Laser-Schneiden

CO2-Laser-Schneidsystem

Als Erstens wollten wir ein einfaches und bezahlbares System organisieren. Dioden-Laser schieden aufgrund der geringen Leistung von Vornherein aus. Es musste also ein CO2- Laser sein. Bisher bedeutete der Begriff bereits eine Investition jenseits der 10k-Grenze.

Mit etwas Recherche meines Kollegen, konnten wir ein attraktives “Schwarz-Zahn- Gerät” unterhalb der 3 kCHF-Limite ermitteln. - Eine Bestellung für einen 40 W Laser wurde ausgelöst und traf auch nach ein paar Umwegen bei uns ein. Der Aufbau erfolgte gemäss der Ausführlichen Anleitung.

Angesteuert soll das System mittels USB- Interface mit einer einfachen Software zum aufbereiten des 2 ½-D G-Codes. Mit einer alten XP-Workstation wollen wir uns damit ein Laser-Schneideplatz einrichten, der es ermöglicht Bauteile mit den Dimensionen von max. 500 mm x 600 mm zu bearbeiten.

Datenaufbereitung

Aktuell steht die Aufbereitung des G-Codes aus der CAD-Datei  im Vordergrund. Wie bereits früher beschrieben, kommt Solidworks und Rhino zum Einsatz. Entsprechend lassen sich damit die 2D-Daten im DXF- Format exportieren. Weiter soll auch die Möglichkeit aus Profili und aus weiteren Grafik-Software-Programmen 2D-Daten aufbereitet werden. Aus Profili kann  zum Beispiel schon G-Code exportiert werden.

Grundsätzlich ist es keine grosse Geschichte die 2D-Daten in G-Code zu konvertieren. Man muss nur den richtigen Massstab erwischen und nicht Zoll und mm durcheinander bringen. Die Konvertierung der 2D-Koordinaten in G-Code erfolgt direkt im CNC USB Controller. Jetzt muss eigentlich nur noch der Start des Lasers M03 und der Stopp M05 an den entsprechenden Stellen des Codes eingefügt werden und die Z-Achsenbewegung G00 Z xxx bzw. G01 Z xxx eliminiert werden und schon kann es losgehen.

Wie bereits oben geschrieben liegt der grosse Vorteil beim Lasern, dass die Teile nicht extra eingespannt werden müssen. Stattdessen werden die Platten, welche geschnitten werden müssen, am besten auf ein Nagelbett (wie beim Fakir) gelegt. Abhängig von der Dicke der Platte wird nun der Abstand des Lasers mittels eine Kalibrier-Masses immer auf dieselbe Höhe eingestellt. Das Schneiden unterschiedlicher Materialien muss nun in entsprechenden Versuchen eingestellt werden.

Materialien für Schneidversuche

Für das vorliegende Modell sollen, Rippen und Stegkerne aus unterschiedlichen Materialien zugeschnitten werden. Entsprechend soll geprüft werden, welche Materialien in welcher Dicke, mit welcher Schneidlinie bei welcher Leistung/Vorschub möglich sind. 

In den Versuchen sollen folgende Materialien getestet werden:

Karton, Maskierfolie, Depron, Balsa,  Birken-Sperrholz, Styropor, POM (Plexiglas), GFK, CFK, AFK, GFK-Sandwich, CFK-Sandwich

Einschränkungen bei CFK

Gemäss vorliegenden Forschungsberichte müssen bei der fachgerechten Bearbeitung von CFK- Bauteilen eine Leistung von > 1 kW mit entsprechender Pulsdauer im Bereich der Femtosekunden bereitstehen, um die Bauteile mit den thermisch sehr gut leitenden Kohlefasern ohne grosse Randschädigung (< 0.5 mm) zu verarbeiten. Entsprechend mache ich mir keine grossen Hoffnungen dieses Material verarbeiten zu können.

Erste Verarbeitungstests

Zur Verifizierung der rechnerisch ermittelten Kennwerte mussten nun auch haptisch beurteilbare Beispiel her, um den Unterschied der Festigkeit und Steifigkeit der einzelnen Aufbauten zu klären. Diese Materialversuche dienen auch den anschliessenden Verarbeitungstests mittels CO2-Laser, Schneid- und Schleifbearbeitung.

Als Erstes wurden Platten aus 3 mm Depron und Glasgewebe 49 g/m2 in +/-45° aufgebaut. Aus diesen Platten sollen im Anschluss Referenzstege geschnitten werden, welche miteinander verglichen werden können.

Versuchsreihe:

A: Depron

B: Glas - Depron - Glas

C: Depron - Glas - Depron

D: Glas - Depron - Glas - Depron - Glas

E: Styrol (Freistellung für Servodeckel in Flügel, 0.5 mm dick)

F: POMM (Plexiglas - Freistellungen für Rumpf- und Flügelformen, 1.5 mm dick)

G: Balsa

H: Glas - Balsa - Glas

Für die Schneidversuche wurde ein einfaches Rechteck mit 30 mm Kantenlänge und 2 Radien R5 im CAD gezeichnet und mittels DXF- Format gespeichert, welche anschliessend mittels CNC USB Controller Software im G-Code konvertiert wurde.

In den Versuchen wurden die genannten Materialien mit unterschiedliche Stromstärken und Vorschubgeschwindigkeiten geschnitten mit dem Ziel die Materialparameter-Einstellung für den jeweiligen Aufbau zu ermitteln. Wichtig war bei den unterschiedlichen Dicken der Testmaterialien den Fokus des Lasers mittels Kalibrier-Mass entsprechend sicher zu stellen.

Die Schneidversuche waren mässig erfolgreich. Materialien der Versuchsreihen A B, C, E, F konnten verarbeitet werden, während die Trennung von der Reihe 4 nicht mehr ohne signifikante Schädigung des Stützstoffes möglich war. Sämtliche Versuche wurden in einem Excel erfasst.

Stege für Flügel

Im ersten Versuch wurden die Stege aus einem Depron - Glas - Depron - Sandwich gelasert gemäss der Auslegung der Stege in Abbildung 443. Für einen weiteren Versuch wurden Stege aus Glas - Balsa - Glas gemäss Abbildung 444 hergestellt. Entsprechend wurden auch Scharnier-Stege aus diesem Material geschnitten. Leider konnten diese Teile nicht 100% gelasert werden und mussten nachträglich mit dem Cutter ausgeschnitten werden, was aber kein ernst zunehmendes Problem darstellt.

Erkenntnisse

Leider können 2/3-fache Glas-beschichtete Depron-Sandwiches nicht vernünftig mit dem Laser geschnitten werden, da das Trennen der GFK-Schicht so viel Energie absorbiert hat, dass die darunterliegende Kunststoff-Schicht geschmolzen ist.  Einfach beschichtete Glas-Depron-Sandwiches, sowie die aufgeführten Einzelmaterialien können jedoch problemlos geschnitten werden, wie auch ein 2-fach Glas-beschichtete Balsa-Sandwich.

Die Aufbereitung der DXF-Schneid-Daten für die jeweiligen Teile erfolgt am Besten in Estlcam, damit die Schnittfolgen einfach verändert werden können. Entsprechend kann damit auch der Einsatz des Lasers schon in der Aufbereitung des G-Codes aufbereitet werden, womit eine fertige Schneid-Datei bereitsteht. 

Fazit

Die ersten Versuche haben gezeigt, das einfache Materialien problemlos geschnitten werden können. Bei Sandwich-Aufbauten mit Glasfasern konnten einige brauchbare Resultate erzielt werden, wobei der Versuch mit Depron als Kern hier nicht erfolgreich war.

Die Einstellwerte für das jeweilige Material liegt in einer Excel-Datei vor für die Verifikation. Es müssen jedoch noch einige Schneidversuche für weitere Materialien vorgenommen werden.