Adaptive Fokuslagenkorrektur fasergebundener Laser-Remote-Scanner mit Linsenoptiken für hohe Laserleistungen

Dieses Buch umfasst die Erforschung und Entwicklung einer prozessbegleitenden, adaptiven, softwarebasierten und flexibel für Laser-Remote-Scanner anpassbaren Korrekturmethode und eines Sensorkonzepts zur Stabilisierung der Soll-Prozessfokuslage im Interpolationstakt der Scannersteuerung und damit der Einhaltung des vorgegebenen Laserstrahldurchmessers und der prozessrelevanten Intensitätsverteilung an der Wirkstelle bei der Lasermaterialbearbeitung, wie dem Laserstrahlschneiden, -schweißen und -abtragen sowie dem selektiven Laserstrahlschmelzen (3D-Druck). Die mit dieser Arbeit entwickelte Korrekturmethode zur Fokuslagenstabilisierung ist vorzugsweise für fasergebundene Laser-Remote-Scanner mit Linsenoptiken für hohe Laserleistungen ausgelegt und bietet den Anwendern C++-codierte Korrekturalgorithmen, die in die Scannersteuerung implementierbar sind und die das mit dieser Arbeit entwickelte ABCD-Fokusmodell zur verbesserten Einstellung der Soll-Prozessfokuslage gegenüber linearen Fokusmodellen sowie die matrizenoptik-, raytracing- und PID-regelkreisbasierte aktive Korrektur des Fokus-Shifts beinhalten.

Die mit dieser Arbeit entwickelte Korrekturmethode zur Fokuslagenstabilisierung wurde am Beispiel des vorgegebenen und an der Technischen Universität Hamburg-Harburg (TUHH) am Institut für Laser- und Anlagensystemtechnik (iLAS) entstandenen 30-kW-Laser-Remote-Scannersystems Dragon zur Überprüfung der Wirkung eingesetzt und simulativ erprobt. In der Umsetzung wurden passive und aktive Analyse- und Korrekturmethoden des Fokus-Shifts recherchiert, ihre Eignung für das 30-kW-Laser-Remote-Scannersystem Dragon analysiert und bewertet und die Ergebnisse tabellarisch aufgeführt. Weiterhin wurden die Zusammenhänge der herausgearbeiteten Problemstellungen zur Erfüllung der daraus festgelegten Zielstellung mit den abgeleiteten Teilzielen erforscht. Dazu wurden der Einfluss der Thermischen Linse und der Umgebungsgrößen auf den Fokus-Shift untersucht. Außerdem wurden die zur Thermischen Linse führenden thermischen Effekte (thermo-optischer Effekt, spannungs-optischer Effekt, End-Effekt) beschrieben und die mathematische Modellbildung der Thermischen Linse auf der Basis der Finite-Elemente-Methode (FEM) umgesetzt. Zusätzlich wurden eine Sensorintegration und eine mathematische Modellbildung der Brechzahl der Luft durchgeführt, um die prozessbegleitend gemessenen Umgebungsgrößen zur direkten Anpassung der Korrekturalgorithmen zu erfassen und in die Korrekturmethode zur Fokuslagenstabilisierung einzubinden. Abschließend wurde auf der Basis der Matrizenoptik (ABCD-Matrizen) die Möglichkeit geschaffen, das optische Gesamtsystem mathematisch und kompakt zu beschreiben und somit die computergestützte Berechnung zu beschleunigen.

Im Ergebnis der Erforschung und Entwicklung können mit dem mit dieser Arbeit entwickelten ABCD-Fokusmodell die Einstellung der Soll-Prozessfokuslage des 30-kW-Laser-Remote-Scannersystems Dragon bis zu einer Größenordnung gegenüber dem bislang genutzten linearen Fokusmodell verbessert und der Fokus-Shift aktiv durch die Erweiterung mit einem zeitdiskreten PID-Regelkreis minimiert, die Soll-Prozessfokuslage im Interpolationstakt der Scannersteuerung stabilisiert und damit der vorgegebene Laserstrahldurchmesser und die prozessrelevante Intensitätsverteilung an der Wirkstelle wirkungsvoll eingehalten werden.

Die Zielgruppe sind Lasersystemtechnikentwickler, -hersteller und -integratoren, Anwender in der Lasermaterialbearbeitung sowie wissenschaftlich und technisch Interessierte.

Autorentext

Georg Cerwenka studierte Informationstechnik an der Dualen Hochschule Baden-Württemberg (DHBW) in der Kooperation mit der Firma ARBURG GmbH + Co KG, bei der er danach als Projektingenieur tätig war. Anschließend studierte er Elektrotechnik mit den Schwerpunkten Informations-, Laser- und Lasermesstechnik an der Technischen Universität Dresden (TUD). Nach einer Tätigkeit bei der Firma Voith Engineering Services GmbH Road & Rail als Projektingenieur wechselte er als wissenschaftlicher Mitarbeiter an das Institut für Laser- und Anlagensystemtechnik (iLAS) der Technischen Universität Hamburg-Harburg (TUHH). Parallel war er als Projektingenieur und Key Account Manager bei der Firma LZN Laser Zentrum Nord GmbH tätig. Seit 2018 arbeitet er als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Fraunhofer-Einrichtung für Additive Produktionstechnologien IAPT. Im Jahr 2024 promovierte er bei Herrn Prof. Dr.-Ing. Claus Emmelmann am Institut für Laser- und Anlagensystemtechnik (iLAS) der Technischen Universität Hamburg (TUHH).

Klappentext

Diese Dissertation behandelt eine entwickelte Korrekturmethode zur Fokuslagenstabilisierung. Zur aktiven Stabilisierung der Soll-Prozessfokuslage bei der scannergeführten Laser-Remote-Bearbeitung wurden der Einfluss der Thermischen Linse und der Umgebungsgrößen auf den Fokus-Shift erforscht. Daraus abgeleitet wurde eine prozessbegleitende, adaptive und softwarebasierte Korrekturmethode mit einem auf der Matrizenoptik (ABCD-Matrizen) basierenden Fokusmodell entwickelt. Mit dem entwickelten ABCD-Fokusmodell wird die Einstellung der Soll-Prozessfokuslage gegenüber linearen Fokusmodellen verbessert. Erweitert mit einem zeitdiskreten PID-Regelkreis werden der Fokus-Shift aktiv korrigiert, die Soll-Prozessfokuslage stabilisiert und damit der Laserstrahldurchmesser an der Wirkstelle eingehalten. Ein Sensorkonzept ermöglicht die Einspeisung der prozessbegleitend gemessenen Umgebungsgrößen zur Anpassung der Korrekturalgorithmen.

Der Inhalt

• Bietet eine prozessbegleitende, adaptive und softwarebasierte Korrekturmethode zur Fokuslagenstabilisierung (Fokus-Shift)
• Enthält die Modellbildung der Thermischen Linse, Umgebungsgrößen und optischen Systeme sowie Einbindung von Sensoren

• Bietet ein ABCD-Fokusmodell zur verbesserten Einstellung der Soll-Prozessfokuslage gegenüber linearen Fokusmodellen Der Autor
  Georg Cerwenka studierte Informationstechnik an der Dualen Hochschule Baden-Württemberg (DHBW) in der Kooperation mit der Firma ARBURG GmbH + Co KG, bei der er danach als Projektingenieur tätig war. Anschließend studierte er Elektrotechnik mit den Schwerpunkten Informations-, Laser- und Lasermesstechnik an der Technischen Universität Dresden (TUD). Nach einer Tätigkeit bei der Firma Voith Engineering Services GmbH Road & Rail als Projektingenieur wechselte er als wissenschaftlicher Mitarbeiter an das Institut für Laser- und Anlagensystemtechnik (iLAS) der Technischen Universität Hamburg-Harburg (TUHH). Parallel war er als Projektingenieur und Key Account Manager bei der Firma LZN Laser Zentrum Nord GmbH tätig.
  Seit 2018 arbeitet er als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Fraunhofer-Einrichtung für Additive Produktionstechnologien IAPT. Im Jahr 2024 promovierte er bei Herrn Prof. Dr.-Ing. Claus Emmelmann am Institut für Laser- und Anlagensystemtechnik (iLAS) der Technischen Universität Hamburg (TUHH).

  Inhalt

Einleitung.- Theoretische Grundlagen.- Stand der Technik und der Wissenschaft.- Korrekturmethode zur Fokuslagenstabilisierung.- Einsatz der Korrekturmethode zur Fokuslagenstabilisierung.- Zusammenfassung und Ausblick.