abtragsvorgänge auch in Beschleunigungs- und Bremsphasen unvermindert vorgeführt werden, ohne dass die Präzision darunter leidet.

Die geringe Erwärmung bei der Bearbeitung ist üblicherweise einer der größten Vorteile kurzgepulster Laser gegenüber länger gepulsten Systemen. Da das Licht mit jedem Puls nur wenige Piko- oder Femtosekunden auf die Oberfläche einwirkt, werden die Schmelzbildung und Verzug deutlich reduziert. Diese Hochleistungsstrahlquellen haben jedoch die Eigenschaft, auf einer festen Grundfrequenz zu arbeiten. Diese zu verändern, hätte in vielen Fällen Einfluss auf die zur Verfügung stehende Pulsenergie. Daher ist die Pulsfrequenz bei herkömmlichen Bearbeitungsmaschinen für jeden Prozess festgelegt und bleibt konstant. Muss beispielsweise eine scharfe Kurve langsam abgefahren werden, um die gewünschte Konturtreue sicherzustellen, verdichten sich mehrere Pulse auf engem Raum, was unter Umständen die Qualität des Ergebnisses beeinträchtigt. Um dies zu vermeiden, wird vielfach die Gesamtgeschwindigkeit auf das niedrigste Einzelmaß entlang der Geometrie eingestellt, was jedoch den möglichen Durchsatz massiv reduziert. Hinzu kommt, dass selbst mit dieser Strategie das Anfahren und Abbremsen zu Beginn und Ende der Fertigung nutzlose Nebenzeiten bleiben, in denen überhaupt keine Bearbeitung stattfinden kann.

Das Pulse-on-Demand-Verfahren von GFH nutzt dagegen die Bahngeschwindigkeitsinformationen der Echtzeit-CNC, um auch bei Beschleunigungsvorgängen äquidistante Pulsabstände zu erreichen. Nachdem die Steuerung der CNC-Maschine die abzufahrende Bahn bereits im Voraus ermittelt, ergeben sich daraus auch die an jedem Punkt zulässigen Geschwindigkeiten. Anhand dieser berechnet der Kern des Systems in Echtzeit, bei welchen Intervalllängen die Pulse durchgehend in gleich bleibender Entfernung zueinander gesetzt würden, und reguliert den Laser entsprechend nach. Da nicht jede Strahlquelle für diesen Vorgang geeignet ist, werden hierfür spezielle Kurzpulslaser von Time-Bandwidth verbaut. Selbst positive und negative Beschleunigungsphasen lassen sich so kompensieren und als vollwertiger Teil der Hauptzeit nutzen. Der damit verbundene Zeitgewinn kann je nach Komplexität der Geometrie enorm sein.

Betrachtet man konkret eine Fläche mit einer Größe von 500 × 500 µm², die mit Schraffurlinien im Abstand von 20 µm und mit einer Geschwindigkeit von 1000 mm/s bearbeitet wird, beträgt die Bearbeitungszeit im Pulse-on-Demand-Verfahren 31 s. Um qualitativ identische Bearbeitungsergebnisse mit konventionellen Mitteln zu erhalten, müssten die Beschleunigungswege ohne aktiven Laser vorgehalten werden. Die Bearbeitungszeit würde bei dieser Strategie mit 1 min 6 s mehr als doppelt so lang ausfallen. Gleichzeitig ist die Wiederholgenauigkeit mit dem neuen Verfahren so groß, dass ohne Abstriche bei der Konturpräzision das volle Leistungsvolumen der Anlagenkinematik von bis zu 2000 mm/s bei einer Beschleunigung von bis zu 20 m/s² genutzt werden kann, was zusätzlich Zeit spart.

Das variable Pulssteuerungssystem lässt sich bei Bedarf in alle Bearbeitungszentren von GFH integrieren. Es eignet sich nicht nur für temperatursensible Materialen, bei denen die Robustheit des Fertigungsprozesses von der Vermeidung von Wärmeentwicklung abhängt, sondern führt bei nahezu allen Konturbearbeitungen zu einem Produktivitätszugewinn von bis zu fünfzig Prozent. GFH stellt das Verfahren im Spetember auf der diesjährigen EMO in Hannover in Halle 12 an Stand B 103 erstmals vor.

GFH / OD