Innovative Messtechnik Bringt Industrial Am Auf Neue Ebene

Reichenbacher setzt auf Ophir BeamPeek Messsystem

Die metallverarbeitende Industrie verändert sich. Additive Fertigungsmethoden eröffnen – auch in Kombination mit spanenden Verfahren – effizientere Prozesse und innovative Konstruktionen. Die Reichenbacher Hamuel GmbH erkannte das Potential. In kürzester Zeit gelang es dem Unternehmen, industrielle additive Fertigungsanlagen basierend auf dem Laser-Pulverbettverfahren zu entwickeln. Entscheidenden Einfluss hat dabei die geeignete Messtechnik: Das Unternehmen setzt in Forschung und Entwicklung wie auch in Qualitätssicherung und Wartung auf das kompakte Ophir BeamPeek System zur Strahlanalyse und Leistungsmessung von MKS Instruments. Die schnelle und einfache Handhabung des Systems überzeugte das Team ebenso wie die umfangreichen Messoptionen.

Kundenspezifische Additive Fertigungsanlagen
Weltweit bekannt ist Reichenbacher vor allem für hochwertige 5-Achs-CNC-Bearbeitungszentren, die im Flugzeug-, Automobil-, Schiff- und Schienenfahrzeugbau ebenso eingesetzt werden, wie in der holzverarbeitenden Industrie oder bei Herstellern von Bauteilen aus Aluminium, Kunststoff oder Verbundwerkstoffen. Im Bereich Metallverarbeitung ergänzte das zur SCHERDELGruppe gehörende Unternehmen das Portfolio um die Konstruktion und Produktion großformatiger, industrieller additiver Fertigungsanlagen. Gemeinsam mit erfahrenen Partnern realisiert das Unternehmen kundenindividuelle Anlagen, die die gesamte Prozesskette der laserbasierenden Pulverbettfertigung (Laser Powder Bed Fusion – LPBF) integrieren. Die Parameter des Laserstrahls in jedem Entwicklungsschritt zu kennen und zu prüfen, erwies sich als essenziell, wie Dr. Alexander Kawalla-Nam, Leiter des Bereichs Additive Fertigung bei Reichenbacher erklärt: "Laseranlagen der additiven Fertigung sind sehr komplex. Gerade unsere großformatigen Systeme mit mehreren Laserquellen müssen optimal eingestellt werden, um die Fertigungsqualität zu sichern. Wir suchten deshalb ein Messgerät für den gesamten Lebenszyklus unserer Produkte, von der Entwicklung bis zur Wartung,"

Anwendung ohne Umbauten
Das Reichenbacher Team stellte zunächst die Anforderungen an das gesuchte Messgerät zusammen. In Hinblick auf den Funktionsumfang ging es dem Maschinenbauer um die Messung einzelner Strahlparameter wie Strahldurchmesser, Position, Strahlform sowie Leistung und Leistungsdichte, aber auch um die Darstellung der Strahlkaustik, also die Darstellung des Strahls von der Bearbeitungsoptik zum Fokus und anschließender Aufweitung. Ebenso wichtig war dem Team aber auch die einfache Handhabung des Systems: "Wir arbeiten mit feinem Metallpulver in räumlich begrenzten Baukammern, eine Wasser- oder Luftkühlung wollten wir unbedingt vermeiden, um die Nutzung - auch für die Servicetechniker - so einfach als möglich zu gestalten", erläutert Lukas Gahn, Entwicklungs- und Applikationsingenieur bei Reichenbacher.

Innovation zum idealen Zeitpunkt
Das Team startete eine Marktanalyse und evaluierte verschiedene Messgeräte in der Anwendung. MKS Instruments stellte in dieser Phase das Ophir BeamPeek Analysesystem vor, das speziell für die Anforderungen der additiven Fertigung entwickelt wurde. Für Dr. Kawalla-Nam ein ideales Timing: "Das BeamPeek System sprach uns auf Anhieb an: Es ist kompakt und benötigt weder Wasser- noch Luftkühlung. Eine teilautomatisierte Analysesoftware ermöglicht uns die Berechnung von Strahlkaustikparametern und die grafische Darstellung der Kaustik bezogen auf die Bauebene in der AM-Kammer. Wir erhielten als Betatester die Möglichkeit, dem Entwicklungsteam Vorschläge zur Optimierung weiterzugeben." Das innovative Messgerät nutzt ein patentiertes Konzept zur Absorption der anfallenden Laserleistung basierend auf austauschbaren Kühleinschüben. Ausfallzeiten zwischen Messungen werden damit vermieden, ohne dass im Bauraum Wasser oder aktive Lüfter verwendet werden müssen. Das BeamPeek System eignet sich damit ideal zur Messung der Laser in den Reichenbacher LPBF-Anlagen. In nur wenigen Sekunden liefert es Strahlprofil, Fokusanalyse und Leistungsmessung sowie die Strahlkaustik.

Flexibilität spart Zeit und Geld
Additive Fertigungsanlagen von Reichenbacher werden nach den Anforderungen der Kunden individuell gebaut und sind auch in Hinblick auf das verwendete Material offene Systeme. Um die verschiedenen Laserquellen, Optiken und Materialien optimal aufeinander einzustellen, müssen die Strahlparameter immer wieder gemessen und verglichen werden. In der AMS 800 mit einem Bauvolumen von 800 x 800 x 500 mm und der AMS 400 mit einem Bauvolumen von 400 x 400 x 500 mm, arbeiten immerhin vier Faserlaser mit einer Laserleistung von jeweils 1 kW zusammen an einem Druckjob. Nur, wenn alle Lasersysteme exakt den Vorgaben entsprechen, kann die Fertigungsqualität des produzierten Bauteils gewährleistet werden.

Abb. 1 – 2: Messungen des Ophir BeamPeek Systems werden direkt an die BeamPeek Software auf dem Laptop außerhalb der Kammer (während der aktiven Messung ist die Kammer normalerweise geschlossen) übertragen. Das Ophir Ariel Messgerät (Abb. 2 in der Mitte) zeigt die Ergebnisse auf dem Display an oder überträgt die Daten z.B. über Bluetooth.

Schon während des Entwicklungsprozesses nutzt das Team das Ophir Messgerät regelmäßig: "Da wir den Kunden freie Hand lassen bei der Wahl des Pulvers, variiert auch die verwendete Laserquelle. Sowohl bei der Evaluierung der Laserquellen als auch bei der Konfiguration des Laseraufbaus liefert uns das BeamPeek System sehr schnell alle relevanten Parameter. Wir sparen damit wertvolle Entwicklungszeit", berichtet Dr. Kawalla-Nam.

Fehlerquellen schnell finden
Entscheidende Hinweise leistet das Strahlanalysesystem auch, wenn es um die Fehlersuche geht, wie das folgende Beispiel zeigt: Nach einer Optimierungsmaßnahme am Schutzglas für die optischen Systeme einer Anlage führte das Team eine Kontrollmessung mit dem BeamPeek System durch. Grundsätzlich sollten mit der Messung die Strahlparameter des Laserstrahls nach dem Umbau erfasst werden, um anhand eines Vorher-Nachher-Vergleichs den Erfolg der Optimierung zu verifizieren.

Gemessen wurden sowohl der Laserstrahldurchmesser in verschiedenen Ebenen als auch die Laserleistung in der Fokusebene. Hier zeigten sich unerklärliche Abweichungen in den Messwerten. Der Grund wurde bei der Betrachtung der Strahlform schnell klar: Sie war auf Fokusebene plötzlich elliptisch. Nach Überprüfung der optischen Komponenten konnte dies auf eine Verunreinigung auf der Oberseite des Schutzglases (von der Baukammer aus nicht zugänglich) zurückgeführt werden. Nachdem das verunreinigte Schutzglas ausgebaut und gereinigt wurde, zeigte eine neue Kontrollmessung nach dem Wiedereinsetzen des Schutzglases einen nahezu runden Laserstrahl in der Fokusebene über den gesamten Leistungsbereich zwischen 80W-1000W (siehe Abbildungen 3 und 4).

Abb. 3 links: Ein verunreinigtes Schutzglas führt zu einem elliptischen Strahl

Abb. 4 rechts: Nach der Reinigung des Schutzglases zeigt sich der Strahl rund und symmetrisch.

Figure 3: A contaminated protective glass results in an elliptical beam.

Figure 4: After cleaning the glass, the beam is round and symmetrical.

Abb. 5 – 6: Reichenbacher implementiert maßgeschneiderte Systeme, die die gesamte Prozesskette des Laser-Pulverbett-Fusionsverfahrens (LPBF) integrieren Ophir Messgeräte sind der Schlüssel, um in der gesamten Prozesskette eine hohe Produktqualität zu erzielen.

Partnerschaft mit Zukunft
Die Messung der Laserstrahlen auf der Bauebene ist für das Team um Dr. Kawalla-Nam essenziell. Strahlform, Laserleistung und die Strahlkaustik sind zentrale Parameter, um die Qualität der Anlage und damit auch die Fertigungsqualität zu sichern. Wenn es einzig um die Laserleistungsmessung geht, setzt das Team auch das noch kompaktere Ophir Ariel Leistungsmessgerät ein. In der Mehrzahl der Fälle greift Lukas Gahn am Ende doch zum BeamPeek System: "Ophir Ariel ist top, wenn es um die reine Messung der Laserleistung geht. Da wir meist an der Strahlkaustik interessiert sind, entscheiden wir uns häufiger zu einer Messung mit dem BeamPeek System. Auch hier dauert der Messaufbau nur Minuten und die Messung selbst nur Sekunden."