precSYS - SCANLAB
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precSYS 5-axis micro processing Das precSYS Mikrobearbeitungs-Sub-System ermöglicht die industrielle Ultrakurzpulslaser-Mikrobearbeitung von flexibel einstellbaren Geometrien, z.B. die Fertigung positiv-, negativkonischer oder ideal zylindrischer, runder oder elliptischer Bohrungen mit hohem Aspektverhältnis. Ausgestattet mit modernster High-EndScan-Technologie, integrierter Steuerung, Embedded-PC und benutzerfreundlicher Software ermöglicht das precSYS Mikro-LaserBearbeitungen mit höchster Dynamik und Präzision. Die grafische Benutzeroberfläche unterstützt das einfache Erstellen und Testen von Mikrobearbeitungsprozessen. Der robuste und innovative Systemaufbau des precSYS garantiert höchste Zuverlässigkeit im industriellen Einsatz. Seine modulare und kompakte Bauweise und die durchdachten Hardware- und SoftwareSchnittstellen ermöglichen die einfache und optimale Integration in kundenspezifische Laser-Anlagen und vernetzte Fertigungsumgebungen (Industrie 4.0). Über Beobachtungsschnittstellen kann das precSYS um Zusatzkomponenten zur Prozess- und Strahlbeobachtung erweitert werden. Mit werksseitiger Voreinstellung und Kalibrierung sowie mit einem optionalen Feinjustage-Automatik-Paket gewährleistet SCANLAB eine zeiteffiziente Justage des Systems. Vorteile im Überblick: • Benutzerfreundliches Erstellen von Mikrobearbeitungsprozessen mit 3D-Visualisierung • Flexible UKP-Bearbeitung mit variablem Anstellwinkel • Hohe Zuverlässigkeit und Stabilität für höchste Präzision • Geschwindigkeitsunabhängige Konturtreue durch innovative Regelung und Ansteueralgorithmen • Industrietauglich und modular aufgebaut • Hochintegrierte Lösung mit Embedded-PC • Hochgenaue Vorkalibrierung und Justagesoftware • Optionale Feinjustage-Automatik • Umfangreicher Vor-Ort-Kunden-Service Typische Applikationen: Typische Branchen: • • • • • • • • • Bohren Abtragen Strukturieren Schneiden Automotive Luft- und Raumfahrt Textilindustrie Medizintechnik Feinwerktechnik precSYS Funktionsprinzip Systemübersicht (Basisversion ohne Optionen) 3 Mit dem precSYS ist die 3D-Positionierung des Fokuspunkts einschließlich einer präzisen Nachführung des Einfallswinkels AOI (Angle of Incidence) auf dem Werkstück möglich. Unter anderem sind Fokuspfad-, Einfallswinkel- und Laserintensitäts-Verlauf einstellbar. 2 5 10 4 1 6 7 8 9 Legende 1 Gasgespülte 5-Achs-Scan-Einheit (x, y, z, Anstellwinkel a, b) mit Spülgasüberwachung 2 Steuerelektronik und Embedded-PC 3 Ethernet- und Industrie-Anschluss (Anbindung an Power, SPS, Laser und Remote-Zugriff) und LED-Status-Kontrollleuchten 4 Wasserkühlung für thermische Stabilität (Galvo-Achsen und Elektronik separat gekühlt) 5Prozessbeobachtungsschnittstelle 6 Strahlbeobachtungsschnittstelle bzw. Strahlfalle 7Objektiv 8 Schutzglashalter mit Schublade für schnellen Wechsel 9 Prozessgasdüse (justierbar in x, y, z) 10Software und grafische Benutzeroberfläche (GUI) Die High-End-Scan-Technologie mit kleinen Spiegelauslenkungen und geringen bewegten Massen ermöglicht eine hochdynamische Bearbeitung mit Trepanier- bzw. Präzessionsfrequenzen von bis zu 500 Hz (30.000 U/min). Das System kommt komplett ohne rotierende Optiken aus. Der Einsatz modernster digitaler Encoder, Ansteuerungsalgorithmen und an die Anwendung angepasste Regelung ermöglichen eine konturtreue, geschwindigkeitsunabhängige Bearbeitung mit höchster Präzision. Das System ist stabil geregelt (Positionsstabilität bis zu einer Präzessionsfrequenz von 500 Hz). Der speziell für die UKP-Präzisionsbearbeitung entwickelte Optikpfad ist polarisationserhaltend und für Pulsenergien von bis zu 250 µJ ausgelegt. Systemaufbau Hohe Industrietauglichkeit Wechselschutzglas-Schublade Industrietaugliche elektrische Anschlüsse (Ethernet, Power, SPS, Laser) und LED-StatusKontrollleuchten Montagebohrungen in der Nähe des Objektivs zur exakten Fixierung des Strahlaustritts (3-Punkt-Auflage) Die aktive Wasserkühlung der Strahlführungskomponenten (inklusive GalvoAchsen) und der räumlich getrennten Elektronik macht das System robust gegen belastungsabhängige Temperaturänderungen. Zudem weist die innovative Strahlführung des Systems eine hohe Laserleistungsverträglichkeit auf. Der abgeschlossene und gasgespülte optische Strahlengang garantiert dank des anliegenden Überdrucks auch in industrieller Umgebung eine hohe Sauberkeit, die sich positiv auf die Lebensdauer des Systems und die Genauigkeit der Bearbeitungsergebnisse auswirkt. Innovation Mit dem precSYS wird erstmals ein stabiles, rein galvobasiertes 5-AchsMikrobearbeitungs-Sub-System für hochpräzise Fertigungsprozesse in der Serienproduktion realisiert. Diese neue Technologie ist zum Patent angemeldet. precSYS 5-Achs-Positionieroptionen des Laser-Fokuspunkts Prozessgasdüse Winkelausrichtung α,β Laserfokus z y Flexible Prozessführung Dank seiner 5-Achs-Positioniermöglichkeiten (x, y, z, a, b) des Laserstrahls bietet das precSYS höchste Flexibilität bei der Entwicklung von Prozessstrategien über das klassische Perkussions- und Wendelbohren sowie Trepanieren hinaus. Wird wendelförmig mit einem angestellten Laserstrahl gearbeitet, so wird das Verfahren als Präzessionsbohren bezeichnet. Mit den hohen Präzessionsfrequenzen des precSYS können auch tiefe Bohrungen mit hohem Aspektverhältnis mit senkrechtem Wandverlauf im Sekundentakt gefertigt werden (Beispielergebnis siehe Bild unten rechts). Auch das Schneiden und Abtragen mit angestelltem Laserstrahl ist mit dem precSYS möglich. Eine hoch präzise Bearbeitung kann mit dem vollen Anstellwinkelbereich in einem runden Bildfeld von bis zu 2,5 mm erfolgen. Typische Pulsdauern die zum Einsatz kommen liegen im UKP-Bereich von 300 fs – 10 ps. Zusätzlich können in einem Bildfeld von bis zu 5 mm im Durchmesser Markierungen gesetzt werden. Einzelpulsbohren Perkussionsbohren x 3D-Positionierung Achse des Laserstrahls Beispielhafte 3D-Laser-Fokuspfade z y x Einfallswinkel AOI auf dem Laser-Fokuspfad optische Achse AOI > 0° Trepanieren AOI = 0° Wendelbohren AOI < 0° Laserfokus Achse des Laserstrahls Präzessionsbohren α Pulsenergie, Pulsdauer Präzision Schnitt einer 100-µm-Bohrung in 200 µm Stahldicke (Prozesszeit 1s) precSYS precSYS DrillControl Software Systemintegration und Ansteuerung Anlagensteuerung (SPS) Ethernet-Netzwerk (optional mit DHCP-Server) EthernetSchnittstelle DrillControlSoftware Power/SPS/LaserSchnittstelle Laser und andere Systemkomponenten * Embedded PC und RTC5Ansteuerkarten Strahlaufbereitung * Mit Hilfe der intuitiv bedienbaren Programmoberfläche (GUI) mit 3D-JobVisualisierung lassen sich Bearbeitungsprogramme besonders leicht erstellen und simulieren. Die Ansteuerung und RemoteKommunikation erfolgt mittels TCP/IPProtokoll über eine Ethernetschnittstelle. Durch die werkseitige Kalibrierung erfolgt die Beschreibung der Bewegung des Laserstrahls dabei direkt in metrischen Einheiten im kartesischen Bildfeld-Koordinatensystem des precSYS. Grafische Benutzeroberfläche (GUI) * Einige Systemkomponenten (wie z.B. Laser, elektrisch schaltbare Gasventile, motorisierte Polarisationsplatten, motorisierte Strahlaufweiter) werden von SCANLAB standardmäßig nicht angeboten. Kundenspezifische Lösungen sind auf Anfrage möglich. Benutzeroberfläche DrillControl Die Software stellt den Bearbeitungsplan in einer 3D-Darstellung dar und ermöglicht eine einfache Jobprogrammierung sowie eine Variation der verschiedenen Bearbeitungsparameter. • Bearbeitungssequenzdefinition mit 3D-Visualisierung des Laserpfades • Verwaltung von Bearbeitungs-Jobs auf dem precSYS-System (Embedded-PC) • Vielfältige Testmöglichkeiten • Darstellung von Parameterbeziehungen in Listenform und Diagrammen • Ansteuerung von bis zu 10 digitalen und 2 analogen Ausgabekanälen mit beliebiger Rampenform zur Einstellung weiterer Parameter (z.B. Laserleistung, Prozessgas, Polarisation, Strahldurchmesser, etc.) • Diagnoseoberfläche (Galvostatus, -temperatur, etc.) • Softwareseitige Justageanpassung (z.B. Einstellung der Fokusebene auf die Präzessionsebene) Funktionalitäten für die Produktion 3D-Visualisierung des Laserbewegungspfades • Zusätzliche Benutzeroberfläche für den Produktionsbetrieb • Einfache Verwaltung eines oder mehrerer Systeme über eine Software Schrauben-Geometrie mit negativem Konus Ellipse mit Beschriftung Innerer Konus linear, äußerer Konus interpoliert Flexible Geometrie durch Überlagerung von Ellipsen und Kreisen (Baukastenprinzip) • Remote-Steuerung zur Einbindung in die Anlagensteuerung (SPS): Einfaches Protokoll zum Definieren, Auswählen und Ausführen von Jobs (Job-Definition mittels XML inklusive Validierung) und zur Anpassung von Parametern zur Kompensation von Bauteiltoleranzen (z.B. Offsets) precSYS Optionale Ausstattung Strahlaufbereitungseinheit Strahlaufbereitungskomponenten • Anpassung von Strahldurchmesser und Divergenz am Systemeintritt sowie zur Einstellung einer zirkularen Polarisation im Bildfeld • Alternativ als Strahlaufbereitungseinheit mit Gehäuse und Gasspülung 2 Absaugung Eine an die Prozessgasdüsenspitze montierbare optionale Absaugvorrichtung erlaubt den gleichmäßigen Abtransport von Abtragspartikeln aus der Bearbeitungszone. Legende 1 Strahlaufweiter mit Positionierer (x, y, Winkel) 2Polarisationseinheit 3 Gehäuse mit Spülgasanschluss und Schutzgläsern 1 3 Komponenten zur optischen Prozessbeobachtung SCANLAB bietet ein auf das precSYS abgestimmtes Kameraobjektiv mit optionalen Farbfiltern für eine Beobachtungswellenlänge von 880 nm ± 10 nm an (weitere Wellenlängen auf Anfrage). Es können auch andere kundenspezifische Komponenten an der Schnittstelle zur Prozessbeobachtung angebracht werden. Komponenten zur optischen Prozessbeobachtung Feinjustage-Automatik Die werkseitig auf das precSYS vorkalibrierte Strahllagemesseinheit kann zur Kontrolle der Strahllage im System genutzt werden. Überschreitet die Abweichung der Strahllage eine Toleranzgrenze, so kann mit Hilfe der Software die Strahllage in die ursprüngliche Nulllage nachgeregelt werden. Diese Strahllagestabilisierung nahe dem Bearbeitungsfeld minimiert Drift-Einflüsse des kompletten Strahlengangs vom Laser bis zum Werkstück und ermöglicht somit dauerhaft reproduzierbare Bearbeitungsergebnisse ohne aufwändige Einflussanalysen und manuelle Nachjustagen. 1 2 Legende 1Kameraobjektiv, optional mit Farbfilter 2Adapter 3Strahlteiler 4Beobachtungswellenlänge l = 880 nm ± 10 nm 3 4 Feinjustage-Automatik Vorteile: 2 • Strahllageüberwachung mittels Wartungsprogramm • Automatisierte Nachjustage der Strahllage im System per Softwarebefehl (Regelung über die systeminternen Galvo-Achsen) • Unterstützt die Justage des precSYS bei der Inbetriebnahme und im Service-Fall Weitere kundenspezifische Lösungen sind auf Anfrage möglich. 5 1 3 4 Legende 1 fünf Galvo-Achsen 2Strahlteiler 3Objektiv 4Strahllagemesseinheit (softwaregesteuert) 5Laserstrahlengang precSYS 1 100-μm-Bohrungen in Stahl (Eintrittsseite), Bearbeitungsergebnisse verglichen mit einem menschlichen Haar Mit dem precSYS können mit ultrakurzen Laserpulsen besonders feine Bohrungen im Sub-Millimeter Bereich, bei hohen Aspektverhältnissen und bei kurzen Prozesszeiten realisiert werden. 200 µm 2 Einzelbohrung aus Abbildung 1 vergrößert 50 µm 3 Bohrung aus Abbildung 2 vergrößert: grat- und schmelzefreier Bohrungseintritt 20 µm 4 200-µm-Bohrungen in 300 µm Stahldicke (Eintrittsseite), hergestellt durch Werkstückpositionierung mit XY-Verschiebetisch 1 mm 5 200-µm-Bohrungsdurchmesser in Stahl (Austrittsseite) 200 µm Mit dem precSYS können Bahnen mit Schrittweiten von 0,1 µm definiert und abgefahren werden. Der Anstellwinkel kann bei Bedarf um einen Punkt (Durchmesser 0 µm) oder um eine Kreisbahn (Durchmesser > 0 µm) gewählt werden. So können positiv-, negativkonische oder zylindrische Bohrungsverläufe hergestellt werden. Mit dem precSYS können nicht nur 3D-Geometrien, sondern auch 2DMarkierungen gefertigt werden. Neben kreisförmigen oder elliptischen Markierungen können ganz einfach auch Textmarkierungen mit verschiedenen Schriftarten und -größen gesetzt werden (siehe Abbildung 10). Bemerkenswert sind vor allem die mit dem precSYS erzielten 3D-Bearbeitungsergebnisse. Sowohl Bohrungsein- als auch -austritt sind scharfkantig, grat- und schmelzefrei ausführbar. Die Topographie der Innenwände der Strukturen ist glatt und defektfrei (siehe Abbildungen). Abbildung 6 zeigt eine Übersicht von Geometrien, die ideal rund, elliptisch und flexibel geformt sind. Die flexible Geometrie wurde durch die Überlagerung zweier Ellipsen (190 µm lang, 110 µm breit, 300 µm tief) erstellt. precSYS Qualität Flexible Geometrien in 300 µm Stahldicke Die hohe Qualität, Zuverlässigkeit und Industrietauglichkeit der SCANLAB ScanLösungen ist das Ergebnis langjähriger Erfahrung in der Entwicklung und Fertigung von Galvanometer-Scannern und ScanSystemen. Die SCANLAB Scan-Köpfe sind seit vielen Jahren in hohen Stückzahlen weltweit im industriellen Einsatz. Jeder einzelne Scan-Kopf wird erst nach Bestehen des SCANcheck-Dauertests zur Auslieferung freigegeben. (Austrittsseite) 6 500 µm Bildausschnitt aus Abbildung 6: Elliptische 7 Bohrung (190 µm lang, 110 µm breit) Kunden-Service Dieses hochintegrierte System bietet einen produkteigenen Kunden-Service: • Lokale Unterstützung der precSYSInbetriebnahme durch einen erfahrenen Service-Mitarbeiter 100 µm • Vor-Ort-Wartung und -Reparatur • Umfangreiche Schulung für die effiziente Nutzung der Software und Durchführung von Wartungsarbeiten • Durchführung von Software-Updates Bildausschnitt aus Abbildung 6: Flexible Geo- 8 metrie, hergestellt durch Überlagerung von zwei Ellipsen (190 µm lang, 110 µm breit) • Fernwartung und Fehleranalyse (Remote-Schnittstelle) • Telefon-Support durch technischen Service 100 µm 200-μm-Bohrungen in Stahl, verglichen mit 9 einem menschlichen Haar 500 µm Markiermuster für Beschriftungsaufgaben - Buchstaben: Schrifthöhe 0,5 mm; Schriftart SimpleStraight3 - Kreisdurchmesser: 0 mm; 0,1 mm; 0,5 mm; 1,0 mm; 1,5 mm; 2,0 mm; 2,5 mm 10 500 µm precSYS Spezifikationen Wellenlänge Typische Laserpulsenergie 1030 nm, 1064 nm ≤ 250 µJ Typische mittlere Leistung Typische Pulslänge Bearbeitungsfeldgröße (Durchmesser) - Präzisionsbearbeitung - Markierbearbeitung Typischer Eintrittsstrahldurchmesser (1/e2) Typischer Fokusdurchmesser im Bildfeld (1/e2) Minimaler Fokusdurchmesser im Bildfeld (1/e2) Typischer Öffnungswinkel des fokussierten Strahls (voller Winkel, 1/e2) Freie Apertur am Eintritt Objektivbrennweite Effektive Brennweite Achsen Zusätzliche Ausgabekanäle zur Ansteuerung weiterer Parametereinstellungen 50 W 300 fs – 10 ps (z.B. Laserleistung, Prozessgas, Polarisation, Strahldurchmesser, etc.)* Maximaler Fokushub in z-Richtung Maximale Geschwindigkeit in z-Richtung Theoretische Positionsauflösung in z-Richtung Maximaler Anstellwinkel (AOI) Trepanier- bzw. Präzessionsfrequenz Theoretische Positionsauflösung im Bildfeld Wiederholgenauigkeit im Bildfeld Schrittweiteneinstellung des Kreisdurchmessers Theoretische Auflösung des Anstellwinkels Polarisation im Fokus (nach Strahlaufbereitung) Gewicht Abmessungen L x H x T - ohne optional erhältliche Einheiten - mit optional erhältlichen Einheiten 2,5 mm 5 mm 2 mm 20 µm 15 µm 0,08 rad 4 mm 75 mm 25 mm 5 (x, y, z Koordinaten und 2 Anstellwinkel a, b) 10 digitale Ausgabekanäle 2 analoge Ausgabekanäle mit beliebiger Rampenform ± 1,0 mm 10 mm/s 42 nm ± 7,5° ≤ 500 Hz (30.000 U/min) 17 nm 0,5 µm 0,1 µm 2 µrad zirkular ca. 30 kg ca. 360 mm x 335 mm x 300 mm ca. 725 mm x 335 mm x 300 mm (Strahlaufbereitungseinheit und Strahllagesensor für Feinjustage-Automatik) Beobachtungsportwellenlänge Kühlung Spülgas (für optischen Strahlengang) Prozessgas - Maximaler Prozessgasdruck - Prozessgasdüsenöffnung (optional: andere Düsenöffnung nach Bedarf möglich) Wechselschutzglas (für Schnellwechselschublade) 880 nm ± 10 nm (weitere auf Anfrage) Wasser, 25 °C N2 (weitere auf Anfrage) frei wählbar 6 bar 1 mm ja * Einige Systemkomponenten (wie z.B. Laser, elektrisch schaltbare Gasventile, motorisierte Polarisationsplatten, motorisierte Strahlaufweiter) werden von SCANLAB standardmäßig nicht angeboten. Kundenspezifische Lösungen auf Anfrage möglich. Seitenansicht precSYS Strahleintrittsseite 263,5 96 55 76 271 Komponenten zur Prozessüberwachung * 250 tief -9 M4 tief -6 H7 4 xØ 4x 19 31 Strahllagemesseinheit * 111,08 * optional (alle Maße in mm) SCANLAB AG · Siemensstr. 2a · 82178 Puchheim · Deutschland Tel. +49 (89) 800 746-0 · Fax +49 (89) 800 746-199 [email protected] · www.scanlab.de 200 164 Strahleintritt 55,7 +1/-1,4 4,4 Strahlaufbereitungseinheit * 2 49,4 130 1 3x Ø10+0,010/+0,019 2x Ø6,65 9,9±0,5 3±0,3 104 50 SCANLAB America, Inc. · 100 Illinois St · St. Charles, IL 60174 · USA Tel. +1 (630) 797-2044 · Fax +1 (630) 797-2001 [email protected] · www.scanlab-america.com 100,03 92 303,5 4 Ø80 h6 Ø90 h6 Strahlaustritt 12 / 2015 Änderungen vorbehalten. Produktfotos und Abbildungen sind unverbindlich und können Sonderausstattungen enthalten. 209 132
