»Aus der Streitaxt ist ein Hochleistungsskalpell geworden.«

Mark Gitin, Senior Vice President und Geschäftsführer der Light & Motion-Sparte von MKS Instruments, und Christian Dini, Director Global Business Development von Ophir, sind sich einig: Beim Laser ist noch Luft nach oben – zuverlässige Messtechnik für den Laserstrahl kann in der Prozessoptimierung helfen.

05. Juni 2019
»Aus der Streitaxt ist ein Hochleistungsskalpell  geworden.«
(© bbr)

Ein Schwerpunkt der Laser World of Photonics liegt in diesem Jahr auf Lasern für Industrie 4.0. Worin sehen Sie die wichtigsten Neuentwicklungen der Branche?

Mark Gitin: Der Trend von Big Data und Datenanalysen hält an, und so gibt Industrie 4.0 auch im Laser- und Photonikmarkt die Richtung vor. Industrie 4.0 hat bekanntermaßen ihren Ursprung in Deutschland, die Bundesregierung betonte die ›Computerisierung der Fertigung‹.

Die Unternehmen erwarten die Fähigkeit, die Daten, die Laser und die zugehörigen Sensoren liefern, zu speichern und auszuwerten, um die Prozesse anschließend entsprechend beeinflussen zu können. Wir sehen, dass die Datenanalyse die Leistungsfähigkeit von Lasern weiter steigert, aber auch zu neuen Laserarten und anderen photonischen Systemen führt und weiter führen wird.

Christian Dini: Um das Potenzial voll auszuschöpfen, muss man sich bewusst sein, dass es in Laserprozessen nicht ausreicht, vordefinierte Laserparameter zu dokumentieren oder sich auf die stichprobenartige Qualitätsprüfung der fertigen Produkte zu konzentrieren. Sobald es um Qualitätskontrolle und Industrie 4.0 in Laseranwendungen geht, spielt der fokussierte Strahl eine zentrale Rolle. Die Datenpunkte der Laserquelle sind für die Digitalisierung zwar wichtig, das eigentliche Werkzeug ist aber der fokussierte Strahl. Er muss überwacht werden, um fehlerhafte Teile zu vermeiden. Eine große Herausforderung ist hier die massiv gestiegene Leistungsdichte der Laser.

Früher wurde mit wenigen Kilowatt und einem Millimeter Strahldurchmesser gearbeitet – heute mit zehn Kilowatt und wenigen Hundert Mikrometer Strahldurchmesser. Lapidar ausgedrückt: Aus der mittelalterlichen Streitaxt ist ein Hochleistungsskalpell geworden. Dieses Hochleistungsskalpell – den fokussierten Strahl – auf der Bearbeitungsebene zu messen, ist insbesondere bei den Leistungsdichten eine große Herausforderung. Fehlt diese Prüfung jedoch, stellen die Unternehmen beispielsweise erst bei einer Schweißnahtprüfung fest, dass fehlerhafte Teile produziert wurden. Das wird dann teuer.

Höhere Laserleistungen und Industrie 4.0 – wie hat sich MKS darauf vorbereitet?

Mark Gitin: Wir haben sowohl unsere Laser als auch die zugehörige Messtechnik mit Schnittstellen und entsprechenden Datenanalysetools für vorausschauende Instandhaltung, Fernwartung und Optimierung der Produktion ausgestattet.

»Der günstigere Preis pro Watt treibt die breitere Anwendung von Lasern in der Fertigung voran.«

— Mark Gitin

Da wir sehr eng mit der Industrie zusammenarbeiten, sind wir am Puls der Zeit, um unseren Kunden durch kontinuierliche Innovation beim Lösen komplexer Probleme zu unterstützen.

Christian Dini: Die Marke Ophir entwickelt seit mehr als 40 Jahren Lasermesstechnik. Wir sind in der Lage, Laser mit wenigen Femtowatt bis hinauf auf mehr als hundert Kilowatt Leistung zu messen. Zur Anbindung unserer Messtechnik an Industrienetzwerke haben wir einerseits eigene Schnittstellenadapter wie den EA-1 entwickelt und andererseits gängige Schnittstellen bei Neuentwicklungen integriert. In puncto höherer Leistungen haben wir vor rund fünf Jahren ›Beam Watch‹ entwickelt. Das Messsystem arbeitet völlig berührungslos, damit kann es den Fokus eines Lasers ohne Leistungsbeschränkung nach oben in Echtzeit abbilden. Das ist einzigartig. Das Messprinzip ist ähnlich zu dem einer Kamera: Wir nehmen sozusagen einen Film vom fokussierten Laserstrahl nach Strahlführung und Bearbeitungsoptik auf.

Welche Vorteile hat der Anwender von der berührungslosen Messtechnik?

Christian Dini: Das Strahlprofilanalyse-System Beam Watch liefert Messungen in Videorate, damit lässt sich erstmals auch die Fokuslagenabweichung darstellen. Zudem macht es Unternehmen frei von Leistungsbeschränkungen. Selbst Laser mit 100 Kilowatt lassen sich problemlos vermessen. Gleichzeitig ist die Integrität der Daten sehr hoch, da es berührungslos misst und keine bewegten Teile in dem Gerät verbaut sind. Es kann demzufolge nichts verschleißen. Bei berührenden Messmitteln erfolgt dagegen immer eine direkte Interaktion zwischen dem hochenergetischen Strahl und dem hochsensiblen Sensor, der mit der Zeit beeinträchtigt wird. Deswegen müssen solche Sensoren häufig kalibriert und häufiger repariert werden. Das ist bei Beam Watch nicht nötig.

Insgesamt ermöglicht das Beam-Watch-Strahlprofilanalyse-System drei Dinge: Erstens kann der Laserprozess kontrolliert und gesteuert werden, bevor Probleme auftreten. Zweitens lassen sich die Ergebnisse entsprechend dokumentieren. Drittens können Ressourcen und Lebenszyklen optimiert werden. Heute werden beispielsweise Schutzfenster bei Laseranlagen prophylaktisch ausgetauscht – man richtet sich nach Erfahrungswerten. Die industrielle Lasertechnik ist bald 60 Jahre alt und man hat sich an gewisse Dinge gewöhnt. Die müssen aber nicht mehr akzeptiert werden. Mit Beam Watch können Komponenten so lange wie möglich benutzt werden. Es gibt beim Laser ein großes Potenzial an Einsparmöglichkeiten von Ressourcen, würde man die Laseranlage in ihrem optimalen Betriebspunkt betreiben.

Einen Laserstrahl berührungslos zu messen, klingt recht abstrakt. Wie präzise arbeitet ein solches Messgerät?

Christian Dini: Man muss zwischen Wiederholgenauigkeit und absoluter Genauigkeit unterscheiden. Die Wiederholgenauigkeit von Beam Watch ist im Promillebereich. Die absolute Genauigkeit richtet sich nach der ISO-Norm. Allerdings ist die ISO-Norm viel älter als das berührungslose Messen, es wurde demzufolge im Standard noch gar nicht berücksichtigt. Um dennoch eine verlässliche Aussage treffen zu können, haben wir Beam Watch mit traditionellen Messsystemen verglichen, die der ISO-Norm entsprechen: Ein und derselbe Strahl wurde mit einer hochauflösenden CCD-Kamera mit Beam-Gage-Analysesoftware, einem schlitzbasierenden Messgerät sowie Beam Watch und Beam Watch AM – einer speziellen Produktvariante für die additive Fertigung – vermessen. Die gute Nachricht: Wir hatten bei der absoluten Genauigkeit eine maximale Abweichung einzelner Werte von 3,7 Prozent. Das ist quasi nichts. Wir halten mit Beam Watch also den ISO-Standard ein.

Stellt sich die Frage nach der Automatisierung und Anbindung an Datenspeicher. Eignen sich die berührungslos arbeitenden Messgeräte denn zur Einbindung in automatisierte Fertigungsprozesse?

Mark Gitin: Die einfache Antwort lautet ja. Unser Produkt ›Beam Watch Integrated‹ misst nicht nur den Fokus von Lasern für die Materialbearbeitung, wie etwa bei Schweiß- oder Schneidprozessen in der Automobilindustrie, im Schwermaschinen- und im Vorrichtungsbau berührungslos und in Echtzeit. Es bietet darüber hinaus auch eine Profinet- oder GigE-Schnittstelle, um die Daten direkt zu speichern.

War Beam Watch Integrated eine Eigenentwicklung oder kam der Impuls von außen?

Christian Dini: Wir sind vor etwa dreieinhalb Jahren von einem namhaften Automobilhersteller angesprochen worden. Unsere Beam-Watch-Technologie sollte in der Getriebefertigung ein anderes Messgerät ersetzen, um den Laserstrahl für eine Tiefenschweißnaht zu kontrollieren. Getriebe sind bereits ein paar Stunden nach der Fertigstellung verbaut, die Schweißnähte sind hochbelastet und funktionsrelevant. Deshalb ist der Anspruch sowohl an die Messtechnik als auch an die Dokumentation der Ergebnisse sehr hoch. Das bis dahin eingesetzte Messgerät war unhandlich, sodass nur in größeren Zeitabständen gemessen werden konnte. Basierend auf den Anforderungen des Herstellers entwickelten wir für den automatisierten Prozess Beam Watch Integrated. Heute wird vor und nach jedem Teil automatisch gemessen, und alle Daten werden gespeichert und stehen zur Analyse zur Verfügung.

Wie funktioniert die Lösung?

Christian Dini: Wir haben das Beam-Watch-Strahlprofilanalyse-System mit einer Profinet-Schnittstelle versehen, damit die Sensorik in einer vernetzten Umgebung kommunizieren kann. Ein Leistungssensor misst die Laserleistung und dient gleichzeitig als Strahlfalle. Messungen können schnell durchgeführt werden, und die Informationsdichte von Beam Watch Integrated ist unglaublich hoch.

»Der Laser ist bald 60 Jahre alt und man hat sich an gewisse Dinge gewöhnt. Die müssen aber nicht akzeptiert werden.«

— Christian Dini

Der Kunde kann frei konfigurieren, welche Messwerte und Reports ausgespielt werden sollen. Für das Bedienpersonal werden Gut/Schlecht-Ergebnisse direkt angezeigt, für die Prozessexperten werden Fokusshift, Strahlqualität, Divergenz und viele weitere Parameter detailliert ausgewertet und gespeichert.

In der Automobilindustrie beobachten wir gerade einen großen Umbruch. Wie beurteilen Sie die Auswirkungen auf die Lasermesstechnik-Sparte?

Christian Dini: Auf der einen Seite geht es in der Automobilindustrie natürlich um Ressourcenschonung. Die Fahrzeugstrukturen müssen leichter werden. Um geringere Wandstärken mit hoher Festigkeit zu erreichen, werden hochfeste Stähle mit Leichtmetallen kombiniert. Weil das Verschweißen von Aluminium mit Stahl sehr anspruchsvoll ist, ist hier präzise Messtechnik gefragt. Darüber hinaus lassen sich Leichtbaustrukturen mit additiver Fertigung umsetzen. Für Pulverbettanlagen haben wir mit Beam Watch AM ein Messgerät entwickelt, das ebenfalls auf der berührungslosen Technologie basiert und einfach im Bauraum auf der Bearbeitungsebene platziert werden kann. Im Leichtbau wird momentan viel geforscht und entwickelt, und in dem Umfeld können wir gut gedeihen. Auf der anderen Seite geht es um Elektromobilität. Der Druck nachzuziehen ist enorm. Denn Tesla hat gezeigt: Wenn man sich traut, geht was. Generell profitieren wir von der Umstellung auf Elektromobilität. Denn die Automobilisten müssen Neuland betreten und in neue Prozesse investieren. Die Motivation, in diesem Bereich keine Fehler zu machen und sich abzusichern, ist extrem hoch. Vor allem in der Batteriefertigung kommt der Lasermesstechnik eine große Bedeutung zu.

Sie sprechen die Batterieproduktion an. Wo genau werden hier Laser eingesetzt?

Christian Dini: Eine Batterie besteht aus bis zu 7.000 Zellen. Um die Zellen zu verbinden, sind allein in der Batterie rund 14.000 Schweißnähte erforderlich, die mit dem Laser erzeugt werden. Diese Schweißnähte müssen makellos sein. Andernfalls kann die Zelle überhitzen und zu brennen anfangen, und Lithium-Akkus lassen sich nur schwer löschen.

Außerdem kommt noch das Verschweißen der Hair-Pins im Motor dazu. Das sind pro Motor schon mal 200 Stück. Auch die müssen perfekt geschweißt werden, damit der Motor nicht im Wirkungsgrad reduziert wird.

Haben Sie für diesen Anwendungsfall Produkte entwickelt, die heute schon im Einsatz sind?

Christian Dini: Wir haben ein Messgerät entwickelt, das in der Batteriefertigung großen Gefallen findet. ›Helios‹ misst industrielle Hochleistungslaser bis zu einer Leistung von zwölf Kilowatt, indem es innerhalb einer kurzen Bestrahldauer den Puls erfasst und daraus die Leistung errechnet. Die kompakte Lösung erfordert keine zusätzliche Kühlung, kann Schwellwerte ausgeben und voll automatisiert betrieben werden. Dank einer Profinet-Schnittstelle lässt sie sich einfach an eine Roboterzelle anbinden und die Messdaten können gespeichert werden. Für eine schnelle Laserleistungsmessung mit moderatem finanziellem Einsatz ist Helios perfekt. Wird eine detailliertere Darstellung mit weiteren Parametern gewünscht, bietet sich auch hier Beam Watch an. Die beiden Messsysteme können auch parallel eingesetzt werden. Helios ist sozusagen ein guter Indikator und Beam Watch ein klarer Fingerzeig bei Problemen.

Werfen wir einen Blick voraus: Wie wird sich die Materialbearbeitung in den nächsten zwei bis drei Jahren verändern?

Mark Gitin: Seit der Einführung des Lasers besteht der Knackpunkt darin, dass der Einsatz von Lasern kostspielig ist. Bis dato griffen die Hersteller lieber auf günstigere Alternativen zurück, sofern dies möglich war. Doch die Kosten-Nutzen-Verhältnisse der Laser werden immer attraktiver. Das sieht man an den Neuentwicklungen von MKS – wie beim Spectra-Physics-Nanosekunden-UV-Laser ›Talon‹ und bei dem Pikosekunden-UV-Laser ›Icefyre‹ –, aber auch an anderen industriellen Laserarten. Der günstigere Preis pro Watt treibt die breitere Anwendung in der Fertigung voran. Zudem beflügeln Industrie 4.0, Cloud-Computing sowie Remote-Zugriff und -Sicherheit die Kreativität der Industrie und verschieben die Grenzen des Machbaren immer weiter. Betrachtet man die Stellung von MKS in der Materialbearbeitung, werden wir hier eine treibende Kraft sein. Unser Konzept ›Rund um das Werkstück‹, das wir auf der Laser World of Photonics anschaulich zeigen werden, macht deutlich, dass wir in der Industrie einzigartig positioniert sind, um unsere Kunden bei der Lösung ihrer Aufgaben zu unterstützen.

Christian Dini: Im Maschinenbau werden die Anforderungen weiter steigen. Hersteller werden mehr und noch bessere Anlagen in kürzerer Zeit bauen müssen, der Grad der Automatisierung steigt weiter und komplexe Materialkombinationen erfordern neue Prozesse. Dieser Spannungsbogen ist nur mit intelligenter Messtechnik zu schaffen. Im Automobilbau wird sich zudem durch die Elektromobilität vieles verändern. Und da sehen wir einen Platz für uns. Wir decken mit unserer Messtechnik alle Strahlquellen ab. Die Erfahrung zeigt: Wenn den Herstellern erst einmal klar ist, was für einen Hebel sie mit der berührungslosen Messtechnik an die Hand bekommen, nutzen sie diesen auch intensiv.

Hedwig Unterhitzenberger www.mksinst.com www.ophiropt.com

Erschienen in Ausgabe: 04/2019

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