Warum es sich lohnt, High-Power Laser in der automobilen Fertigung berührungslos zu messen

Automatisiertes Laserschweißen ist ein großes Thema in der modernen Fertigung und immer neue Applikationen werden erschlossen. Ganz oben auf der Prioritätenliste steht dabei die Optimierung und Sicherung der Qualität. Schließlich lässt sich die Schweißnaht selbst nur durch materialzerstörende Stichproben- oder zeit- und kostenintensive Ultraschalluntersuchungen prüfen. Findet man tatsächlich Schwachstellen bei einer solchen Prüfung, müssen die Schlechtteile aussortiert werden, nachdem bereits alle Kosten der Wertschöpfungskette angefallen sind. Deutlich günstiger ist es, die gleichbleibende Qualität der Schweißnaht proaktiv zu gewährleisten. Entscheidende Vorteile bietet hier die berührungslose Messung des Laserstrahls, die Ophir – eine Marke von MKS Instruments – entwickelt hat. Die auf der Rayleigh-Streuung basierende Technologie setzt Ophir seit einigen Jahren in BeamWatch, einem kompakten Messgerät ein.

 


Abb. 1: BeamWatch lässt den Strahl einfach passieren

 

In enger Zusammenarbeit mit einem Automobilunternehmen entwickelte Ophir jetzt BeamWatch Integrated. Ein Messgerät, das eigens für die automatisierte Fertigung konzipiert wurde. Wo die Vorteile diese Messmethode liegen, zeigt dieses Whitepaper.

 


Abb. 2: BeamWatch Integrated wurde speziell für die automatisierte Fertigung entwickelt

 

Zunächst aber noch ein Ausflug zu den physikalischen Grundlagen der berührungslosen Messung.

 

Rayleigh-Scatter Technologie

 

Die berührungslose Messung des Laserstrahls wird 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. Die Rayleigh-Streuung beschreibt die Streuung elektromagnetischer Wellen an Teilchen, deren Durchmesser im Vergleich zur Wellenlänge klein ist, wie eben die Sauerstoff- oder Stickstoff-Moleküle in der Luft. Das elektrische Feld der Laserstrahlung induziert eine Oszillation des Dipolmoleküls bei der Laser-Frequenz und führt so zu einer elastischen Streuung der gleichen Frequenz. Das gestreute Laserlicht wird von der Seite mit einem telezentrischen Linsenaufbau auf eine CCD- oder CMOS-Kamera abgebildet. Jedes einzelne Pixel in einer Zeile der CCD-Kamera detektiert das gestreute Licht als einen Intensitätsmesspunkt im Strahlprofil. Aus diesen Messungen lassen sich mittels einer integrierten Software mit hoher Genauigkeit Strahl- und Strahlqualitätsparameter nach ISO-13694 und ISO-11146-Standards inklusive Fokusdurchmesser, Fokusposition, Divergenz, Elliptizität, M²(1/k) sowie Strahlparameterprodukt (BBP) berechnen.

 

Allerdings ist es aufgrund der sehr schwachen Streustrahlung notwendig, jegliche sekundäre Lichtquelle, die das Rayleigh-Licht verfälschen und Artefakte hinzufügen könnte, zu kontrollieren und zu minimieren. Dieses wird durch optimale Platzierung der einzelnen Komponenten und durch lichtabsorbierendes Material in der Messkammer erreicht. Über eine laminare Strömung von Spülluft wird sichergestellt, dass sich keine Partikel wie z.B. Staub im Messbereich befinden, die die Messung beeinflussen könnten. Jede einzelne Zeile der CCD-Kamera liefert ein Intensitätsprofil. Bei typischen CCD- oder CMOS-Kameras mit einer Pixelanzahl von 1090 x 2048 werden so 2048 Einzelprofile gleichzeitig gemessen. Durch die Erfassung des proportional gestreuten Laserlichts mit der Kamera, die quer zum Strahlengang platziert wird, liefert BeamWatch die gleichen Ergebnisse wie schlitzbasierte Messungen entlang des kompletten Sichtfelds der Kamera.

 

 

Vorteile der berührungslosen Messung

 

Insgesamt profitieren zahlreiche Anwender von der berührungslosen Messtechnik. Schließlich lässt sich damit die Leistung von Lasern ohne Limit nach oben messen. Selbst 100kW Laser werden mit BeamWatch in Sekundenschnelle vermessen. Sowohl BeamWatch als auch BeamWatch Integrated liefern dabei nicht nur eine Vielzahl an Strahl- und Qualitätsparametern. Mehrere Messungen pro Sekunde machen erstmals die Fokuslagenverschiebung des Laserstrahls zeitlich aufgelöst sichtbar. BeamWatch Integrated wurde nun insbesondere entwickelt, um die besonderen Anforderungen der automatisierten Fertigung zu erfüllen. Die Bauform wurde optimiert, ein Leistungsmessgerät sowie verschiedene Schnittstellen wurden integriert. Für die Anwender aus der automobilen Fertigung bietet BeamWatch Integrated gleich mehrere Vorteile:

  • Vertrauen in die Messergebnisse
  • Zeitersparnis
  • Dokumentation
  • Wartung und Lebensdauer

Lassen Sie uns auf diese Punkte im Detail eingehen.

 

Vertrauen in die Messergebnisse

 

Jeder Techniker kennt den Effekt: Man nutzt ein Messgerät, erhält ein unerwartetes Ergebnis und fragt sich zunächst, ob das Messgerät korrekt gemessen hat. Gerade bei der Messung von Lasern in industriellen Umgebungen sollte und wird man sich diese Frage bei einer berührenden Messung stellen. Doch was passiert bei schleichenden Fehlern am Messgerät? Sie sind besonders tückisch, da sie nicht auf den ersten Blick ins Auge, fallen. Man hält das Ergebnis für plausibel und versucht, das System zu optimieren. Der Laser würde damit zu suboptimalen Werten hin korrigiert. Oder aber das Messgerät gleicht - quasi durch eigene Fehlmessungen -Verschiebungen aus und der Anwender versäumt die Nachjustage. In beiden Fällen arbeitet der Laser nicht mehr im optimalen Bereich. Sobald sich die Fokuslage verschiebt (siehe Abbildung 3), nimmt die Leistungsdichte an der Bearbeitungsebene ab. Wie stark sich dieser Zusammenhang auswirkt, zeigt Abbildung 4. Da der Radius zum Quadrat in die Formel eingeht, wirkt sich ein größerer Fokus gleich vierfach auf die Leistungsdichte aus.

 


Abb. 3: Eine Fokusverschiebung beeinflusst die Leistungsdichte sofort

 


Abb. 4: Der halbe Fokusdurchmesser liefert eine vierfach höhere Intensität

 

Das berührungslos arbeitende Messkonzept wie es BeamWatch Integrated nutzt, zeigt diese Effekte nicht. Eine Überlastung ist ausgeschlossen. Auch der bei konventionellen Messgeräten kritische Einrichtungsprozess stellt sich bei der berührungslosen Messung sehr einfach dar. Fehljustagen oder sonstige Anomalien werden per Video direkt dargestellt und bedürfen keiner Interpretation.

 

Zeitersparnis

 

Da die gesamte Strahlkaustik mehrfach pro Sekunde dargestellt werden kann, lassen sich Messungen schnell und einfach mehrmals pro Tag durchführen, ohne dass sich die Taktzeiten der Produktion verlängern. Zeiten des Be- und Entladens der Maschine können genutzt werden, um den Laserstrahl zu prüfen. Der Anwender erhält auf Wunsch eine einfache Gut/Schlecht-Anzeige. Bis zu zehn verschiedene Messaufgaben können vorkonfiguriert werden und erlauben so einen flexiblen Einsatz an diversen Schweißstationen. Die berührungslose Messung stellt sicher, dass die Ergebnisse zuverlässig und damit vertrauenswürdig sind. Dem Anwender stehen dafür unterschiedliche Darstellungsformen zur Verfügung.

 


Abb. 5: Darstellung der Messergebnisse

 

Durch die Messung des Laserstrahls in Videorate ermöglicht die BeamWatch Technologie erstmals die Feststellung einer Fokusverschiebung des Laserstrahls. Das Verhalten des Lasers während des Schweißprozesses kann damit simuliert und die Laserparameter entsprechend ausgerichtet werden. Über die aktuelle Justage des Lasers hinaus, reduziert sich auch die Ausfallzeit der Schweißanlage. Die protokollierten Messungen der Fokusshift ermöglichen darüber hinaus auch die vorausschauende Wartung des Lasers.

 

Dokumentation

 

Sämtliche Informationen, die von BeamWatch Integrated gemessen und berechnet werden, können über integrierte, industrielle Schnittstellen wie beispielsweise eine Profinet-Schnittstelle direkt an zentrale Rechner übertragen, gespeichert und ausgewertet werden. Damit lassen sich die Daten einerseits schnell zur Fehlereingrenzung heranziehen. Andererseits können die detaillierten und mit Zeitstempel versehenen Berichte im Nachhinein dazu verwendet werden, die korrekten Lasereinstellungen der Schweißanlage nachzuwiesen. Gerade in der Automobilindustrie spielt schließlich die lückenlose Überwachung aller Prozessparameter eine entscheidende Rolle.

 

 

Wartung und Verschleiß

 

Wo keine Berührung, da auch keine Abnutzung. Der schon zuvor beschriebene Vorteil der berührungslosen Messung wirkt sich auch positiv auf die Lebensdauer und den Verschleiß der Geräte aus. Eine Ersatzteilhaltung für verbrannte Nadeln oder Schlitzaperturen entfällt beispielsweise komplett.

 

Prozesse optimieren, Qualität steigern, Kosten senken

 

Insgesamt zeigt es sich, dass die berührungslose Messung von Hochleistungslaser für die automatisierte Produktion gerade in der Automobilindustrie enorme Vorteile bietet. Die Laserparameter können schnell und zuverlässig gemessen werden. Damit wird einerseits der Ausschuss reduziert, andererseits lassen sich durch die Messung der Laserparameter in Videorate und die damit gewonnen Zeitverlaufsmessungen wertvolle Erkenntnisse gewinnen, um den gesamten Prozess zu optimieren. Die Dokumentation aller Messprotokolle und deren Speicherung über Profinet-Schnittstellen sichert die Unternehmen im Nachhinein bei etwaigen Problemen ab und durch den Wegfall von Verschleißteilen sinken die Instandhaltungskosten insgesamt.

 

Christian Dini, Director Global Business Development Ophir

Vollständiger Artikel als PDF