Hochpräzise Elektrobleche

Laserschneidanlagen werden meist nach ihrer Laserleistung beurteilt. Wenn es um das Schneiden dünner Bleche mit engen Toleranzen und komplexen Konturen geht, sind die Präzision der Führungsmaschine und die Synchronisation des Lasers mit der Bewegungseinheit und dem Prozess aber oft viel wichtiger.

16. Februar 2019
Hochpräzise  Elektrobleche
Oft kommt es nicht auf die Laserleistung, sondern die Präzision der Maschine an. (Bild: Stiefelmayer)

Elektroblech ist ein dünnes Laminatmaterial (typischerweise 0,1 bis 1 Millimeter), das beidseitig mit Isolationslack beschichtet ist. Zur Herstellung von Statoren und Rotoren für Elektromotoren, Generatoren und Kernen von Transformatoren werden einzeln geschnittene Bleche gestapelt. Es ist durchaus nicht ungewöhnlich, dass diese Stapel aus mehreren Hundert geschichteten Einzelblechen bestehen.

Typischerweise werden diese Teile in der Serienproduktion in großen Mengen gestanzt. Stanzen hat eine sehr hohe Wiederholgenauigkeit und mit guten Werkzeugen eine hohe Absolutgenauigkeit. Diese Genauigkeiten sind äußerst wichtig, da sie für eine absolut glatte Außenkontur am Stapel sorgen. Man sieht nicht, dass der Stapel aus einzelnen Blechen entsteht. Es muss auch Gratfreiheit gewährleistet sein, so dass die gegeneinander isolierten Bleche nicht durchkontaktieren. Mechanisches Entgraten vor dem Stapeln ist aufgrund der Isolationsbeschichtung nicht möglich. Die verschiedenen Fertigungsverfahren haben unterschiedlichen Einfluss auf die elektromagnetischen Eigenschaften an den Schneidkanten. Der Wärmeeintrag, der diese Eigenschaften verändert, muss möglichst gering sein.

Die Haupteinschränkung des Stanzens liegt im teuren Werkzeug, das erforderlich ist. Dies ist für die Serienproduktion akzeptabel, stellt aber bei Prototypen oder Kleinserien ein Problem dar.

Das Schneiden mit Faserlasern bietet grundsätzlich eine Alternative zum Stanzen: Es vermeidet Werkzeugkosten, und es sind Schneidgeschwindigkeiten realisierbar, die erforderlich sind, um auch Kleinserien kostengünstig zu fertigen. Allerdings haben die meisten faserlaserbasierenden Schneidmaschinen Beschränkungen, die die Anwendung für dünnes Elektroblech in der geforderten Präzision stark einschränken.

Eine Einschränkung ist die Genauigkeit

Die meisten Laserschneidmaschinen sind für Blechteile von 1 bis 20 Millimeter Dicke ausgelegt. Die Toleranzanforderungen an die Laserschneidteile liegen im Bereich von 1/10 Millimeter. Über den gesamten Arbeitsbereich der Maschinen kann die erreichbare Genauigkeit schwanken und die Teile weisen unterschiedliche Genauigkeiten auf. Diese kleinen Genauigkeitsabweichungen bereiten dann beim Schichten der einzelnen Elektrobleche auf einen hochgenauen Dorn Probleme. Auch sind die Abweichungen der einzelnen Bleche im Rotor- oder Statorpaket deutlich erkennbar und nicht akzeptabel.

Eine weitere Einschränkung ist der Energieeintrag

Die Anforderungen an Laserschneidmaschinen, Bleche bis 20 Millimeter und mehr schneiden zu können, erfordern entsprechende Laserleistung und Fokusgröße. Es muss eine große Schnittfuge gebildet werden, da die geschnittenen Teile sonst nicht sicher entnommen werden können. Diese Voraussetzungen ergeben ein relativ großes Schmelzvolumen und dadurch einen hohen Energieeintrag. Dies ist bei filigranen Teilen wie zum Beispiel Elektroblechen, Kupfer- oder Messingteilen nicht tragbar.

Bei Elektroblechen verändert der Energieeintrag die elektromagnetischen Eigenschaften und die Isolationsbeschichtung wird abgebrannt. Weiterhin birgt das große Schmelzvolumen die Gefahr von Gratbildung und Perlen.

Stiefelmayer-Lasertechnik baut Laserschneidmaschinen und bietet Auftragsfertigung mit dem Schwerpunkt auf Laserschneiden im Dünnblechbereich mit minimalsten Toleranzen. Die Laserschneidmaschinen der Effective-Serie des Unternehmens sind speziell auf Hochpräzisionsschnitte mit hoher Produktivität ausgelegt. Die Design-›Philosophie‹ von Stiefelmayer: dünn und hochpräzise, Dicken ab 3 Millimeter stehen nicht im Fokus.

Niedrigere Leistung, höherer Durchsatz

Dieter Bulling, Geschäftsführer des Unternehmens, erklärt diesen Ansatz mit einem Vergleich aus dem Motorsport: »Wir haben unsere Maschine für die enge Stadtstrecke von Monaco ausgelegt, nicht für das große Oval von Indianapolis. Unser Konstruktionsziel war, die höchstmögliche Durchschnittsgeschwindigkeit in all den engen Kurven zu erreichen, anstatt maximaler Höchstgeschwindigkeit auf den Geraden. Für die Art von Teilen, die wir typischerweise herstellen, bringt dies einen höheren Durchsatz.«

Es gibt zwei Hauptaspekte, die diese Leistung der Effective-Schneidmaschinen ermöglichen – anspruchsvolle Mechanik und präzise Synchronisierung des Lasers auf diese Mechanik. Stiefelmayer-Lasertechnik verwendet Direktantriebe mit Linearmotoren, um sowohl X- als auch Y-Bewegungen des Schneidkopfes hochdynamisch zu ermöglichen. Dies eliminiert das Spiel in Verbindung mit dem Zahnstangenantrieb, der gerne in anderen Systemen verwendet wird. Und die Brücke, die den Schneidkopf führt, ist in Carbon-Leichtbauweise ausgeführt, wodurch ihre Trägheit verringert und die Steifigkeit erhöht wird. Mit der Leichtbaubrücke kann die Maschine hohe Ruckwerte erzielen (unter Ruck versteht man die Rate der Beschleunigungsveränderung). Dieter Bulling erläutert deren Bedeutung: »Keine Maschine kann sofort eine Beschleunigung von 4 g oder 6 g aus dem Stillstand erreichen – dies ist physikalisch unmöglich. Der Schlüssel für hohe Produktivität mit engen Konturen ist deshalb, wie schnell die Maschine die erwünschte Beschleunigung erreicht – in anderen Worten der Ruck.«

Bulling fügt an, dass nicht nur die Maschinengenauigkeit und die mechanische Auslegung sehr wichtig sind. Die Synchronisierung der dynamischen Bewegungseinheit mit dem Laser birgt einige Herausforderungen. Einfach nur den Laser ein- und ausschalten führt zu keinem Erfolg. Die angeforderte Laserleistung muss exakt auf die Bewegung der Maschine abgestimmt sein, um in der kompletten Kontur ein gleichmäßig gutes Schneidergebnis zu erzielen. Die Schneidgeschwindigkeit variiert in einem Bauteil sehr stark. Die geringste Schneidgeschwindigkeit in der Kontur ergibt sich in Ecken. Theoretisch wird hier verzögert bis zum Stillstand und dann in die neue Richtung beschleunigt. Die Ecken stellen eine große Herausforderung für die Maschine und den Prozess dar. Gibt man der Maschine vor, dass sie gar keine Ecken, sondern nur kleine Radien fahren kann, hat das mehrere Vorteile: Zum einen ist der Bewegungsablauf harmonischer, weil es keine ruckartigen Bewegungen gibt, die auch die Mechanik, abhängig von der bewegten Masse, sehr stark belasten. Zum anderen wird der Schneidprozess nicht unterbrochen, da durch das Verschleifen die Schneidgeschwindigkeit nicht auf null abfällt und der Prozess im Fluss bleibt.

Je größer der Radius ist, desto besser ist es für die Mechanik und den Prozess. Jedoch sind auf Zeichnungen in der Regel in Ecken keine Radien eingezeichnet oder zulässig. Speziell bei kleinen, präzisen Teilen werden Ecken ohne Radien gefordert. Aber ohne Eckenradius geht es nicht. Der kleinste erreichbare Radius ergibt sich durch den Fokus und letztendlich durch den Schnittspalt.

Beim Laserschneiden sind Radien im Bereich von circa 0,2 Millimetern durchaus normal. In den Stiefelmayer-Maschinen beträgt der minimale Eckenradius lediglich 40 Mikrometer. Bulling erläutert: »Es gibt zwei Gründe, weshalb wir solch einen kleinen Eckenradius erzielen. Einer ist die hohe Bewegungsdynamik der Maschine. Durch die leichte Carbonbrücke wird die Mechanik auch bei ruckartigen Bewegungen wenig belastet. Der andere ist die optimale Synchronisierung der Laserleistung auf die Achsbewegung. In den Ecken wird der Strahl sehr langsam geführt, dementsprechend muss die Laserleistung angepasst werden, um die insgesamt abgegebene Leistung an einem bestimmten Punkt, die erforderlich ist, um die Schmelze zu erzeugen, konstant zu halten. Wir gehen dies an, indem wir den Laser kontinuierlich (im quasi CW-Betrieb) für gerade Schnitte ansteuern. In den Ecken setzen wir eine speziell gepulste Leistung ein. Also muss der Laser schnell zwischen unterschiedlichen Betriebsmodi umschalten können. Zu der Zeit, als wir die erste Effective-Maschine konstruierten, hatte Coherent|Rofin den einzigen Faserlaser in unserem Zielleistungsbereich von 1 bis 2 Kilowatt, der diese entscheidende Funktion bot. Außerdem verwendete dieser Faserlaser die gleiche Steuerungssoftware wie die CO2-Laser von Coherent|Rofin, die wir bereits in anderen Produkten eingesetzt hatten, wodurch sich unsere Entwicklungszeit verringerte.«

In den Effective-Schneidmaschinen von Stiefelmayer wird der Strahl von einem Hochleistungs-Faserlaser ›Coherent|Rofin Highlight FL‹ auf einen Spot von etwa 60 bis 65 Mikrometer am Werkstück fokussiert, also etwa die Hälfte des Spotdurchmessers, der für Maschinen dieser Größe typisch ist. Diese Spotgröße ist erforderlich, um die präzisen Teile mit sehr kleinen Konturen, die bei vielen Schneidanwendungen gefordert werden, zu produzieren. Außerdem minimiert beim Schneiden von Elektroblech diese Kombination von Strahldurchmesser und Leistung die wärmebeeinflusste Zone.

Erschienen in Ausgabe: 01/2019
Seite: 46 bis 47