Für anspruchsvolle additive Laserverfahren wie das Extreme Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen EHLA entstand am Fraunhofer ILT ein Inline-Messsystem.
Fraunhofer ILT, Aachen
Das Laserauftragschweißen hat sich bereits in verschiedenen Bereichen bewährt – zum Beispiel bei der Reparatur von Werkzeugen oder dem Auftragen von Korrosionsschutzschichten. Doch das Ergebnis hängt in hohem Maß davon ab, wie gleichmäßig der Laserstrahl das Pulver aufträgt. Die Prozessparameter Geschwindigkeit und Volumen der Pulverzufuhr in das Schmelzbad spielen dabei eine entscheidende Rolle. Vor dem Prozess müssen Düsen und Kaustik daher regelmäßig geprüft, zertifiziert und kalibriert werden. Doch der Ablauf dieser Arbeitsschritte war bisher sehr aufwändig und umständlich. Daher entwickelten Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT einen maschinenunterstützten Inline-Prozess.
Integration in bestehende Anlagen
Die Systemlösung besteht aus drei Hauptkomponenten: Einem Kameramodul mit verfahrbarer Optik und Beleuchtung, das an den Bearbeitungskopf montiert wird. Das Vermessen der Düse übernimmt ein Lasermodul, das in der Anlage platziert wird. Die elektronische Steuerung beider Module wird entweder in den Schaltschrank oder direkt in die Anlage integriert. Um die Partikeldichteverteilung und Kaustik des Pulvergasstrahls zu erfassen und zu vermessen, wird dieser mit einer Laserlinie senkrecht zur Pulvergasströmung beleuchtet und von der koaxial angeordneten Kamera durch die Pulverdüse beobachtet. Die Anlage ändert für weitere Messungen mehrmals die relative Position von Laser und Bearbeitungskopf zueinander. Schließlich zeigt die Auswertung von 2000 bis 3000 Bildern die statistische Verteilung der Partikel in einer Ebene. "Wenn ich auf diesem Wege schrittweise die sogenannte Kaustik erfasse – also den Fokussierbereich, in dem sich der Pulverpartikelstrahl bündelt – lässt sie sich mit Blick auf die wichtigsten Parameter wie dem minimalen Durchmesser und der Dichteverteilung sehr genau berechnen und charakterisieren", erläutert Diplom-Ingenieur Oliver Nottrodt, Projektleiter Prozesssensorik und Systemtechnik am Fraunhofer ILT.
Das Messsystem ermöglicht die standardisierte Vermessung und Zertifizierung der Pulverzufuhrdüsen und die vollständige Charakterisierung des jeweiligen Pulvergasstrahls. Es leistet Hilfestellung beim Einrichten des Prozesses, indem es dem Anwender eine Vielzahl von Arbeiten abnimmt, zum Beispiel das Messen und Markieren der Positionen des Bearbeitungslasers sowie die Dokumentation aller Arbeitsschritte. Des Weiteren überwacht das Messsystem anhand der geometrischen Merkmale des Schmelzbads den Laserauftragschweißprozess, den es zudem visualisiert und dokumentiert.