Een hoog laservermogen kan een nadeel zijn

Bij het snijden van rechte lijnen in dikke materialen en lagere toleranties levert een hoger vermogen een hogere snelheid. Maar bij het snijden van dunnere materialen met nauwere toleranties is een zeer hoog vermogen niet nodig en kan het zelfs een nadeel zijn. Sterker nog, bij precisietoepassingen kunnen de mechanische factoren van de snijmachine en de lasersynchronisatie met de mechanica de snelheidsbeperkende factoren zijn.

Eisen aan het elektrisch snijden van staal

Elektrisch staal is een dun (meestal 0,1 mm tot 1 mm), gelamineerd materiaal dat wordt gevormd en vervolgens gestapeld om de stators en rotors van elektromotoren en generatoren, en de kernen van transformatoren te maken. Het is niet ongebruikelijk dat deze stapels bestaan uit enkele honderden afzonderlijke lagen, elk bedekt met een niet-geleidende buitenlaminering.

Persen

Bij grote aantallen worden deze delen in een pers tot de gewenste eindvorm gestampt. Persen heeft een hoge herhaalbaarheid, maar een beperkte nauwkeurigheid. De herhaalbaarheid is belangrijk omdat bij stapeling van de gelamineerde platen een glad randoppervlak oplevert. Ook ontstaan er bij het persen geen randbramen waardoor de gelamineerde platen bij het stapelen niet volledig met elkaar in contact komen. Slijpen van de bramen is niet wenselijk, omdat het de buitenste laminering van het materiaal kan verwijderen. Tot slot is er bij het persen geen warmte-inbreng in het materiaal. Dit kan de buitenlaminering van het elektrostaal beschadigen of de magnetische eigenschappen beïnvloeden, beide zijn ongewenste effecten.

Elektrisch staal is een dun staal dat wordt gestapeld om er stators en rotors van elektromotoren en generatoren mee te maken.

Snijden

De belangrijkste beperking van het persen, is het dure persgereedschappen. Bij grote aantallen is dat acceptabel, maar voor kleine oplages of prototypes wordt dat al snel te kostbaar.

Het snijden met fiberlasers is dan een goed een alternatief voor persen: geen gereedschapskosten en gunstige snijsnelheden bij kleine oplages. Echter zo bleek, de meeste fiberlasersnijmachines hebben beperkingen bij het snijden van dun elektrisch staal.

Ten eerste hebben de meeste commerciële lasersnijmachines relatief grote, niet-constante tolerantieafwijkingen in hun werkgebied. Zo kan een onderdeel dat rechtsvoor uit een grote plaat gesneden is, er anders uitzien dan een onderdeel dat van linksachter gesneden is. Dit creëert problemen bij het stapelen van de gelamineerde platen.

Andere beperkingen bij het fiberlasersnijden is dat de oppervlaktelaminering van de plaat kan verdampen, slak (dross) op de rand kan produceren en een hittezone (HAZ) in het bulkmateriaal kan produceren waardoor de magnetische eigenschappen veranderen. Deze problemen worden meestal erger met een hoger snijvermogen. Zoals eerder vermeld, gaan snelheid en laservermogen meestal samen in traditionele lasersnijmachines.

Lager vermogen, hogere doorvoercapaciteit

Stiefelmayer-Lasertechnik bouwt lasermachines en voert loonproductie uit, met de nadruk op het snijden van dun plaatstaal met nauwe toleranties. Hun lasersnijmachines zijn geoptimaliseerd voor het produceren van hoge precisiesnedes met een hoge doorvoersnelheid met de filosofie dat finesse boven brute kracht gaat.

Bedrijfsleider Dieter Bulling legt deze aanpak uit naar analogie van de Formule 1. ‘Zo hebben wij onze lasermachine afgestemd op het strakke stadsparcours in Monaco, niet op het enorme ovaal van Indianapolis. Ons doel was om de hoogst mogelijke gemiddelde snelheid te bereiken door alle scherpe bochten heen, in plaats van de maximale topsnelheid op de rechte stukken. Voor het type onderdelen dat we doorgaans produceren, levert dit een grotere doorvoer op.’

‘Er zijn twee algemene aspecten die deze prestaties mogelijk maken in onze fiberlasersnijders: superieure mechanica en nauwkeurige synchronisatie van de laser met deze mechanica. Stiefelmayer-Lasertechnik maakt gebruik van lineaire motoren met directe aandrijving voor zowel de x- als y-beweging van de snijkop. Dit elimineert de speling die hoort bij de tandheugelaandrijvingen die in andere systemen worden gebruikt’, weet Bulling.

Schokabsorptie

Ook is de brug die de snijkop vasthoudt, gemaakt van koolstofvezel, in plaats van metaal. Dit om de traagheid te minimaliseren zonder in te boeten aan stijfheid. Deze lichtgewicht brug stelt de machine in staat om een hoge schokabsorptie te bereiken. Dieter Bulling maakt het belang hiervan duidelijk: ‘Geen enkele machine kan vanuit stilstand direct een acceleratie van 4g of 6g bereiken – dat is fysiek onmogelijk. De sleutel tot een hoge productiviteit met strakke contouren is daarom hoe snel de machine de gewenste versnelling bereikt – met andere woorden, de schok.

Hij voegt daaraan toe dat een hoge mate van synchronisatie tussen de laser en de portaalbeweging even essentieel is voor zowel de nauwkeurigheid van de machine als de snijsnelheid. Alle hoeken worden met een kleine straal gesneden, omdat de laserbundel hierdoor niet meer volledig tot stilstand hoeft te worden gebracht bij het hoekpunt. Deze hoekradius kan 40 µm zijn in de Stiefelmayer-machines, of tot 0,2 mm groot.

Synchronisatie laser

Bulling legt uit: ‘Er zijn twee redenen waarom we zo’n kleine randradius kunnen bereiken. De ene is de hoge bewegingsdynamiek van de machine, de andere is de hoge synchronisatie van de laser met de portaalbeweging. Specifiek, als de laserstraal vertraagt, moet het laservermogen dalen om het totale geleverde vermogen op een bepaalde plek constant te houden. We pakken dit aan door de laser continu in rechte stukken te laten lopen (CW), maar dan met behulp van een speciale gepulseerde uitgang op de hoeken. De laser moet dus in staat zijn om snel te schakelen tussen verschillende bedrijfsmodi. Destijds ontwierpen we de Effective, Coherent met de Rofin fiberlaser, de enige laser met een 2 kW tot 3 kW vermogensbereik die deze kritische functionaliteit bood. Bovendien gebruikte Rofin voor zijn fiberlaser dezelfde besturingssoftware als voor hun CO2-lasers, die we al in andere producten hadden gebruikt, waardoor onze ontwikkelingstijd tot een minimum werd beperkt.’

In de lasersnijmachines van het bedrijf bereikt de uitgangsstraal van een Coherent Rofin HighLight FL fiber laser een spot van ongeveer 60 µm tot 65 µm op het werkstuk en dat is ongeveer de helft van de spotdiameter die typisch is voor machines van deze grootte. Deze spotgrootte is nodig om ook de kleine afmetingen te kunnen produceren bij veel van hun snijtoepassingen. Bovendien, met name voor het snijden van elektrisch staal, minimaliseert deze combinatie van bundelgrootte en vermogen de hittezone HAZ. Het vermindert ook de hoeveelheid smeltmateriaal (het verminderen van de bundeldiameter met 2X vermindert de hoeveelheid smelt met 4X), die van het substraat wordt geblazen met gas, om een slakvrije rand op te leveren.

Combi van precisie en herhaalbaarheid

‘De markt voor lasersnijden wordt steeds concurrerender. Hooggeprijsde machines leggen meestal de nadruk op het laservermogen. Echter, als voorbeeld, de overgang van 6 kW naar 12 kW vermindert de snijtijd niet significant. Je kunt dan meer bereiken door een sneller laad-/lossysteem te gaan.

Omgekeerd hebben laaggeprijsde lasermachines geen hoge precisiemechanica; met herhaalbaarheid (meestal slechts in één as), maar ze leggen niet uit hoe dat zich vertaalt in de nauwkeurigheid van het afgewerkte product.

De discussie gaat steeds maar naar krachtiger lasers, om dikker materiaal te kunnen snijden. Dik materiaal heeft minder precisie nodig, dun materiaal vereist een hogere precisie. Dit zijn totaal verschillende eisen die worden gesteld aan de machines. Dankzij betere mechanica en verbeterde lasersynchronisatie ontstaat een unieke combinatie van precisie, hoge totale doorvoercapaciteit en gegarandeerde herhaalbaarheid van onderdelen. Wij beloven 30 mm diameter gaten te kunnen snijden voor de volledige plaatafmeting van 1,25 x 2,5 m met een herhaalnauwkeurigheid van ±25 µm. Voor het snijden van dunne metalen denken wij dat dit de juiste richting is voor de toekomst’, vat Bulling samen.

Stiefelmayer heeft geen Nederlandse vertegenwoordiging.

De lasersnijder van Stiefelmayer Lasertechnik is voorzien van een Coherent Rofin laser. Coherent heeft in 2016 Rofin overgenomen en heeft zijn Europese vestiging in Utrecht.