Das stark diversifizierte Produktionsprogramm der BR TEC Bühler AG umfasst unter anderem die Konstruktion und Herstellung von Industriemessern, hochwertigen Industrie-Sägewerkzeugen und Bauteilen für den Maschinenbau. Das Unternehmen hat schon seit Jahren noch mehrere andere Laseranlagen im Einsatz, die vor allem zum Härten von Großserien eingesetzt werden. Insbesondere die kostengünstigen Reparaturschweißungen auf dem Fünfachsen-Laserbearbeitungszentrum wirken bei vielen Kunden wie eine Art Türöffner, stellt Jan Kopp, CEO des Unternehmens, fest, denn sie werden damit zum ersten Mal auf das umfassende Bearbeitungspotenzial des Lasers aufmerksam.

Gebaut wurde die Anlage von drei Systempartnern:

Stiefelmayer-Lasertechnik konzipierte als Generalunternehmer die Gesamtanlage.

Die Firma Ritzi & Walter Lasertechnik legte den Prozess des Laser-Pulverauftragschweißens aus.

Von Precitec stammen die Laseroptiken mit integrierten Pulver- und Gasdüsen, Sensorik und anderen Peripheriemodulen.

Jeder der drei Systempartner verfügt über mehr als zehn Jahre Erfahrung und fundiertes Know-how im Bereich Lasertechnik und -Bearbeitungsprozesse. Ihre bewährte und eingespielte Zusammenarbeit brachte der BR TEC Bühler AG einen echten Nutzen durch einen effizienten Projektablauf mit kompetenten Partnern.

Das Pulverauftragschweißen mit dem Laser ermöglicht es, in präzisen Geometrien schmale und dünne, fein strukturierte Funktionsschichten aus härtbaren, zähen oder verschleißfesten Werkstoffen auf kostengünstiges Grundmaterial aufzutragen. Dazu wird im Bearbeitungskopf durch eine Ringdüse Schweißpulver koaxial zum Laserstrahl auf das Werkstück aufgesprüht und mit dem Grundmaterial verschweißt. Transportmedium des Schweißpulvers ist ein Schutzgas, die Ringdüse ermöglicht Richtungsänderungen auf engstem Raum. Die mit dem Laser aufgetragenen Schichten sind wahlweise 0,1 bis 1,5 Millimeter dick, die Breiten können zwischen einem und fünf Millimetern eingestellt werden. Um größere Schichtbreiten zu erreichen, werden entsprechend viele Schweißraupen überlappend nebeneinander aufgetragen. Dickere Schichten erfordern das Stapeln von mehreren Schichten übereinander. Auf diese Weise können zum Beispiel bei Stanz- und Abkantwerkzeugen oder Spritzgussformen millimetergenau dort harte und verschleißfeste Schichten aufgetragen werden, wo die großen Beanspruchungen stattfinden. Auch bei Instandsetzungen teurer Werkzeuge spart es erheblich Kosten, wenn sich die Reparatur auf die beschädigten oder abgenützten Bereiche beschränkt. Derzeit wird die Anlage zu 70 Prozent für Reparaturschweißungen eingesetzt; z. B. für die Reparatur von Exzenterwellen. Weitere Beispiele sind Werkzeuge für Blechverformungsmaschinen, Führungsschienen, Wellenlaufflächen, Lagersitze oder Abkantwerkzeuge für die Blechverformung.

Der Laser ermöglicht ein breites Spektrum von Möglichkeiten für die Materialpaarung. In der Praxis handelt es sich beim Grundmaterial meist um kostengünstigen Baustahl. Bei den aufgeschweißten Werkstoffschichten werden in der Regel Härten von 20 bis 65 HRC gewünscht, durch Einschmelzen von Hartstoffen sind jedoch extreme Härten bis zu 2000 HV möglich. Es besteht außerdem die Möglichkeit, mit filigranen Schriftzügen, Grafiken oder durch nebeneinander angeordnete schmale Laser-Schweißraupen die optische Attraktivität eines Bauteils zu steigern.

Neben dem Pulverauftragschweißen eignet sich das Bearbeitungszentrum auch zum Härten. Dabei erhitzt der Laserstrahl die zu härtende Zone mit einer Aufheizgeschwindigkeit von mehr als tausend Grad pro Sekunde bis zur Austenitisierungstemperatur des Stahls. Da der Laserstrahl jedoch mit der Geschwindigkeit von 100 mm bis über 1.000 mm pro Minute über das Werkstück geführt wird, kühlt der umgebende kalte Grundwerkstoff die erwärmte Zone unmittelbar nach dem Durchfahren des Laserstrahls sehr rasch wieder ab. Durch diese Selbstabschreckung bildet sich hartes Martensitgefüge. Auf diese Weise entstehen bis zu zwei Millimeter dicke, sehr harte Oberflächenzonen, wobei die Zähigkeit im Inneren des Bauteils jedoch erhalten bleibt.

Die vier Meter lange X-Achse der Anlage besteht aus einem parallelen Längsschienenpaar im Abstand von zwei Metern, das in einer Höhe von etwa zwei Metern aufgeständert ist. Die zwei Meter Lange Y-Achse wird durch eine beidseits auf diesem Längsschienenpaar gelagerte Brücke gebildet, auf der sich der Werkzeugschlitten bewegt. Der Werkzeugschlitten wiederum ermöglicht dem Bearbeitungskopf einen senkrechten Verfahrweg von einem Meter in Z-Richtung. Zusammen mit den beiden Schwenkachsen am Bearbeitungskopf besitzt die Maschine fünf Achsen. Beide Längsschienen sind auf einer Beschickungsseite um zusätzliche vier Meter auf insgesamt acht Meter verlängert, so dass der integrierte Brückenkran auf der gesamten Arbeitsfläche zur Beschickung und zum Abtransport von Werkstücken eingesetzt werden kann.

Als Laserquelle dient ein neben der Anlage installierter fasergekoppelter Drei-Kilowatt-Diodenlaser, ausgerüstet mit einem flexiblen Lichtleiterkabel bis zum Bearbeitungskopf. Das Schweißpulver wird dem Bearbeitungskopf durch eine koaxiale Ringspaltdüse zugeführt, damit lässt sich die Arbeitsrichtung beliebig ändern. Außerdem sorgt die koaxiale Ringspaltdüse für einen homogenen Pulverfokus von nur 0,7 Millimetern Durchmesser. Wenn erforderlich, lassen sich durch einen Zusatzgasanschluss direkt am Kopf Schutzgase zumischen. Da die für das Schweißen erforderlichen Medien, wie die Wasserkühlung, die Pulverzuführung und die Zuführung des Laserstrahls, innerhalb des Kopfes verlaufen, ist der modular konzipierte Precitec-Bearbeitungskopf YC50 auffallend schlank gebaut. Die Schutzglaskassette, eine Schutzglasüberwachung und die Prozess-Sensorik mit kontinuierlicher Temperaturmessung sind ebenfalls in den Kopf integriert. Die Temperatur am Arbeitspunkt ist ein entscheidender Faktor bei der Laserbearbeitung. Sie wird von der Steuerung auf Basis der kontinuierlichen Temperaturmessung mit einer Genauigkeit von 20 °C geregelt. Fährt der Laserstrahl über eine dünnere Stelle, in die Nähe einer Kante oder einer Bohrung, so registriert das System sofort eine Temperaturerhöhung und fährt die Laserleistung entsprechend zurück. Nimmt die Dicke des Grundmaterials beim Weiterfahren des Laserstrahls wieder zu, bzw. führt die Bahn des Lasers wieder in dickere Materialbereiche, wird die Laserleistung automatisch wieder hochgeregelt. Mit seiner schlanken Bauform kann der Laser-Bearbeitungskopf auch kompliziert geformte Werkstücke bearbeiten. Zum Härten und Beschichten sind unterschiedliche Laserköpfe erforderlich.