Massgeschneidertes CNC als Herzstück einer bahnbrechenden Laserschneidmaschine

Massgeschneiderte CNC-Technologie von NUM ermöglicht dem Schneidmaschinenhersteller Favor Laser, die Produktentwicklung voranzutreiben und neue Märkte anzugehen. Das taiwanesische Unternehmen hat mit Hilfe sondergefertigter Hard- und Software von NUM eine Hochpräzisionslaserschneidmaschine entwickelt, die aus Metallblech sowohl sehr kleine als auch sehr grosse Teile ausschneiden kann – mit einer Vorschubgeschwindigkeit von bis zu 60 Metern pro Minute. Mit dieser Maschine wagt Favor Laser den Schritt in den Markt für Hochleistungsgeräte, den das Unternehmen schnell durchdringen möchte. Erreicht werden soll dieses Ziel mittels einer bahnbrechenden Kombination aus hoher Leistung und aggressiver Preisgestaltung, dank der die Kosten für solche Maschinen um rund 20 Prozent gesenkt werden können.

Favor Laser wurde 1994 gegründet, hat seinen Sitz in Neu-Taipeh, Taiwan, und verfügt über zusätzliche Verkaufs- und Produktionsstätten in Schanghai, China. Bis jetzt stellte das Unternehmen Laserschneidmaschinen im Niedrigpreissegment her. Das Angebot umfasste vier Produktlinien mit Maschinen für verschiedene Anforderungen in der Blechindustrie, von der Herstellung von Kleinmengen über das Präzisionsschneiden von Kleinteilen bis hin zur Massenproduktion von grösseren Teilen.

2010 traf Favor Laser die strategische Entscheidung, sein Produktsortiment durch die Entwicklung eines vielseitig einsetzbaren Hochleistungslaserschneidgeräts für den internationalen Markt zu erweitern. Dieser Markt wird derzeit von wenigen Herstellern aus der Schweiz, aus Deutschland und aus Japan dominiert. Voruntersuchungen des Unternehmens ergaben, dass es möglich sein würde, durch die Kombination seiner Laserschneidtechnologie mit wertschöpfender Hardware und hochentwickelter Software eine Maschine mit der gleichen Leistung wie die Geräte der Marktführer zu bauen, aber zu einem deutlich tieferen Preis.

Alle Maschinen von Favor Laser basieren auf einer innovativen fliegenden Optik. Das Blech, das zugeschnitten werden soll, liegt auf einer stationären Werkbank, und der Schneidkopf bewegt sich horizontal über die Blechoberfläche. Dieser Ansatz bietet gegenüber Maschinen, bei denen das Werkstück unter einem statischen Laserstrahl bewegt wird, mehrere entscheidende Vorteile. Der Schneidkopf verfügt über eine tiefe und konstante Masse, die ein schnelles und genaues Positionieren erleichtert, während das Bewegen des Werkstücks – dessen Masse sich während des Schneidvorgangs ständig ändert – langsamer geht, schwieriger ist und eine komplexe und teure Bewegungssteuerung erfordert, damit die Schneidgenauigkeit gewährleistet ist. Die höhere Schneidgeschwindigkeit der fliegenden Optik erhöht nicht nur die Durchsatzrate und die Produktivität, sondern verhindert beim Zuschneiden von dünnem Material auch das Entstehen von Hitze, die das Werkstück verbiegen könnte.

Die neue XO-Hochleistungslaserschneidmaschine von Favor Laser ist ein 4-Achsen-Gerät, benutzt aber zwei Motoren für die x-Achse. Die x- und y-Achsen sind für das horizontale Positionieren des Schneidkopfs verantwortlich, während die z-Achse die Distanz zwischen Werkstück und Schneidkopf steuert. Die vierte Achse (u) steuert den Vorschub des Arbeitsmaterials. Die patentierte adaptive Optik gleicht die Länge des Laserstrahls aus, der je nach Position des Schneidkopfs im Verhältnis zum Laseroszillator variiert. Für die z-Achse wird ein Hochgeschwindigkeits-Servoantrieb verwendet – der Abstand zwischen Schneidkopf und Werkstück wird kontinuierlich überwacht und angepasst, damit die Ausrichtung des Strahls korrekt ist und die Schneideffizienz erhöht wird.

Nach der Überprüfung verschiedener CNC-Optionen entschied sich Favor Laser für die neue XO-Maschine für das Flexium-68-CNC-System von NUM. Dieses System wurde sowohl aufgrund seiner Hardware als auch seiner Software ausgewählt: Die Bewegungssteuerung von Flexium 68 entsprach am genauesten der für diesen Typ Maschine erforderlichen Steuerung. Zudem bietet es Konfigurationsflexibilität für spätere Upgrades und einzigartige Softwarefunktionalitäten, die das Programmieren der Applikationen erleichterten. Besonders die «Dynamic Operator»-Funktion (DO) – eine Exklusivität von NUM – wurde als ideal für das Programm erachtet, das den Abstand zwischen Schneidkopf und Werkstück dynamisch überwacht. Indem sie schnelle Berechnungs- und Kommunikationstechnologien verwendet, macht es die DO-Funktion möglich, dass der CNC-Kern ereignisgesteuerte Maschinenzyklen in Echtzeit integrieren kann.

Favor Laser war zudem auf der Suche nach einem Lieferanten von CNC-Systemen, der bereit war, aktiv an der Entwicklung der XO-Laserschneidmaschine mitzuarbeiten und so eine optimale Steuerung zu gewährleisten. In den Worten des Generaldirektors des Unternehmens, Herrn Lai: «Nachdem wir das CNC-System von NUM aufgrund wirtschaftlicher und technischer Überlegungen ausgewählt hatten, waren wir hocherfreut, festzustellen, dass NUM Taiwan die Fachkompetenz, die Ressourcen und vor allem auch die Bereitschaft hatte, uns bei jedem Entwicklungsschritt zu unterstützen. Dank der Hilfe von NUM, unter anderem in Form von Entwicklung massgeschneiderter Hardware und CNC-Software, war es uns möglich, unsere neue XO-Hochleistungslaserschneidmaschine innerhalb der vorgesehenen Zeit und unter Einhaltung unserer Kostenvorgaben auf den Markt zu bringen. Dank der reduzierten Entwicklungs- und Baukosten erzielten wir einen enormen Wettbewerbsvorteil. Unsere Maschine wird voraussichtlich 20 bis 30 Prozent weniger kosten als vergleichbare Geräte von japanischen oder deutschen Herstellern.»

Alle Bewegungssteuerungselemente der XO-Laserschneidmaschine werden von NUM geliefert. Neben den Motoren, den Antrieben und dem Flexium-68-CNC-Kern verwendet die Maschine auch Ethercat-I/O-Terminals von NUM sowie ein Flexium-FS152i-Bedienfeld mit Dualprozessor, 15-Zoll-Flachbildschirm und Festplatte, das mit dem Windows-Betriebssystem läuft. Die massgeschneiderte Mensch-Maschinen-Schnittstelle (HMI) wurde vollständig von NUM Taiwan entwickelt, und sie ist sehr intuitiv und benutzerfreundlich. Die HMI, die zurzeit für Englisch und Chinesisch (vereinfacht) konfiguriert ist, kann einfach an andere Sprachen angepasst werden, damit die Maschine international verkauft werden kann. Sie verwendet viele grafische Elemente, wie zum Beispiel Darstellungen des Werkstücks und des Schneidablaufs, um die Bedienung der Maschine zu erleichtern und den Schulungsaufwand zu reduzieren.

Die XO-Schneidmaschine verwendet ausschliesslich bürstenlose Achsenmotoren von NUM sowie NUMDrive-C-Antriebsverstärker. Um einen reibungslosen Betrieb sicherzustellen, wurden für die Hauptachsen x, y und u BPG-Motoren mit hohem Trägheitsmoment eingesetzt – die x-Achse wird von zwei Motoren angetrieben –, während die z-Achse mit einem Modell der BPX-Serie mit mittlerem Trägheitsmoment und einer Haltebremse ausgerüstet ist. Die x-, y- und z-Achse sind vollständig miteinander interpoliert, was eine reibungs- und übergangslose Steuerung der Position des Schneidkopfs und der Schneidhöhe über dem Werkstück ermöglicht. Die z-Achse hat einen Arbeitsbereich von 100 Millimetern, während die x- und y-Achse Verfahrwege von 3 bzw. 1,5 Metern haben. Dieser grosse Arbeitsraum in Kombination mit einer x-y-Positionierungsgenauigkeit von ±0,01 Millimetern macht die XO zu einer vielseitigen Maschine, die gleichermassen für das präzise Zuschneiden von verschiedenen Kleinteilen wie für das Herstellen von grossen Teilen aus einem einzelnen Blech geeignet ist.

Eine Auswahl von CO2-Laser-Oszillatoren mit einer Leistung von 3,3, 4 und 6 Kilowatt ermöglicht die Anpassung der Maschinenleistung an das Material der Werkstücke und das Erreichen von Vorschubraten von bis zu 60 Metern/Minute. Die vielseitige Maschine kann auch eine Reihe weiterer metallbearbeitender Aufgaben übernehmen, wie zum Beispiel Mikroschweissen und ‑verbinden.

Während jedes Laserschneidprozesses können sich die Betriebsbedingungen plötzlich ändern, was eine schnelle Anpassung einer grossen Anzahl von Parametern notwendig macht, damit eine stabile Leistung gewährleistet werden kann. Die Steuerung der Laserleistung stellt besonders hohe Ansprüche an die Entwicklung, und sie erfordert eine extrem schnelle und stabile Kommunikationstechnologie. Um diese Anforderungen zu erfüllen, entwickelte NUM Taiwan eine besondere Pulsfolgesteuerungskarte für den CO2-Laseroszillator in der XO-Maschine. Diese Lösung basiert vollständig auf Hardware (die Verwendung von Software wäre zu langsam). Die Karte übersetzt Arbeitszyklus- und Frequenzsteuerungssignale und übermittelt diese optisch an den Oszillator, was Übertragungsverzögerungen minimiert. Die Karte eignet sich für zahlreiche kommerzielle Laseroszillatoren und kann in 1-Kilowatt-Schritten an eine Laserleistung von 1 bis 10 Kilowatt angepasst werden. NUM beabsichtigt, die Karte in nächster Zukunft in sein Produktsortiment aufzunehmen, sodass sie auch für andere Hersteller von Schneidmaschinen verfügbar ist.

Die Leistung der CNC-Produkte von NUM sowie die gute Reaktionsfähigkeit von NUM Taiwan haben dazu geführt, dass Favor Laser seine Strategie in Sachen Maschinensteuerungen einer Neubewertung unterzogen hat. Das Unternehmen wird deshalb nicht nur für seine neue XO-Maschine auf die Hard- und Software von NUM zurückgreifen, sondern beabsichtigt auch, alle seine bestehenden Produkte künftig mit der CNC-Technologie von NUM zu betreiben. In einem ersten Schritt wird Favor Laser sein Sortiment an Tiefpreislaserschneidmaschinen mit Flexium-6- oder Flexium-8-CNC-Systemen ausrüsten. Die Maschinen werden weiterhin in der Produktionsstätte von Favor Laser in China hergestellt, doch die CNC-Systeme werden von NUM Taiwan geliefert.

Bis jetzt waren alle Maschinen von Favor Laser für das zweidimensionale Zuschneiden von Metallblech mittels CO2-Lasern ausgelegt. Das Unternehmen plant jedoch, in weitere Bereiche zu expandieren und sucht zurzeit nach Faserlasern, mit der Absicht, in den Markt für Mikroschneidmaschinen einzutreten. Mit solchen Maschinen werden eine Reihe von Materialien wie Kupfer, Bronze und Aluminium geschnitten, was mit CO2-Lasern schlicht und einfach unmöglich ist. Ein weiteres Projekt ist eine Laserschneidmaschine für das Schneiden von Metallrohren, was eine 3-D-Bewegung mit einer rotierenden c-Achse und einem Roboterkopf erfordert. Innerhalb eines Jahres möchte Favor Laser auch eine Reihe von Stanzmaschinen entwickeln, mit denen das Sortiment an Maschinen für die Blechbearbeitung abgerundet werden soll.

Alle diese neuen Projekte basieren auf der CNC-Technologie von NUM. Herr Lai erklärt: «Der aussergewöhnliche Support, den uns NUM Taiwan während der Entwicklung der XO-Laserschneidmaschine geboten hat, hat unsere Erwartungen bei Weitem übertroffen und zu ausgezeichneten Resultaten geführt. Wir haben deshalb entschieden, nicht nur unsere bestehenden Produkte auf die Flexium-Systeme umzurüsten, sondern auch künftige Maschinen auf die CNC-Technologie von NUM abzustützen. Ich bin überzeugt davon, dass die Partnerschaft mit NUM für Favor Laser die besten Bedingungen für die Entwicklung von neuen Laserschneidlösungen für unsere Kunden schafft.»