Lasermaterialbearbeitung: Der Kontur auf der Spur

Die Nutzung moderner Festkörperlaser hat in den letzten Jahren für eine deutliche Steigerung der Bearbeitungsgeschwindigkeiten in der Lasermaterialbearbeitung geführt. Ob mit Scanner oder mit Festoptik, hohe Geschwindigkeiten möglichst noch in verschiedenen Achsen gleichzeitig sind heute schon fast selbstverständlich.

Doch obwohl die Bewegung der Optik genau berechnet wird, kann die Position des Bearbeitungspunkts von der geplanten Kontur abweichen. Ein Prozessüberwachungssystem, das die Relativbewegung von Werkstück und Optik genau verfolgt, schafft hier Abhilfe. Beschleunigungsbedingte Abweichungen von der Soll-Kontur und der Soll-Geschwindigkeit lassen sich damit exakt vermessen und die NC-Steuerung kann entsprechend angepasst werden.

Forscher am Fraunhofer ILT in Aachen haben ein kamerabasiertes System entwickelt, das die Bewegungen des Werkstücks durch die optische Achse des Laserstrahls vor oder während der Bearbeitung analysiert. Dabei spielt es keine Rolle, ob eine Festoptik oder eine Scanneroptik benutzt wird – in beiden Fällen vermisst das System die Bewegung des Bearbeitungspunktes am Werkstück und kann so Abweichungen von der Sollkontur schon beim Einrichten oder während des Prozesses dokumentieren.

Das Prozessüberwachungssystem arbeitet mit Bildfolgefrequenzen von bis zu 10 kHz. In verschiedenen Anwendungen wurden so schon Konturen bei einer Bearbeitungsgeschwindigkeit von bis zu 10 m/min (Festoptik) und bis zu 15 m/s (Scanneroptik) vermessen. Die Abweichung gegenüber einem Referenzsystem war dabei kleiner als 3 cm/min. Die Auswertung der Messdaten erfolgt derzeit noch separat. Mit der gleichen Technologie kann (die technische Voraussetzung ist gegeben) auch eine Echtzeitvermessung erfolgen, die in der Genauigkeitsklasse jedoch noch nicht vollständig spezifiziert ist.

Durch den speziellen Aufbau des Systems gibt es kaum Einschränkungen in der Anwendung. Laserschneiden oder –schweißen, Löten, Bohren, Abtragen, Mikrofügen, SLM und Härten – in allen Fällen ist das System einsetzbar. Für Systemintegratoren und Endanwender gleichermaßen interessant sind die verschiedenen Modi: Einerseits kann das System dem Bearbeitungspunkt beim Einrichten folgen und so eine Korrektur der geplanten Kontur ermöglichen.

Andererseits erlaubt das System auch eine Prozesskontrolle während der Bearbeitung. Hier ermöglicht es nicht nur eine Korrektur der Bearbeitungskontur sondern auch eine Steuerung der Laserleistung, um bei verschiedenen Geschwindigkeiten des Laserspots einen gleichmäßigen Energieeintrag zu gewährleisten. Gerade bei der Bearbeitung dünner Materialien ist das ein kritischer Faktor. Somit können bestehende Prozesse optimiert und neue Prozesse ermöglicht werden.

Die Spezialisten am Fraunhofer ILT bieten neben Applikationsversuchen einen vollen Support für die Integration des Prozessüberwachungssystems in die Systeme ihrer Kunden. Dazu gehört nicht nur die Kalibrierung des Systems sondern auch eine Anpassung an die Optik beim Kunden.

Das System wird auf der LASER World of Photonics in München vom 23. bis 26. Mai 2011 auf dem Fraunhofer-Gemeinschaftsstand (Halle C2, Stand 330) vorgestellt.

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