Wenn Roboter Lasern

Laserroboter für die Bearbeitung komplexer 3D-Bauteile

Durch Einsatz der Lasertechnik in Verbindung mit Knickarmrobotern und integrierter Laserstrahlführung konnten in den letzten Jahren verstärkt innovative und äußerst wirtschaftliche Bearbeitungsverfahren in der Industrie etabliert werden. Hier das Beispiel einer Laser-Roboter-Kombination fürs flinke Schneiden.

24. August 2004

Die großen Vorteile gegenüber konventionellen Systemen mit externer Laserstrahlzuführung beziehungsweise stationären Systemen speziell im Hinblick auf die nahezu uneingeschränkte Beweglichkeit und die sehr gute Zugänglichkeit auch an komplexen räumlichen Bauteilen begründen den Erfolg dieser Kombination aus Roboter und Laserstrahlquelle. Die Konzeption der neuen Laserroboter „RV6LCO2“ und „RV16L-CO2“ von Reis Robotics, Obernburg/Main, ermöglicht den Einsatz von Lasern mit geringer Leistung bis hin zu mehreren kW Laserleistung. Hierdurch bietet sich eine Vielzahl neuer Applikationsfelder sowohl im Metall- als auch im Kunststoffbereich. Durch die Verwendung der integrierten Laserstrahlführung dieser Laserroboter an einem neuen Flächenportalsystem können weiterhin Laseranwendungen mit sehr hohen Genauigkeitsanforderungen wirtschaftlich realisiert werden.

Mit höherer Laserleistung

Bisher wurde der Laserkopf auf dem Unterarm (Achse 3) des Roboters angebaut. Auf Grund der Tragfähigkeit des Roboters konnten hier nur Laser bis zu einer Ausgangsleistung von max. 500 W eingesetzt werden. Die Anordnung auf dem Unterarm - das heißt von allen drei Grundachsen mitbewegt - begrenzte durch die resultierenden hohen Massenbeschleunigungen die Bewegungsdynamik (Geschwindigkeiten und Beschleunigungen) und somit das Genauigkeitsverhalten des Roboters. Das große Bauvolumen wirkte sich teilweise wegen der Störkonturen im Arbeitsraum ebenfalls negativ aus.

Das Konzept der neuen Reis-Laserroboter RV6L-CO2 und RV16L-CO2 kompensiert diese Nachteile und Einschränkungen. Die Anordnung des Lasers ist nicht wie bisher auf dem Unterarm, sondern seitlich am Schwenkarm der Achse 2 (Oberarm). Durch diese Plazierung nahe an der Roboterbasis können Laserstrahlquellen bis zu einem Gewicht von 400 kg beziehungsweise mehreren Kilowatt Leistung mitgeführt werden, ohne den nutzbaren Arbeitsraum negativ zu beeinflussen. Die Beeinträchtigung der Roboterdynamik ist durch die günstige Massenanordnung nahezu vernachlässigbar. Die geringeren auf den Laserkopf wirkenden Beschleunigungen wirken sich positiv auf die Stabilität des Lasers aus.

Mit Spiegeln bis ans Bauteil?

Eine Universalschnittstelle erlaubt den Einsatz unterschiedlicher Lasertypen auch von verschiedenen Herstellern. Bei der neuentwickelten integrierten Strahlführung wird der Laserrohstrahl über nur vier Spiegel durch die Roboterachsen bis zur Roboterhand geführt. Hierdurch werden geringe Verluste und eine hohe Strahlstabilität garantiert. An der Roboterhand können applikationsspezifische Bearbeitungsoptiken leicht adaptiert werden. Bei der Roboterversion RV16L-CO2 ist eine zusätzliche integrierte Handachse (Achse 6) realisiert worden. Neben der Bearbeitungsoptik können hiermit auch zusätzliche Prozeßeinrichtungen wie eine externe Kaltdrahtzuführung oder Sensoriken zum Beispiel zur Nahtverfolgung oder Prozeßkontrolle orientiert zur Bearbeitungsbahn bewegt werden. In einer engen Entwicklungskooperation mit Firma Trumpf-Lasertechnik wurde der ebenfalls neue diffusionsgekühlte Trumpf-CO2-Laser „TCF 1“ mit einer Leistung von 2 Kilowatt am Reis-Laserroboter RV16L-CO2 adaptiert. Mit einem Bauvolumen von nur 0,35 m3 und nur 250 Kilogramm Gewicht ist dieser Laser die kompakteste und leichteste Strahlquelle in dieser Leistungsklasse. Diese Kombination eröffnet neue Einsatzmöglichkeiten beziehungsweise eine drastische Steigerung der Prozeß- oder Bearbeitungsgeschwindigkeiten.

Neben CO2-Lasern können die Vorteile dieser Roboter ebenfalls bei fasergeführten Lasern (Nd:YAG- und Diodenlaser) genutzt werden. Damit eignen sich die neuen Reis-Laserroboter für ein breites Spektrum von Anwendungen der Materialbearbeitung sowohl im Kunststoff- als auch im Metallbereich.

Flexibler Schnitt

Laser-Roboter-Systeme mit Nd:YAG-Lasern zum Schweißen, Schneiden, Löten oder Randschichthärten vom 3D-Bauteilen gehören seit Jahren zum Stand der Technik. Diese Systeme sind jedoch wegen der eingeschränkten Bewegungsfreiheit durch die externe Strahlzuführung über Lichtleitfaser bei Bauteilen mit komplexen Geometrien nur bedingt oder gar nicht einsetzbar. Die hohen Investitions- und Betriebskosten der Strahlquelle sowie die erforderlichen Sicherheitsmaßnahmen zum Schutz der Anlagenbediener gegen Streustrahlung, die bei Nd:YAG-Lasern einen höheren Aufwand erfordern als vergleichsweise bei CO2-Lasern, wirken sich ebenfalls nachteilig aus. Lösungsansätze, bei denen die Strahlzuführung von CO2-Lasern mit höherer Leistung über sogenannte flexible Strahlrohre extern erfolgt, konnten sich auf Grund der konstruktionsbedingten stark begrenzten Bewegungsfreiheit nur in einem geringen Maße praktisch anwenden lassen.

Der Einsatz von CO2-Laserrobotern mit integrierter Strahlführung in der Metallbearbeitung war bisher auf Grund der limitierten Laserleistung nur in Einzelfällen möglich. Durch die Integration des neuen Trumpf-Lasers am Reis-Laserroboter RV16L-CO2 ist der vielfältige Einsatz von CO2-Hochleistungslasern im Metallbereich möglich. Bei 2.000 Watt Laser-Ausgangsleistung und der sehr hohen Strahlqualität K von 0,9 kann der größte Teil der Anwendungsfälle beim Laserstrahlschneiden sowie der Dünnblechbereich beim Laserstrahlschweißen abgedeckt werden. Beim Außenbeschnitt eines 3D-Blech-teiles - hier eine PKW-B-Säule - mit dem Reis-Laserroboter und dem 2-kWTrumpf- Laser beispielsweise, wird die Fokuslage über die Robotersteuerung mit Hilfe eines in die Bearbeitungsoptik integrierten Abstandssensors in konstantem Abstand zur Bauteiloberfläche gehalten, wodurch Bauteiltoleranzen abgefangen werden und damit eine sehr hohe Schnittqualität erreicht wird. Der Einsatz von Knickarmrobotern mit CO2-Hochleistungslasern für die Bearbeitung komplexer 3D-Bauteile führt zu einer entscheidenden Reduzierung der Investitions- und Betriebskosten der Laser- Produktionsanlagen.

Erschienen in Ausgabe: 08/2004