Laserauftragschweißen leicht gemacht

Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT hat ein Inline-System zur Prüfung, Qualifizierung und Justage des fokussierten Pulvergas­strahls der Düsen von Anlagen zum Laser­auftragsch­weißen entwickelt. Mit diesem System lassen sich Düsen zertifizieren und die Kaustik vollständig charakterisieren. Der Anwender kann dank des Kamera­moduls mit integrierter Beleuchtung außerdem den Prozess visualisieren und überwachen.

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. Oliver Nottrodt, Projektleiter Prozess­sensorik und System­technik am Fraunhofer ILT: „Ein Mitarbeiter trug auf einem Blech eine Pulver­spur auf, die dann ein Experte überprüfte. Doch diese Aufgabe können nur wenige Fachleute in reproduzier­barer Qualität durchführen.“

Diese unbefriedigende Situation motivierte die Aachener zur Entwicklung eines maschinen­unterstützten Inline-Prozesses. 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 Steuerung dieser beiden Module übernimmt Elektronik, die entweder in den Schalt­schrank oder direkt in die Anlage integriert wird. Nottrodt: „Für die Dokumentation ist es wichtig zu wissen, wo sich die Achsen der Anlage befinden. Ihre exakte Position lässt sich über gängige Datenbus-Schnitt­stellen von der Basis­maschine übertragen.“

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 Nottrodt.

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 – wie 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.

Details der Prozesses erfahren Interessenten vom 24. bis zum 27. April 2018 in Stuttgart auf der Fachmesse Control. In Halle 6 auf dem Gemeinschafts­stand der Fraunhofer-Allianz Vision 6302 präsentieren die Wissenschaftler des Fraunhofer ILT ein Kamera­modul mit integrierter Beleuchtung, welches an einem typischen Arbeits­kopf montiert ist. Die Funktions­weise des Laser­moduls demonstrieren die Aachener auf dem Computer.

Fh.-ILT / DE