Verflixte Fokusdrift: Wer sie beherrscht, spart

Industrielle Lasersysteme mit sehr hohen Leistungen sind wertvolle Werkzeuge in der Materialverarbeitung. Ihre Spitzenleistung dauerhaft zu erhalten und den Prozess damit zu optimieren, maximiert den Durchsatz, reduziert die Stillstandzeiten und spart damit bares Geld. Erzielt werden kann dies nur, wenn die wesentlichen Kenngrößen des gesamten Systems ‒ darunter seine Ausgangsleistung, die Fokusgröße und die Fokuslage ‒ regelmäßig gemessen und langfristig überprüft werden.

 

Fokusverschiebung
Die Fokuslage eines Laserstrahls wird durch thermische Effekte an Laserkomponenten und der Strahlführung insbesondere an durchlässigen Optiken wie Linsen oder Schutzgläsern beeinflusst. Sobald diese sich verschiebt, während die Entfernung zwischen Fokussieroptik und Material gleich bleibt, ändert sich die Leistungsdichte und damit auch das Verhalten des Materials unter dem Einfluss des Laserstrahls. Um Qualitätseinbußen auszuschließen, ist es gerade in industriellen Laseranwendungen entscheidend, die Fokuslage im Verhältnis zu dem zu bearbeitenden Material genau zu kennen.

 

Die Leistungs- oder Energiedichte eines Laserstrahls gibt an, wie viel Leistung (Dauerstrich oder Durchschnittsleistung) oder Energie (gepulste Laser) sich auf eine bestimmte Fläche konzentriert. Beispielsweise erreicht ein Laser mit einer Leistung von 4000 W eine Leistungsdichte von ungefähr 51 Megawatt pro cm², wenn er auf eine Fokusgröße von 100 μm gebracht wird. Die vom Laser erzielte Leistungsdichte entscheidet darüber, wie das zu bearbeitende Material interagiert. Bei einem größeren Fokusdurchmesser reduziert sich bei gleicher Leistung die Schneid- oder Schweißgeschwindigkeit und die unerwünschte Wärmeeinflusszone wird üblicherweise größer. Ein doppelt so großer Fokusdurchmesser liefert bei gleicher Leistung nur ein Viertel der Leistungsdichte.

 

Um über die Zeit einen gleichmäßigen Prozess sicherzustellen, müssen die wesentlichen Laserparameter regelmäßig überwacht werden. Dem würden sicher auch die meisten Anwender im Bereich der Lasertechnik zustimmen. Und doch: Der Ruf des Faserlasers, einen qualitativ hochwertigen Strahl zu produzieren, wiegt viele Nutzer in trügerischer Sicherheit. Sie sind der Meinung, eine kontinuierliche Prozesskontrolle sei nach der Inbetriebnahme des Lasers nicht mehr erforderlich.

 

Fakt ist jedoch, dass der Laser aus verschiedenen Materialien besteht, deren Eigenschaften sich mit der Zeit verschlechtern. Hinzu kommen Verunreinigungen durch die Laserprozesse selbst: Beim Schmelzen von Metall entstehen beispielsweise Metallpartikel oder Dämpfe, die sich trotz dem Einsatz von Schutzgasen und von der Optik weg gerichteten Strömungen nicht komplett von denselben fernhalten lassen. Sie beanspruchen diese stark, und verändern die optischen Eigenschaften des Lasersystems im Laufe der Nutzung. In kürzester Zeit können sie die Effizienz eines Lasers signifikant reduzieren. Nur konsequente Routinen zur Prozessüberwachung ermöglichen es dem Anwender vorherzusehen, wann eine Wartung durchgeführt werden muss, um den Qualitätsstandard des Prozesses zu sichern.

 

Laserleistungsmessung
Aus dieser Problematik leiten sich vielfältige Anforderungen der Anwender an die Leistungsmessgeräte ab:

  • einfache Installation in Produktionszellen
  • direkte Integration in industrielle Netzwerke
  • Schutz vor Verunreinigung durch Partikel und Schwebeteilchen bei Nichtbetrieb
  • einfache Wartung und Kalibrierung

 

Mittlerweile kann der Markt diese Anforderungen erfüllen: Auf der LASYS 2016 stellt Ophir Spiricon mit HELIOS einen kompakten Leistungsmesser vor, der speziell für die Anforderungen der Automatisierungstechnik entwickelt wurde. Er misst Leistungen bis 12 kW und kann direkt über PROFINET in industrielle Netzwerke integriert werden.

Die Laserleistung zu messen, ist der erste Schritt, um Beeinträchtigungen beispielsweise in Folge von verunreinigten Optiken zu erkennen und zu verhindern. Um die Leistungsdichte am Material konstant zu halten, muss darüber hinaus die Verschiebung der Fokuslage bekannt sein. Die Messtechnik-Hersteller verfolgen zwei Methoden, um die Größe und Lage des Strahlfokus in Abhängigkeit zum Prozesskopf zu ermitteln:


Abb. 1: Das kompakte Leistungsmessgerät HELIOS wird von Ophir Spiricon erstmals auf der LASYS gezeigt.

Strahlmessung im Fokus
Bei der Strahlprofilmessung mit einem Schlitz-basierten Messgerät wird ein dem Fotosensor vorgelagerter schmaler Schlitz durch den zu analysierenden Laserstrahl bewegt. Das durch den Schlitz fallende Licht induziert im Detektor einen elektrischen Strom. Dadurch, dass der Schlitz durch den gesamten Strahl fährt, lassen sich wichtige Informationen wie Strahlbreite, Strahlposition, Strahlqualität etc. ablesen. Ein großer Vorteil dieser Messmethode besteht darin, dass auch hohe Leistungsdichten gemessen werden können, da der Laserstrahl nur inkrementell auf den Sensor trifft. Schlitz-basierte Messgeräte können direkt im Strahlfokus platziert werden und stellen den Laserstrahl bis zu einer Laserleistung stellen den Laserstrahl bis zu einer Laserleistung von ca. 1.000 Watt (abhängig vom Fokusdurchmesser) dar. Der Anwender des Lasers kann schnell und einfach erkennen, ob der Strahl den geforderten Durchmesser hat bzw. ob er sich im Lauf der Zeit verändert. Gleichzeitig lässt sich anhand der Messwerte die optimale Distanz zwischen dem Lasersystem und dem zu bearbeitenden Material ermitteln.


Abb. 2: Darstellung eines Schlitz-basierten Messgeräts.
Schlitz-basierte Strahlprofilmessungen erweisen sich insbesondere in der Medizintechnik als nützlich. Messungen der Fokusgröße sind hier während der Anwendungsentwicklung, der Inbetriebnahme und der kontinuierlichen Prozessüberwachung zum Teil gesetzlich vorgeschrieben. Da der Zugang zum Strahlengang nach der Integration häufig aufgrund der physikalischen Gegebenheiten stark eingeschränkt ist, muss die Leistungsmessung im Fokus erfolgen. Die Schlitz-basierten Profilmesser sind in der Regel sehr kompakt und erfordern keine Abschwächung, dadurch eignen sie sich ideal zur Vermessung des Fokus bei Dauerstrich- oder gepulsten Lasern mit hoher Repetitionsrate.

 

 

Berührungslose Strahlprofilmessung
Ein echter Durchbruch gelang jetzt mit der Entwicklung eines berührungslosen Messgeräts. 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 100kW-Lasern innerhalb weniger Sekunden präzise Messungen durchführen, ohne eine zusätzliche Wasserkühlung oder bewegliche Teile zu benötigen.

Das System beinhaltet eine Software für den Lasertechniker, welche Fokusverschiebungen, das M² des Lasers sowie andere relevante Messwerte sofort anzeigt und zeitlich aufgelöst darstellt. Darüber hinaus bietet BeamWatch optional auch eine vereinfachte Bedienoberfläche, die die Gut/Schlecht (IO/NIO) Bewertungen grün und rot signalisiert, wenn Schlüsselparameter außerhalb eines zuvor vom Anwender definierten Grenzwerts liegen. Das Lasersystem lässt sich damit in regelmäßigen Abständen schnell - die reine Messdauer liegt unter einer Sekunde - prüfen.
Abb. 3: BeamWatch analysiert den Laserstrahl berührungslos in Bruchteilen einer Sekunde.

Schweißprozesse in der Automobilindustrie
Zahlreiche Anwendungen, die Laser im Multikilowatt-Bereich nutzen, verlangen nach einer präzisen Messung der Fokusgröße und -lage, um eine vom Nutzer vorgegebene, korrekte und konstante Leistungsdichte sicherzustellen. Doch erst mit BeamWatch erhielten Laseranwender die Möglichkeit, diese Parameter schnell und einfach zu messen. Durch die Kontrolle der Fokuslage können so beispielsweise Schneid- und Schweißprozesse in der Automobilindustrie insgesamt noch präziser geführt werden. Eine Verschiebung des Strahlfokus im Laufe des Prozesses durch thermische Effekte nach dem Einschalten kann sofort festgestellt werden und entsprechend behoben werden. Damit bleibt die Leistungsdichte im Laufe des Prozesses konstant und die Schweißnaht bleibt gleichmäßig und stabil.

 

Laserbohren in der Luft- und Raumfahrt
Auch beim Laserbohren zur Produktion von Teilen für die Luft- und Raumfahrt spielt die Fokuslage eine entscheidende Rolle. Um eine Beschädigung während des Betriebs zu vermeiden, bohrt man beispielsweise in die Schaufeln der Turbinenräder tausende tiefe Löcher mit einem sehr kleinen Durchmesser. Sie dienen zur Luftkühlung und werden von Lasern angebracht, die über eine extrem hohe Pulsspitzenleistung und einer Bearbeitungsoptik mit einer relativ großen Brennweite verfügen. Der Fokus – der Punkt mit der höchsten Leistungsdichte – muss gefunden und strategisch so auf dem Teil platziert werden, so dass jedes Loch sowohl in sich selbst als auch im Vergleich zu den anderen Löchern, gleichmäßig gebohrt wird. Um die Laser korrekt zu einzustellen waren bisher zahlreiche experimentelle Messungen notwendig. Die dynamische und berührungslose Messung des Laserstrahls mit BeamWatch, reduziert den Aufwand signifikant und liefert schnelle und präzise Ergebnisse.

Reflektierende Optiken bei hohen Leistungen
Applikationsingenieure nutzten die berührungslose Messtechnik von BeamWatch auch dazu, um neue Produkte zur Strahlführung zu entwickeln, die das Problem der Fokusdrift adressieren. Allen voran sind hier reflektierende Optiken zu nennen: Sie werden vermehrt in industriellen Prozessen angewendet, die mit hohen Laserleistungen arbeiten. Ihre Vorteile lassen sich im Entwicklungsprozess anhand der berührungslosen Messungen mit BeamWatch schnell sichtbar machen. Und doch: Selbst bei einem sehr effizienten Faserlaser treten im Betrieb hohe Wärmeverluste auf. Die eingebauten Komponenten erwärmen sich. Eine regelmäßige Prüfung des Laserstrahls im Prozess sollte auch hier nicht vernachlässigt werden: Kürzlich wurden mit BeamWatch Messungen eines 100 kW Faserlasers durchgeführt, der mit reflektierenden Optiken fokussiert wurde. Bedingt durch die hohe Laserleistung wies der Prozesskopf zwischen dem Einschalten und nach 20 s in Betrieb eine Fokusverschiebung von etwa 8mm aus.

Abb. 4: Die Oberfläche der BeamWatch Software für Techniker. Der rote Marker zeigt, wo der Fokus ursprünglich startete, der grüne hingegen zeigt, wo sich der Fokus aktuell befindet.

Vorteile auf allen Ebenen
Die Beispiele zeigen, dass zum einen die Entwickler von Lasersystemen von der berührungslosen Messtechnik profitieren, zum anderen aber auch die Produktionsbetriebe als Anwender. Die große Bandbreite an messtechnischen Optionen ermöglicht es Laserprozesse optimieren, den Durchsatz zu erhöhen, Ausfallzeiten und Ausschuss zu minimieren sowie die operativen Kosten zu senken. Schon bei der Inbetriebnahme reduzieren sich die Installations- oder Umrüstzeiten einer Laseranlage signifikant. Die Laseranlage kann in kürzerer Zeit in Betrieb genommen werden - was Servicekosten reduziert - und schneller produktiv genutzt werden. Durch die wiederkehrende Prüfung der Laserparameter steigt die Produktionsqualität insgesamt deutlich an und Stückkosten werden nachhaltig reduziert.

 

Christian Dini und John McCauly