SB_17.746NLP

2016
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Stabilität von
scannerbasierten
Laserbearbeitungsverfahren
im industriellen Einsatz

Stabilität von scannerbasierten
Laserbearbeitungsverfahren im
industriellen Einsatz
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 17.746 N
DVS-Nr.: 10.070
Fraunhofer-Gesellschaft e.V. Fraunhofer-
Institut für Lasertechnik
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 17.746 N / DVS-Nr.: 10.070 der Forschungsvereinigung Schweißen und
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF im
Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2016 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 299
Bestell-Nr.: 170408
ISBN: 978-3-96870-298-8
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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Inhalt
1. Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und des Ergebnisses mit den Zielen /
Durchgeführte Arbeiten und Ergebnisse im Berichtszeitraum ..................................................... 3
1.1. Forschungsziele ........................................................................................................... 3
1.2. Arbeitsdiagramm .......................................................................................................... 4
1.3. Aufbau des Messstands ............................................................................................... 5
1.4. Versuchsdurchführung ................................................................................................. 6
1.5. Versuchsplanung ......................................................................................................... 6
1.6. Auswertung der Versuche ............................................................................................ 7
Analyse der statischen Versuche ........................................................................................ 7
Analyse der dynamischen Versuche ................................................................................. 10
Linienscan ......................................................................................................................... 10
Sprungscan ....................................................................................................................... 10
2. Verwendung der Zuwendung ............................................................................................ 15
3. Erläuterung der Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit ...................... 16
4. Darstellung des wissenschaftlich-technischen und wirtschaftlichen Nutzens der erzielten
Ergebnisse insbesondere für KMU sowie ihres innovativen Beitrags und ihrer industriellen
Anwendungsmöglichkeiten ....................................................................................................... 16
5. Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft ...................................................................... 17

Seite 3 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17.746 N
1. Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und des Ergebnisses mit den
Zielen / Durchgeführte Arbeiten und Ergebnisse im Berichtszeitraum
1.1. Forschungsziele
Ziel dieses Vorhabens ist es, eine Methodik zur Online-Kompensation lastbedingter
Änderungen der Positionier- und Wiederholgenauigkeit von Galvanometerscannern zu
entwickeln. Diese wird die Möglichkeit bieten, Veränderungen in der Strahlführung und im
Intensitätsprofil zu detektieren und z. B. durch dynamische Korrekturdateien, auszugleichen.
Damit sind für die Anwender folgende Vorteile verbunden:
• Erhöhung der Positionier- und Wiederholgenauigkeit und damit verbunden eine
Steigerung der Reproduzierbarkeit der Bauteile
• Gewährleistung der Langzeitstabilität durch Reduzierung des thermischen
Einflusses
• Erhöhung der Prozessrobustheit und des Automatisierungsgrads durch
Entwicklung von Korrekturdateien zur dynamischen Anpassung
• Vereinfachte Gerätebedienung
Ein weiteres angestrebtes Ergebnis des Vorhabens ist die Qualifizierung von SiC-Spiegeln für
die Verwendung in Galvanometerscannern im Langzeitbetrieb unter Last. Die resultierenden
Informationen ermöglichen sowohl Anwendern als auch Scanner- und Spiegelherstellern, die
Einsatzmöglichkeiten von Scannern mit SiC-Spiegeln einzuschätzen. Die aus den Dauerversuchen
an SiC-Spiegeln gewonnen Erkenntnisse fließen in die entwickelte Methodik mit
ein. Die Berücksichtigung des veränderten Verhaltens wird somit für den Anwender im Betrieb
nicht mehr relevant.
Mit der entwickelten Methodik werden zum einen Anwender adressiert, die
Galvanometerscanner zur Laserstrahlbearbeitung einsetzen wollen oder bereits einsetzen und
auf eine reproduzierbare Funktion in allen Betriebszuständen angewiesen sind. Die Einführung
und Bedienung der Geräte wird so erheblich erleichtert, da viele Geräteparameter, die zur Zeit
regelmäßig überwacht und korrigiert werden müssen, auf diese Weise automatisch überwacht
und an den jeweiligen Betriebszustand angepasst werden können. Der Scanner wird damit zu
einem leicht bedienbaren Werkzeug, welches auch ohne spezielle Kenntnisse über diese
Technologie sicher eingesetzt werden kann. Des Weiteren werden die Hersteller von
Galvanometerscannern angesprochen. Durch die Einführung einer Online-
Zustandsüberwachung mit Korrekturfunktion können die Positionier- und
Wiederholgenauigkeit und die Langzeitstabilität von Galvanometerscannern erhöht und damit
die Leistungsfähigkeit ihrer Produkte gesteigert werden.
Dauerversuche
• Intensitätsverteilung
• Fokuslage und –durchmesser
• Laterale Positionsabweichung
Prozessanalyse
• Mikroskopie
• Metallographie
Systemanalyse
• Spiegelzustand (z.B. Pyrometer)
• Optikzustand
• Mech. Parameter (z.B.
Maximalfrequenz)
Ziele
• Methodik zur
dynamischen Anpassung
von Prozessparametern
• Präzise Bearbeitung
unabhängig vom
Betriebs-zustand
• Online-Temperaturkontrolle
• Dyn. Korrekturfiles
SiC-Spiegel
• Qualifizierung & Vergleich mit
Spiegeln auf BK7-Basis
Prozessoptimierung
• Modellvorstellung des Scanners als
Werkzeug
Praxistransfer
• Methodik zur einfachen
Integration und Überwachung
Abbildung 1: Zusammenfassung der Forschungsziele

Seite 4 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17.746 N
Der methodische Ansatz zur Verbesserung der Prozessstabilität besteht in einer Analyse der
zeitlichen und örtlichen Stabilität der Strahlparameter hinter den Scanneroptiken und
Korrelation der Ergebnisse mit am Scanner messbaren Effekten und Parametern. Dazu
werden bereits vorliegende Ergebnisse zum Langzeitverhalten der Scanneroptiken unter
Wärmeeinfluss mit einbezogen. Auf diese Weise werden die Ursache-Wirkungs-Beziehungen
zwischen Scanner-zustand (z.B. Auslenkwinkel oder Spiegeltemperatur) und Abweichungen
im Bearbeitungsprozess ermittelt und geeignete Korrekturmechanismen entwickelt werden.
1.2. Arbeitsdiagramm
Arbeitspunkt Zeitraum Personalaufwand
Jahr 1 Jahr 2
Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4
Aufbau von Versuchsständen
1 MM
Phase 1: Dauerbelastungstests
Messung der Strahlparameter im Dauerbetrieb in
5 MM
verschiedenen Betriebszuständen
• Statische Spiegelposition, cw-Strahl
• Regelmäßige Sprünge, gepulster Strahl
• Regelmäßige Linienscans, cw-Strahl
• Schnelle Modulation (Wobbeln), cw-Bearbeitung
Bestimmung des Scannerzustands während der Versuche
• Temperaturverteilung an Spiegeln und Linsen
• Temperatur der Galvanometer
• Galvanometerstrom
Umrüstung eines Scanners mit SiC-Spiegeln und
3 MM
Dauerbelastungstest mit Schwerpunkt auf
hochdynamischen Bearbeitungsverfahren
Phase 2: Ergebniskorrelation und Korrekturmechanismen
Ermittlung von Ursache-Wirkungs-Beziehungen zwischen
Strahlparametern und Scannerzustand
• Empirischer Abgleich Messdaten - Scannerzustand 1 MM
• Analyse der identifizierten Zusammenhänge 2 MM
• Simulation der Temperaturverteilung an den Spiegeln 1 MM
Erprobung von Methoden zur Online-Zustandsmessung
6 MM
• Kamerabeobachtung
• Pyrometrische Spiegelüberwachung
• Galvotemperatur
Entwicklung von Korrekturmechanismen
• Dynamisches Korrekturfile
• Dynamischer Fokusshifter
Qualifizierung der Korrekturmechanismen
2 MM
Dokumentation der Ergebnisse
• Zwischen-/ Schlussbericht 2,5 MM
• Präsentation der Ergebnisse 0,5 MM
Tabelle 1 Arbeitsdiagramm des Forschungsvorhabens MIVETE
Aufgrund des fehlenden Bewilligungsbescheids sind die Arbeiten am Forschungsvorhaben
nicht zum offiziellen Projektbeginn am 01.01.2014 erfolgt. Ein erstes Treffen mit dem
projektbegleitenden Ausschuss (PA) ist am 21.03.2014 durchgeführt worden; die reale
Projektbearbeitung erfolgt nach Absprache mit dem PA allerdings erst mit Erhalt des
Bewilligungsbescheids. Daher wird das Vorhaben erst seit dem 11.08.2014 aktiv bearbeitet.
Entsprechend der zeitlichen Staffelung der Tätigkeiten im Arbeitsplan werden die
Arbeitspakete für Q1 und Q2 des 1. Jahres bearbeitet (s. Tabelle 1).

Seite 5 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 17.746 N
1.3. Aufbau des Messstands
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wird ein Messstand aufgebaut, der die Möglichkeit
bietet soll, Veränderungen in der Strahlführung zu detektieren und, z.B. durch dynamische
Korrektur-dateien, auszugleichen. Dadurch wird neben einer Erhöhung der Positionier- und
Wiederhol-genauigkeit u.a. auch eine Steigerung der Reproduzierbarkeit erreicht. Der
Messstand ist in der nachfolgenden Abbildung 2 dargestellt.
Abbildung 2 Messstand in der Draufsicht
Ein Laserstrahl und der Strahl einer Superluminiszenzdiode (SLD) werden mithilfe einer
Kollimationsoptik und einem Dichroit (1) zum Galvanometer abgelenkt. Hierbei dient die
Laserstrahlquelle „Laserline LDM 300“ (3 kW Maximalleistung bei 1018 nm Wellenlänge) zur
Einbringung thermischer Energie in den Galvanometerspiegel und die
Superlumineszenzdiode (SLD) der Fa. Beratron GmbH (17 mW Maximalleistung bei 847 nm
Wellenlänge) der Detektion von Abweichungen der Strahlposition. Zur exakten
Positionsbestimmung werden die hohe Helligkeit und die geringe Kohärenz genutzt. Durch die
geringe Kohärenz der SLD werden Interferenzen bei Reflexion einer rauen Oberfläche
ausgeschlossen und damit die Bildung von diskreten Mustern (Speckle) vermieden. Der
Galvanometerspiegel (2) ist im Abstand von 200 mm zum Dichroit aufgebaut. Nach Reflexion
am Galvanometerspiegel erfolgt die Ablenkung in Richtung der Strahlfalle (5). Dabei wird ein
Teil der Strahlung durch einen Strahlteiler (8) aufgespalten, der einen geringen Anteil der
Strahlung auf den Positionsschirm (4) ablenkt. Etwa 93% der Gesamtleistung erreicht letztlich
die Strahlfalle. Über eine Active Pixel Sensor (APS) Kamera (IDS UI-3370CP-M-GL) wird die
Position des Laserstrahls bzw. die Position des SLD-Strahls aufgezeichnet (3). Die APS-
Kamera wird mit CMOS-Technik gefertigt und bietet neben einer hohen Bildausleserate einen
hohen Empfindlichkeitsunterschied einzelner Pixel sowie eine geringe Neigung zum Blooming-
Effekt. Mittels einer Wärmebildkamera (InfraTec ImageIR ® 8390 HP-B) wird die
Temperaturstrahlung des Galvanometerspiegels gemessen und grafisch dargestellt (6). Ein