Glänzende Ergebnisse auf Submikronebene durch Laserbearbeitung

Für die Produktion kleiner Teile beim US-Auftragshersteller Sunlight-Tech sind extrem präzise Verfahren wie die Lasermikrobearbeitung und das Mikrofräsen unverzichtbar – Aufgaben, für die die Microlution ML-5 und die ML 5100 von GF Machining Solutions wie geschaffen sind.

Für die meisten Auftragshersteller sind Teiletoleranzen von 7,62 Mikrometern (µm) bis 12,7 µm schon sehr eng. Nicht so für Sunlight-Tech Inc. in Mokena, Illinois (USA). Hier können bereits für Routineaufträge anspruchsvolle Toleranzen von unter 1 µm gelten. Mit der herkömmlichen CNC-Bearbeitung und selbst mit Elektroerosionsverfahren (EDM) ist das häufig nicht realisierbar. Doch nicht nur die Toleranzen sind eine Herausforderung, viele Teile sind zudem extrem winzig – beinahe schon mikroskopisch klein – oder mit feinsten, aufwendigen Merkmalen versehen. Laut Grzegorz (Greg) Nowobilski, President von Sunlight-Tech, ist so etwas nur mit Technologien wie der Lasermikrobearbeitung oder dem Mikrofräsen machbar. Dies auf Maschinen, die sich so präzise bewegen können, wie die Toleranzen im Submikronbereich dies erfordern.

Der Betrieb mit 22 Mitarbeitern begann im Jahr 2010 als Ingenieurbüro mit Schwerpunkt auf der Konstruktion von Maschinen und Automationslösungen. Im Jahr 2018 fasste Sunlight-Tech den Entschluss, sein Geschäft zu diversifizieren und in die Bereiche Mikrolaserbearbeitung und Mikrofräsen zu expandieren. Heute ist das Unternehmen dadurch in einem breiten Spektrum von Sektoren tätig, darunter Automobilbau, Lebensmittel, Konsumgüter, Luft- und Raumfahrt, Elektronik, Kommunikation und Medizin.

Mit seiner Kompetenz für Lasermikrobearbeitung erledigt Sunlight-Tech zum Beispiel Kundenaufträge wie die Erzeugung von 3200 Bohrungen mit jeweils 254 µm Durchmesser bei einem Tiefe-Durchmesser-Verhältnis von 11:1 oder die Herstellung von Details, die oben quadratisch und unten rund sind und eine positive oder negative Konizität sowie andere Arten von Kavitäten und blinden Merkmalen aufweisen. Außerdem kommt die Lasertechnologie für jene Teile zum Einsatz, die nicht kontaminiert werden oder mit Fremdwerkstoffen in Kontakt kommen dürfen – beim herkömmlichen Fräsen mit Schneidwerkzeugen kein seltenes Risiko. Die meisten Teile sind extrem winzig und empfindlich, und Sunlight-Tech kann sie per Lasermikrobearbeitung ohne schädigende Schneidkräfte erzeugen.

Aktuell verfügt Sunlight-Tech über zwei ultraschnelle Systeme für die Lasermikrobearbeitung – und beide sind von GF Machining Solutions: eine Microlution ML-5 Fünf-Achs-Maschine und eine Microlution ML-5 Drei-Achs-Maschine mit einem größeren Arbeitsbereich.

Die Microlution ML-5 Maschinen erreichen eine Positioniergenauigkeit von ±1 μm bei einer Wiederholgenauigkeit von ±0,5 μm. Bei der vollständigen Fünf-Achs-Laserbewegung der ML-5 kann der Laser „gekrümmt“ werden, um überaus komplexe Konturen herzustellen, die durch herkömmliches Bohren nicht realisierbar wären. Diese kommen für Anwendungen mit trichterförmigen Bohrungen und anspruchsvollen Anforderungen an die Oberflächengüte und die Toleranzen von oben bis unten zum Einsatz.

Präzisionsgeschliffene Sockel aus natürlichem Granit und darauf montierte Schienen bilden die Grundlage für die hochpräzisen Strahlführungssysteme der Maschinen. Sehr exakt arbeitende Linearmotoren ermöglichen eine größtmögliche Beschleunigung ohne Spiel, erheblich kürzere Zykluszeiten und deutlich weniger Einsatz an Verbrauchsmaterialien. Weitere Merkmale sind unter anderem hochauflösendeMesssyst eme mit Glasmaßstäben sowie Inline-Werkstücktastköpfe, integrierte Leistungsmesser und optische Hochgeschwindigkeitskameras.

Bei beiden Microlution Maschinen gewährleistet der Granitsockel eine hohe thermische Stabilität über lange Produktionszeiten und damit eine außergewöhnliche Teilequalität. Zudem setzen beide auf die Femtosekundenlaser-Technologie. Bei einem Femtosekundenlaser sind die Laserimpulse extrem kurz, das heißt im BilliardstelSekunden-Bereich – eine Femtosekunde. Die ultrakurze Laserimpulsdauer verhindert die Entstehung von Wärmeeinflusszonen bei der Bearbeitung von Werkstücken und eignet sich daher perfekt für die wärmeempfindlichen Teile von Sunlight-Tech. Femtosekundenlaser arbeiten weitgehend gratfrei und bei Temperaturen, bei denen die meisten Werkstücke nicht beschädigt werden können.

In Sachen Mikrofräsen ermöglicht das Microlution 5100 Mikrobearbeitungszentrum Sunlight-Tech die Produktion hochpräziser Teile mit komplexen Geometrien – die nur per Hochgeschwindigkeit-Mikrofräsen mit fünf Achsen möglich werden. Die Maschine ist für die Produktion winzigster Bauteile mit einer Präzision im µm-Bereich konzipiert und kann Werkstücke mit Abmessungen von bis zu 100 x 100 x 100 mm mit Schneidwerkzeugen mit 0,01 mm bis 3 mm Durchmesser bearbeiten. Mit seiner Positioniergenauigkeit von ±1 µm ist das mit Linearmotoren ausgestattete, hochleistungsfähige vertikale Bearbeitungszentrum für die hochpräzisen Anwendungen zur Herstellung von Kleinstteilen bei Sunlight-Tech ideal geeignet.

Die meisten Lasermikrobearbeitungsaufträge bei Sunlight-Tech erfordern Forschungsund Entwicklungsarbeit. Die Laserbearbeitung (mit extrem kurzer Impulsdauer) ist noch keine zehn Jahre alt, und so experimentieren laut President Nowobilski derzeit viele Unternehmen mit der Technologie, um herauszufinden, wie sie für die Teile, die sie derzeit produzieren, genutzt werden kann. Sunlight-Tech unterstützt sie bei der Erprobung und Umsetzung verschiedener Konzepte.

„Ein wesentlicher Faktor für eine hohe Effektivität bei der Laserbearbeitung ist die Festlegung der richtigen Laserparameter“, erklärt Nowobilski. „In diesem Punkt haben wir mit dem für Anwendungs-Support zuständigen Team bei GF Machining Solutions eng zusammengearbeitet.“ Diese Unterstützung und die bereits gesammelten, eigenen Erfahrungen mit der Lasertechnologie haben Sunlight-Tech in die Lage versetzt, bei der Programmierung der Microlution Maschinen zügig Fortschritte zu machen. Tatsächlich war das viel einfacher als erwartet. Nowobilski erklärt: „Schon nach ein paar Wochen kannten wir uns mit den Laserparametern aus und wussten, wie wir sie verändern mussten, um bestimmte Teilekonturen und -merkmale zu erreichen.“