Projekt 44: Erweiterung der 3D-Bearbeitungsmaschine um die Funktion "Lasercutter"

Autor: Steffen Topp

Betreuer: Prof. Dr. Mirek Göbel

Einleitung

Dieser Artikel dient der Dokumentation des Projektes 44: Lasercutter aus dem Fachpraktikum Elektrotechnik & Angewandte Elektrotechnik. Ziel des Projektes ist die Erweiterung der 3D-CNC-Bearbeitungsmaschine um die Funktion "Lasercutter".

Laserschneiden beschreibt das fortlaufende Schmelzen eines Materials. Es bietet dabei folgende Vorteile gegenüber konkurrierenden Verfahren (z.B. Fräsen):

• Kleine Schnittbreiten
• Realisierung komplexer Konturen möglich
• Hohe Präszision
• Verzugsarmes Verfahren
• Hohe Schnittgeschwindigkeiten

Erwartungen an die Projektlösung

• Lesen Sie den Artikel c‘t Make: 2/2015 (S. 10ff)
• Planen Sie den Aufbau inkl. Beachtung von Sicherheitsaspekten
• Beschaffen Sie die Bauteile
• Realisierung des Aufbaus
• Machen Sie ein spektakuläres Video, welches die Funktion visualisieren
• Arbeiten Sie entsprechend der Laserschutz-Bestimmungen der HSHL
• Machen Sie ein tolles Videos, welches die Funktion visualisiert
• Test und wiss. Dokumentation
• Live Vorführung während der Abschlusspräsentation

Projektplanung

Das Projekt wird in folgende Arbeitspakete gegliedert:

• Auswahl und Integration eines Lasers
• Erfüllung der sicherheitstechnischen Rahmenbedingungen
• Konzept zur Ansteuerung des Lasers

Eigenbau-Laser

Der in den Erwartungen an die Projektlösung verlinkte Artikel c't Make: 2/2015 (S. 10ff) beschreibt den Aufbau eines Eigenbau-Lasers mithilfe der aufgelisteten Materialien.

Einkaufsliste

Pos.	Anzahl	Bezeichnung	Preis	Link
1.	1	Open-Can-Laserdiode	9,90€	InsaneWare
2.	1	Kollimatorgehäuse	7,00€	InsaneWare
3.	1	Kühlkörper	9,80€	InsaneWare
4.	1	HT-Abflussrohr	0,70€	Hornbach
5.	1	Wärmeleitpaste	1,35€	Reichelt
6.	1	Konstantstromquelle	5,50€	Anvilex
7.	1	Drucktaster	2,20€	Reichelt
8.	1	100µF Elko	0,70€	Reichelt
9.	1	10kΩ Drehpotentiometer	1,99€	Reichelt
10.	1	1kΩ Widerstand	0,154€	Reichelt
11.	1	2,2kΩ Widerstand	0,154€	Reichelt
12.	1	22kΩ Widerstand	0,154€	Reichelt
13.	1	Anschlussklemme	0,70€	Reichelt

Als Laserquelle wird eine Open-Can-Laserdiode (Pos.1) mit einer Leistung von 300mW eingesetzt. Open-Can-Laserdioden haben kein schützendes Gehäuse und können, aufgrund der besseren Wärmeabgabe gegenüber Dioden mit Gehäuse, höhere Leistungen erzielen. Die Acryllinse des Kollimatorgehäuses (Pos.2) wird zur Fokussierung der Laserstrahlung in einem Punkt eingesetzt. Mithilfe der Wärmeleitpaste (Pos.5) wird eine thermische Verbindung zwischen der Laserdiode und dem Kühlkörper (Pos.4) erstellt. In einem HT-Abflussrohr (Pos.3) wird dieser Aufbau zusammen mit einer Platine, auf der eine Treiberschaltung aus den weiteren Komponenten (Pos.6-12) realisiert wird, eingehaust. Der Aufbau dieser Schaltung ist dem Artikel zu entnehmen.

Der Eigenbau-Laser wird in die Laserklasse 3B eingeordnet. Die Leistung ist ausreichend um dunkles Moosgummi zu schneiden.

Nach Abstimmung mit dem Laserbeauftragten der Hochschule wird die Umsetzung des Eigenbau-Laser aufgrund des hohen Aufwandes zur Erfüllung der Sicherheitsvorschriften und die beschränkte Anzahl schneidbarer Materialien als nicht sinnvoll betrachtet.

Auswahl eines Lasers

Für den Einsatz des Lasers als Schneidwerkzeug besteht die Auswahl zwischen CO₂-Lasern und Faserlasern.

CO₂-Laser

Eigenschaften

• Wellenlänge: 10,6µm
• elektrisch-optische Effizienz: 5% bis 15%
• Schneidbare Materialien: Stahl, Kunststoffe, Acryl, Holz, Textilien, weitere organische Materialien
• Vorteile:
  • Niedrige Anschaffungskosten
  • Hohe Schnittqualität bei hohen Leistungen
  • Robust
• Nachteile:
  • Hohe Betriebskosten
  • Laserstrahlführung nur mit Spiegellenkkammern möglich
  • Bearbeitung von Aluminium nicht möglich

Referenzwerte für Schnittgeschwindigkeiten von CO₂-Lasern verschiedener Leistungen sind der Tabelle zu entnehmen:

Referenzwerte für Schnittgeschwindigkeiten von CO₂-Lasern

Faserlaser

Eigenschaften:

• Wellenlänge: 1,06µm
• elektrisch-optische Effizienz: > 30%
• Schneidbare Materialien: Metallische Werkstoffe
• Vorteile:
  • Geringe Betriebskosten
  • Laserstrahlführung mit flexiblen Lichtwellenleiter möglich
  • Verwendung von Optiken aus Standartgläsern möglich
• Nachteile:
  • Hohe Anschaffungskosten
  • Bearbeitung auf metallische Werkstoffe begrenzt

Referenzwerte für Schnittgeschwindigkeiten mit 500W Faserlasern sind der Abbildung zu entnehmen:

Schnittgeschwindigkeiten des TruFiber 500

Vergleich

Mit der Auswahl des Lasers wird gleichzeitig die Auswahl der zu bearbeitenden Materialien begrenzt:

• Nichtmetallische Werkstoffe: CO₂-Laser
• Nichteisenmetalle: Faserlaser
• Stahl: Bei Blechstärken kleiner oder gleich 1,5mm werden Festkörperlaser aufgrund der stärkeren Absorption eingesetzt. Bei Blechstärken größer 1,5mm werden CO₂-Laser eingesetzt.

Der entscheidende Vorteil der Faserlaser für die Integration in die Bearbeitungsmaschine ist die Laserstrahlführung mit Lichtwellenleitern. Aufgrund der sperrigen Abmessungen und des hohen Gewichts der Laserquellen inklusive der Kühlaggregate ist eine direkte Befestigung an den Werkzeughalter nicht möglich.

Sicherheitstechnische Rahmenbedingungen

Eine Gefährdungsbeurteilung ist ausschließlich durch eine fachkundige Person möglich

In jedem Fall sind folgende Maßnahmen zu treffen:

• Anbringung des Warnzeichens W010 "Warnung vor Laserstrahl" im Zutrittsbereich
• Mit dem Einschalten des Lasers gekoppelte Warnleuchte vor den Zugängen des Raumes
• Unterweisungspflicht inklusive Protokollierung für alle im Laserbereich tätigen Personen
• Schlüsselbetätigter Hauptschalter mit Dokumentation der Verantwortlichkeit
• Schutzverriegelung des Laserbereiches
• Schleusenartiger Zugang zum Laserbereich
• Aushang der Betriebsanweisung
• Bereitstellung von Schutzbrillen

Steuerung

Der Aufbau auf den bereits realisierten zentralen Steuerungsalgorithmus ist auch für den Lasercutter sinnvoll. Dabei kann über eine Variable der Modus-Wechsel zwischen "Fräser" und "Lasercutter" umgesetzt werden. Folgende Änderungen / Erweiterungen müssen umgesetzt werden:

• Einschalten des Lasers bei Werten für Z < 0: CAM-Fräsprogramme oder bereits bestehende Programme können ohne Änderung mit dem Laser umgesetzt werden
• Vorgegebenen Z-Wert anfahren und anschließend Bewegung der Z-Achse sperren
• Strahlungsleistung in Abhängigkeit zur Vorschubgeschwindigkeit ausgeben
• Sicherheitsschalter der Tür abfragen

Zusammenfassung

Aus der ursprünglichen Anforderung eines selbstgebauten Lasers mit einer Open-Can-Laserdiode wurde ein umfangreiches Projekt, welches den zeitlichen Rahmen des Praktikums überschritt. Aufgrund des fehlenden Know-How über die Anwendung von Lasern zur Materialbearbeitung und zu den Sicherheitsanforderungen bei der Verwendung von Hochleistungslasern mussten zunächst die Informationen zu diesen Themen gesammelt und ausgewertet werden. Der Laserbeauftragte der Hochschule hat aus sicherheitstechnischen Gründen von der Umsetzung des Projektes abgeraten.

Ausblick

Die Firma TRUMPF GmbH + Co. KG hat ein Angebot des Festkörperlaser TruFiber 500 erstellt. Dieses befindet sich in dem SVN-Ordner des Projektes. Der Firma ROFIN-SINAR Laser GmbH ist das Projekt bekannt und würde neben einer Laserquelle das technische Wissen für die Umsetzung zur Verfügung stellen. Das Projekt bietet im Falle der Umsetzung für nachfolgende Studiengänge folgende Aufgaben:

• Umsetzung der Integration
• Anpassung der Steuerung
• Umsetzung der Sicherheitsmaßnahmen

Weblinks

1. Trumpf TruFiber
2. Trumpf TRUMPF GmbH + Co. KG
3. ROFIN-SINAR Laser GmbH
4. SVN-Ordner: 44_Lasercutter