Laserschweißen von Designerbrillen

Damit der österreichischen Premium-Brillenherstellers Silhouette seine Brillengestelle modisch gestalten kann, werden flexible Fertigungsmethoden wie das Laserschweißen eingesetzt. Erst damit kann das 1964 gegründete Unterernehmen seinen Ansatz, dass eine Brille nicht nur ein praktischer Sehbehelf, sondern vielmehr ein Accessoire für besseres Sehen und Aussehen ist, umsetzen. Mit moderen Produktionsverfahren entstehen so innovative Designs. Silhouette International integriert dazu neue Fertigungstechniken in die Produktion. Laserschweißsysteme von Coherent sind dabei eine Schlüsseltechnologie für die Produktion einiger Designs des Unternehmens.

„Individuelles Brillendesign ist unsere oberste Priorität, denn wir wollen einzigartige Brillen herstellen, die sich dem Gesicht des Trägers harmonisch anpassen“, fasst CEO Dr. Thomas Windischbauer die Designphilosophie von Silhouette zusammen. Aus diesem Ansatz ergeben sich bestimmte gestalterische Vorgaben. Dazu gehören die Forderung nach leichter Anpassbarkeit an die individuellen Bedürfnisse der Träger sowie die Verwendung von Materialien, die Leichtigkeit und Flexibilität, aber auch Stabilität gewährleisten. Seit 2017 fertigt Silhouette auch eigene Gläser im so genannten Lens Lab, einem extra errichteten Gebäude auf dem Werksgelände. Fassung und Glas werden am Firmenstandort in Linz mit höchsten technischen Ansprüchen gefertigt und für die Brillenkollektionen maßgeschneidert.

Wegweisend für das Unternehmen wurde das Jahr 1999: Die nur 1,8 g leichte Silhouette „Titan Minimal Art“ (TMA), die erste schrauben- und scharnierlose Brille, gefertigt aus Titan, revolutionierte den Brillenmarkt und wurde zur Erfolgsgeschichte. Über 12 Millionen Stück wurden seit der Einführung vor 20 Jahren mittlerweile weltweit verkauft.

Seit 2000 ist die Titan Minimal Art von Silhouette für die Raumfahrt zertifiziert. Das Fehlen von Schrauben und Scharnieren garantiert unabdingbare Sicherheit, indem die Gefahr von freischwebenden Gegenständen innerhalb von Raumhelmen, Atemschutzgeräten sowie innerhalb des Raumfahrzeugs selbst auf ein Minimum reduziert wird. Bis heute war die TMA auf über 30 Missionen ins All ein treuer Begleiter von Astronauten.

Seit der Einführung der TMA hat Silhouette dieses scharnierlose Konzept auch auf viele andere Designs übertragen. Aus fertigungstechnischer Sicht ergeben sich daraus unterschiedliche Herausforderungen. Zum einen besteht die Notwendigkeit, eine Vielzahl von Materialien zu verbinden, einschließlich Titan und anderer Speziallegierungen. Zum anderen gilt es, ästhetisch ansprechende Verbindungen herzustellen – also Verbindungen, die optisch nicht erkennbar sind oder keine spürbare Veränderung der Textur bewirken. Schließlich müssen die Verbindungen eine ausgezeichnete Flexibilität und hohe Festigkeit bieten, damit sie unzählige Male auf- und zugeklappt werden können.

Vor dem Hintergrund dieser Anforderungen und der Nachfrage nach mehreren neuen Kollektionen pro Jahr war Silhouette auf der Suche nach einem Partner, der sowohl bei der Entwicklung der Fertigungsprozesse unterstützen als auch die eigentliche Produktionsanlage bereitstellen kann. Schon früh war zudem klar, dass man vom traditionellen Widerstands- zum Laserschweißen übergehen musste.

Coherent erwies sich hierbei als geeigneter Partner, da das Unternehmen die Laserquelle und alle damit verbundenen Optomechaniken, das Teilehandling sowie die Software in einem Paket gesamtverantwortlich konstruieren, bauen und liefern konnte. Außerdem konnte Coherent seine Laser- und Applikationskompetenz in die Entwicklung des Prozesses einbringen.

Zunächst erwarb Silhouette manuelle Laserschweißsysteme von Coherent für den Prototypenbau und die Reparatur. Der Erfolg beim Einsatz dieser Systeme führte zum Kauf der MPS Rotary (Modular Processing System), einem Laserschweißsystem, das speziell an die Bedürfnisse von Silhouette angepasst wurde.

Die MPS Rotary ist ein automatisiertes, schlüsselfertiges System zum Schweißen, Schneiden und Bohren von Metall, in diesem Fall mit einer Coherent 200 W Faserlaserquelle (Star Fiber 200). Die Kombination aus Scanner-Optik und Y-Achse ermöglicht variable Arbeitsfelder. Das System selbst ist zur Sicherheit des Bedieners vollständig abgeschlossen (Laser der Klasse I). Es verfügt über einen geschweißten Stahlgrundrahmen und ist dennoch relativ kompakt. Verschiedene Optionen, einschließlich integrierter Bildverarbeitung, sind verfügbar. Die Be- und Entladung von Teilen erfolgt während der Bearbeitung über einen Rundschalttisch. Die benutzerfreundliche Software ermöglicht die Nutzung des Systems durch Bediener mit geringer Qualifikation und Schulung. So erkennt das System beispielsweise automatisch die Art des bestückten Teils und ruft das richtige Bearbeitungsprogramm auf. Silhouette-Ingenieure ändern in der Regel täglich Parameter, um spezifische Produktionsanforderungen zu erfüllen. Silhouette betreibt das System fünf Tage in der Woche in zwei Schichten am Tag.

Aus wirtschaftlicher Sicht war der Wechsel vom Widerstands- zum Laserschweißen ein Erfolg, der zu einer Gesamtkosteneinsparung von 80 Prozent führte. Das Laserschweißen erwies sich als gut automatisierbar und ermöglichte eine Steigerung des Produktionsdurchsatzes – teilweise durch verkürzte Rüstzeiten. Mit Coherents MPS Rotary konnten die Werkzeug- und Fertigungskosten gesenkt werden, da mehrere Prozessschritte in einer Maschine durchgeführt werden, was deutliche Vorteile bei der Energieeinsparung, Nachhaltigkeit und Produktivität zur Folge hat. Ebenso wichtig ist die hohe Schweißqualität; die Schweißteile selbst weisen aufgrund der geringeren Wärmeeinbringung in das Bauteil hohe Festigkeit auf und die Elastizität der Schweißverbindung ist besser. Die MPS Rotary erlaubt es Silhouette, schnell neue Designs in der Produktion umzusetzen, somit dem vierteljährlichen Verkaufszyklus nachzukommen und begrenzte Losgrößen (typischerweise 150 - 300 Stück) effizient zu produzieren.

„Auch wenn wir immer bestrebt sind, noch einzigartigere und modischere Designs zu entwickeln, bleibt der Tragekomfort oberstes Gebot“, betont David Illitz, Prozessleiter Rohteilfertigung. „Das stellt uns vor technische Herausforderungen in Bezug auf die Materialbeschränkungen. Das Laserschweißen, das hochpräzise und sehr reproduzierbare Ergebnisse liefert, war ein wesentlicher Faktor dafür, dass wir diese hochmodernen Konstruktionen erfolgreich in die Produktion bringen konnten. Die Flexibilität der Laserbearbeitung gibt uns zudem die Gewissheit, dass wir diesen Ansatz noch viele Jahre lang nutzen können. Vor allem die enorme Vielseitigkeit des MPS Rotary-Systems stellt sicher, dass wir alles, was unsere Konstrukteure kreieren, kostengünstig in die Produktion bringen können.“

Ein weiterer wichtiger Vorteil ist die SmartWeld-TM-Technologie von Coherent, die in der MPS Rotary verbaut ist. Smart Weld beinhaltet eine fortschrittliche Umsetzung des sogenannten Beam-wobble-Schweißen, das heißt die schnelle Bewegung des Strahls über das Werkstück während des Schweißprozesses. Insbesondere kann der Strahl, anstatt sich nur entlang einer Schweißnaht zu bewegen, kreisförmige, elliptische oder sogar Zickzackmuster umsetzen und Bewegungen sowohl entlang als auch senkrecht zur Schweißnaht ausführen. Diese Muster lassen sich mit der integrierten Software einfach in das MPS Rotary-System einprogrammieren.

Smart Weld ermöglicht Schweißungen mit höherer Qualität und besserer Reproduzierbarkeit, da die Strahlbewegung eine flexible und präzise Steuerung der vom Laser erzeugten Wärmeverteilung erlaubt. So kann beispielsweise ein relativ großes Smart-Weld-Muster verwendet werden, um das Material vor der vollständigen Verflüssigung vorzuwärmen oder es nach dem Schmelzen langsam abzukühlen. Ersteres verhindert Blasenbildung und Turbulenzen im Schmelzbad, die zu Spritzern und inkonsistenten Ergebnissen führen. Letzteres verhindert Risse beim Abkühlen des Materials. SmartWeld ermöglicht es zudem, die normale Gaußsche Verteilung mit einem Intensitätsmaximum in der Mitte der angewandten Laserenergie zu verändern. Eine Verringerung der effektiven Intensität in der Mitte des Lasermusters kann Turbulenzen im Schmelzbad reduzieren, indem eine kontrolliertere Dampfausdehnung ermöglicht wird, was wiederum zu einer verbesserten Prozesskonstanz führt. Für all diese Optionen kann Silhouette auf Coherents großen Erfahrungsschatz bezüglich der Optimierung des Smart-Weld-Technologie für verschiedene Materialien und Schweißgeometrien zurückgreifen.

Ein weiterer Vorteil von Smart Weld ist die Überbrückung größerer Spaltbreiten bei den zu verschweißenden Bauteilen. Reduzierte Toleranzanforderungen für die Passgenauigkeit beschleunigen die Produktion und senken die Kosten.

„Silhouette produziert derzeit rund 2,2 Millionen Brillen pro Jahr“, berichtet Illitz. „Wir brauchen Produktionsanlagen, die dieses Volumen unterstützen und die die Qualität liefern, die wir brauchen, um wettbewerbsfähig bleiben. Darüber hinaus müssen unsere Produktionsmethoden flexibel genug sein, um unseren schnellen und unerbittlichen Designzyklus zu unterstützen, der eine Voraussetzung für den Markterfolg ist. Die MPS Rotary hat sich in all diesen Bereichen bewährt. Und ebenso wichtig: Coherent hat stets mit uns zusammengearbeitet und das Anwendungs- und Prozess-Knowhow zur Verfügung gestellt, das erforderlich ist, um die Möglichkeiten der Maschine voll auszuschöpfen.“

Wolfgang Illich, Thomas Schreiner