Mit dem Roboter räumlich Laserschneiden

Der Laser ist ein sehr effektives Schneidewerkzeug, mit dem Metalle präzise und schnell geschnitten werden können – vorausgesetzt der Laserstrahl kennt die zu schneidende Bahn. Das aber war bisher die Crux in der Fertigungstechnik: Bei komplizierteren Bahnen im Raum nahm die Bestimmung der Bahn enorm viel Zeit in Anspruch. Denn dazu mussten mit einem Roboter die einzelnen Punkte der Bahn manuell abgefahren werden; eine Präzisionsarbeit für erfahrene Ingenieure mit scharfen Augen. „Das Abfahren der Schneidebahn ist nicht nur eine große körperliche Anstrengung, es blockiert zudem den Roboter für andere Aufgaben und ist daher sehr unwirtschaftlich, besonders bei kleinen Stückzahlen“, sagt Markus Layer, der im Studiengang Fertigungstechnik der Hochschule Aalen den Arbeitsschritt der Bahnprogrammierung in den Rechner verlegt hat. „Dadurch bleibt die Arbeitskapazität des Roboters frei, der Schneideprozess kann virtuell simuliert werden und Änderungen lassen sich schnell einfügen“, zählt Betreuer Prof. Dr. Hans-Albrecht Schertel die wesentlichen Vorteile des neuen Verfahrens auf.

Ausgangsmaterial für Layers Diplomarbeit war eine Halbkugel aus Edelstahl, auf die der Abtsgmünder Künstler Alfred Bast Lichtzeichen aufgetragen hatte. In einem ersten Schritt scannte der Student der Fertigungstechnik die Halbkugel samt Zeichnungen ein. Mithilfe einer Grafiksoftware zog er die auf den Scans sichtbaren Lichtzeichen nach und überführte die Aufnahmen so in ein CAD-Format. Aus diesem erstellte Markus Layer ein Programm zur Steuerung des Roboters, in das er laserspezifische Ergänzungen einarbeitete. Über die Datenfernübertragung wird der Roboter dann zur Ausführung des Programms angeleitet.

Entsprechend den künstlerischen Vorgaben rückt und dreht der Roboter die Halbkugel unter den festen Laserstrahl, der über einen Spiegel in den Arbeitsbereich des Roboters abgelenkt wird. Der Laser hat im Auftreffpunkt des Metalls einen Durchmesser von ca. 0,2 Millimetern und eine Leistung von ca. 100.000 Watt pro Quadratzentimeter. Das Metall wird beim Schneiden so heiß, dass rot glühende Funken entstehen.

Der Roboter ist ein handelsüblicher Industrieroboter mit sechs Achsen, der sich positionsgenau justieren lässt. Er ist der dritte und – vorerst – letzte Bestandteil des Laserlabors der Hochschule Aalen, der über einen Antrag im Rahmen des Hochschulbauförderungsgesetzes (HBFG) finanziert wurde. „Damit besitzt die Hochschule nun ein fertiges Bearbeitungszentrum, in dem die Studierenden von der Zeichnung bis zum fertigen Produkt alle Schritte der Fertigung durchlaufen können“, gerät Prof. Dr. Schertel ins Schwärmen.

Ergänzt wird das Bearbeitungszentrum um einen zweiten Laser (Nd:YAG), der im Gegensatz zu seinem hochenergetischen, aber stationären CO2-Pendant beweglich ist. Das Laserlicht breitet sich durch ein Lichtleitkabel zum mobilen Schneidkopf aus, den der Roboter in drei Dimensionen um das zu bearbeitende Bauteil führt. Dieses Verfahren wird in der Industrie bereits zum Schweißen eingesetzt. Auf dem Gebiet des Laserschneidens ist es dagegen noch Neuland. Auch hier wird der Roboter von einem individuell angefertigten Programm gesteuert. Im Unterschied zum Schneiden mit dem CO2-Laser, wird hier nicht das Bauteil, sondern der Laser vom Roboter geführt. „Das macht uns enorm flexibel“, sagt Roland Thiede, der als Ingenieur das Laserlabor der Hochschule Aalen betreut. In der Fertigungstechnik können die Studierenden so sämtliche Facetten des Laserschneidens kennen lernen. „Jeder Student wird während seines Studiums durch dieses Labor gehen“, freut sich Prof. Dr. Schertel über das verbesserte Studienangebot.