Лазерное точение: прорывной инструмент для сложных медицинских деталей

Это видео иллюстрирует, как работает лазерное точение. Источник: GFH GmbH

В промышленности точной обработки лазеры не играли заметной роли за пределами маркировки и гравировки деталей, но их добавляли на швейцарские токарные станки для резки трубчатых материалов в основном для медицинских применений. Лазеры были полезны для создания мелких отверстий и генерации щелей, спиралей, винтовидных форм, окон и других сложных геометрий в канюлированных заготовках на этих станках.

Теперь новая технология использует лазер в качестве режущего инструмента для «точения» деталей из цельного прутка. Этот процесс, разработанный немецкой компанией GFH GmbH, заменяет традиционный режущий инструмент бесконтактным лазером, который испаряет материал ультракороткими лазерными импульсами, расходуя меньше энергии, чем традиционные методы точения. Станок высокоточного высокоскоростного точения GL.smart, доступный для клиентов в США через GFH в Германии, особенно полезен для микромеханической обработки, обеспечивая высокую точность для мелких, сложных деталей, которые часто хрупки и трудны для обработки при реализации традиционных процессов точения.

«Благодаря бесконтактному удалению материала, заготовка остаётся свободной от силы и деформации во всём процессе обработки», — объясняет Флориан Ленднер, CEO GFH. «Это означает, что нет потери точности, даже с очень тонкими и хрупкими компонентами».

Станок также разделяет луч от одного лазерного источника и направляет его в две отдельные головки, поэтому он может точить, а также фрезеровать, сверлить и гравировать две детали одновременно. Структурно представьте двухшпиндельный, двухпаллетный вертикальный фрезерный станок, где каждая станция способна на точение и пятиосевую обработку.

Бесконтактная обработка

Сердцем станка является диодно-накачанный твердотельный лазер, выдающий импульсы в пикосекундах или фемтосекундах на заготовке. Эта техника «импульс по требованию» позволяет регулировать тепловой ввод в материал, делая заготовку менее склонной к перегреву. В результате не возникает напряжений или деформаций детали.

Использование высокомощного лазера в комбинации с разделением луча позволяет одновременную обработку на двух станциях. Фото: GFH GmbH

Компания говорит, что этот процесс хорошо подходит для компонентов из очень твёрдых и хрупких материалов.

Хотя диодно-накачанный лазер — стандартный лазер на GL.smart, в зависимости от потребностей клиента, GFH может предоставлять различные типы лазерных источников, отличающиеся длиной волны, мощностью лазера или шириной импульса. Используя эти ультрабыстрые и ультракороткие лазерные импульсы, максимально возможное количество материала удаляется черновикой. При чистовой обработке детали конечное качество достигается с более низкой энергией лазера.

Лазерный луч может быть направлен в середину детали или касательно, в зависимости от операции. Например, если компонент имеет фиксированный диаметр для точения, лазерный луч попадает в материал касательно. Однако, если обрабатываются только определённые участки по всему диаметру, такие как отверстия, лазерный луч попадает в середину материала.

Диапазон глубин удаления материала, который лазер может точить/удалять за один проход, зависит от материала и самого процесса точения. При касательном удалении диапазон от чистовой до черновой обработки составляет от 1 до 200 микрон, а при направлении луча в середину — от 0,1 до 10 микрон (от чистовой до черновой).

После обработки готовые детали обрабатываются и собираются либо вручную оператором из зажимной системы, либо падают в контейнер под зоной обработки. Для удаления эродированного материала из станка GL.smart оснащена системой всасывания для сбора аэрозолей и пыли.

«Умные» возможности

Станочные цехи, поставляющие в медицинскую и часовую отрасли, особенно выиграют от возможностей GL.smart в микромеханике, по мнению GFH. Например, станок может производить микроинструменты, такие как пинцеты, микролезвия и имплантаты, а также пальцы, устанавливаемые в часовом механизме, говорит компания.

С возможностью обрабатывать практически любой материал, станок лазерного точения выполняет точение, сверление, резку и гравировку с высокой скоростью и точностью, говорит компания. Станок также предлагает комбинированную обработку

Возможности GL.smart разнообразны: от медицинских микроинструментов, таких как пинцеты и микролезвия, до пальцев, устанавливаемых в часовом механизме.

а также параллельную обработку на двух станциях зажима по оси C одновременно, что удваивает производительность.

Благодаря пятиосевым перемещениям все операции могут быть выполнены в одной установке. Поэтому заготовка может быть выгравирована, разрезана, просверлена или структурирована без повторной закладки.

Воздушные подшипники главных шпинделей заготовки имеют крутящий привод, который может использоваться для индексации/позиционирования деталей и вращения до 3500 об/мин за 0,4 секунды. Радиальная и аксиальная биение в нанометрах позволяют производить с шлифовальными допусками. Станок также обеспечивает силовую зажимную систему с коллетом. Компактная площадь GL.smart 2212 мм (Д) × 1026 мм (Ш) × 2320 мм (В) заключена в корпус из чёрного стекла, обеспечивающий защиту от лазерного излучения.

Станок доступен с до 16 одновременными осями, управляемыми собственной разработанной системой GL.control. Каждая рабочая станция (ось Z одинакова для обеих рабочих станций; ось Y отдельна для каждой рабочей станции) может быть оснащена главным шпинделем (X- и A-ось) и вращающим узлом (X-, B- и C-ось). Три оставшиеся оси размещены в оптическом блоке для манипуляции лучом.

CNC управляет точностью лазера

Программируемый и управляемый с использованием своего ПО GL.control, разработанного GFH, компьютерный числовой контроль (ЧПУ) станка состоит из одного компьютера, который отвечает исключительно за программное обеспечение числового контроля, и другого блока, отвечающего за операционное ПО. ЧПУ интегрирует функции CAD/CAM, а также все свои подсистемы. Быстрый программируемый логический контроллер (ПЛК) GL.smart разработан для лазерной обработки и предлагает доступ в реальном времени для управления лазером, чтобы лазер мог быть включён с точностью 40 нанометров на полном диапазоне движения осей.

Процесс создания программы ЧПУ для резки детали включает:

1. Загрузку 3D-файла в ПО станка
2. Выбор всех геометрий для генерации
3. Генерацию G-кода для лазерной обработки
4. Редактирование материал-специфических параметров
5. Загрузку в ПЛК
6. Запуск задания на обработку

При настройке станка лазерного точения для нового типа детали, это может быть простым или несколько более сложным, в зависимости от размера исходного материала, по словам Ленднера. «Если исходный материал того же размера, достаточно только смены настроек ПО для создания нового дизайна», — говорит он. «Если это новый тип размера исходного материала, оптическая настройка и зажимная система также должны быть изменены». Станок принимает исходный материал до 12 мм диаметром и длиной до 2 м.

Создание кастомного станка

GFH предлагает множество дополнений и аксессуаров для GL.smart, помогающих пользователям строить кастомный станок для их специфических приложений. Опции включают аксессуары для автоматизации, мониторинга и обеспечения качества.

Станок лазерного точения GL.smart обеспечивает бесконтактное удаление. Это означает, что нет потери точности даже с очень тонкими и хрупкими компонентами.

Из-за растущей популярности и часто необходимости автоматизации цехов, для GL.smart доступно добавление шестиосевой роботизированной системы обработки заготовок и прутозагрузчика. Внедрение этой опции предоставляет возможности для беспилотной обработки.

Другие опции для станка лазерного точения включают вращательно-наклонный узел как контршпиндель и либо короткий, либо длинный дизайн точения, или оба. Настройка коллета и направляющей детали определяет, имеет ли станок короткий или длинный дизайн точения.

GFH предлагает следующее оборудование как опции для GL.smart, которые легко программируются через GL.control.

Низковибрационный лазерный луч: GL.beam включает полный путь луча от лазера к процессной оптике внутри станка. Лазер монтирован и выровнен на гранитной базе в соответствии со спецификациями производителя для низковибрационной работы.

Точная зажимная система: Для повторяемого зажима компонентов станок может быть оснащён GL.clamp, точной зажимной системой от Erowa. По запросу также доступны зажимные системы других производителей или вакуумные зажимные устройства.

Режимы мониторинга и настройки луча: Лазерные системы могут быть расширены операционными режимами GL.om3 и GL.om4. Режим 3 используется для мониторинга процесса, а режим 4 — для настройки луча.

Сканерная система: Для точного производства деталей или глубокой гравировки станок может быть оснащён сканерной системой под названием GL.scan. Она позиционирует лазерный луч на заготовках через два гальванометрических зеркала.

Оптическая измерительная система: Оптическая измерительная система GL.vision облегчает позиционирование компонента под лазером и также предлагает возможность оптического измерения с разрешением микроскопа.

Модуль фиксированной оптики: Модуль GL.optifix предоставляет фиксированную оптику для лазерного сверления, точной резки и абляции. В оптике нет движущихся компонентов, тем самым снижая ошибку позиционирования до точности осевой системы.

Модуль дистанции: Модуль GL.distance доступен для высших требований точности для микросверления и точной резки. Отклонения и допуски поверхности компонента могут быть записаны и скорректированы до обработки.

GFH GmbH | gfh-gmbh.de/en/