Nachhaltigkeit in Laserfertigungsprozessen steigern

Laser werden in vielfältigen Fertigungsprozessen eingesetzt, und in den letzten Jahren ist das Spektrum zunehmend breiter geworden. Ob VCSELs in Sensortechnik, blaue und grüne Laser für das Schweißen von Batteriezellen, leistungsstarke Faserlaser in der additiven Fertigung oder Quantenkaskadenlaser in der Medizintechnik – Lasertechnologie revolutioniert derzeit zahlreiche Branchen. Doch eines sticht hervor – selbst in modernen Produktionsanlagen wird die Möglichkeit, laserbasierte Prozesse durch Messen des Lasersystems selbst nachhaltiger zu gestalten, oft vernachlässigt.

Es gibt viele neue Technologien und Instrumente, die zu erhöhter Produktionsqualität in laserbasierten Prozessen beitragen, während sie Dokumentation vereinfachen und Ressourcen schonen. Heute ist es sogar möglich, den gesamten Strahlengang mit zykluszeitneutralen, vollautomatisierten Messungen während des sehr kurzen Ladens einer Roboterzelle oder in einer abgedichteten Baukammer in der additiven Fertigung zu charakterisieren.

Ein Paradoxon mit Risiken

Jahrelang gab es den hartnäckigen Glauben, dass ein Laserstrahl per se „wartungsfrei“ sei, da er sich als Werkzeug nie „abnutzt“. Auch jetzt gibt es noch Unternehmen, die in hochmoderne Produktionsanlagen investieren, aber den Laser viel zu selten und mit veralteter Messtechnik messen. Die Realität ist, dass Laserprozesse sich im Laufe der Zeit ändern. Menschen in der Industrie beginnen zu erkennen, wie wichtig es ist, den fokussierten Laserstrahl zu prüfen. Zusätzlich zu steigenden Anforderungen an Bauteilqualität und dem wirtschaftlichen Druck, dem viele Unternehmen ausgesetzt sind, wird Nachhaltigkeit zu einem entscheidenden Entscheidungsfaktor. Hier sollten Lasertechnologie und Umweltbewusstsein Hand in Hand gehen. Die Ziele sind eindeutig:

• Kein Ausschuss;
• Reduzierter Materialverbrauch;
• Geringerer Energieverbrauch;
• Minimierung von Nacharbeit.

Beim Design von Prozessen muss eines beachtet werden: Ein Laser funktioniert nur so gut wie seine Strahlführung. Und seine eingebauten Komponenten nutzen sich ab und verschmutzen im Laufe der Zeit. Dies bewirkt oft entweder, dass der Fokusdurchmesser insgesamt größer wird oder die Fokusposition sich verschiebt, was ebenfalls zu einem größeren Strahldurchmesser führt. In jedem Fall verringert dies die Leistungsdichte auf der Verarbeitungsebene. Wenn diese Änderungen unbemerkt bleiben, entstehen zusätzliche Kosten – Materialverschwendung in defekten Teilen und/oder Zeit- und Arbeitsaufwand für die Fehlersuche. Um die Prozessänderung ohne tatsächliche Behebung der Ursache zu kompensieren, greifen Anwender auf Reduzierung der Verarbeitungsgeschwindigkeit und/oder Erhöhung der Laserleistung zurück. Beides führt zu höherem Energie- und Prozessgasverbrauch. Mit anderen Worten … nicht etwas, was jemand will oder sich heutzutage leisten kann!

Fokusqualität und Stückkosten

Um die Nachhaltigkeit des Laserprozesses zu erhöhen, kann man an ein paar verschiedenen Einstiegspunkten ansetzen. Erstens ist es paramount zu wissen, wie sich der Strahlfokus insgesamt verhält und wie Änderungen in Laserleistung und Fokusposition den Prozess beeinflussen. Diese Untersuchungen werden normalerweise während der Entwicklung durchgeführt.

Sobald der Laserprozess in Betrieb genommen wird, kann eine Messung zeigen, ob der Laser in der Produktionsumgebung noch so funktioniert wie in der Entwicklung. Während der Betrieb fortgesetzt wird, umfassen wesentliche Wartungsaufgaben das Prüfen der optischen Linsen und Schutzfenster – und deren Austausch bei Bedarf. Wenn Fehler und Ausschuss auftreten, wird empfohlen, eine klare Messstrategie zu haben, die definiert, wie man das Lasersystem schnell wieder zum Laufen bringt.

Das folgende Vorgehen liefert meist gute Ergebnisse:

1. Strahlausrichtung an der Schneiddüse prüfen (falls relevant).
2. Schutzfenster austauschen.
3. Strahlweg-Ausrichtung prüfen.
4. Laser-Ausgangsstrahl auf Leistung und Strahlprofil prüfen.

Die zentralen zu messenden Parameter sind Laserleistung, Fokusdurchmesser, Fokusposition (x, y, z), Fokusverschiebung, Strahlprofil und Divergenz, Strahlqualität M² sowie BPP (Strahlparameterprodukt). Allerdings sollte die Frage, welche Messtechnik zu verwenden ist, nicht ausschließlich basierend auf der Laserleistung entschieden werden; es ist essenziell, auch die Laserleistungsdichte zu kennen.

Laserleistungsdichte ist definiert als Leistung pro Flächeneinheit (Watt/cm²). Eine Änderung des Fokusdurchmessers – beispielsweise aufgrund eines falsch gekühlten Linses oder eines verschmutzten Schutzfensters – übt einen direkten Einfluss auf die Leistungsdichte des Laserstrahls aus und kann mehrere Folgen haben:

• Die Vorschubgeschwindigkeit muss möglicherweise reduziert werden.
• Die Qualität des bearbeiteten Teils im Schneid- oder Schweißprozess kann leiden.
• Produktionszeiten und Stromverbrauch können steigen, ebenso wie der Bedarf an teuren Prozessgasen.
• Die wärmebeeinflusste Zone (HAZ) wird größer, was mehr Nachbearbeitung wie Richten, Entgraten oder Polieren erfordert. Unter bestimmten Umständen kann ein unentdeckter Qualitätsverlust zu verminderter Festigkeit führen – ein Defekt, der, einmal erkannt, zu kostspieligen Rückrufen führen kann.

Diese technischen Effekte schlagen sich unvermeidlich erheblich auf Kosten und Nachhaltigkeit nieder. Je größer die Abweichung in der Strahlqualität am Bearbeitungspunkt, desto mehr wird für Energie und Prozessgase ausgegeben.

Effiziente Leistungsmessung

Auch bei diesen klaren Korrelationen behaupten Kritiker oft, dass die Messung des Laserstrahls zu teuer und die Instrumente zu fragil seien. Aber neue Technologien sind verfügbar, die optimal an industrielle Anwendungen angepasst sind.

MKS Instruments hat beispielsweise kürzlich ein neues Leistungsmessgerät eingeführt, das nicht nur einen breiten Bereich von Laseranwendungen abdeckt, sondern auch recht klein, kompakt und robust ist. Der Ophir Ariel bestimmt Laserleistung bis zu 8 kW basierend auf einer schnellen Messung der Energie. Selbst im Continuous-Wave-Betrieb können Leistungspegel bis zu 500 W gemessen werden. Verschiedene Wellenlängenbereiche – 440-550 nm, 900-1100 nm, 10,6 µm und 2,94 µm – können mit einem Gerät kalibriert und gemessen werden. Der mitgelieferte Diffusor kann einfach angebracht werden, sodass das Instrument auch mit hohen Leistungsdichten funktioniert, wie bei kleinem Strahldurchmesser.

Angesichts der Arten industrieller Umgebungen, in denen Lasermessung eingesetzt wird, muss das Systemdesign robust sein; vorzugsweise stoßfest, staubdicht und spritzwassergeschützt; ohne Notwendigkeit für Wasserkühlung oder Luftkühlung. Dies ermöglicht Messungen in geschlossenen Baukammern, wie oft in der additiven Fertigung oder Roboterzellen nötig. Messwerte sollten per Bluetooth über eine App oder auf einem PC lesbar sein und direkt auf einem hochauflösenden Display angezeigt werden. Alternativ können sie im internen Speicher gespeichert und über eine USB-C-Schnittstelle übertragen werden. Entwickler, Bediener und Servicetechniker können einen ersten Eindruck der Prozessqualität erhalten, indem sie die Laserleistung mit solchen kompakten Instrumenten schnell bestimmen.

Automatisierte Prozesse

Für Leistungsmessung in automatisierten Laserproduktionssystemen gibt es auch kompakte und robuste Systeme, die ohne Wasserkühlung auskommen. Solche Systeme messen den Laserstrahl schnell und zuverlässig und übertragen die Daten über eine geeignete Netzwerkschnittstelle an ein zentrales Datenspeichersystem. Solche Systeme beinhalten ein Standard-RS232-Interface. Modernere Systeme, wie der Ophir Helios Plus, haben auch ein Profinet- oder Ethernet/IP-Interface. Mit einer thermischen Messmethode können solche Geräte Laserleistungen bis zu 10 kW oder mehr in wenigen Sekunden bestimmen.

Selbst in sehr komplexen Prozessen, wie dem Schweißen von Batteriepacks oder der Herstellung einer Brennstoffzelle, kann die proaktive Messung der Laserleistung sowohl schnell als auch präzise sein. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die Messung der Laserleistung nur einen ersten Einblick in komplexere Prozesse gibt.

Um zuverlässige Schlussfolgerungen über die Laserstrahl-Kaustik zu ziehen, benötigt man entweder ein kamerabasiertes Messsystem oder eine berührungslose Messmethode. Abbildung 3 links zeigt ein kamerabasiertes Messgerät, das entlang der Z-Achse bewegt werden muss, um die Fokusposition mittels der bestimmten Strahlprofile zu finden. Schnelle Änderungen der Fokusposition sind daher schwer zu detektieren. Rechts ist eine schematische Darstellung einer berührungslosen Messtechnologie, die zeigt, dass die Kaustik des gesamten Strahls auf einmal aufgezeichnet wird. Hier zeigt sich eine Änderung der Fokusposition sofort und ist in Raum und Zeit aufgelöst.

Besonders im Bereich der automatisierten Fertigung erweist sich die berührungslose Messung des Laserstrahls als vielversprechend. In sensiblen Bereichen wie der Getriebe- oder Batteriepackfertigung kombinieren neue Produkte mehrere Messmethoden in einem System. Im Ophir BeamWatch Integrated System können beispielsweise Strahlkaustiken mit berührungsloser Messtechnologie aufgezeichnet werden; ein wassergekühlter Messkopf für Hochleistungslaser bestimmt die Laserleistung; und die Messdaten werden über integrierte Interfaces (Profinet, Ethernet/IP, CC-Link, GigE) an das Produktionsnetzwerk weitergegeben. Verschiedene Schweißköpfe und Parameter können ebenfalls getestet werden. Durch Erfassung des Strahls mit Video-Frameraten kann Fokusverschiebung in near real-time detektiert werden, wie in Abbildung 4 gezeigt. Hier war ein verschmutztes Schutzfenster die Ursache für die Fokusverschiebung.

Größere Nachhaltigkeit

Lasersysteme sind zentral für eine Vielzahl komplexer Fertigungsprozesse. Dank neuer Innovationen in Messtechnologien haben Hersteller und Anwender nun eine breite Palette von Optionen für die proaktive Messung des Laserstrahls. Zentrale Laserparameter können schnell und präzise aufgezeichnet und angepasst werden. Dies stellt sicher, dass der Prozess unter optimalen Bedingungen läuft, dass keine zusätzlichen Kosten durch verschwendete Energie und Materialien entstehen und dass die gefertigten Produkte den höchsten Qualitätsanforderungen entsprechen. Messtechnik für den Laser trägt somit signifikant zu nachhaltiger Produktion bei.

Dieser Artikel wurde von Christian Dini, Director Business Development, Ophir (North Logan, UT) verfasst. Für weitere Informationen besuchen Sie hier.