Auf den Punkt

Fokus

Hochwertige Lasersysteme werden bis zur Inbetriebnahme meist detailliert geprüft. Während des produktiven Einsatzes hingegen wird auf engmaschige Messungen häufig verzichtet. Dabei schlummert hier – sowohl wirtschaftlich als auch ökologisch – ein enormes Optimierungspotential.

06. Oktober 2016

Die Produktionsprozesse insbesondere in der Fertigungsindustrie wurden in den letzten Jahrzehnten stetig optimiert und automatisiert. In vielen Bereichen ersetzen Lasersysteme mechanische Werkzeuge – sie verschleißen nicht und erfordern deutlich weniger Wartungsaufwand. Trotz aller Vorteile lohnt es sich jedoch in mehrfacher Hinsicht, die Qualität des Lasers auch im produktiven Einsatz mit reproduzierbaren Messmethoden zu prüfen. Empirische Messverfahren, die noch immer häufig eingesetzt werden, liefern keine präzisen und standardisierten Ergebnisse. Dabei liegen gerade in der Lasermesstechnik Sieg und Niederlage nahe beieinander. Wer es schafft, seine Laseranlage optimal zu betreiben, sichert sich qualitativ hochwertige Bauteile bei maximaler Kosteneffizienz. Doch selbst minimale Abweichungen in Strahljustage oder Fokuslage bewirken massive Kostensteigerungen und belasten die Umwelt in vielfacher Hinsicht.

Kleine Abweichung – gravierende Konsequenzen

Als Schlüsselparameter gilt in den meisten Laseranwendungen die Verteilung der Leistungs- und Energiedichte im Strahl, sie entscheidet über dessen Wirksamkeit beim Auftreffen auf das Material. Ermittelt wird sie aus der emittierten Leistung oder Energie geteilt durch die Querschnittsfläche im Strahlfokus. Je höher die Leistungs- beziehungsweise Energiedichte im Fokus, desto effizienter arbeitet der Laser.

Fokusverschiebungen wirken sich dabei besonders stark aus: Verdoppelt sich der Fokusdurchmesser im Laufe des Prozesses, sinkt die Leistungsdichte auf ein Viertel des Sollwertes ab. Eine geringere Leistungsdichte schlägt wiederum in verschiedener Hinsicht zu Buche:

• Die Verfahrgeschwindigkeit muss reduziert werden.

 

• Die Qualität des im Schneid- oder Schweißprozess bearbeiteten Werkstücks sinkt.

 

• Die Produktionszeiten erhöhen sich, der Stromverbrauch steigt ebenso wie der Bedarf an teuren Prozessgasen.

 

• Die Wärmeeeinflusszone (WEZ) wird größer, so dass häufiger Nachbearbeitungen wie Richten, Entgraten oder Polieren notwendig sind. Die Produktqualität kann unter Umständen unerkannt sinken, so dass erst im Nachhinein Festigkeitseinbußen festgestellt werden, die im ungünstigen Fall zu teuren Rückrufen führen können.

Insbesondere der höhere Verbrauch an Prozessgasen sollte weder in der wirtschaftlichen noch in der ökologischen Gesamtbilanz vernachlässigt werden. Um Prozessgase wie Argon zu gewinnen, muss viel Energie aufgewendet werden, was sich negativ auf Nachhaltigkeit und Einkaufspreise auswirkt. Gleichzeitig führt ein höherer Verbrauch von Prozessgasen auch dazu, dass mehr Prozessnebenprodukte – sowohl gasförmig als auch in Partikelform – ausgeschleudert werden, die wiederum die Optiken verschmutzen wodurch als Folge die Strahlqualität weiter sinkt.

Gleichbleibende Laserqualität ist eine Illusion

Laser arbeiten verschleißfrei und bieten enorme Vorteile – Messungen der wesentlichen Qualitätsparameter sind dennoch unerlässlich. Thermische Effekte der Optiken sind grundsätzlich ein Thema und werden mit zunehmenden Alter und Verschmutzung der Optiken in ihrer Auswirkung stärker. Aber auch bei Neugeräten können beispielsweise Justagefehler zu einem vergrößerten Fokusdurchmesser führen.

Mit aktueller Messtechnik lässt sich das zeitliche Verhalten der Strahltaille in Abhängigkeit von der Laserleistung direkt darstellen. Eine neue, berührungslose Messmethode von Ophir Spiricon erlaubt es außerdem erstmals, den kompletten Produktionszyklus einer Schweißung oder eines Trennschnitts zu simulieren und den Laserstrahl dabei unter Prozessbedingungen zu überprüfen. Eine Verschiebung des Strahlfokus im Laufe des Prozesses durch thermische Effekte nach dem Einschalten kann sofort festgestellt und notwendige Änderungen können sofort veranlasst und deren Wirkung nachkontrolliert werden. Die Qualität des Laserprozesses kann damit auf konstant hohem Niveau gehalten werden, gleichzeitig lassen sich alle Informationen auch zentral abspeichern.

Berührungslose Strahlprofilmessung

Beamwatch von Ophir Spiricon erfasst mit einer Kamera die Rayleigh-Streuung des fokussierten Strahls und liefert ein genaues Bild der Strahlkaustik. Dadurch, dass das Messgerät nicht vom Strahl getroffen wird, lassen sich selbst bei 100-kW-Lasern innerhalb weniger Sekunden präzise Messungen durchführen, ohne eine zusätzliche Wasserkühlung oder bewegliche Teile zu benötigen. Das System enthält eine Software für den Lasertechniker, die relevante Messwerte sofort anzeigt und zeitlich aufgelöst darstellt. Ferner bietet Beamwatch optional auch eine vereinfachte Bedienoberfläche, die Gut/Schlecht-Bewertungen grün und rot signalisiert, wenn Schlüsselparameter außerhalb eines zuvor vom Anwender definierten Grenzbereichs liegen. Lasersysteme lassen sich damit in regelmäßigen Abständen schnell – die reine Messdauer liegt unter einer Sekunde – prüfen.

Kosten senken und CO2-Footprint reduzieren

Das Beste aus allen Welten: Wer den Laserfokus im Griff hat, spart Zeit, Geld und erhält das bessere Ergebnis bei gleichzeitiger Minimierung negativer Umwelteinflüsse weit über den eigentlichen Laserprozess hinaus. Hightech, Wettbewerbsfähigkeit und Umweltschutz schließen einander nicht aus, sondern ergeben sich als Konsequenz.

Euroblech Halle 11, Stand J94

Hintergrund

Ophir Optronics, 1976 gegründet, ist heute ein weltweit führender Anbieter von Präzisions-Infrarot-Komponenten und Lasermessgeräten. Der Hauptsitz von Ophir Optronics befindet sich in Jerusalem. Die Laser Measurement Group wurde 1978 gegründet und bietet eine umfassende Instrumentenpalette von Leistungs- und Energiemessgeräten über Strahlmessgeräte bis zu Spektralanalysatoren an. Im Januar 2006 übernahm Ophir mit der amerikanischen Spiricon Group sowie der deutschen Schwesterfirma Spiricon GmbH einen führenden Hersteller von Strahlanalysegeräten und gilt heute als weltgrößter Hersteller auf diesem Gebiet.

Erschienen in Ausgabe: 06/2016