Koaxial-Laser-Draht-Bearbeitungsoptik COAXwire mini

Laser-Auftragschweißen mit feinsten Drahtdurchmessern

Integration der COAXwire mini in einer 5-Achs-CNC-Anlage.
© Fraunhofer IWS Dresden
Integration der COAXwire mini in einer 5-Achs-CNC-Anlage.
Laser-Feindraht-Auftragschweiß-Prozess mit dem Rauchgas-Absaugmodul der COAXwire mini.
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Laser-Feindraht-Auftragschweiß-Prozess mit dem Rauchgas-Absaugmodul der COAXwire mini.
3D-generierte Schlüsselloch-Geometrie aus 16 Lagen mit 0,4 mm Drahtdurchmesser und 6,5 mm Höhe.
© Fraunhofer IWS Dresden
3D-generierte Schlüsselloch-Geometrie aus 16 Lagen mit 0,4 mm Drahtdurchmesser und 6,5 mm Höhe.

Für die Verarbeitung von feinen Drähten zum Beschichten von Oberflächen und zum Generieren von Bauteilen wurde am IWS die nächste Generation der koaxialen Laser-Draht-Bearbeitungsköpfe entwickelt. Die COAXwire mini ermöglicht es metallische Schichten und Strukturen mit bisher nicht darstellbarer Auflösung herzustellen. Die industrielle Fertigung verlangt nach effizienteren und resourcensparenden Produktionsmethoden. Die additive Metallteilherstellung kann dabei mit Draht als Ausgangsmaterial erfolgen. Bisher bestehen Lösungen lediglich für Standarddrähte mit einem Durchmesser von 0,8 bis 1,2 mm.


COAXwire mini

Für das Verarbeiten von Feindrähten mit einem Durchmesser von 0,1 bis 0,6 mm steht nun die neu entwickelte, patentierte Feindraht-Laseroptik COAXwire mini zur Verfügung. Sie basiert auf dem bewährten koaxialen Dreistrahlprinzip. Präzise und richtungsunabhängig ermöglicht sie das Bearbeiten in allen technisch üblichen Schweißpositionen. Den aktuellen Schwerpunkt der Entwicklung bildet die Prozessführung mit Feinstdrahtdurchmessern unterhalb von 0,4 mm. Ziel ist es, auch mit 0,1 mm messenden Drähten langzeitstabile Prozesse wie für die Drähte mit größeren Abmessungen darzustellen. Neu ist die Nutzung von Festkörperlasern mit Laserstrahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich von 450 bis 550 nm. Dies ist nun neben der üblichweise verwendeten Infrarotstrahlung mit Wellenlängen zwischen 890 bis 1100 nm möglich. Mit der Bearbeitungsoptik lassen sich unter Verwendung einer neuen, innovativen Draht-Antriebseinheit Feindrähte sicher und höchstpräzise verarbeiten.

3D-Laserstrahl-Kaustik mit 0,4 mm Faserdurchmesser und Spezial-Messspitze ermittelt.
© Fraunhofer IWS Dresden
3D-Laserstrahl-Kaustik mit 0,4 mm Faserdurchmesser und Spezial-Messspitze ermittelt.
3D-generierte Hohlkegel (links geschlossen, rechts offen) mit 0,4 mm Drahtdurchmesser und 1 mm Wandstärke.
© Fraunhofer IWS Dresden
3D-generierte Hohlkegel (links geschlossen, rechts offen) mit 0,4 mm Drahtdurchmesser und 1 mm Wandstärke.
Mikro-Wandstrukturen-Querschnitte aus 28 Lagen mit 0,4 mm Draht- und 1 mm defokussiertem Laserstrahl-Durchmesser.
© Fraunhofer IWS Dresden
Mikro-Wandstrukturen-Querschnitte aus 28 Lagen mit 0,4 mm Draht- und 1 mm defokussiertem Laserstrahl-Durchmesser.

Funktionsprinzip

Je nach Absorptionsverhalten der als Schweißgut oder Substrat verwendeten Metalllegierungen lässt sich die neue Optik mit den verschiedenen Laserwellenlängen betreiben. Somit lässt sich ein breites Spektrum von metallischen Materialien verarbeiten, die zum Beispiel in den Branchen Luftfahrt, Medizintechnik und im Werkzeugbau Verwendung finden. Bei einem festen Abbildungsverhältnis von 1:2 erfolgt über die Wahl des Faserdurchmessers die Einstellung des auf den Zusatzdraht abgestimmten Fokusdurchmessers. Eine integrierte Inline-Kamera beobachtet Prozesse, Querstromdüsen lenken störende Spritzer ab und die zentrische Drahtzufuhr kann in XYZ-Richtung feinjustiert werden. Neben einem geringen Gewicht und einer kompakten Bauweise stellt das wassergekühlte Rauchgas-Absaugmodul ein weiteres Highlight der COAXwire mini dar. Die während des Schweißens entstehenden Metalldämpfe werden für saubere Arbeitsbedingungen richtungsunabhängig abgesaugt.


Anwendungsbeispiele

Das Einsatzspektrum der COAXwire mini ist das Feindraht-Auftragschweißen von Drahtdurchmessern < 0,6 mm in folgenden Anwendungsfeldern:

  • Oberflächenbeschichtung von filigranen Bauteilen im Werkzeugbau
  • Additive Fertigung feinster Strukturen in der Elektronikindustrie sowie Medizin und Dentaltechnik
  • 3D-Generieren bzw. Reparieren von Strukturen an bestehenden Bauteilen im Triebwerks- und Turbinenbau


Vorteile

  • Geeignet für Faser-, Scheiben-, Dioden-, blaue und grüne Laser (450–550 nm und 890–1100 nm)
  • Klein, leicht, koaxial, modular, robust und umweltfreundlich


Technische Daten

  • Höhe x Breite x Tiefe: 480 mm x 135 mm x 160 mm (ohne Faser, Drahtantrieb und Kameras)
  • Gewicht: ~10 kg
  • Abbildungsverhältnis: 1:2
  • Wellenlänge: 450–550 nm und 890–1100 nm
  • Laserleistung: bis 1 kW
  • Strahlqualität: SPP ≤ 30 mm*mrad / NA ≤ 0,12
  • Faserstecker: LLK-D, QBH (andere auf Anfrage)
  • Drahtdurchmesser: 0,4–0,6 mm (in Qualifizierung 0,1–0,3 mm)
  • Drahtmaterial: Fe, Ni, Al, Cu, Au-Legierungen etc.
  • Integrierte Funktionen: Rauchgas-Absaugung oder Crossjet, Schutzglas-, Kühlwasserdurchfluss-, Temperatur-Überwachung, Prozessbeobachtung Inline und Off-Axis etc.