Die neu entwickelte „E1“ des Start-ups KLM ist eine Hightech-Lasermaschine mit Ultrakurzpulslaser, bei der Bearbeitung von Kleinteilen ihre Stärken ausspielt.
Foto: KLM

Lasertechnik

Dieses neue BAZ bearbeitet mit Ultrakurzpulslaser

Startup-KLM hat ein neues BAZ entwickelt. Die Maschine mit Ultrakurzpulslaser bearbeitet harte Materialien – hochpräzise, energiearm und ohne Wärmeeintrag.

Ultrakurzpulslaser? Ob gesinterte Wendeschneidplatten, Münzen oder Kleinstteile für Uhren – die Bearbeitung erfordert stets höchste Präzision und langfristige Detailtreue. Eine Herausforderung, die das neu entwickelte Laser-BAZ „E1“ des Startup-Unternehmens KLM auch in härtesten Materialien erfüllt, wie Einsätze bei diversen Testkunden beweisen. So wurde etwa die Herstellungszeit gesinterter Inserts von acht Stunden auf zwei Stunden reduziert. Extrem einfach zu bedienen, ist die Maschine auch und seit Februar 2020 verfügbar.

Von der Idee zum Startup

Im Jahr 2017 war die „E1“ noch primär eine Idee von Ekkehard Alschweig – Ingenieur, Miteigentümer und ehemaliger Chef von Kern Microtechnik. Zwei Jahre später bündelte er sein Maschinenbauwissen mit dem Know-how der holländischen Laserspezialisten von „Lightmotif B.V.“ und gründete die KLM Microlaser GmbH, um die Idee umzusetzen.

Kleinteile produktiv bearbeiten

Seit Anfang 2020 gibt es nun die KLM E1, eine Hightech-Lasermaschine, die insbesondere für die Form- und Werkzeug-, Uhren- und Münzindustrie interessant ist. Denn bei der Bearbeitung von Kleinteilen zeigt sie sich in puncto Produktivität, Langzeitpräzision, Verschleißfreiheit, Energieeffizienz und Bedienbarkeit nahezu unschlagbar.

Foto: KLM
Insbesondere Unternehmen der Form- und Werkzeug-, Uhren- und Münzindustrie können mit dem Ultrakurzpulslaser nd weiteren Features der E1 ihre Produktivität deutlich steigern.

Zwei einzigartige Features in einer Maschine

Entscheidend dafür sind laut Alschweig mehrere Schlüsselkomponenten, die in der KLM E1 verheiratet wurden: „Wir nutzen die Grundkonstruktion samt Achsen und Antriebe der etablierten Fräsmaschine Kern-Evo, verwenden eine fs-Laserquelle, eine spiegelbasierte Laser-Strahlführung von Lightmotif und haben eine Software entwickelt, mit der die Bedienung extrem einfach ist.“ Um insbesondere im Hinblick auf die Fertigungsgenauigkeit in neue Dimensionen vorzudringen, hat das junge Unternehmen zudem zwei einzigartige Features entwickelt: den „ASPM“ (Automatic Spot + Power Measurement) und das „Adaptive Machining“.

Hochwertiger Maschinenbau und Femtosekundenlaser

Ein Mineralgussständer in Monoblock-Bauweise und ein X-Y-Kreuztisch, der bei Kern gefertigt wird, bilden die solide Basis der KLM-E1. Sie sorgen für höchste Präzision im Sub-µm-Bereich, die zum Positionieren und Einmessen der Fertigungsteile wichtig ist.

Materialabtrag mit Ultrakurzpulslaser

Den Materialabtrag übernimmt ein Laser – genauer ein Femtosekundenlaser, kurz fs-Laser. Er sendet Lichtpulse aus, deren Dauer im Femtosekunden-Bereich (1 fs = 10-15 sec.) liegt. Er wird unter anderem bereits bei Augenoperationen (z.B. beim Grauen Star) eingesetzt. Allein daraus lassen sich die Präzision und Genauigkeit erahnen, die eine solche Laserquelle ermöglich. Für die Laserstrahlführung setzen die Ingenieure von KLM auf eine Spiegelkonstruktion. Max Groenendijk, Geschäftsführer von Lightmotif, erklärt: „Lichtleitfasern eignen sich nicht für die Führung von fs-Lasern. Deshalb leiten wir den Laserstrahl über Spiegel, die am Maschinengestell befestigt sind, von der Laserquelle bis zum Scanner.“

20 W-Laser ermöglicht Bearbeitung verschiedener Materialien

Die Leistung der verwendeten Laserquelle liegt bei 20 W. Damit lassen sich mit der KLM-E1 verschiedenste Materialen bearbeiten. Beim Abtragen der Schichten dringt in das Werkstück kaum Wärme ein, die eine Veränderung des Werkstoffgefüges hervorrufen könnte.

Die Abtragstiefe der E1 ist wie bei allen fs-Laseranlagen gering und liegt meist zwischen 0,3 µm und 2 µm pro Schicht. Im Umkehrschluss lässt sich dadurch eine enorm hohe Präzision und Detailtreue erreichen. KLM schöpft diese Möglichkeiten insbesondere durch zwei Features voll aus.

Foto: KLM
Der Femtosekundenlaser sendet Lichtpulse aus, deren Dauer im Femtosekunden-Bereich (1 fs = 10-15 sec.) liegt. Seine Leistung beträgt 20 W. Beim Laser-Abtragen wird kaum Wärme in das Werkstück eingebracht und es kann nahezu jedes Material bearbeitet werden.

Automatische Kalibrierung gleicht äußere Einflüsse aus

„ASPM“ steht für „Automatic Spot + Power Measurement“. Dabei handelt es sich um ein System, das die Maschine langzeitstabil macht. Ekkehard Alschweig erklärt: „Jede Maschine – auch unsere – unterliegt gewissen thermischen und anderen Einflüssen, die sich zwar nicht unmittelbar, aber schleichend auswirken – also über eine gewisse Zeit von typischerweise einigen Stunden. In Konsequenz werden Werkstücke dann ungenauer produziert. Um keine Missverständnisse aufkommen zu lassen. Wir sprechen hier von minimalen Einflüssen und Ungenauigkeiten, aber auch die gilt es zu verhindern.“ fs-Lasermaschinen haben primär zwei Problemstellen, die sich negativ auf die Langzeitpräzision auswirken.

Spot muss neu kalibriert werden

Erstens kann sich der Nullpunkt des Laserspots aus seiner ursprünglich kalibrierten X-Y-Position im µ-Bereich verschieben. Grund dafür: Die Lichtleitspiegel zur Steuerung des Laserstrahls sind mechanisch am Maschinengestell befestigt. Wenn Wärme auf das Gestell einwirkt, verschiebt sich der Spot. In Folge muss er wieder neu eingemessen werden.

Laserleistung kann variieren

Zweitens kann die am Werkstück ankommende Laserleistung variieren. So schwankt die Ausgangsleistung eines Lasers immer ein wenig, und es können längerfristig auch Verunreinigungen auf Spiegeln und Linsen kleine Verluste verursachen. Heißt: Nach einer gewissen Zeit kommt nicht mehr die ursprünglich berechnete Laserleistung an. Der Materialabtrag verändert sich. Die KLM-E1 hat für diese beiden potenziellen Ungenauigkeitsherde mit dem ASPM eine Lösung parat, die einfach und effizient wirkt. Das Feature lässt sich automatisiert oder auf Knopfdruck starten und kalibriert dann innerhalb von lediglich zwei Minuten die gesamte Anlage neu. Alschweig dazu: „Es bietet sich an, die Kalibrierung bei jedem Produktionsstart oder einfach einmal täglich durchzuführen.“

Tiefengenauigkeiten von weniger als +/-5 µm

Als weiteres Highlight ist die E1 mit dem „Adaptive Machining“ ausgestattet. Hintergrund dafür: Der fs-Laser trägt Material in kleinsten Schichten von durchschnittlich 1 µm ab. Nach einer im Einzelfall zu definierenden Abtragsanzahl, misst Adaptive Machining die bearbeitete Tiefe optisch aus und gleicht die ermittelten Ist-Werte mit den Soll-Werten ab. Anschließend passt die Maschine die Laserparameter entsprechend an.

Adaptive Machining verbessert Tiefengenauigkeiten

Ohne „Adaptive Machining“ ist die Tiefengenauigkeit abhängig von der totalen Bearbeitungsstiefe und liegt meist zwischen +/- 3 % und 5 % der Bearbeitungstiefe. Bei einer typischen Tiefe von 0,5 mm resultiert daraus ein zu erwartender Fehler um die +/- 25 µm. Mit „Adaptive Machining“ ist die Tiefengenauigkeit unabhängig von der Bearbeitungstiefe, und man erreicht Genauigkeiten besser als +/- 10 µm. „Wir erzielten bei vielen Tests sogar Werte von unter +/- 5 µm“, ergänzt Alschweig.

CAD-Daten einfach übernehmen und Programm starten

Ganz im Sinne einer schnellstmöglichen Umsetzung von Kundenwünschen, hat KLM die Steuerung und Bedienersoftware der E1 entwickelt. Beides hat nichts mit traditionellen CNC zu tun und ist insbesondere im Hinblick auf Benutzerfreundlichkeit kaum zu schlagen. Denn der komplette CAD/CAM-Prozess läuft vollautomatisch. Heißt: Die Daten des CAD-Programms lassen sich direkt in die Maschinensteuerung übernehmen.

CAD-Modell muss passen

„Einzig, das CAD-Modell muss exakt passen“, bekräftigt Alschweig: „Wenn einzelne Punkte im Modell nicht verbunden sind, kann unsere Maschine diese natürlich auch nicht umsetzen. Entsprechend empfehlen wir den Anwendern, die CAD-Programme ihrer Kunden stets durchgängig zu prüfen.“ Passen die 3D-Modelle, wird das abzutragende Volumen im CAD generiert – das dauert nur wenige Minuten – dann muss die Maschine lediglich eingerichtet werden, und wenige Bedienerschritte später kann die automatisierte Produktion beginnen. Dieser Vorgang muss nur einmal je CAD-Modell durchgeführt werden. Im Vergleich zur Erstellung eines NC-Programmes beim Fräsen, ist der Vorgang simpel und sehr schnell.

Testkunde produziert viermal schneller - dank Ultrakurzpulslaser

Mehrere Testkunden zeigen sich bereits sehr zufrieden mit dem Ergebnis. So hat etwa ein Hersteller von Wendeschneidplatten die traditionelle Produktion von Press-Stempeln für Hartmetall-Sinter-Grünlinge durch zwei Bearbeitungsvorgänge (Erodieren und Fräsen) auf die Komplettbearbeitung mit der neuen KLM-E1 umgestellt. Das Ergebnis ist eindeutig: Wurden die Presswerkzeuge früher innerhalb von durchschnittlich acht Stunden produziert, so sind jetzt mit Ultrakurzpulslaser nur noch zwei Stunden dafür notwendig.

Foto: KLM
Ein Testkunde hat die Herstellungszeit gesinterter Inserts (B04a) von acht Stunden (mit klassischem Erodieren und Fräsen) auf zwei Stunden (mit der KLM-E1) reduziert.

cd

Foto: GF Machining Solutions GmbH

Steuerungen + Software

Neue Kalibrierfunktion bietet Präzision auf Knopfdruck

Wie die automatisierte Kalibrierfunktion AMC zur Verkürzung der Stillstandszeiten beiträgt und eine langfristig stabile Qualität beim Fräsen sicherstellt.

Foto: Harald Klieber

Werkzeugmaschinen

Polierte Teile in einem Prozessschritt

Pemtec entwickelt seit gut 20 Jahren Maschinen zur präzisen elektrochemischen Metallbearbeitung. Auf der EMO stellte General Manager Hans Kuhn die neueste Generation seiner Maschinen vor, die mit einfachen Elektroden deutlich schneller selbst feinste Kavitäten und Oberflächen hochpräzise erzeugen.

Foto: Agathon

Lasertechnik

Wie Sie Zeit bei der PKD-Bearbeitung sparen?

Mit einer Kombination aus Laserschruppen und Schleifen. Dies hat Agathon seit der Vorstellung seiner Laserbearbeitungsmaschine Neo stets unterstrichen.

Foto: Hufschmied

Zerspanungswerkzeuge

Dieser Kugelfräser schruppt und schlichtet HRC72

Beim Fräsen einer Formplatte aus Kaltarbeitsstahl testete Fischer Nachfolger einen neuen Werkzeughersteller. Der überzeugte - nicht nur mit dem Kugelfräser.