Laser sind aus der modernen Fertigung nicht mehr wegzudenken. Sie bieten Dienste zum Schweißen, Schneiden und Strukturieren bis hin zum Markieren und Reinigen. Eine der größten Anforderungen bei der Integration der Laserbearbeitung in einem Fertigungsprozess besteht darin, gleichzeitig hohe Präzision und hohen Durchsatz zu ermöglichen. Dies gelingt durch eine Reihe von Systemkomponenten wie etwa optisch arbeitende Laserstrahlablenkeinheiten. Eine Voraussetzung, damit Maschine und Laser Hand in Hand arbeiten und ihren Job möglichst perfekt umsetzen können, ist die Erzeugung eines Scan Fields, das auf dem Werkstückträger der Maschine ein möglichst perfektes Laserprozessfeld abbilden muss.

Manuelles Kalibrieren hat seine Grenzen

Jede Ablenkeinheit kann ein solches Feld erzeugen, abhängig von der eingesetzten Optik, F-Theta-Linse oder Vorfokussierung. Damit sich das virtuelle Scan Field der Ablenkeinheit mit dem Laserprozessfeld in der Maschine an möglichst jedem Punkt deckt, muss das Scan Field kalibriert werden. Dies erfolgt normalerweise mit einer digitalen Korrekturdatei, die von der Lasersoftware ausgelesen wird. Aufgrund von Toleranzen in der Optik kann es jedoch bei Anwendungen mit erhöhten Anforderungen an die Positionsgenauigkeit, notwendig werden, manuell zu messen. Das geschieht unter Zuhilfenahme von beschichteten, laserlichtempfindlichen Platten für Kalibriermarkierungen. Die Vermessung erfolgt hier analog mit einem Lupenlineal. Bei der Kalibrierung des „Scan-Fields“ in der Laserablenkeinheit in der Maschine muss nun das Kalibriermuster Linie für Linie zum Zentrum und zueinander vermessen und alle Koordinaten in den Editor der Kalibrierdatei manuell eingetragen werden.

„Die höchstmögliche Genauigkeit, die man manuell mit einem Lupenlineal erreichen kann liegt bei circa ± 50 µm“, betont Wolfgang Lehmann Produktmanager bei Raylase. „In der additiven Fertigung möchte man aber absolute Genauigkeiten von 10 bis 20 µm erreichen. Dies ist mit der manuellen Kalibrierung nicht möglich. Man muss deshalb viele Versuche vornehmen, um herauszufinden, welche Position eingestellt werden sollte, damit das gewünschte Resultat tatsächlich erreicht werden kann. Das kostet oft immens Zeit und bindet Fachpersonal.“ Die Lösung für dieses Problem bietet der digitale Scan-Field-Calibrator (SFC).

Massiv Zeit einsparen

Angenommen, ein Automobilbauer will, dass alle seine gleichartigen Lasermaschinen eine möglichst identische Qualität bei gleicher Laseraufgabe erzeugen. Er betreibt zehn Maschinen parallel, um seine Werkstücke präzise zu schneiden. Die Prozessfelder betragen 300 x 300 mm². In jede der Maschinen legt er eine unbenutzte Kalibrierplatte derselben Größe. Jede Maschine ist mit ihrem Rechner in einer Maschinendomäne im Netzwerk identifiziert.

In derselben Netzwerkdomäne befindet sich der „SFC-600“. Er ist für Scan Fields bis 600 x 600 mm² ausgelegt. Ausgelöst vom SFC, lässt der Maschinenbauer nun alle Lasermaschinen die Platten beschriften, das heißt mit dem Kalibrierjob lasern. Jede Kalibrierplatte erhält zusätzlich einen QR-Code. Danach entnimmt er die beschrifteten Kalibrierplatten, legt sie nacheinander in den SFC ein und lässt sie scannen. Der SFC legt dabei die Daten laseranlagenspezifisch ab. Nun entscheidet er nach jedem Scan, ob Korrekturen durchgeführt werden sollen oder ob die Abweichungen in der Toleranz sind. Entscheidet sich der Anwender, die Korrektur durchzuführen, wird die Korrektur sowohl auf der Steuerkarte als auch im betreffenden Verzeichnis auf dem lokalen Rechner aktualisiert. Der Gesamtaufwand inklusive einer Korrekturschleife für all diese Arbeitsschritte an zehn Maschinen beläuft sich mit dem SFC auf zwei bis drei Stunden.

Im Gegensatz dazu müsste die Auflösung bei einer manuellen Kalibrierung von zehn Laseranlagen auf typischerweise 5 x 5 oder maximal 11 x 11 Kreuzungspunkte reduziert werden. Zusätzlich wären zwei Durchläufe zwingend, und die Parameter Arbeitsabstand zu Fokusebene und Parallelität müssten mechanisch vermessen werden. Pro Maschine sind hierfür mindestens zwei bis drei Stunden anzusetzen.

Manuell nicht mehr durchführbar

Noch überzeugender sieht das Ergebnis des SFC in der additiven Fertigung aus. Annahme ist hier eine Maschine, die wahlweise mit vier Lasern gleichzeitig an vier unterschiedlichen Werkstücken oder einem Werkstück mit vier Strahlen arbeitet. „Gerade für diesen Modus benötigt der Kunde höchste Präzision und damit einen regelmäßigen Abgleich der Scan-Fields“, betont Lehmann. Bei einem Prozessfeld von 400 x 400 mm², das von vier gleichen virtuellen Scan Fields mit entsprechenden Größen überlagert wird, erfordert die Kalibrierung hochgradige Genauigkeit, sprich: die virtuellen Scan Fields müssen möglichst optimal zueinander ausgerichtet werden.

Der Ablauf und Anschluss des SFC dauert für alle Kalibrierungen der vorgenannten technischen Parameter auch hier nicht mehr als 60 min. „Möchte der Anwender dies manuell durchführen, würde er bereits an der geforderten Genauigkeit von 48 x 48 Stützpunkten scheitern“, so Lehmann. „Selbst Genauigkeiten von 21 x 21 Stützpunkten wären manuell nicht mehr realistisch durchführbar.“ In der Praxis werden daher oft Prozessfelder auf Kalibrierplatten gelasert und an die Maschinenhersteller geschickt, die mit großem Aufwand und kamerabasierten Achssystemen die Kalibrierplatten vermessen und Korrekturdateien zurücksenden.

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