Fraunhofer ILT Lasermaterialbearbeitung: Der Kontur auf der Spur

Ein Prozessüberwachungssystem, das die Relativbewegung von Werkstück und Optik genau verfolgt, vermisst beschleunigungsbedingte Abweichungen von der Soll-Kontur und der Soll-Geschwindigkeit.
Ein Prozessüberwachungssystem, das die Relativbewegung von Werkstück und Optik genau verfolgt, vermisst beschleunigungsbedingte Abweichungen von der Soll-Kontur und der Soll-Geschwindigkeit.

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT haben ein System zur Prozessüberwachung entwickelt, das Ort und Geschwindigkeit des Laserstrahl-Bearbeitungspunktes auf der Oberfläche exakt vermessen kann. So lassen sich Abweichungen von der Soll-Kontur und von der Soll-Geschwindigkeit minimieren. Das System ist einsetzbar, z. B. beim Laserschneiden, Löten, Bohren, Abtragen oder Mikrofügen.

Der Einsatz 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 lässt sich entsprechend anpassen.

Ein solches kamerabasiertes System haben die Forscher des Fraunhofer ILT jetzt entwickelt. Es analysiert die Bewegungen des Werkstücks durch die optische Achse des Laserstrahls vor oder während der Bearbeitung. »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«, schildert Christoph Franz, Fraunhofer ILT.   

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 auch eine Echtzeitvermessung erfolgen, die in der Genauigkeitsklasse jedoch noch nicht vollständig spezifiziert ist. Durch den Aufbau des Systems gebe es kaum Einschränkungen in der Anwendung, wie Franz betont: »Laserschneiden oder –schweißen, Löten, Bohren, Abtragen, Mikrofügen 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 lassen sich bestehende Prozesse optimieren und neue Prozesse ermöglichen«, so Franz. Die Spezialisten des Fraunhofer ILT bieten neben Applikationsversuchen auch Unterstützung für die Integration des Prozessüberwachungssystems in die Kunden-Systeme. Dazu gehört nicht nur die Kalibrierung sondern auch eine Anpassung an die Optik.