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11.08.2016

Messgerät Beamwatch von Ophir Spiricon

Parameter des Laserstrahls präzise messen

Wer die Qualitätsparameter seines Lasers kontinuierlich misst und dokumentiert, sichert sich signifikante Wettbewerbsvorteile. Bis dato war dies allerdings mit enormem Aufwand verbunden. Jetzt gibt es dafür ein berührungslos arbeitendes Messgerät.

Berührungslos arbeitendes Messgerät: Qualitätsparameter des Laserstrahls präzise messen und grafisch darstellen
(© Ophir Spiricon Europe)

Die Überwachung Der Laserschweißprozesse spielt eine immer größere Rolle. Bis dato lag gerade hier eine besondere Herausforderung für die Anwender. Denn die Messungen des Laserstrahls ließen sich nur mit großem Aufwand und zulasten von Stückkosten und Taktzeiten durchführen.

Mit dem berührungslos und schnell arbeitenden Messgerät Beamwatch will der Darmstädter Hersteller Ophir Spiricon jetzt den Markt revolutionieren (Bild 1). Innerhalb weniger Millisekunden lassen sich nach Firmenangaben die Qualitätsparameter des Laserstrahls präzise messen und grafisch darstellen. Für die automatisierte Fertigung entwickelte der Hersteller das Produkt gezielt weiter: Beamwatch Integrated vereint die Vorteile der neuartigen Messmethode mit klassischer Leistungsmessung, robustem Gehäuse und einer direkten Anbindung an industrielle Netz werke.

Berührungslose Messung

Bei einem Laserstrahl sind die Fokusqualität und das Wissen um die aktuelle Fokuslage für eine effiziente Fertigung extrem wichtig. Bislang erfolgte deren Messung in Schweiß- oder Schneidprozessen über indirekte Verfahren, da die Fokusposition bei den meisten Anwendungen im Material liegt und Plasmabildung und/oder Prozessequipment den Blick auf den Fokus selbst behindern. Ein neuartiges Messverfahren – basierend auf der Rayleigh-Streuung des Laserstrahls – bildet erstmalig die Strahlkaustik des fokussierten Strahls berührungsfrei und nahezu in Echtzeit ab. Die wesentlichen Qualitätsparameter sowie die Fokuslage des Laserstrahls können über die Zeit ermittelt und dokumentiert werden.

Bei den meisten Laseranwendungen gilt die Verteilung der Leistungs- und Energiedichte im Strahl als Schlüsselparameter, denn sie entscheidet über dessen Wirksamkeit beim Auftreffen auf das Material. Ermittelt wird sie aus der emittierten Leistung bzw. Energie, geteilt durch die Querschnittsfläche im Strahlfokus. Je höher die Leistungs- bzw. Energiedichte im Fokus, desto effizienter arbeitet der Laser. Fokusverschiebungen schlagen dabei gleich mehrfach zu Buche: Da die Fläche im Quadrat wirkt, resultiert eine Halbierung des Fokusdurchmessers in einer vierfachen Leistungsdichte (Bild 2).

Wer also seine Fokussierung beherrscht, kann quasi kostenfrei höhere Leistungsdichten erzeugen. Damit steigt die Qualität der produzierten Teile, und je nach Anwendung sinkt der Verbrauch an Prozessgasen und Energie durch kürzere Materialbearbeitungszeiten.

Optimierter Prozess

Entscheidend sind zwei Phasen: die Definition der Parameter zur genauen Positionierung sowie die Reproduzierbarkeit der Fokusposition in allen drei Achsen (x – y – z) im Vorfeld und deren Einhaltung während des Prozesses. Während die Positionierung der X- und Y-Position meist direkt von der Genauigkeit und Qualität der Verfahreinheit der Strahlführung abhängt, ändert sich die Z-Position zusätzlich mit Parametern wie der thermischen Stabilität des Lasers, der Strahlführung und der Strahlformung. Häufig werden zwar mechanische, kapazitive und auch optische Abstandsmessungen durchgeführt, um die Distanz des Schneid-/Schweißkopfs zur Materialoberfläche zu ermitteln. Optische Instabilitäten der Fokuslage bleiben damit jedoch unbeachtet.

Zusammenhang von Fokusgröße und Leistungsdichte: Halber Fokusdurchmesser ergibt vierfach höhere Intensität.
(© Ophir Spiricon Europe)

Beamwatch liefert in beiden Phasen die relevanten Informationen. Selbst die Simulation des Prozesses und die Ermittlung der Fokusposition in Abhängigkeit der Prozessparameter sind mit dem Messsystem einfach möglich. Mittels einer Fokuslagenkorrektur – sei es mit adaptiven Optiken oder mit der mechanischen Z-Achse der Bewegungseinheit – werden damit Verluste an Leitungsintensität und Schwankungen im Strahldurchmesser minimiert. Die Schweißnaht oder die Schnittbahn können bei gleicher Laserleistung präziser, mit höherer Verfahrgeschwindigkeit und mit einer geringeren Ausprägung der Wärmeeinflusszone erstellt werden.

Beamwatch Integrated wurde speziell für die Anwendung in der automatisierten, industriellen Produktion entwickelt. Ein robustes Gehäuse schützt die Messeinheit vor äußeren Einflüssen. Zusätzlich ermöglichen verschiedene Schnittstellen die direkte Anbindung an ein Industrie-Netzwerk. Durch die kurze Messdauer lässt sich der Laserstrahl in den meisten Fällen auf Wunsch während des Belade-/Entladevorgangs automatisiert messen. Sämtliche Parameter können somit im Rahmen der Prozessüberwachung lückenlos dokumentiert und dem jeweiligen Bauteil zugeordnet werden. Auch die Auswertung der gesammelten Informationen im Rahmen von Predictive Analytics ist jederzeit möglich. W

© xxxxxx

Christian Dini

Ophir Spiricon Europe GmbH
www.ophiropt.com/de

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