Vier Hürden bei der Messung von Hochleistungs-Lasern

CNC-Laseranlagen werden in vielen wettbewerbsintensiven Industrien eingesetzt. Die Anforderungen an die automatisierte Technologie und die Erwartungen an die Qualität der damit produzierten Teile ist sehr hoch. Wer die Produktionsgeschwindigkeit hoch aber gleichzeitig seine Ausschussraten niedrig halten möchte, muss den Laserstrahl kontinuierlich messen. Dabei genügt es nicht, sich alleine auf die Messwerte des im Laser integrierten Messgeräts zu verlassen, da es den nachgelagerten Strahlengang nicht berücksichtigt. Aussagekräftig ist nur die Messung des Laserstrahls, wie er auf das Werkstück auftreffen würde. In der automatisierten Fertigung heißt dies ganz konkret, dass idealerweise während des Be- und Entladeprozesses Leistungsmessungen durchgeführt werden. Sie sollten schnell, aber dafür in kurzen Messabständen erfolgen. Der aus den Messungen ermittelte Trend ermöglicht es Fehler im Vorfeld zu erkennen und zu vermeiden. Allerdings stellt es den Anwender durchaus vor einige Herausforderungen, Hochleistungs-Laserstrahlen in einer Produktionsumgebung zu messen:

 

  • Muss der Sensor gekühlt werden?
  • Wie können Service- und Ausfallzeiten des Lasers minimiert werden?
  • Wie schütze ich den Sensor vor Umwelteinflüssen?
  • Wie können Messungen gespeichert und ausgewertet werden?

In dieser Abhandlung beleuchten wir diese Herausforderungen und zeigen auf, wie Helios als industrielles Leistungsmessgerät diese Probleme löst.

Kühlung des Sensors

Es führt kein Weg daran vorbei: Die Laserstrahlung erhitzt den Sensor, und zu viel Wärme beschädigt die Lasermessgeräte. Bisher löste man dieses Problem bei Laserleistungen bis 1100W durch eine Luftkühlung mit einem Gebläse, bei höheren Leistungen setzte man auf die Kühlung des Sensors mit Wasser. Allerdings führt dies unter Umständen zu neuen Problemen: Starke Luftströmungen führen zu unerwünschtem Partikelflug, eine Wasserkühlung benötigt einen Zu- und Ablauf in der Nähe des Bearbeitungsbereichs. Dies ist mit zusätzlichem Installationsaufwand und der Gefahr von Leckagen verbunden, häufig aber auch unmöglich. Darüber hinaus führt die Wasserkühlung in einigen Fällen zur Korrosion und mögliche Kondensation bedarf eines guten Temperaturmanagements. Weitere Informationen, wie Sie diese Korrosion des Sensors trotz Wasserkühlung verhindern können, finden Sie hier.

Helios erfordert weder eine Luft- noch eine Wasserkühlung und ermöglicht damit eine einfache und problemlose Integration in eine automatisierte Laseranlage. Das hier angewandte Messprinzip basiert auf einer sehr kurzen Messdauer, die es ermöglicht, Laserleistungen bis 12 kW ohne Wasserkühlung zu messen.

Ausfallzeiten minimieren

Die Laufzeit von Maschinen zu verlängern, hat in der industriellen Produktion höchste Priorität. Messungen, die Stillstandzeiten verursachen, werden aus diesem Grund gerne vermieden. Allerdings beeinflusst die tatsächlich am Werkstück verfügbare Laserleistung maßgeblich die Qualität von Schweiß- und Schneideanwendungen. Wer auf deren Messungen verzichtet, um Stillstandzeiten zu minimieren, riskiert unerwartete Maschinenausfälle (was noch höhere Ausfallzeiten mit sich bringt), Ausschuss oder sogar beides. 

Mit Wasser kühlen – aber richtig! Helios punktet hier gleich mehrfach:
Es lässt sich direkt in Laseranlagen bzw. Fertigungszellen integrieren, um die Messung der Leistung des gesamten optischen Lasersystems zu automatisieren. Bestimmt wird die Dauer des Messvorgangs durch die Zeit, die benötigt wird, um die Schweiß- oder Schneidoptik über den Helios Sensor zu positionieren plus die Messdauer des Helios, die nur 0,3 bis 4 Sekunden beträgt. Größtenteils lassen sich die Messungen während des Be- und Entladevorgangs durchführen. (Anmerkung: herkömmliche Produkte basieren auf dem kalorimetrischen Verfahren und haben reine Messzeiten größer zehn Sekunden, bei kW-Sensoren sprechen wir von Zeiten größer 20s!) Insgesamt ermöglicht Helios durch die kurze Messdauer die regelmäßige Messung der Laserleistung, wodurch Verschlechterungen sofort erkannt und entsprechende korrigierende Maßnahmen ergriffen werden können.

 

Sauberhalten der Sensoren

In der Produktion entstehen Staub, Dämpfe und Gase. Diese Schmutzpartikel beeinträchtigen jedoch die Funktion des Sensors generell und können zu Beschädigungen des Sensors führen. Aus diesem Grund ist es sehr wichtig, die Oberfläche immer sauber zu halten. Helios ist mit einem Schutzglas ausgestattet und verfügt darüber zusätzlich über einen robusten, motorgesteuerten Deckel aus Metall. Damit wird sichergestellt, dass der Sensor in jeder Umgebung sauber bleibt und auch vor leichten mechanischen Kollisionen geschützt wird.

Industrielle Schnittstellen

Zahlreiche Unternehmen setzen im Zeichen von Industrie 4.0 auf das Konzept der vorausschauenden Wartung. Zusätzlich fordern viele Hersteller von ihren Zulieferern die lückenlose Dokumentation ihrer Fertigungsprozesse. In beiden Fällen müssen die Daten aller Messgeräte vollständig und schnell abgespeichert werden. Industrial Ethernet ist hier ein gebräuchlicher Standard zur Übertragung der Daten. Helios bietet Profinet-, RS232- sowie USB-Schnittstellen. Weitere Industrial Ethernet-Schnittstellen sind in Entwicklung.

Helios in Kürze

  • Einfach und schnell integrierbar
  • Leistungsmessung bis 12 kW
  • Gängige industrielle Schnittstellen
  • Kurze Messzeiten
  • Robustes Gehäuse

Für weitere Informationen über Helios klicken Sie hier