Projekte

SYNGAL

Effektive und präzise Laserbearbeitung durch synchron verfahrende CNC- und galvanometrische Achsen (SYNGAL)

Programm: KMU-innovativ: Produktionsforschung
Bekanntmachung: KMU-innovativ (bis 2015)
Wettbewerb: 03. Runde, Stichtag 15.10.2008

Kurzbeschreibung:
Ziel des Projektes SYNGAL war die Entwicklung einer neuartigen Steuerungstechnik für die effektive und präzise 3D-Laserbearbeitung. Kernstück der Arbeiten war die Synchronisierung der Ansteuerung der "langsamen" NC-Achsen und der "schnellen" Galvanometerachsen eines auf diesen aufgesetzten Laserscanners. Durch das gleichzeitige Verfahren mit allen Achsen können die Restriktionen des bisher üblichen Step-and-Repeat-Betriebs überwunden und größere Flächen und /oder dreidimensionale Konturen schnell und präzise bearbeitet werden.

Projektdauer: 01.04.2009 − 31.03.2012

Projektkoordinator:
Dr. Klaus Baier
Kugler GmbH Feinmechanik + Optik
Telefon: +49 7553 9200-21
E-Mail: Klaus.baier@kugler-precision.com

Ansprechpartner bei PTKA:
Dr.-Ing. Paul Armbruster
Telefon: +49 721 608-26209
E-Mail: paul.armbruster@kit.edu

Detaillierte Projektbeschreibung

Problemstellung
Die laserbasierte Materialbearbeitung nutzt zum einen die Strahlführung mit Galvanometerachsen und zum anderen die Strahlführung mit mechanischen CNC-Achsen. Letztere ermöglichen mit zunehmend größeren Bearbeitungsbereichen eine präzisere Materialbearbeitung als derzeitige Galvanometerachsen. CNC-Achsen sind aber langsam und benötigen kostenintensive, schwere Portalanlagen. Allein aufgrund der bewegten Massen ist die Dynamik begrenzt. Hingegen bleibt die Präzision bei Galvanometerachsen auf ein kleines Scanfeld beschränkt. Ansätze, große Brennweiten bei Galvanometeraufbauten einzusetzen, erweitern zwar das Scanfeld, jedoch geht dies einher mit einer Vergrößerung des Fokusdurchmessers und damit einer Reduktion der Präzision und Strukturfeinheit. Eine Kombination beider Antriebsarten wird derzeit nur in einigen speziellen Applikationen eingesetzt, wobei die Ansteuerung der beiden verschiedenen Achstypen ausschließlich sequentiell realisiert ist.

Projektziele
Ziel des Verbundes war es eine Steuerungstechnik zu entwickeln, die den parallelen, synchronen Betrieb von CNC-Achsen und einem sog. Scanner oder Scan-Kopf mit Galvanometerantrieben ermöglicht, um die Vorteile beider Antriebe zu vereinen. NC-Achsen, die konstruktiv für hohe Beschleunigungen und hinreichende Steifigkeit ausgelegt sind, weisen hohes Gewicht und großes Bauvolumen auf, was beim neuen Ansatz völlig irrelevant wird. Durch die kontinuierliche, synchrone Ansteuerung einer Achskonfiguration, in der klassische NC-Achsen und trägheitsarme Galvanometerachsen gemischt sind, lassen sich hohe Beschleunigungen der NC-Achsen vermeiden und kostengünstigere, leichte Aufbauten realisieren. Es ist vorgesehen, diese Vorteile an einer Anlage zu demonstrieren, die für die präzise Fertigung komplexer Freiformflächen auf hochfesten Oxidkeramiken mit kurzen Laserpulsen konzipiert wurde.

Vorgehensweise
Zunächst musste ein Konzept für die Kopplung und Synchronisierung der CNC-Steuerung mit der Scanner-Steuerung entwickelt werden. Grundlage des Konzepts ist der Einsatz einer CNC-Steuerung, die - wie die Scanner-Steuerung - eine Taktfrequenz von bis zu 100 kHz für die Lageregelung ermöglicht. Jede Einheit führt dabei die ihr zugeteilten Bewegungsaufgaben aus und durch eine Kopplung des Scannerkoordinatensystems an das CNC-Koordinatensystem wird auf dem Werkstück die gewünschte Bahnbewegung erzielt. Dabei werden die Bewegungsabläufe so auf die beiden Teilsysteme aufgeteilt, dass die CNC-Achsen nur ruckarme Bewegungen ohne starke Beschleunigungen ausführen und die Scannereinheit die schnellen Strahlbewegungen realisiert. Um die Vorteile dieser Anordnung insbesondere auch für dreidimensionale Bearbeitungen effizient nutzen zu können, wurde eine spezifische Bahnplanungssoftware als Erweiterung zu einer gängigen CAD/CAM-Software entwickelt. Das Zusammenspiel aller Komponenten wurde schließlich am Beispiel der Laserbearbeitung mit einem prototypisch erstellten Maschinenaufbau demonstriert.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Als Hauptergebnis des Projekts entstand eine Steuerungstechnik, welche die synchrone Ansteuerung von CNC- und Galvanometerachsen ermöglicht. Dies ermöglicht die schnelle und präzise Laserbearbeitung großer Flächen und echt dreidimensionaler Geometrien mit Maschinen, die nicht auf allerhöchste Steifigkeit ausgelegt sein müssen. Damit können solche Bearbeitungsaufgaben künftig schneller und zu geringeren Kosten als mit heute verfügbaren Techniken erfüllt werden. Zur Nutzbarmachung der Technologie für Endanwender wurde ein Bahnplanungsmodul für gängige CAD/CAM-Software entwickelt, mit dem CAD-Geometrien automatisch in geeignete Bearbeitungsabläufe umgesetzt werden können.
Mögliche Anwendungen sind beispielsweise die direkte Strukturierung von Hologrammen für die Sicherheitstechnik, die ultrapräzise Mikrostrukturierung von Prägewalzen oder die Bearbeitung von Mikrospritzgussformen. Konkret soll auf Basis der Ergebnisse eine kostengünstige Anlage zur dreidimensionalen Bearbeitung vollkeramischer Zahnkronen entwickelt werden.

Publikationen

CAM-basierte Bahngenerierung zur effizienten lasergestützten 3D-Formgebung
Autor: Weigl, P.; Werelius, K.
Verlag: Universität Frankfurt (Eigenverlag)
Erscheinungsjahr: 2013
Beschreibung: Zielsetzung des Teilprojekt war die Entwicklung und Implementierung einer CAM-basierten Bahngenerierung für lasergestützte 3D-Formgebung unter Berücksichtigung zwei verschiedener Achstypen: NC-Achsen und Galvo(Scanner)-Achsen.
Am Beispiel einer Zahnkrone wurde eine Abtragstrategie entwickelt, die sich in 3 Phasen aufteilt: Schruppen, Vorschlichten und Schlichten. Im Schruppvorgang wird die Zahnkrone mittels schneiden von zusammenhängenden Quadern grob herausgeschnitten. Die Quaderoberfläche wird im zweiten Schritt an die Zielgeometrie angenähert, um dann im Schlichtvorgang die gewünschte Oberfläche zu erhalten.
Zur Anbindung der CAM ausgegebenen Laserbahnen wurde ein optimierter Postprozessor entwickelt, der eine zeitoptimierte Bahnplanung an die Maschinensteuerung ausgibt. Hierdurch konnte eine Zeitersparnis von rund 50 v. H. gewonnen werden.

Hochdynamische Laserbearbeitung komplexer 3D-Geometrien mit synchron verfahrenden NC- und Galvanometerachsen
Autor: Baier, K.
Verlag: Kugler GmbH, Salem (Eigenverlag)
Erscheinungsjahr: 2012
Beschreibung: Im Verbundprojekt SYNGAL wurde von den Industriepartnern KUGLER GmbH und ARGES GmbH eine steuerungstechnische Lösung für den synchronisierten Simultanbetrieb von NC-Maschinenachsen und redundanten Galvanometerachsen entwickelt und demonstriert, welche die bisherigen Restriktionen komplett aufhebt. Sie besteht aus dem neu entwickelten ARGES Scanner Interface SCB2100PCIe und der von KUGLER für Laserbearbeitungsmaschinen adaptierten, neu auf den Markt gekommenen PowerUMAC-Steuerung von Hersteller DELTA TAU. Das ARGES Scanner Interface fungiert als intelligenter Galvoachsregler, welcher der CNC-Steuerung untergeordnet ist. Beide kommunizieren über einen schnellen MACRO II-Glasfaserbus, sodass Regeltakte für die Galvoachsen von 48 kHz (und mehr) möglich sind. Spezielle Funktionalitäten der CNC-Steuerung erlauben in Echtzeit eine Fokusbahnzerlegung für die redundanten Achsen in schnelle, kurzhubige, eckige sowie langsame, langhubige, verrundete Bahnanteile, die dann von den trägheitsarmen Galvo- bzw. den trägen NC-Achsen in einer überlagerten Bewegung ausgeführt werden. Dadurch lässt sich die Bearbeitungsdynamik ohne Erzeugung nachteiliger Rucke wesentlich steigern. Der große Vorteil dieses Verfahrens, das zur Demonstration in eine KUGLER MicroGantry-Maschine zur 8-Achs-Laserbearbeitung implementiert wurde, liegt darin, dass CAM-System und Postprozessor die redundanten Galvoachsen nicht berücksichtigen müssen. Die Bearbeitungsprogramme können dadurch in jedem konventionellen CAM-System erzeugt werden. Dieser Vorteil ist für die Verwertbarkeit in industriellen Anwendungen entscheidend wichtig. Mit dieser fortschrittlichen, neuen Steuerungstechnik ergeben sich völlig neue Möglichkeiten für den Maschinenbau zur hochdynamischen, effizienten Laserbearbeitung und für die Prozesstechnik mit fokussierten Strahlen, insbesondere für die allseitige Bearbeitung komplexer 3D-Werkstücke wie Zahnkronen aus gehärteter Keramik und Formeinsätze für Spritzgießwerkzeuge aus gehärtetem Stahl.

Hochdynamische Laserbearbeitung komplexer 3D-Geometrien mit synchron verfahrenden NC- und Galvanometerachsen
Autor: Hartmann, M.; Schwab, D.
Verlag: Arges GmbH, Wackersdorf (Eigenverlag)
Erscheinungsjahr: 2012
Beschreibung: Im Verbundprojekt SYNGAL wurde von den Industriepartnern KUGLER GmbH und ARGES GmbH eine steuerungstechnische Lösung für den synchronisierten Simultanbetrieb von NC-Maschinenachsen und redundanten Galvanometerachsen entwickelt und demonstriert, welche die bisherigen Restriktionen komplett aufhebt. Sie besteht aus dem neu entwickelten ARGES Scanner Interface SCB2100PCIe und der von KUGLER für Laserbearbeitungsmaschinen adaptierten, neu auf den Markt gekommenen PowerUMAC-Steuerung von Hersteller DELTA TAU. Das ARGES Scanner Interface fungiert als intelligenter Galvoachsregler, welcher der CNC-Steuerung untergeordnet ist. Beide kommunizieren über einen schnellen MACRO II-Glasfaserbus, sodass Regeltakte für die Galvoachsen von 48 kHz (und mehr) möglich sind. Spezielle Funktionalitäten der CNC-Steuerung erlauben in Echtzeit eine Fokusbahnzerlegung für die redundanten Achsen in schnelle, kurzhubige, eckige sowie langsame, langhubige, verrundete Bahnanteile, die dann von den trägheitsarmen Galvo- bzw. den trägen NC-Achsen in einer überlagerten Bewegung ausgeführt werden. Dadurch lässt sich die Bearbeitungsdynamik ohne Erzeugung nachteiliger Rucke wesentlich steigern. Der große Vorteil dieses Verfahrens, das zur Demonstration in eine KUGLER MicroGantry-Maschine zur 8-Achs-Laserbearbeitung implementiert wurde, liegt darin, dass CAM-System und Postprozessor die redundanten Galvoachsen nicht berücksichtigen müssen. Die Bearbeitungsprogramme können dadurch in jedem konventionellen CAM-System erzeugt werden. Dieser Vorteil ist für die Verwertbarkeit in industriellen Anwendungen entscheidend wichtig. Mit dieser fortschrittlichen, neuen Steuerungstechnik ergeben sich völlig neue Möglichkeiten für den Maschinenbau zur hochdynamischen, effizienten Laserbearbeitung und für die Prozesstechnik mit fokussierten Strahlen, insbesondere für die allseitige Bearbeitung komplexer 3D-Werkstücke wie Zahnkronen aus gehärteter Keramik und Formeinsätze für Spritzgießwerkzeuge aus gehärtetem Stahl.

Projektträger

Projektträger Karlsruhe (PTKA)
Produktion, Dienstleistung und Arbeit
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Hermann-von-Helmholtz-Platz 1
76344 Eggenstein-Leopoldshafen

+49 (0)721 608-25281
+49 (0)721 608-992003

info@ptka.kit.edu
Standort Dresden
PTKA

Ansprechpartner

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Susanne Zbornik

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susanne.zbornik@kit.edu

Sekretariat Standort Dresden

Heike Blumentritt

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heike.blumentritt@kit.edu