Adaptive Fokuslagenkorrektur fasergebundener Laser-Remote-Scanner mit Linsenoptiken für hohe Laserleistungen
Georg Cerwenka
Naturwissenschaften, Medizin, Informatik, Technik / Maschinenbau, Fertigungstechnik
Beschreibung
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.
Kundenbewertungen
Stabilisierung der Fokuslage bei der Lasermaterialbearbeitung, Anwendung für z. B. Laserschneiden, Laserschweißen, 3D-Druck, Studium zu passiven und aktiven Analyse- und Korrekturmethoden, Einhaltung von Laserstrahldurchmesser und Intensitätsverteilung, verbesserte Einstellung der Soll-Fokuslage mit ABCD-Fokusmodell, prozessbegleitende, adaptive, softwarebasierte Korrekturmethode, mathematische Modellbildung der Änderung der Linsengeometrie, Einfluss Thermischer Linse und Umgebungsgrößen auf den Fokus, Einbindung von Sensoren zur prozessbegleitenden Datenaufnahme, Modellbildung von Temperatur, Druck und relativer Luftfeuchte, Modell der Temperatur und der Brechzahl für das Glassubstrat, implementierbare, C++-codierte Korrekturalgorithmen, reproduzierbares Fertigungsergebnis auch für hohe Laserleistung, ABCD-Fokusmodell und Raytracing zur Berechnung des Fokus-Shifts, thermo-optischer Effekt, spannungs-optischer Effekt, End-Effekt, Optimierung von Laser-Remote-Scannern mit Linsenoptiken, PID-regelkreis-, FEM-basierte aktive Korrektur des Fokus-Shifts