Optische Kohärenztomographie für eine stabilere und sicherere Laserbearbeitung

LASER World of Photonics 2022:

In Laserprozessen führen Abweichungen in den Parametern des Lasers rasch zu schwerwiegenden Fehlern am Bauteil, daher muss idealerweise sofort reagiert werden. Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT aus Aachen hat ein modulares System auf der Basis der Optischen Kohärenztomographie (OCT) entwickelt mit dem sich Abweichungen schon während der Laserbearbeitung aufspüren lassen. Die neuen Möglichkeiten für das Messen und die Datenerfassung im laufenden Prozess stellt das Fraunhofer IPT anhand eines Prototyps auf der Fachmesse »Laser – World of Photonics« vom 26. bis 29. April 2022 in München dem Messepublikum vor.

Die OCT ist ein berührungsloses Messverfahren, das hochauflösende zwei- und dreidimensionale Aufnahmen semitransparenter Materialien liefern kann und ursprünglich für die Augenheilkunde entwickelt wurde. Mit seiner hohen Messfrequenz von mehreren Kilohertz ermöglicht es die OCT aber auch, Oberflächenabstände undurchsichtiger technischer Bauteile äußerst präzise zu vermessen. Damit lässt sich die Beschaffenheit von Werkstückoberflächen während eines laufenden Fertigungsprozesses überprüfen. Gerade für die Laserbearbeitung ist dies besonders vorteilhaft, denn so kann in Echtzeit auf Veränderungen im Prozess reagiert werden. Das OCT-System wird koaxial, in einen gemeinsamen Strahlengang mit dem Laser, in das Bearbeitungsmodul integriert. Der Laser und das OCT-System nutzen eine gemeinsame Optik – jedoch bei unterschiedlichen Wellenlängen. Dadurch können Platz und der Installationsaufwand weiterer teurer Optiken gespart werden und Messungen direkt im Prozess durchgeführt werden.

Mit der OCT zum adaptiven Laserprozess

Das Fraunhofer IPT hat im Projekt »ESSIAL – Electrical Steel Structuring, Insulating and Assembling by means of the Laser Technologies« ein OCT-System modular in ein bestehendes Laserbearbeitungssystem integriert. Da die Optik nicht die Anforderungen beider Systeme gleichermaßen erfüllen kann, wurde sie auf den Laserprozess ausgelegt. Um zu vermeiden, dass das OCT-System während des Bearbeitungsprozesses durch das reflektierte Licht des Lasers Schaden nimmt, integrierten die Aachener Forschenden einen Strahlteiler in das Gesamtsystem. Dieser lenkt das Licht des Lasers ab und schützt so das OCT-Modul. Bei einer Messung trifft der Lichtstrahl des OCT-Systems durch die Optik leicht versetzt zum Bearbeitungslaser auf das Werkstück. Um den Versatz zu korrigieren und den Messprozess des OCT-Systems unabhängig vom Laserprozess zu steuern, integrierten die Forscher zwei Scanner in das Gesamtsystem: Während der erste Scanner genutzt wird, um den Laserprozess zu steuern, lenkt der zweite den Lichtstrahl des OCT-Systems so, dass der Strahlversatz korrigiert wird. Zur Kompensation des Strahlversatzes haben die Fraunhofer-Forschenden ein Korrekturverfahren entwickelt, das seine Korrekturwerte auf Basis der eingesetzten Optiken bestimmt. Auf diese Weise kann die Messung des OCT-Systems unabhängig vom Laserprozess erfolgen. Der Laserbearbeitungsprozess wird durch die Messung nicht beeinflusst und es können beliebig viele Messmuster festgelegt werden.

»Die Weiterentwicklung der maschinenintegrierten OCT ermöglicht es Anwendern und Herstellern von Laseranlagen und Sondermaschinen, vorher nicht verfügbare Prozessdaten zu gewinnen und diese für die Prozessüberwachung, zur Maschinenkalibrierung oder als Datengrundlage für neue Anwendungen mit künstlicher Intelligenz zu nutzen«, erläutert Fabian Zechel, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer IPT.

Einen ersten funktionsfähigen Prototypen des OCT-unterstützten Laserbearbeitungssystems zeigt das Fraunhofer IPT vom 26. bis 29. April auf der Messe »LASER World of Photonics« in München am Gemeinschaftsstand der Fraunhofer-Gesellschaft in Halle A6, Stand 441.

Das EU-Projekt »ESSIAL« wird unter dem Förderkennzeichen 766437 für vier Jahre aus der Fördermaßnahme »EU H2020 RIA FOF-06-2017« der europäischen Kommission gefördert.

Projektpartner

– ESIEE Amiens, Amiens
– Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT, Aachen
– LASEA, Lüttich
– CRM Group, Lüttich
– Jeumont Electronic, Carquefou
– EuraMaterials, Tourcoing
– EREA – Transformers, Wijnegem
– MULTITEL, Mons
– Universidad Carlos III de Madrid, Madrid
– Euronovia, Rueil-Malmaison
– IRT M2P, Metz
– ANDALTEC, Jaén
– Université Picardie Jules Verne (UPJV), Amiens

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Fabian Zechel M.Sc.
Gruppe »Optische Messtechnik und Bildgebende Verfahren«

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT
Steinbachstr. 17
52074 Aachen
Telefon +49 241 8904-543
fabian.zechel@ipt.fraunhofer.de
www.ipt.fraunhofer.de

Weitere Informationen:

https://www.ipt.fraunhofer.de/de/presse/Pressemitteilungen/220330-oct-fuer-eine-…