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Die Königsdisziplin des Laserschneidens

: Stiefelmayer


Für das Schneiden von Dünnblechen ist die Lasertechnik prädestiniert. Beim Elektromotorenbauer Oswald suchte man daher eine Laserschneidmaschine, die mit höchster Präzision und hoher Geschwindigkeit Elektrobleche schneiden konnte. Mit dem Sondermaschinenbauer Stiefelmayer hat man einen Partner gefunden, der speziell für die Königsdisziplin des Laserschneidens eine neue Flachbett-Schneidlösung realisierte, die in einer Maschine Faserlaser, Linearmotoren und den Werkstoff Kohlefaser vereint und somit den hohen Ansprüchen von Oswald genügt.

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Autor: Ing. Norbert Novotny / x-technik

Die Oswald Elektromotoren GmbH wurde im Jahr 1909 von Karl Oswald als Elektromaschinenbaubetrieb gegründet. Zu den ersten Produkten gehörten Gebläse für Kirchenorgeln, Motoren für die Landwirtschaft oder elektrisch angetriebene Flussfähren. Heute sind Oswald-Elektromotoren in nahezu allen Ländern der Welt im Einsatz.

Die bei Oswald in Miltenberg (D) hergestellten Elektromotoren werden allesamt drehzahlgeregelt betrieben und größtenteils mit Wasser- bzw. Flüssigkeitskühlung ausgeführt. „Damit sorgen wir bei zahlreichen technischen Anwendungen für die Einsparung wertvoller elektrischer Energie“, erklärt DI(FH) Michael Mozin, Project-Engineer Mechatronics bei Oswald. Zum Produktionsprogramm gehören Asynchron- und Synchronmotoren mit Leistungen bis über 1.000 kW, Drehzahlbereichen bis zu 25.000 1/min, Torquemotoren für Drehmomente bis 100.000 Nm und Linearmotoren mit Linearkräften bis über 100 kN. „Drehzahl-veränderbare Elektroantriebe bieten die Vorteile einer leichten und eleganten Regelbarkeit, eine hohe Leistungsdichte und damit einer hohen Dynamik und Einbaufreundlichkeit. Sie sind geräuscharm und benötigen nur wenig Service“, ergänzt Mozin diese beeindruckenden Zahlen um weitere Stärken.

Für einen Hersteller von Elektromotoren der absoluten Referenzklasse wie Oswald ist also die Genauigkeit und Qualität auch der Einzelkomponenten der Motoren
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Erstaunlich, wie unspektakulär und ruhig ´Stiefelmayer effective´ völlig vibrationsfrei und prozesssicher Schneidgeschwindigkeiten von 20m/min und Beschleunigungen von 4g beim Schneiden in der Kontur bewältigt. Eine hochkant aufgestellte 1-Euro-Münze blieb im Schneidbetrieb auf ein und derselben Stelle unverrückt stehen.

Erstaunlich, wie unspektakulär und ruhig ´Stiefelmayer effective´ völlig...

von großer Bedeutung. „Wir stapeln teils 2.000 Bleche übereinander und bringen in diese Pakete Wellen und Kurzschlussstäbe ein. Aus diesem Grund benötigen wir extrem genaue Zuschnitte der Elektrobleche und zudem sehr viele davon“, beschreibt der Projektingenieur.

Wissen bleibt im Haus

Im Februar 2007 wurde Michael Mozin vom Firmenchef Johannes Oswald beauftragt, eine geeignete Laserschneidmaschine für die Kleinserien- und Prototypenfertigung ihrer Elektrobleche zu finden (Anm.: Großserien werden gestanzt). Der Bedarf nach einer eigenen Maschine hatte mehrere Gründe. Einerseits wollte man unabhängig von Lohnfertigern und deren Lieferzeitproblemen sein, andererseits war es den Verantwortlichen bei Oswald immer schon ein Dorn im Auge, ganz spezielles Wissen in Hände von Unternehmen zu geben, zu denen auch andere Motorenbauer Zugang haben. „Bei Elektromotoren steckt enormes Know-how in den Nutgeometrien bzw. Konturen der Bleche. Dies sind keine Katalogschnitte, sondern Eigenentwicklungen, die man nicht unbedingt gleich in die Welt raustragen möchte“, erläutert Michael Mozin.

Man dachte zunächst bei Oswald an eine „gängige“ Lösung mit CO2-Technik. Nach den ersten zurückgekommenen Schneidproben von einigen Anbietern stellte man jedoch fest, dass keine der am Markt verfügbaren Systeme die hohen Anforderungen erfüllen konnte. „Dank Gesprächen mit Instituten und Laserquellenherstellern kamen wir dann zur Überzeugung, dass uns nur ein Faserlaser das bieten konnte, was wir benötigen, nämlich dünne Bleche mit äußerst filigranen Strukturen sehr schnell und in höchster
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Zum Entladen können die beiden Pendeltische gemeinsam oder einzeln ausgefahren werden. Während der Bediener die lasergeschnittenen Teile von einem Pendeltisch entnimmt und eine neue Platine auflegt, kann auf dem anderen geschnitten werden.

Zum Entladen können die beiden Pendeltische gemeinsam oder einzeln ausgefahren...

Qualität zu schneiden“, erinnert sich Mozin. Das Problem war jedoch, dass es zur damaligen Zeit noch keine Faserlaser in der Schneidtechnologie gab. „Mit Stiefelmayer haben wir dann endlich einen Sondermaschinenbauer gefunden, zu dem wir das Vertrauen hatten und der diese Pilotmaschine für uns bauen wollte“, fügt er hinzu.

Anforderungen nur mit Faserlaser erreichbar

„Wir haben als Lasertechnikspezialist selbstverständlich die Entwicklung des Faserlasers aufmerksam verfolgt. Uns war sofort klar, dass die von Oswald geforderten Schnittqualitäten nur mit einem Faserlaser zu erreichen sind“, schaltet sich Dieter Bulling, Geschäftsführer von Stiefelmayer, ein. Ein Vorteil des Stiefelmayer-Entwicklungsteams war, dass es auf eine selbstentwickelte, bereits seit Jahren in der Praxis erfolgreich eingesetzte Laserschneidmaschine mit Linearmotoren und CO2-Lasertechnik aufbauen konnte, die heutzutage noch immer Stand der Technik ist.

Der Faserlaser bieten allerdings gegenüber der herkömmlichen CO2-Technik erhebliche Vorteile. Faserlaser emittieren eine Wellenlänge von 1 μm und erzielen so in metallischen Werkstoffen eine hohe Absorption – d. h. die Wärme steht sofort dort zur Verfügung, wo sie benötigt wird. Bei einer sehr guten Strahlqualität verbessert sich der Prozesswirkungsgrad damit deutlich, woraus sich wiederum wesentlich höhere Schnittgeschwindigkeiten als bei CO2-Lasern ergeben. „Weiters ist über den gesamten Arbeitsbereich eine gleich bleibend gute Strahlqualität
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Schneidzeiten der besten, von Oswald untersuchten Wettbewerbsmaschinen konnten mit der ´Stiefelmayer effective´ um 15 – 20 Prozent unterboten werden.

Schneidzeiten der besten, von Oswald untersuchten Wettbewerbsmaschinen konnten...

gewährleistet“, komplettiert Bulling die positiven Eigenschaften.

Dieter Bulling war aber auch bewusst, dass die geforderte Dynamik mit enormen Beschleunigungswerten in Kombination mit dieser Schnittqualität nur in Verbindung mit einer Schneidbrücke aus Kohlefaser zu erreichen war. „Wenn wir etwas Neues machen, dann gleich richtig“, dachte sich der einfallsreiche Stiefelmayer-Geschäftsführer, von dessen Idee die Verantwortlichen von Oswald sofort begeistert waren.

Notwendiger Leichtbau mit Kohlefaser

Die hohen Schnittgeschwindigkeiten, wie sie der Faserlaser ermöglicht, haben Auswirkungen auf die Dynamik der Maschinen. Die entscheidende Rolle spielt dabei die Konstruktion der bewegten Teile. Bei der Laserschneidmaschine ´Stiefelmayer effective´ wurden deshalb sämtliche Stahl- und Aluminiumteile der bewegten Y-Achse durch Bauteile aus Kohlefaser ersetzt. Der normalerweise als Stahlblech-Schweißkonstruktion ausgeführte Grundkörper der Brücke sowie Schlitten und Platten sind komplett in Kohlefasertechnik gebaut. „Der Kohlefaser-Rohling wiegt knapp über 45 kg, ein Rohling einer Stahlblechschweißkonstruktion wiegt mehr als 125 kg. Zusätzlich sind noch sämtliche Anschlussplatten in Kohlefaser ausgeführt, die nur halb so viel wiegen wie üblich verwendete Aluminiumplatten. Wenn man also weniger Gewicht bewegen muss, kommt man logischerweise auch schneller um die Ecke“, ist Dieter Bulling von den Eigenschaften des Werkstoffes
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Schneidzeiten der besten, von Oswald untersuchten Wettbewerbsmaschinen konnten mit der ´Stiefelmayer effective´ um 15 – 20 Prozent unterboten werden.

Schneidzeiten der besten, von Oswald untersuchten Wettbewerbsmaschinen konnten...

überzeugt.

„Gerade bei den sehr kurzen Schnittwegen eines Elektrobleches muss oft gebremst und wieder beschleunigt werden. Da kommt es nicht auf die Spitzengeschwindigkeit an, mit der sich die Anbieter immerzu übertrumpfen, sondern auf die Dynamik“, wirft Mozin ein. „Bei Blechen mit vielen Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen können wir durch diese Technologie sehr viel Zeit gewinnen“, ergänzt Bulling noch.

Höchste Konturgenauigkeit und kürzere Schneidzeiten

Um die spezifischen Vorteile des Faserlasers und der Kohlefaserbauweise jedoch optimal zu nutzen, kommen Linearmotoren ins Spiel. Dieter Bulling beschreibt es so: „Dieses Motorsystem ist anderen Antriebstypen deutlich überlegen. Sie ermöglichen eine unmittelbare und schwingungsfreie Krafteinspeisung in die zu bewegenden Maschinenteile, und dies bei höchster Geschwindigkeit und Bahngenauigkeit. Je komplexer die Kontur eines Teils ist, desto schwerer wiegen die Argumente für dieses Motorsystem.“

Gerade die Konturgenauigkeit der Zuschnitte (Anm.: +/- 0,05 mm waren gefordert) konnte Michael Mozin eindrucksvoll nachweisen. Optische Vermessungen des Projektverantwortlichen ergaben Abweichungen von weniger als +/- 0,03 mm. Und wenn wir gerade bei Vergleichen sind: Die Schneidzeiten der besten, von Oswald untersuchten Wettbewerbsmaschinen konnten mit der ´Stiefelmayer effective´ um 15 – 20 Prozent unterboten werden. Eigentlich verwunderlich, wenn
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Bei Oswald steckt enormes Know-how in den Nutgeometrien bzw. Konturen der Zuschnitte.

Bei Oswald steckt enormes Know-how in den Nutgeometrien bzw. Konturen der Zuschnitte.

man in der Praxis beobachtet, wie unspektakulär und ruhig dieses ´Laserkuriosum´ völlig vibrationsfrei und prozesssicher Schneidgeschwindigkeiten von 20 m/min und Beschleunigungen von 4 g beim Schneiden in der Kontur bewältigt. (Anm.: Eine hochkant aufgestellte 1-Euro-Münze blieb im Schneidbetrieb auf ein und derselben Stelle unverrückt stehen)

Überwiegend werden in dieser Mittelformatanlage Elektrobleche bis 1,25 m Länge mit einer Blechstärke von 0,5 mm geschnitten. Dank des Faserlasers reicht für diese Zuschnitte eine Laserleistung von 1 kW vollkommen aus. „Herkömmliche CO2-Laser mit 3 kW schaffen maximal 10 bis 12 m/min. Die geringere Laserleistung des neuen Systems in Kombination mit der etwa doppelten Geschwindigkeit hat natürlich auch eine geringere Wärmeeinbringung in das Material zur Folge“, erklärt Bulling. Da ein Großteil der Elektrobleche bei Oswald lackbeschichtet ist, ist der sehr geringe Wärmeeintrag für diese Anwendung ein weiterer großer Vorteil des Faserlasers. „Wenn man unsere geschnittenen Teile unter die Lupe nimmt, ist so gut wie keine Beeinflussung der Beschichtung zu sehen“, bestätigt Michael Mozin.

Auch im Energieverbrauch kann die ´Stiefelmayer effective´ mit Bestwerten aufwarten. Nach eigenen Messungen von Mozin hat die Laserschneidmaschine einen Maximalbedarf von 13,5 kW, eine für Lasersysteme vergleichsweise äußerst geringe elektrische Anschlussleistung. Auch der Verbrauch des Schneidgases konnte noch weiter optimiert werden. „Aktuell benötigen wir nur noch die Hälfte des Schneidgases wie zu Beginn, und im Vergleich zum Stanzen oder herkömmlichen Laserschnitten
ist unsere Schnittqualität immer noch gratfrei“, freut sich der Projektingenieur von Oswald.

Weiters ist der Aufwand für Wartung und Reinigung beim Faserlaser entsprechend niedrig. Das Reinigen und Justieren der Spiegel, der Austausch von Resonatoren usw. entfallen beim Faserlaser komplett. „Über das Service von Stiefelmayer kann ich nichts sagen, da ich diesen noch nicht in Anspruch genommen habe. Wartungskosten sind bei dieser Maschine so gut wie nicht vorhanden“, sieht Michael Mozin als weiteren Vorteil.

Ideal für Kleinserien und Prototypen

Um es auf den Punkt zu bringen: Die ´Stiefelmayer effective´ ist ideal für den Zuschnitt von Elektroblechen in Kleinserien, da der gesamte zeitliche und finanzielle Aufwand für den Bau eines Stanzwerkzeuges entfällt. Vorteile bringt das neue System aber auch in der Entwicklung neuer Motoren. „Durch das Zuschneiden der Elektrobleche im Haus können wir kostenoptimiert Motoren aufbauen und testen, schnell Verbesserungen vornehmen bis am Ende ein optimierter Motor herauskommt. Stanzwerkzeuge werden erst dann gebaut, wenn die Entwicklung abgeschlossen ist und größere Stückzahlen erreicht werden“, so der Mechatroniker.

„Bei der Königsdisziplin des Laserschneidens, dem Elektroblechschneiden, kommt es auf die Kombination aus Genauigkeit und Geschwindigkeit an. Mit der neuen Laserschneidmaschine ´Stiefelmayer effective´ verfügt man nun über ein System, das diese Anforderungen voll und ganz erfüllt“, sind sich die Geschäftspartner am Ende einig.
Erstaunlich, wie unspektakulär und ruhig ´Stiefelmayer effective´ völlig vibrationsfrei und prozesssicher Schneidgeschwindigkeiten von 20m/min und Beschleunigungen von 4g beim Schneiden in der Kontur bewältigt. Eine hochkant aufgestellte 1-Euro-Münze blieb im Schneidbetrieb auf ein und derselben Stelle unverrückt stehen.
Zum Entladen können die beiden Pendeltische gemeinsam oder einzeln ausgefahren werden. Während der Bediener die lasergeschnittenen Teile von einem Pendeltisch entnimmt und eine neue Platine auflegt, kann auf dem anderen geschnitten werden.
Schneidzeiten der besten, von Oswald untersuchten Wettbewerbsmaschinen konnten mit der ´Stiefelmayer effective´ um 15 – 20 Prozent unterboten werden.
Schneidzeiten der besten, von Oswald untersuchten Wettbewerbsmaschinen konnten mit der ´Stiefelmayer effective´ um 15 – 20 Prozent unterboten werden.
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