Sind berührungslose Strahlanalysen in Echtzeit ISO-kompatibel?

Author: 
Whitepaper von Jed Simmons Ph.D. & Kevin Kirkham

Laser, die heute in Produktionsprozessen genutzt werden, arbeiten auf deutlich höherem Leistungsniveau als noch vor zehn Jahren. Bei Laserschweißprozessen sind wir mittlerweile – dank der Faserlasertechnologie – bei durchschnittlichen Leistungen im Bereich mehrerer Kilowatt und das bei deutlich reduzierten Fokusdurchmessern. Ophir hat sich dieser Herausforderung gestellt und ein berührungsloses Messprinzip entwickelt, das auf der Rayleigh-Streuung basiert. Die Technologie, die in den BeamWatch Strahlprofilmessgeräten genutzt wird, misst den Laserstrahl, ohne ihn selbst zu berühren. Da die Technologie verhältnismäßig jung ist, fand sie noch keine Berücksichtigung im ISO-Standard. Für die Anwender leistungsfähiger Faserlaser ist es aber enorm wichtig, auf die Zuverlässigkeit und Wiederholbarkeit ihrer Messungen vertrauen zu können. Dieser Artikel zeigt anhand mehrerer Vergleichsmessungen, dass die berührungslose Messtechnik vollständig kompatibel ist zum ISO 11146-Standard. Er basiert auf den Untersuchungen, die im Rahmen eines umfangreichen Whitepapers durchgeführt wurden.

In allen Tests, die für dieses Veröffentlichung durchgeführt wurden, kam ein alta Prime 1kW Single Mode Faserlaser von nLight, Vancouver zum Einsatz. Eine vertikale Strahlführung mit einer Kollimierlinse mit einer Fokuslänge von 30mm und einer Fokussierlinse mit einer Fokuslänge von 125mm wurde genutzt, um die Kaustik dieses 1070nm +/- 10nm Faserlasers zu erzeugen. Der Laser wurde im Dauerstrich-Modus betrieben und während der Messungen zu keiner Zeit verändert.

Messgeräte im Vergleich

Um die Ergebnisse zu bewerten, die das berührungslose Strahlprofilmessgerät liefert, wurde der Laserstrahl mit vier unterschiedlichen Ophir Systemen gemessen.

  • NanoScan Strahlprofilmessgerät basierend auf schlitzbasierten Messungen (NanoScan 2s Ge/9/5 model9)

 

ISO compliance of non-contact, real-time beam analysis

Die mechanische Konfiguration der zentralen Komponenten eines schlitzbasierten Sensors besteht aus der Scantrommel mit Encoder und Motor für die optische Position, Scan-Schlitzen sowie einem großflächigen monolithischen Sensor. NanoScan ist mit Silizium-, Germanium- oder pyroelektrischen Sensoren verfügbar. Der NanoScan, der für diese Messungen genutzt wurde, verwendete einen pyroelektrischen Sensor. Die Scan-Schlitze waren 9mm lang und 5um breit.

Hochauflösende SP920 Silizium CCD-Kamera mit BeamGage Professional Laserstrahlprofil-Anwendung

 

ISO compliance of non-contact, real-time beam analysis

Der untersuchte Laserstrahl trifft direkt auf den CCD- oder CMOS-Sensor des kamerabasierten Strahlprofilmessgeräts. Erhebliche optische Summierung oder Abschwächung sind erforderlich, um das optische Signal im linearen Bereich des Matrixsensors zu halten. Die verwendete Kamera nutzt einen Sony ICX274 Sensor. Der Pixelabstand und damit die optische Auflösung des Systems basiert auf den Mikrolithographie-Techniken, die zur Herstellung des Sensors verwendet werden. Misst man die Strahlbreite mit dieser Technologie, erhält man Genauigkeiten von 1 bis 3 %. Diese werden durch verschiedene Parameter beeinflusst, z.B. vom Abstand zwischen Sättigungslevel der Kamera und Intensität des auftreffenden Strahls, der Zahl der vom Strahl abgedeckten Pixel, der Art der zur Messung eingesetzten Algorithmen oder auch der Software-Aperturen, die genutzt werden, um die Zahl der Datensätze zu minimieren.

  • BeamWatch berührungsloses Strahlprofil-Messgerät (BW-NIR-2-155 basierend auf Rayleigh Streuung)

ISO compliance of non-contact, real-time beam analysis

Das Ophir BeamWatch System verwendet die atmosphärische Streuung, um die Kaustik eines Laserstrahls von der Seite oder orthogonal zur seiner Ausbreitungsrichtung abzubilden. Die natürliche Auflösung dieser Messungen ergeben sich aus der Pixelgröße der verwendeten Kamera von 5,5 μm und der Vergrößerung der eingesetzten bildgebenden Optiken. Der Strahl wird in X- und Y-Richtung betrachtet. Jede Reihe des Kamerabildes entspricht einer Messung mit einem schlitzbasierten Profilmessgerät. Mittels dieser Strahlbreiten werden die hyperbolischen Anpassungen erstellt. Daraus ergeben sich Lage der Strahltaille, Divergenz und die Messung der Rayleigh-Längen jeder Achse. Auf jeder Seite der Strahltaille lassen sich drei Rayleigh-Längen messen.

 

Die BeamWatch Software stellt den Strahl in Falschfarben dar. Darüber hinaus liefert sie an der mit dem Cursor gewählten Stelle ein zweidimensionales Bild der Verteilung im Querschnitt. Die Software liefert auch eine Darstellung der berechneten Anpassung und eine 3D-Simulation der Kaustik als gestapelte Querschnitte.

  • BeamWatch AM Laserstrahlprofil-Messgerät basierend auf der Rayleigh-Streuung mit integriertem Leistungssensor (BW-NIR-2-50-AM)

 

 

ISO compliance of non-contact, real-time beam analysis

BeamWatch AM entspricht grundsätzlich dem Standard BeamWatch System, verfügt aber darüber hinaus noch über einen thermischen 1kW-Leistungssensor. Der Leistungssensor ist NIST-rückführbar kalibriert und verfügt über ein Kalibrierzertifikat. Der Sensor arbeitet gleichzeitig als Strahlfalle, da er den Strahl sicher auffängt, nachdem dieser den Messweg durchlaufen hat. Durch das Hinzufügen des Leistungssensors kennt das BeamWatch AM System auch die gesamte Leistung des gemessenen Strahls und kann auch die Leistungsdichte in Watt pro Quadratzentimeter (W/cm²) angeben. Insbesondere in der Additiven Fertigung spielt diese Größe eine zentrale Rolle, um das Metallpuder zu schmelzen.

Messaufbau

ISO compliance of non-contact, real-time beam analysis
Zur Messung der Daten wurde die CCD-Kamera bzw. das NanoScan-System auf einem verfahrbaren Positioniertisch montiert, so dass der Sensor entlang der Strahlachse wiederholbar und genau bewegt werden konnte.

ISO compliance of non-contact, real-time beam analysis
Die Daten des BeamWatch Systems wurden ermittelt, in dem das Gerät in etwa auf Höhe der Strahltaille ausgerichtet wurde. Ein wassergekühlter thermischer Sensor maß die Leistung und fungierte gleichzeitig als Strahlfalle.

Mit jedem System wurden zehn Messungen durchgeführt. Diese wurden gemittelt und der Mittelwert wurde mit den Mittelwerten der jeweils anderen Messungen verglichen. Diese Messungen und die Variation der Durchschnitte wurden wiederum mit den Standardabweichungen der anderen Messungen verglichen.

Alle Systeme haben die Kaustik des fokussierten Laserstrahls entweder auf einmal oder ohne Verschiebung entlang der Ausbreitungsachse des Laserstrahls erfasst, so dass an nahezu den gleichen Punkten gemessen wurde.

Datenvergleich

 

ISO compliance of non-contact, real-time beam analysis

ISO compliance of non-contact, real-time beam analysis

Korrelation zum ISO Standard 11146-1 - Stigmatische und einfach astigmatische Strahlen

Messungen mit der BeamWatch Technologie entsprechend prinzipiell Messungen mit einem schlitzbasierten Messgerät. Zusätzlich bestehen die Kamerabilder, die für die BeamWatch Analysen verwenden werden, aus hunderten individuellen schlitzbasierten Messungen. Jede Datenzeile des Kaustikbildes wird als Äquivalent einer schlitzbasierten Messung auf der entsprechenden Kaustikebene betrachtet. Die Messung der Strahlausbreitung gemäß ISO 11146-1 erfordert die Erfassung einer zweiten Aufnahme („Second Moment Results“) der Strahlbreite. ISO 11146-3:2004(E) bietet alternative Messmethoden, darunter auch die hier dargestellte schlitzbasierte Messung. Verwendet man die Gleichungen 63 und 69 der ISO 11146-3:2004(E), lassen sich schlitzbasierte Messungen in solche „Second Moment Results“ konvertieren. Die hier präsentierten Ergebnisse wurden basierend darauf und somit in Übereinstimmung mit dem ISO-Standard ermittelt.

Fazit

Die Messungen, die mit den verschiedenen berührungslos arbeitenden Messgeräten basierend auf der Rayleigh-Streuung – BeamWatch und BeamWatch AM - durchgeführt wurden, entsprechen allen Anforderungen des ISO 11146-Standards inklusive den „Second Moment Results“ mit schlitzbasierten Messungen. Die maximale Abweichung vom Durchschnitt für jede der gemessenen Parameter (W0x, W0y, x, y, Mx2, and M²y) ist kleiner 3,75%. Zwischen den vier Ophir Messgeräten, die auf drei unterschiedlichen Technologien und vier verschiedenen Kalibrierstandards basieren, gibt es eine weitreichende Konsistenz. Diese Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass die auf der Rayleigh Streuung basierende Technologie eine zuverlässige Messmethode darstellt, um wichtige Strahlparameter eines fokussierten Laserstrahls - darunter die Strahlqualität - zu ermitteln. Obwohl es in der Norm keine offizielle Beschreibung gibt, wie der Rayleigh Standard für die Strahlprofilmessung genutzt werden kann, können die Anwender von Hochleistungslasern sicher sein, dass die mit BeamWatch Systemen erzielten Messergebnisse verlässlich sind und den Ergebnissen anderer Messmethoden entsprechen oder diese übertreffen. Über die offensichtliche Kompatibilität der Messergebnisse, die auf Rayleigh Streuung basieren, bis hin zu einem besseren Verständnis für die Funktionsweise von Hochleistungslasern – die Messgeräte liefern deutliche Vorteile:

  1. Durch die berührungslose Messtechnik gibt es de facto kein oberes Leistungslimit für zu messenden Laser.
  2. Rayleigh Streuung verhält sich proportional zum inversen Quadrat der Wellenlänge, so dass sich die Streuung von Quellen mit 1030 – 1080nm messen lässt, sichtbare und UV-Quellen liefern noch ein um einige Größenordnungen höhere Signalstärke
  3. Es gibt keine beweglichen Teile und keine Interaktion mit dem Laserstrahl, so dass die vorbeugende Wartung gering ist und keine Teile wie Strahlteiler oder Abtaster verschleißen.
  4. Der einfache Messaufbau verbessert die Datenintegrität und die Vergleichbarkeit der Daten steigt – auch bei Messungen durch verschiedene Personen zu verschiedenen Zeiten oder an unterschiedlichen Orten.

Diese neue Anwendung des Phänomens der Rayleigh Streuung bietet die Möglichkeit, die Leistungsfähigkeit eines fokussierten Laserstrahls selbst bei hohen Leistungen zu dokumentieren – und das sowohl bei Hochleistungs-Faser-als auch IR-Lasern ohne obere Leistungsbegrenzung. Durch die Vereinfachung der Qualitätsmessungen von Laserstrahlen verspricht diese Technologie, die Konsistenz von Qualität und Leistungsfähigkeit im Laserschweißen, Laserschneiden, bei Vergütungsprozessen und in additiven Fertigungsprozessen sicherzustellen.

 

Hinweis: Es handelt sich hier um einen Auszug aus einem vollständigen Whitepaper von Jed Simmons Ph.D. & Kevin Kirkham