Höchste Präzision bei maximaler Geschwindigkeit - genau darin besteht beim Laserschneiden die zentrale Herausforderung. STIEFELMAYER effective ist eine Antwort darauf: Die Maschine kombiniert intelligent drei leistungsfähige Technologien: Für den Dünnblechbereich eröffnet die Neuentwicklung damit ganz neue Möglichkeiten.
Mit STIEFELMAYER effective steht ab sofort eine hoch effiziente Lösung zum präzisen Hochgeschwindigkeitsschneiden von Dünnblechen zur Verfügung. Zur effizienten Realisierung komplexer Konturen kombiniert die Maschine erstmals drei hochinnovative Technologien: Als Werkzeug kommt ein Faserlaser zum Einsatz. Alle bewegten Konstruktionsteile sind in Kohlefaser (CFK) ausgeführt. Und den Antrieb übernehmen moderne Linearmotoren.
Im Unterschied dazu sieht die durchschnittliche Laserschneidmaschine heutzutage so aus: Die Gestelle und Funktionselemente sind in solider Stahl-Schweißkonstruktion ausgeführt. Bewegte Teile werden mit Spindeln oder Zahnstangen und nur in wenigen Fällen mit modernen Linearmotoren angetrieben. Als Werkzeuge werden CO2-Laser eingesetzt, um Materialien bis ca. 20mm schneiden zu können.
Viele Laserschneidmaschinen werden allerdings vorwiegend zum Schneiden von Teilen bis zu einer Dicke von 5mm eingesetzt. Sind dann kleine Geometrien gefordert, die hohe Anforderungen an Dynamik und Genauigkeit stellen, stoßen Lösungen mit der beschriebenen Grundausstattung schnell an ihre Grenzen. Hier sind neue Technologien im Zusammenspiel gefragt.
Faserlaser
Faserlaser bieten gegenüber der herkömmlichen CO2-Technik erhebliche Vorteile. Dennoch setzt sich diese Technologie - obwohl schon seit Jahren bekannt - in den höheren Leistungsklassen erst jetzt allmählich durch. Ist die Maschine dezidiert auf die Dünnblechverarbeitung hin konstruiert, lassen sich die Stärken des Faserlasers konsequent nutzen:
- Höhere Schnittgeschwindigkeiten: Faserlaser emittieren eine Wellenlänge von 1?m und erzielen so in metallischen Werkstoffen eine hohe Absorption. Das bedeutet: Die Wärme steht sofort dort zur Verfügung, wo sie benötigt wird. Bei einer sehr guten Strahlqualität verbessert sich der Prozesswirkungsgrad damit deutlich, woraus sich wiederum wesentlich höhere Schnittgeschwindigkeiten als bei CO2-Lasern ergeben.
- Einfache und wartungsfreie Strahlführung: Weitere Vorteile ergeben sich durch die Führung der Laserenergie: Vom Resonator bis zum Bearbeitungskopf wird die Energie einfach und präzise durch eine Glasfaser geführt, auch bei hohen Schnittgeschwindigkeiten. Herkömmliche CO2-Laser nutzen dagegen ein kompliziertes Spiegelsystem. Entsprechend hoch ist der Aufwand für Wartung und Reinigung, der beim Faserlaser komplett entfällt.
- Gleichbleibend hohe Strahlqualität: Die Faserführung des Strahls verhindert Abweichungen, wie sie bei CO2-Lasern durch Spiegelumlenkungen auftreten können. So ist eine gleichbleibend gute Strahlqualität über den gesamten Arbeitsbereich gewährleistet.
- Höhere Energieeffizienz: Optimierte Strahlführung und höhere Schnittgeschwindigkeit erhöhen die Effizienz des Produktionsprozesses. Darüber hinaus gewährleistet der Faserlaser eine hervorragende Energiebilanz: Der Wirkungsgrad liegt bei ca. 25%. Damit ist der Energieverbrauch wesentlich geringer als bei CO2-Lasern.
Kohlefaser (CFK)
Die hohen Schnittgeschwindigkeiten, wie sie der Faserlaser ermöglicht, haben Auswirkungen auf die Dynamik der Maschinen. Die Herausforderung besteht darin, auch bei der entsprechend höheren mechanischen Belastung die geforderte Genauigkeit sicherzustellen. Die entscheidende Rolle spielt dabei die Konstruktion der bewegten Teile. Das heißt konkret: Die komplette Y-Achse mit Anbauteilen und den Verbindungselementen zu den X-Achsen muss bei erhöhter Steifigkeit leichter sein.
Metallischen Materialien sind bei der Umsetzung dieser doppelten Anforderung werkstoffspezifische Grenzen gesetzt. Der notwendige Leichtbau erfordert vielmehr geringe Werkstoffdichten, hohe Festigkeitskennwerte und eine hohe Materialdämpfung. Bei der Laserschneidmaschine STIEFELMAYER effective wurden deshalb sämtliche Stahl- und Aluminiumteile der bewegten Y-Achse durch Bauteile aus Kohlefaser ersetzt. Der normalerweise als Stahlbech-Schweißkonstruktion ausgeführte Grundkörper sowie Schlitten und Platten sind komplett in Kohlefasertechnik gebaut.
Das größte und schwerste Einzelteil ist der Grundkörper der Y-Achse. In klassischer Stahlblechschweißkonstruktion läge sein Gewicht bei 125kg. Bei der STIEFELMAYER effective wiegt der entsprechende Kohlefaser-Rohling dagegen nur 46kg - und das bei doppelter Steifigkeit.
Dies setzt besonderes Knowhow voraus: Denn die werkstoffgerechte Konstruktion von faserverstärkten Kunststoffen ist wesentlich komplexer als die Auslegung von Bauteilen aus Stahl. Die metallischen Werkstoffe besitzen einen isotropischen Materialaufbau mit eindeutigen Kennwerten. Dagegen werden die mechanischen Eigenschaften der Kohlefaserwerkstoffe durch die Orientierung der einzelnen Gewebelagen im Laminataufbau bestimmt.
Linearmotoren
Die Aufgabe des Antriebsmotors besteht nun darin, die spezifischen Vorteile von Faserlaser und Kohlefaser-Gantry in Dynamik und Geschwindigkeit umzusetzen. Linearmotoren sind hier anderen Antriebstypen deutlich überlegen: Sie erzeugen direkt eine translatorische - also geradlinige - Bewegung. Damit ermöglichen sie eine unmittelbare und schwingungsfreie Krafteinspeisung in die zu bewegenden Maschinenteile, und dies bei höchster Geschwindigkeit und Bahngenauigkeit. Außerdem arbeitet dieses Antriebsprinzip weitgehend verschleißfrei. Je komplexer die Kontur eines Teils ist, desto schwerer wiegen die Argumente für dieses Motorsystem.
Drehende Elektromotoren, wie sie in den meisten Laserschneidmaschinen verwendet werden, sind dagegen weniger geeignet: Weil bei diesem Typ die Drehbewegung erst über Getriebe und Zahnstange oder Spindel in eine lineare Bewegung umgesetzt werden muss, begrenzen große zu bewegende Massen, Reibung, Spiel sowie Elastizitäten die erzielbare Dynamik und Genauigkeit.
Vorteile für den Anwender
Die positiven Effekte der drei Technologien - Faserlaser, Kohlefaser und Linearmotor - führen bei der STIEFELMAYER effective zu einem außergewöhnlichen Beschleunigungsverhalten: Die zeitliche Veränderung der Beschleunigung, der so genannte Ruck, ist um den Faktor 5 größer als bei herkömmlichen Anlagen mit Linearmotorantrieben. Die Dynamik der auf maximal 7g ausgelegten Maschine wirkt sich unmittelbar auf den Schneidprozess aus: In der Kontur wird mit Beschleunigungen von 4g geschnitten. Hohe Schneidgeschwindigkeiten werden auch in komplexen Konturen erreicht.
Die erste STIEFELMAYER effective ist bereits seit mehreren Monaten im 2-Schichtbetrieb erfolgreich im Einsatz. Nach den bisherigen Praxiserfahrungen hat die Maschine die in sie gesetzten Erwartungen an Dynamik, Genauigkeit und Produktivität beim Laserschneiden voll erfüllt. Im Einzelnen bedeutet das:
- Kürzere Produktionszeiten: Bei erhöhter Präzision reduzieren sich die Produktionszeiten an hochgenauen Laserschneidteilen je nach Kontur um 25-30%.
- Energieeffizienz: Moderne Faserlaser-Technologie arbeitet mit weniger Energie als CO2-Laser und reduziert den Energieeinsatz zusätzlich zur höheren Produktivität erheblich.
- Höchste Präzision: Durch die Faserführung des Lasers sind störende Einflüsse von Spiegelsysteme ausgeschlossen. Die Maschinengenauigkeit wird exakt auf das Bauteil übertragen.
- Wartungsfreier Betrieb: Anders als herkömmliche Laser- bzw. Antriebssysteme arbeiten sowohl Faserlaser als auch Linearmotoren weitgehend wartungsfrei.
Fazit
Beim präzisen Hochgeschwindigkeitsschneiden von Dünnblechen eröffnet STIEFELMAYER effective neue Perspektiven. Die Neuentwicklung führt moderne Faserlaser-Technologie mit Kohlefaser-Bauteilen und einem Linearmotorantrieb zusammen. Das Ergebnis dieser innovativen Kombination: hoch genaue Laserschneidteile und eine außergewöhnliche Prozess-Effizienz.
Mit STIEFELMAYER effective steht ab sofort eine hoch effiziente Lösung zum präzisen Hochgeschwindigkeitsschneiden von Dünnblechen zur Verfügung. Zur effizienten Realisierung komplexer Konturen kombiniert die Maschine erstmals drei hochinnovative Technologien: Als Werkzeug kommt ein Faserlaser zum Einsatz. Alle bewegten Konstruktionsteile sind in Kohlefaser (CFK) ausgeführt. Und den Antrieb übernehmen moderne Linearmotoren.
Im Unterschied dazu sieht die durchschnittliche Laserschneidmaschine heutzutage so aus: Die Gestelle und Funktionselemente sind in solider Stahl-Schweißkonstruktion ausgeführt. Bewegte Teile werden mit Spindeln oder Zahnstangen und nur in wenigen Fällen mit modernen Linearmotoren angetrieben. Als Werkzeuge werden CO2-Laser eingesetzt, um Materialien bis ca. 20mm schneiden zu können.
Viele Laserschneidmaschinen werden allerdings vorwiegend zum Schneiden von Teilen bis zu einer Dicke von 5mm eingesetzt. Sind dann kleine Geometrien gefordert, die hohe Anforderungen an Dynamik und Genauigkeit stellen, stoßen Lösungen mit der beschriebenen Grundausstattung schnell an ihre Grenzen. Hier sind neue Technologien im Zusammenspiel gefragt.
Faserlaser
Faserlaser bieten gegenüber der herkömmlichen CO2-Technik erhebliche Vorteile. Dennoch setzt sich diese Technologie - obwohl schon seit Jahren bekannt - in den höheren Leistungsklassen erst jetzt allmählich durch. Ist die Maschine dezidiert auf die Dünnblechverarbeitung hin konstruiert, lassen sich die Stärken des Faserlasers konsequent nutzen:
- Höhere Schnittgeschwindigkeiten: Faserlaser emittieren eine Wellenlänge von 1?m und erzielen so in metallischen Werkstoffen eine hohe Absorption. Das bedeutet: Die Wärme steht sofort dort zur Verfügung, wo sie benötigt wird. Bei einer sehr guten Strahlqualität verbessert sich der Prozesswirkungsgrad damit deutlich, woraus sich wiederum wesentlich höhere Schnittgeschwindigkeiten als bei CO2-Lasern ergeben.
- Einfache und wartungsfreie Strahlführung: Weitere Vorteile ergeben sich durch die Führung der Laserenergie: Vom Resonator bis zum Bearbeitungskopf wird die Energie einfach und präzise durch eine Glasfaser geführt, auch bei hohen Schnittgeschwindigkeiten. Herkömmliche CO2-Laser nutzen dagegen ein kompliziertes Spiegelsystem. Entsprechend hoch ist der Aufwand für Wartung und Reinigung, der beim Faserlaser komplett entfällt.
- Gleichbleibend hohe Strahlqualität: Die Faserführung des Strahls verhindert Abweichungen, wie sie bei CO2-Lasern durch Spiegelumlenkungen auftreten können. So ist eine gleichbleibend gute Strahlqualität über den gesamten Arbeitsbereich gewährleistet.
- Höhere Energieeffizienz: Optimierte Strahlführung und höhere Schnittgeschwindigkeit erhöhen die Effizienz des Produktionsprozesses. Darüber hinaus gewährleistet der Faserlaser eine hervorragende Energiebilanz: Der Wirkungsgrad liegt bei ca. 25%. Damit ist der Energieverbrauch wesentlich geringer als bei CO2-Lasern.
Kohlefaser (CFK)
Die hohen Schnittgeschwindigkeiten, wie sie der Faserlaser ermöglicht, haben Auswirkungen auf die Dynamik der Maschinen. Die Herausforderung besteht darin, auch bei der entsprechend höheren mechanischen Belastung die geforderte Genauigkeit sicherzustellen. Die entscheidende Rolle spielt dabei die Konstruktion der bewegten Teile. Das heißt konkret: Die komplette Y-Achse mit Anbauteilen und den Verbindungselementen zu den X-Achsen muss bei erhöhter Steifigkeit leichter sein.
Metallischen Materialien sind bei der Umsetzung dieser doppelten Anforderung werkstoffspezifische Grenzen gesetzt. Der notwendige Leichtbau erfordert vielmehr geringe Werkstoffdichten, hohe Festigkeitskennwerte und eine hohe Materialdämpfung. Bei der Laserschneidmaschine STIEFELMAYER effective wurden deshalb sämtliche Stahl- und Aluminiumteile der bewegten Y-Achse durch Bauteile aus Kohlefaser ersetzt. Der normalerweise als Stahlbech-Schweißkonstruktion ausgeführte Grundkörper sowie Schlitten und Platten sind komplett in Kohlefasertechnik gebaut.
Das größte und schwerste Einzelteil ist der Grundkörper der Y-Achse. In klassischer Stahlblechschweißkonstruktion läge sein Gewicht bei 125kg. Bei der STIEFELMAYER effective wiegt der entsprechende Kohlefaser-Rohling dagegen nur 46kg - und das bei doppelter Steifigkeit.
Dies setzt besonderes Knowhow voraus: Denn die werkstoffgerechte Konstruktion von faserverstärkten Kunststoffen ist wesentlich komplexer als die Auslegung von Bauteilen aus Stahl. Die metallischen Werkstoffe besitzen einen isotropischen Materialaufbau mit eindeutigen Kennwerten. Dagegen werden die mechanischen Eigenschaften der Kohlefaserwerkstoffe durch die Orientierung der einzelnen Gewebelagen im Laminataufbau bestimmt.
Linearmotoren
Die Aufgabe des Antriebsmotors besteht nun darin, die spezifischen Vorteile von Faserlaser und Kohlefaser-Gantry in Dynamik und Geschwindigkeit umzusetzen. Linearmotoren sind hier anderen Antriebstypen deutlich überlegen: Sie erzeugen direkt eine translatorische - also geradlinige - Bewegung. Damit ermöglichen sie eine unmittelbare und schwingungsfreie Krafteinspeisung in die zu bewegenden Maschinenteile, und dies bei höchster Geschwindigkeit und Bahngenauigkeit. Außerdem arbeitet dieses Antriebsprinzip weitgehend verschleißfrei. Je komplexer die Kontur eines Teils ist, desto schwerer wiegen die Argumente für dieses Motorsystem.
Drehende Elektromotoren, wie sie in den meisten Laserschneidmaschinen verwendet werden, sind dagegen weniger geeignet: Weil bei diesem Typ die Drehbewegung erst über Getriebe und Zahnstange oder Spindel in eine lineare Bewegung umgesetzt werden muss, begrenzen große zu bewegende Massen, Reibung, Spiel sowie Elastizitäten die erzielbare Dynamik und Genauigkeit.
Vorteile für den Anwender
Die positiven Effekte der drei Technologien - Faserlaser, Kohlefaser und Linearmotor - führen bei der STIEFELMAYER effective zu einem außergewöhnlichen Beschleunigungsverhalten: Die zeitliche Veränderung der Beschleunigung, der so genannte Ruck, ist um den Faktor 5 größer als bei herkömmlichen Anlagen mit Linearmotorantrieben. Die Dynamik der auf maximal 7g ausgelegten Maschine wirkt sich unmittelbar auf den Schneidprozess aus: In der Kontur wird mit Beschleunigungen von 4g geschnitten. Hohe Schneidgeschwindigkeiten werden auch in komplexen Konturen erreicht.
Die erste STIEFELMAYER effective ist bereits seit mehreren Monaten im 2-Schichtbetrieb erfolgreich im Einsatz. Nach den bisherigen Praxiserfahrungen hat die Maschine die in sie gesetzten Erwartungen an Dynamik, Genauigkeit und Produktivität beim Laserschneiden voll erfüllt. Im Einzelnen bedeutet das:
- Kürzere Produktionszeiten: Bei erhöhter Präzision reduzieren sich die Produktionszeiten an hochgenauen Laserschneidteilen je nach Kontur um 25-30%.
- Energieeffizienz: Moderne Faserlaser-Technologie arbeitet mit weniger Energie als CO2-Laser und reduziert den Energieeinsatz zusätzlich zur höheren Produktivität erheblich.
- Höchste Präzision: Durch die Faserführung des Lasers sind störende Einflüsse von Spiegelsysteme ausgeschlossen. Die Maschinengenauigkeit wird exakt auf das Bauteil übertragen.
- Wartungsfreier Betrieb: Anders als herkömmliche Laser- bzw. Antriebssysteme arbeiten sowohl Faserlaser als auch Linearmotoren weitgehend wartungsfrei.
Fazit
Beim präzisen Hochgeschwindigkeitsschneiden von Dünnblechen eröffnet STIEFELMAYER effective neue Perspektiven. Die Neuentwicklung führt moderne Faserlaser-Technologie mit Kohlefaser-Bauteilen und einem Linearmotorantrieb zusammen. Das Ergebnis dieser innovativen Kombination: hoch genaue Laserschneidteile und eine außergewöhnliche Prozess-Effizienz.
