Analyse des Laserstrahlabtragens für den wirtschaftlichen Einsatz im Werkzeug- und Formenbau

Im zunehmend globalisierten Wettbewerb sind insbesondere deutsche Unternehmen der Werkzeug- und Formenbaubranche auf eine nachhaltige Stärkung ihrer strategischen Positionierung als Technologieführer angewiesen. Die hochgradig anspruchsvolle Herstellung von Werkzeugformen erfolgt konventionell durch Prozessketten, in denen zu über 75 % Senkerodieren und Fräsen zum Einsatz kommen. Eine viel versprechende Alternative hierzu stellt das verschleißfreie Laserstrahlabtragen dar. Durch das enorme Potential der optischen Technologie ist es möglich, im Spannungsfeld oft konträrer Anforderungen zielgerichtete und interdisziplinäre Anlagenentwicklung zu betreiben und diese auf mögliche Anwendungsbereiche des Werkzeug- und Formenbaus abzustimmen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde hierfür mittels einer empirischen Erhebung eine gewichtete Zielgrößenlandkarte mit den Kategorien Prozessqualität, Prozessdurchlaufzeit und Prozesskosten entwickelt. Mit einer an der SIX SIGMA Methodik angelehnten Vorgehensweise in den Phasen Definition, Messung, Analyse und Optimierung wurden Laseranlagensysteme auf Basis gütegeschalteter Nd:YAG- und Nd:Vanadat-Laserstrahlquellen im ns-Pulsdauerbereich für die oben genannten Zielgrößen untersucht.
Bei der Betrachtung der Zielgröße Prozessqualität wurden insbesondere die kritischen zufallsinduzierten Prozessabweichungen differenziert nach der Raumebene in numerischen und analytischen Modellen untersucht. Demnach wurden Szenarien für einen prozessfähigen Einsatz entwickelt, die sich u.a. durch stabile Pulskraterformen und -durchmesser auszeichnen.
Die Untersuchung der Prozessdurchlaufzeit erfolgte anhand experimenteller Kavitäten sowie einer industriellen Fallstudie. Während die Hauptzeit u.a. vom Abtragvolumen abhängig ist, handelt es sich bei der Nebenzeit um eine stark von der Kavitätengeometrie abhängige Einflussgröße. 75 % des untersuchten Bauteilspektrums sind mit einer im Vergleich zum Stand der Technik um Faktor 2 bis 3 erhöhten Pulsfolgefrequenz von f = 100kHz in geringerer Hauptzeit herstellbar, als dies mit dem Senkerodieren möglich ist. Die Prozesskostenbetrachtung zeigte Kostenvorteile des Laserabtragens insbesondere bei hohen Vorbereitungs- bzw. Werkzeugkosten der konventionellen Verfahren sowie hoher jährlicher Nutzungzeit und geringer Bearbeitungszeit des Laserstrahlabtrags.

In einer zusammenfassenden, durch die Quality Function Deployment gestützten Methodik wurden die technischen Merkmale zur ganzheitlichen Optimierung des Laserstrahlabtrags benannt und auftretende Zielgrößenkonflikte identifiziert.