Systemansatz in der Fertigung  Wie integrierte Bewegungssysteme die Lasermikrobearbeitung sichern

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Aerotech GmbH

PSI Software SE | Business Unit Discrete Manufacturing

Die Lasermikrobearbeitung verlangt höchste Präzision im Mikrometerbereich. Eine nahtlose Synchronisation von Achsen, Galvoscannern und Lasern maximiert dabei die Prozesssicherheit.

Die Anforderungen an laserbasierte Fertigungsverfahren steigen ständig. In der Medizintechnik, der Mikroelektronik und bei der Präzisionsbearbeitung komplexer Geometrien werden Genauigkeiten im Mikrometerbereich gefordert - bei gleichzeitiger Steigerung des Durchsatzes. Neben der Laserquelle werden auch die Qualität und Leistungsfähigkeit der zugrundeliegenden Bewegungs- und Steuerungstechnik immer wichtiger. Hersteller wie Aerotech betrachten die Lasermikrobearbeitung daher nicht isoliert, sondern als Komplettsystem, bestehend aus Laser, präziser Bewegungstechnik und intelligenter Steuerungssoftware.

Die Scannertechnologie ist ein wesentlicher Bestandteil dieses Systemansatzes. Die Aerotech-Experten integrieren Galvanometer-Scanner nicht als separate optische Komponenten, sondern als Achsen, die vollständig in die Bewegungssteuerungsarchitektur integriert sind. Die AGV-Scannerfamilie wird wie eine klassische Servoachse gesteuert und verfügt über hochauflösende Encoder, die eine genaue Rückmeldung ermöglichen. Damit lassen sich die Bewegungen des Scanners exakt erfassen und mit den Linear- und Drehachsen präzise synchronisieren.

Präzision und Prozesssicherheit in der Lasermikrobearbeitung

"Es ist entscheidend, dass die Scannerbewegungen nicht nur schnell, sondern auch präzise mess- und steuerbar sind", betont Simon Smith, European Director bei Aerotech. "Komplexe Laserprozesse können nur dann zuverlässig reproduziert werden, wenn Galvoscanner vollständig in die Bewegungssteuerung integriert sind."

Dieser systemische Ansatz bildet die Grundlage für eine hohe Prozesssicherheit in der industriellen Praxis. Moderne Fertigungsaufgaben erfordern darüber hinaus die nahtlose Integration weiterer Technologien - von der Messsensorik über Handlingsysteme bis hin zur Kühlung - die ebenfalls in die übergeordnete Steuerung eingebunden werden müssen. Die Herausforderung besteht darin, diese heterogenen Komponenten so zu verbinden, dass sie in Echtzeit aufeinander abgestimmt arbeiten. "Erst die exakte Synchronisation von Achsen, Scannern und Lasern ermöglicht reproduzierbare Mikrostrukturen", so Simon Smith weiter." Abweichungen in der Positionierung oder im Timing können so systematisch minimiert werden."

Höhere Prozesssicherheit

Simulationssoftware: virtuell starten, präzise fertigen

Während klassische Laserbearbeitungssysteme häufig für zweidimensionale oder eingeschränkt dreidimensionale Kinematiken ausgelegt sind, stoßen sie bei rotationssymmetrischen oder räumlich komplexen Bauteilen an ihre physikalischen und prozesstechnischen Grenzen. In solchen Fällen bieten integrierte Motion-Control-Lösungen einen entscheidenden Vorteil, da sie Linear- und Drehachsen, Galvoscanner und Lasersteuerung in einem System vereinen. Die Bewegungen werden simultan und nicht sequentiell gesteuert. So kann der Laserstrahl auch bei der gleichzeitigen Bearbeitung komplexer Geometrien und feiner Details kontinuierlich und mit höchster Präzision auf die Werkstückoberfläche geführt werden.

Bewegung und Laser aus einem System

Ein zentraler Ansatz in der modernen Laserbearbeitung ist es, Bewegungsachsen und Laserfunktionalität nicht getrennt, sondern als Funktionseinheit zu betrachten. Bei Aerotech bildet diese enge Integration die Grundlage für die Realisierung anspruchsvoller Laseranwendungen. Linearmotoren, hochdynamische Drehachsen und Galvoscanner müssen nicht nur mechanisch präzise sein, sondern sich auch softwareseitig exakt synchronisieren lassen.

Diesen Ansatz verfolgen die Motion-Control-Spezialisten seit Jahren konsequent: Mit der Kombination aus präzisen Positioniersystemen, integrierter Scannertechnik und einer einheitlichen Steuerungsplattform lassen sich komplexe Bewegungsprofile und Laserprozesse hochpräzise realisieren. Funktionen wie Position Synchronized Output (PSO) oder kontinuierliche Fokusverfolgung helfen, den Energieeintrag unabhängig von Bewegungsrichtung und -geschwindigkeit konstant zu halten.

Bei Aerotech sind diese Funktionen nicht nur für Linear- und Rotationsachsen, sondern auch für FTS-Scanner-Achsen verfügbar. Die Laserimpulse werden in Abhängigkeit der Positionsrückmeldung ausgelöst - unabhängig davon, ob die Bewegung von einer mechanischen Achse, einem Galvoscanner oder einer Kombination aus beidem ausgeführt wird. Das bedeutet, dass Scanner- und Achsbewegungen als eine kontinuierliche, simultan gesteuerte Einheit behandelt werden.

"Die Herausforderung besteht darin, Bewegungen und Laserpulse unter realistischen Fertigungsbedingungen präzise aufeinander abzustimmen", erklärt Simon Smith, "Abweichungen im Timing haben direkte Auswirkungen auf die Prozessqualität."

Darüber hinaus ermöglicht die Steuerungssoftware eine dynamische Anpassung der Laserparameter an unterschiedliche Materialeigenschaften. So können beispielsweise die Pulse pro Sekunde, die Leistung oder die Spotgröße automatisch angepasst werden, um eine Überhitzung des Materials zu vermeiden und die Oberflächenqualität zu optimieren. Dadurch wird der Ausschuss deutlich reduziert und die Prozessstabilität erhöht.Diese enge Kopplung wirkt sich direkt auf die Prozessqualität aus, insbesondere bei der Mikrobearbeitung. Ungenauigkeiten durch mechanische Toleranzen oder Zeitverzögerungen zwischen Bewegung und Laserpuls können so minimiert werden.

Fünf-Achs-Kinematik für komplexe Geometrien

Eine wichtige Entwicklung in der Lasermikrobearbeitung ist der Einsatz von Fünf-Achsen-Systemen, die sowohl lineare als auch rotatorische Bewegungen kombinieren. Durch die gleichzeitige Steuerung von drei Linear- und zwei Rotationsachsen können Bauteile aus nahezu jedem Winkel bearbeitet werden, ohne dass ein Umspannen erforderlich ist. Der Laserstrahl bleibt dabei immer optimal auf die Werkstückoberfläche ausgerichtet, was besonders bei rotationssymmetrischen oder räumlich komplexen Bauteilen wichtig ist.

Diese Kinematik eröffnet neue Möglichkeiten bei der Bearbeitung komplexer Konturen, wie Hinterschneidungen oder filigrane Strukturen. Die Herausforderung liegt dabei weniger in der mechanischen Konstruktion als in der präzisen Synchronisation aller Achsen mit Scanner und Laser. Eine leistungsfähige Motion-Control-Architektur bildet die Basis für reproduzierbare Ergebnisse und ermöglicht es gleichzeitig, den Energieeintrag des Lasers auch bei dynamischen Bewegungen oder wechselnden Bearbeitungsgeschwindigkeiten konstant und vor zu halten.

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Eine wichtige Entwicklung in der Lasermikrobearbeitung ist der Einsatz von Fünf-Achsen-Systemen, die sowohl lineare als auch rotatorische Bewegungen kombinieren. Durch die gleichzeitige Steuerung von drei Linear- und zwei Rotationsachsen können Bauteile aus nahezu jedem Winkel bearbeitet werden, ohne dass ein Umspannen erforderlich ist. Der Laserstrahl bleibt dabei immer optimal auf die Werkstückoberfläche ausgerichtet, was besonders bei rotationssymmetrischen oder räumlich komplexen Bauteilen wichtig ist.Diese Kinematik eröffnet neue Möglichkeiten bei der Bearbeitung komplexer Konturen, wie Hinterschneidungen oder filigrane Strukturen. Die Herausforderung liegt dabei weniger in der mechanischen Konstruktion als in der präzisen Synchronisation aller Achsen mit Scanner und Laser. Eine leistungsfähige Motion-Control-Architektur bildet die Basis für reproduzierbare Ergebnisse und ermöglicht es gleichzeitig, den Energieeintrag des Lasers auch bei dynamischen Bewegungen oder wechselnden Bearbeitungsgeschwindigkeiten konstant und vor zu halten.Für Anwendungen mit variabler Strahlneigung oder anspruchsvollen Bohrgeometrien ergänzt Aerotech diese Kinematik mit dem Laserscanner AGV5D. Er erweitert die klassische XY-Scannerbewegung um eine Fokusachse und zwei Freiheitsgrade für die Strahlneigung. Dies ermöglicht unter anderem konisches, schräges oder mehrdimensionales Mikrobohren mit definierter Geometrie.

"Gerade beim Präzisionsbohren entscheidet die Steuerung des Einfallswinkels über die Maßhaltigkeit und Oberflächenqualität", sagt Simon Smith, "Die Kombination aus Achsbewegung und AGV5D-Scanner schafft hier zusätzliche Freiheitsgrade."

Plattformkonzepte für die Medizintechnik

Mit Plattformen wie der LaserTurn 160 Gen 2 und neuerdings auch der LaserTurn280 bietet Aerotech modulare Lösungen speziell für die Bearbeitung zylindrischer Werkstücke in der Medizintechnik. Die zweite Generation dieser Plattform kombiniert Linear- und Drehachsen und ist für die präzise Bearbeitung kleiner Durchmesser ausgelegt. Optionale Erweiterungen wie leistungsfähigere Rundachsen oder vereinfachte Kabelmanagementsysteme ermöglichen eine flexible Anpassung an spezifische Fertigungsanforderungen. Gleichzeitig sorgt die gemeinsame Nutzung von Komponenten mit anderen Plattformen für eine wirtschaftliche Skalierung und erleichtert die Wartung und Integration. Anwender profitieren so von einem höheren Durchsatz, gleichbleibender Qualität und einer insgesamt optimierten Kostenstruktur.

Durch die enge Verzahnung von Mechanik und Steuerung können zudem mehrere Achsen gleichzeitig bewegt werden, so dass auch besonders komplexe oder kleine Bauteile effizient bearbeitet werden können. In der Mikrobearbeitung wirkt sich diese simultane Steuerung direkt auf die Wiederholgenauigkeit und die Oberflächenqualität aus. Fehler, die durch mechanische Toleranzen oder Zeitverzögerungen zwischen Bewegung und Laserimpuls entstehen, können so deutlich reduziert werden.

Software als Produktivitätsfaktor

Neben der Mechanik spielt auch die Steuerungssoftware eine zentrale Rolle für die Leistungsfähigkeit moderner Lasersysteme. Mit seiner einheitlichen Motion-Control-Plattform Automation1 steuert Aerotech nicht nur Galvoscanner, Achsen und Laserquellen, sondern integriert auch periphere Komponenten wie Greifsysteme, Messsensoren und Kühlgeräte zu einem Gesamtsystem. Diese enge Verzahnung ermöglicht eine präzise Synchronisation aller Bewegungen und sorgt dafür, dass komplexe Bearbeitungsaufgaben zuverlässig reproduziert werden können.

Spezielle Optimierungsfunktionen wie die positionssynchrone Ausgabe (PSO) und die kontinuierliche Fokusnachführung helfen, den Energieeintrag des Lasers unabhängig von Bewegungsrichtung und -geschwindigkeit konstant zu halten. Gleichzeitig können Laserparameter wie Pulse pro Sekunde, Leistung oder Spotgröße dynamisch an unterschiedliche Materialeigenschaften angepasst werden, um Überhitzungen zu vermeiden und die Oberflächenqualität zu maximieren. Das reduziert den Ausschuss, erhöht die Prozessstabilität und ermöglicht auch die Bearbeitung hochkomplexer Mikrostrukturen bei minimalem Rüstaufwand.

Ein weiteres Highlight der Plattform ist die IFOV-Funktion (Infinite Field of View). Durch die präzise Synchronisation von Scanner- und Achsbewegungen können Werkstücke, die größer als das Sichtfeld des Laserscanners sind, bearbeitet werden, ohne dass mehrere Scanbereiche kombiniert werden müssen. Fehler durch Überlappungen oder Stitching werden eliminiert, die Dynamik und der Durchsatz werden deutlich erhöht.

Darüber hinaus können Automatisierungsfunktionen wie der DrillOptimizer genutzt werden. Er optimiert die Bahnplanung für das Hochgeschwindigkeitsbohren von großen Lochmustern, reduziert die Nebenzeiten zwischen den einzelnen Bohrungen und passt die Laserpulse dynamisch an. Dies ermöglicht eine hohe Auslastung der FTS-Scanner bei gleichzeitiger Prozessstabilität.

Vom System zur validierten Anwendung

Um laserbasierte Prozesse nicht nur theoretisch zu entwerfen, sondern auch unter realistischen Bedingungen zu testen, wird eine anwendungsorientierte Verifikation immer wichtiger. Zu diesem Zweck hat Aerotech an seinem europäischen Standort in Fürth ein neues Laserlabor eingerichtet, das als Kompetenzzentrum für Mikro- und Präzisionsmaterialbearbeitung konzipiert ist. Kunden aus ganz Europa haben hier die Möglichkeit, Bearbeitungsprozesse an realen Anlagen zu testen, zu optimieren und gemeinsam zu entwickeln.

Die direkte Erprobung unter Praxisbedingungen hilft, Prozessrisiken frühzeitig zu erkennen und stabile Serienlösungen zu entwickeln. Gleichzeitig können neue Fertigungsansätze mit integrierten Motion-Control-Systemen, FTS-Scannern und Softwarefunktionen sofort validiert werden. Neben den Laborfunktionen wurden auch die Montagekapazitäten am Standort Fürth erweitert.

Anwendungsbeispiel aus der Medizintechnik

Ein Beispiel aus der Medizintechnik zeigt, wie integrierte Motion-Control- und Lasersysteme in der Praxis funktionieren. Ein Hersteller von Keramikimplantaten nutzt ein laserbasiertes Fertigungssystem mit integrierten FTS-Scannern und mehreren simultan gesteuerten Achsen zur Herstellung von Präzisionswerkzeugen und Mikrostrukturen.

Aerotech lieferte nicht nur die Bewegungssteuerungs- und Scannertechnologie, sondern war auch an der Entwicklung und Validierung des Prozesses beteiligt. Die Kombination aus festem Strahlengang, hochsteifer Mechanik, synchronisierter Achsensteuerung und anwendungsspezifischem Know-how ermöglicht die Bearbeitung komplexer Geometrien mit hoher Wiederholgenauigkeit.

Die Flexibilität zeigt sich auch bei der Bearbeitung unterschiedlicher Werkstückgrößen: Rohlinge mit Durchmessern von 0,5 mm bis 13 mm und Bearbeitungslängen bis zu 10 mm können präzise und spannungsfrei bearbeitet werden. Handlingsroboter und optische Achsen sorgen für eine schnelle Positionierung und Justierung, so dass die Anlage auch bei komplexen Aufgabenstellungen hohe Durchsatzraten erreicht.

Systemintegration und Prozesssicherheit

Die Lasermikrobearbeitung entwickelt sich zunehmend zu einer Systemdisziplin, bei der Laserquelle, Bewegungstechnik, Steuerung und Fertigungsintegration untrennbar miteinander verbunden sind. Integrierte Motion-Control-Lösungen schaffen die Voraussetzungen, um anspruchsvolle Prozesse stabil, reproduzierbar und wirtschaftlich zu realisieren. Plattformkonzepte, anwendungsorientierte Verifikation und optimierende Softwaretools wie der DrillOptimizer sorgen für einen reibungslosen Übergang von der Entwicklung zur Serienfertigung.

Durch die Kombination von modularen Plattformen, fortschrittlichen Steuerungsfunktionen, integrierten Optimierungstools und praxisnahen Testlabors können Hersteller wie Aerotech nicht nur bestehende Fertigungsprozesse verbessern, sondern auch neue Anwendungen entwickeln. Dies erhöht die Flexibilität, senkt die Kosten und verbessert die Qualität bei der Produktion von Mikroteilen - insbesondere in Hochpräzisionsbranchen wie der Medizintechnik und der Mikroelektronik.

Ralf M. Haaßengier ist Inhaber der PRX Agentur für Public Relations GmbH.