Berührungslos messen nach ISO 11146

ISO-Standardisierte Messungen mit BeamWatch AM

 

BeamWatch AM ist das neueste Mitglied der Ophir BeamWatch Serie zur Strahlprofilmessung. Es wurde gezielt für die Anwendung in der Additiven Fertigung entwickelt, um der Industrie eine berührungslose Echtzeitmessung des Laserstrahls auf der Bearbeitungsebene zu ermöglichen. In umfangreichen Testserien wurde nachgewiesen, dass standardisierte und reproduzierbare Ergebnisse erzielt werden. Wie, zeigt dieser Beitrag. Die umfassend getesteten Spezifikationen finden Sie in Tabelle 1.

 


Abb. 1: BeamWatch AM Spezifikationen

 

Rayleigh-Scatter Technologie

 

Wie bei anderen BeamWatch Modellen wird die berührungslose Messung des Laserstrahls durch die Rayleigh-Streuung der beiden in der Luft am häufigsten vorkommenden Gase, Stickstoff und Sauerstoff, möglich. Diese sehr gut erforschte Methode wird in zahlreichen Anwendungen von der Analyse Chemischer Lösungen bis hin zu atmosphärischen LIDAR-Studien genutzt. Durch die Erfassung des proportional gestreuten Laserlichts mit einer Kamera, die quer zum Strahlengang platziert wird, liefert BeamWatch die gleichen Ergebnisse wie schlitzbasierte Messungen entlang des kompletten Sichtfelds der Kamera.

 

Umfassende Tests zur Gewährleistung der Genauigkeit

 

Da die Rohdaten der Rayleigh-Streuung nur proportional zu der eigentlichen Strahlmessung sind, werden einige Berechnungen durchgeführt um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern und die Varianz zu reduzieren. Wie bei unseren anderen Anwendungen beinhaltet dieser Prozess einige grundlegende Datenfilter und eine Hintergrund-Subtraktion, um sicherzustellen, dass die Messergebnisse den Strahl exakt beschreiben. Zusätzlich verwenden wir ein proprietäres Datenmodell, um die Signal-Rausch-Differenz zwischen den Rändern und dem gewählten Mittelpunkt des Strahls zu berechnen. Diese Differenz entsteht durch die Kombination mehrerer Faktoren wie der Linsenauswahl, Strahldivergenz und dem Design des BeamWatch AM selbst. Das gesamte System wurde umfassend getestet, um die Reproduzierbarkeit unter unterschiedlichen Bedingungen sicherzustellen. Als Vergleich wurden Messungen mit einem NanoScan2, einem ISO 11146 konformen schlitzbasierten Messgerät, durchgeführt. Beide zeigen vergleichbareErgebnisse:

 


Abb. 2: Vergleichsmessungen mit einem NanoScan2 und dem BeamWatch AM

 

Konform mit internationalen Standards

 

Der NanoScan2 erfüllt die Anforderungen der ISO 11146 (siehe Nutzerhandbuch für weitere Informationen) für die Messungen in Tabelle 2. Die obenstehenden Messungen sind annähernd gleich, woraus folgt, dass auch BeamWatch AM konform ist zur ISO-Norm. Da es sich bei dem Gerät um eine brandneue Technologie handelt, für die es bisher noch keine eigenen Standards gibt, ist dies der naheliegendste Nachweis. Wir zeigen, dass die unterschiedlichen Methoden, die während des Messprozesses genutzt werden, ISO-konform sind und dass die Ergebnisse der zweiten, nachweislich konformen Messmethode entsprechen (in diesem Fall NanoScan2).

 

Die größte Komponente des schon angesprochenen proprietären Modells das für die Hintergrund-Subtraktion verwendet wird, nutzt eine Fourier-Transformationsmethode wie sie in ISO 11146-3 Abschnitt 3.4 empfohlen wird. Da BeamWatch AM einen großen Teil der Strahllänge auf einmal misst – inklusive Strahltaille, deren initialer Position, Strahldurchmesser, Divergenzwinkel und Strahlausbreitung – lassen sich die Kennzahlen anhand einer hyperbolischen Näherung entlang der Ausbreitungs-Achse ermitteln. Diese Methode wird im Detail in ISO 11146-1 Abschnitt 9 beschrieben und entspricht hunderten von Messungen entlang des Strahls mit NanoScan2. Dabei gilt es zwei Dinge zu beachten, zum einen die Anforderungen an die Positionierung bei der Annäherungsmethode, zum anderen der Fakt, dass die Methode nur bei stigmatischen oder einfach astigmatischen Strahlen verwendet werden darf. Bezüglich der letzteren Warnung gehen wir davon aus, dass unsere Zielgruppe runde Fasern verwenden und das jeder Astigmatismus, der durch den Laserkopf erzeugt wird, einfacher Natur wäre.

 

Um sämtliche Datenpunkte liefern zu können, die die ISO-Norm vorschreibt, muss die Strahltaille so positioniert werden, dass mehr als zwei volle Rayleigh-Längen auf jeder Seite der Taille noch im Sichtfeld der Kamera sind. Das erfordert unter Umständen eine Positionierung der Strahltaillle außerhalb der Mitte, aber eine solche Positionierung beeinflusst die Messgenauigkeit nicht negativ. Die initialen Messungen basieren auf der Moving-slit Methode, anschließend wird eine Korrektur für D4σ angewendet, wie es in der Norm ISO 11146-3 Abschnitt 4, Formel #69 vorgegeben ist. Daraus folgt, dass ein korrigiertes M2 und die Divergenz durch Anwendung von Formel #63 und der Definition von M2 erreicht werden. Die Software kennzeichnet Messergebnisse als ISO, sobald diese Datenanforderung erfüllt wird und kehrt zurück zu einer einfach direkten Berechnung der Variablen, falls diesen Anpassungen nicht mehr greifen.

 

Schlussfolgerung

 

Wie dargestellt, ermöglicht die auf der Rayleigh-Streuung basierende Messmethode des BeamWatch AM die Analyse eines Laserstrahls, ohne dass dieser auf einen Sensor trifft. Trotz der noch jungen Technologie und den fehlenden Standards für die Datengewinnung und -analyse ermittelt BeamWatch AM die Daten bei der richtigen Anwendung ISO-konform. Das zeigen die Vergleiche der Messergebnisse mit denen der allgemein akzeptierten schlitzbasierten Messmethode des NanoScan2. Auch die weitreichende Analyse der Methoden, die für die Datengewinnung und -verfeinerung genutzt werden, weist nach, dass die Messungen von BeamWatch AM den ISO 11146 Standard erfüllen.

 

Weitere Informationen zu BeamWatch AM finden Sie hier.

 


Abb. 3: BeamWatch AM wurde speziell für die Additive Fertigung entwickelt

 

David K. Moser, M.Sc.Physics, Optical Engineer und Jed Simmons, Ph.D. - Physicist

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