激光车削：复杂医疗零件的突破性工具

本视频演示激光车削工作原理。来源：GFH GmbH

在精密加工行业，激光除零件标记和雕刻外鲜有突出作用，但已被添加到瑞士型车床上切割管材，主要用于医疗应用。激光在该类机床上对套管料创建微孔、槽、螺旋、螺旋形状、窗口等复杂几何特征很有用。

现在，新技术使用激光作为切削刀具从实心棒料"车削"零件。该工艺由德国公司GFH GmbH开发，用非接触激光替代传统车刀，利用超短激光脉冲汽化材料，能耗低于传统车削方法。面向美国客户的GL.smart高速精密车削机特别适合微加工，为小型复杂零件提供高精度，这些零件通常精细脆弱，用传统车削工艺难以加工。

"得益于非接触材料去除，工件在整个加工过程中保持无力无变形，"GFH CEO Florian Lendner解释。"这意味着即使极薄精细部件也无精度损失。"

该机还将单一激光源分束输送至两个独立加工头，可同时车削、铣削、钻削和雕刻两个零件。结构上，想象一台双主轴、双工作台立式铣床，每工位均具备车削和五轴加工能力。

非接触加工

机床核心是二极管泵浦固体激光器，在工件上输送皮秒或飞秒脉冲。这种"按需脉冲"技术可调节材料热输入，降低工件过热风险。因此无张力或零件变形。公司称此工艺非常适合极硬和脆性材料制造的零件。

高功率激光配合分束技术实现双工位同步加工。图片来源：GFH GmbH

虽然二极管泵浦激光器是GL.smart标准配置，但根据客户需求，GFH可提供不同波长、功率或脉宽的激光源。利用这些超快超短激光脉冲，粗加工去除尽可能多材料。精加工时用较低激光能量达成最终质量。

激光束可指向零件中心或切向，取决于操作。例如，零件有固定直径需车削时，激光束切向打击材料。但若仅在整个直径上加工特定区域（如打孔），激光束打击材料中点。

激光单次通过可车削/去除的材料深度范围取决于材料和车削工艺本身。切向去除时，精加工到粗加工范围为1微米至200微米；激光束指向中心时，范围为0.1微米至10微米（精加工到粗加工）。

加工后，成品零件由操作员手动从夹紧系统取出，或掉入加工区下方容器收集。为清除机内蚀除材料，GL.smart配备吸尘系统收集气溶胶和粉尘。

"智能"能力

据GFH称，供应医疗和钟表行业的机床车间将特别受益于GL.smart的微加工能力。例如，机床可生产微型工具如镊子、微刀片和植入物，以及钟表机芯用摆轮。

GL.smart能力多样，从医疗微工具如镊子、微刀片以及钟表机芯用摆轮。图片来源：GFH GmbH

激光车削机执行车削、钻削、切割和雕刻操作，高速高精度，几乎可加工任何材料。机床还提供组合加工

以及两个C轴工装工位并行加工，生产率翻倍。

得益于五轴运动，所有操作可一次装夹完成。因此工件可雕刻、切割、钻削或结构化，无需重新夹紧。

气浮主轴件配备转矩驱动，可用于分度/定位零件，0.4秒内转速达3,500 rpm。纳米级径向和轴向同心度实现磨削级公差生产。机床还提供力控张紧夹头系统。GL.smart紧凑占地2,212毫米（长）×1,026毫米（宽）×2,320毫米（高），黑色玻璃外壳提供激光辐射防护。

机床最多提供16个同步轴，由自研GL.control系统控制。每工位（两工位共用Z轴；Y轴各自独立）可配主轴（X和A轴）和旋转单元（X、B和C轴）。剩余三轴置于光学盒进行光束操控。

CNC控制激光精度

使用GFH开发的GL.control软件编程和控制，机床计算机数控（CNC）由一台仅负责数控软件的计算机和另一台负责操作软件的单元组成。CNC集成CAD/CAM功能及所有子系统。GL.smart快速可编程逻辑控制器（PLC）专为激光加工设计，提供激光实时控制访问，使激光可在全轴运动范围内以40纳米精度开启。

为零件创建切削CAD/CAM程序的过程包括：

1. 上传3D文件到机床软件
2. 选择所有待生成几何特征
3. 生成激光加工G代码
4. 编辑材料特定参数
5. 上传到PLC
6. 启动加工任务

据Lendner介绍，为新型零件设置激光车削机，难易取决于毛坯尺寸。"若毛坯尺寸相同，只需更改软件设置即可创建新设计，"他说。"若是新毛坯尺寸，光学设置和夹紧系统也须更改。"机床接受直径达12毫米、长度达2米的毛坯。

定制机床构建

GFH为GL.smart提供众多附件和选项，帮助用户为特定应用构建定制机床。选项包括自动化、监控和质量保证配件。

GL.smart激光车削机提供非接触去除。这意味着即使极薄精细部件也无精度损失。图片来源：GFH GmbH

鉴于机床车间自动化日益普及且常为必需，GL.smart可选配六轴机器人工件搬运系统和送料器。实施此选项提供无人值守加工机会。

激光车削机其他选项包括作为对向主轴的旋转摆动单元，以及短车削或长车削设计，或两者兼备。夹头和零件导向器设置决定机床是短车削还是长车削设计。

GFH为GL.smart提供以下可通过GL.control轻松编程的设备选项：

低振动激光束：GL.beam包含机床内从激光到工艺光学的完整光路。激光按制造商低振动运行规格安装对齐在花岗岩基座上。

精密夹紧系统：为重复零件夹紧，机床可配备Erowa的GL.clamp精密夹紧系统。应要求也可提供其他制造商夹紧系统或真空夹紧装置。

监控和光束调整模式：激光系统可通过GL.om3和GL.om4操作模式扩展。操作模式3用于过程监控，操作模式4用于光束调整。

扫描系统：为精密生产零件或深雕刻，机床可配备称为GL.scan的扫描系统。通过两个振镜定位激光束在工件上。

光学测量系统：光学测量系统GL.vision便于激光下零件定位，也提供显微镜分辨率的光学测量可能性。

固定光学模块：GL.optifix模块为激光钻削、精密切割和烧蚀提供固定光学。光学部件无运动组件，将定位误差降至轴系统精度。

距离模块：GL.distance模块适用于微钻削和精密切割的最高精度要求。加工前可记录和修正零件表面偏差和公差。

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