Das unabhängige Forschungsunternehmen blz (Bayerisches Laserzentrum GmbH) mit Sitz im bayerischen Erlangen hilft Anwendern, das Werkzeug Laser für Produktionsprozesse besser nutzbar zu machen. Bei der Realisierung der Ziele wird auf die technologieübergreifende Kompetenz im Bereich der angewandten Lasertechnik gebaut: Lasermaterialbearbeitung und Prozessanalyse, Additive Fertigung, Lasersystemtechnik, Optische Simulation, Laserschutz und Wissenstransfer.

Anforderungen an Bearbeitungsqualität

Die Bearbeitungsqualität in der Forschung sowie Industrie muss hohen Ansprüchen gerecht werden. Viele Faktoren spielen dabei eine Rolle, um das erwünschte Ergebnis zu erhalten. So wird eine stetige Kontrolle in den verschiedenen Abläufen notwendig. Ein Bestandteil der Analyse kann eine Kamera sein.

Daher hat das blz zu Beginn des Jahres 2020 eine MotionBLITZ EoSens® mini2 erworben. Diese Kamera ist eine High-Speed Speicherkamera und mit ihrem kompakten Design ideal für beengte Platzverhältnisse geeignet.

Die Kamera war schnell einsatzfähig, da das blz bereits seit Herbst letzten Jahres ein baugleiches Testsystem verwendete. Daher konnte die Kamera unmittelbar für umfassendere Studien genutzt werden.

Schematischer Versuchsaufbau zur Prozessbeobachtung beim Laserstrahlschweißen von Kupferwerkstoffen

 

Die Speicherkamera wird im Laserzentrum für die Prozessbeobachtung bei verschiedenen Lasermaterialbearbeitungsprozessen eingesetzt. Hierbei handelt es sich um Prozesse wie Schweißen, Schneiden, Löten und generative Fertigungsverfahren. Insbesondere beim Schweißen von Aluminium- und Kupferwerkstoffen, dem Remote-Schweißen von Eisen- und Nichteisenmetallen, der Lasermaterialbearbeitung mit Wellenlängen im sichtbaren Bereich sowie dem Löten von Mikroelektronikbauteilen findet das System Einsatz.

Extremen Prozessbedingungen standhalten

Bei all diesen Verfahren können Fehler entstehen, sogenannte Nahtinhomogenitäten: Schweißspritzer, Poren und Lunker. Durch das Wissen um die Entstehung können Gegenmaßnahmen zur Vermeidung erarbeitet werden. Mithilfe der High-Speed Kamera können solche Fehler ermittelt und die Schwachstellen anschließend behoben werden. So können beispielsweise im Pulverbett auftretende Spritzer detektiert und der Prozess dementsprechend angepasst werden. Des Weiteren können die Ausprägungen der Schweißnähte, die Schmelzdynamik und die Materialverdampfung, in Form einer Dampffackel über dem Keyhole in Erscheinung tretend, während des Verfahrens beobachtet werden.

Makroskopische Aufsicht einer Schweißprobe zur Beurteilung der Nahtausprägung (Nahtoberraupe in Kupfer ETP)

Beobachtung der Prozesszone beim Tiefschweißprozess in Kupfer; Vergleich zwischen den Hochgeschwindigkeitsaufnahmen und dem Prozessergebnis (vorherige Abbildung)

 

„Wir arbeiten in der anwendungsnahen Forschung eng mit Industriepartnern und dem Lehrstuhl für Photonische Technologien (LPT) der FAU Erlangen-Nürnberg zusammen. Das können verschiedenste Forschungsthemen oder auch industrielle Direktbeauftragungen sein. Momentan untersuchen wir in der applikationsbezogenen Forschung vorwiegend Laserprozesse zur Materialbearbeitung von Kupfer- und Aluminiumwerkstoffen. Besonders im Bereich der e-Mobility wird viel geforscht, da dort in hohem Maße Schweißprozesse erforderlich sind, sei es bei der Kontaktierung von Batteriezellen oder in der Fertigung der Leistungselektronik von batterieelektrischen Fahrzeugen“, berichtet Florian Kaufmann, der im Bereich „Prozesstechnik Metalle“ in der anwendungsnahen Forschung am blz tätig ist.

Versuchsaufbau zum Remote-Laserstrahlschweißen von Metallischen Werkstoffen

 

Flexibler Kameraeinsatz

Die Kamera wird je nach Bedarf für die verschiedenen Applikationen mobil eingesetzt. Dank des kompakten Designs mit den Abmessungen 63 x 63 x 64,5 mm kann sie flexibel verwendet und auch außer Haus mitgenommen werden. Die EoSens® mini2 wird entweder direkt im Strahlengang oder von außen an der Maschine installiert. Je nach Anwendung bzw. Systemtechnik kann die Kamera und Beleuchtung auch mithilfe von einem Dreibeinstativ oder Roboterarm passend platziert werden, um das Geschehen zu dokumentieren.

„Die Aufnahmen der Kamera werden für die Analyse der Prozessstabilität verwendet. Wir möchten verstehen, wie es zu den Fehlern bei den verschiedenen Anwendungen kommt und mit diesem Wissen diese dann vermeiden. Zum Beispiel kommt es beim Kupferschweißen vermehrt zur Spritzerbildung, insbesondere beim Laserstrahlschweißen mit konventionellen Laserstrahlquellen, welche im infraroten Spektrum um 1 µm emittieren. Das muss rechtzeitig erkannt werden, denn das kann im schlimmsten Fall zu Ausschuss oder einer Beschädigung des Bauteils führen“, weiß Florian Kaufmann.

Großes Potenzial wird in Laserstrahlquellen sichtbarer Wellenlängen gesehen, welche aktuell den Entwicklungsschritt in Richtung High-Power Klasse vollziehen. Dem blz steht ein europaweit einzigartiges Lasersystem der Firma Trumpf GmbH zur Verfügung, welches 3 kW Ausgangsleistung bei 515 nm Wellenlänge bietet. „Die Untersuchung des Einflusses der veränderten Bearbeitungswellenlänge auf das Prozessergebnis beim Laserstrahlschweißen von Kupfer ist ein wesentliches Einsatzgebiet, in welchem wir das Kamerasystem einsetzen wollen.“

Bearbeitungskabine für das Scannerbasierte Laserstrahlschweißen von hochreflektiven Werkstoffen mit sichtbarer Wellenlänge– Prozessbeobachtung beim Schweißen von Kupferwerkstoffen

 

Die Dauer einer Kameraaufnahme wird durch das System auf 1,5 Sekunden beschränkt. Je nach Bildausschnitt und Laserprozess können aber auch längere Beobachtungszeiten gewählt werden. So wird beispielsweise beim Löten im Bereich von bis zu 10 Sekunden aufgenommen, womit jedoch ein kleinerer Bildausschnitt einhergeht.
Die Kameraaufnahmen werden je nach Kundenanforderung und Problemstellung teils optisch subjektiv oder mittels Algorithmus ausgewertet.

Da die Kamera mit der mitgelieferten Software nahezu selbsterklärend ist, gab es kaum Fragen an den Support. Als es Fragen zum kamerainternen Ringspeicher gab, konnte der Support schnell unterstützen. „Insgesamt sind wir sehr zufrieden mit dem System“, so Florian Kaufmann.
 

Laserstrahltiefschweißen von Kupfer mit grüner Wellenlänge (λ = 515 nm)