Messung ausgewählter Laserparameter sowie Korrelation mit Materialbearbeitung

Abstract

In Zeiten immer höher werdender Qualitätsanforderungen spielt die Stabilität von Bearbeitungsprozessen eine immer größere Rolle. Stabil arbeitende Prozesse bedeuten weniger Ausschuss, höhere Produktivität und damit höheren Umsatz. Die Erzeugung von Laserstrahlung und vor allem ihre Möglichkeiten der Verwendung öffnete in den letzten Jahren in vielen Bereichen, vor allem in der Materialbearbeitung viele Alternativen zu herkömmlichen Bearbeitungsmethoden. Es wurden viele Untersuchungen über diverse Laserparameter und Ereignisse während eines Bearbeitungsvorganges angestellt. Allerdings bezogen sich diese bis heute immer auf die Laserquelle selbst oder auf die vom Laser verrichteten Prozesse am bearbeitenten Objekt. Es gibt kaum Untersuchungen, die diese Untersuchungen vereint.<br />Über den Zusammenhang zwischen den Parametern der Laserquelle und deren gleichzeitigen Auswirkungen während des Bearbeitungsprozesses ist bis heute sehr wenig bekannt.<br />Die Korrelation einzelner Laserparameter zur mechanischen Bewegung des Lasers über der Zeit kann in vielen Fällen sehr wertvolle Information über den Laserbearbeitungsvorgang liefern. Die gewonnen Daten könnten Rückschlüsse über die Laserstabilität, Prozessabläufe oder Gründe für eventuelle Ungleichmäßigkeiten bei der Laserbearbeitung, Modenformänderung während des Prozesses oder Temperaturschwankungen etc.<br />geben. Diese könnten zur Verbesserung der Laserstrahlquelle selbst als auch zur Erhöhung der Qualität von laserbearbeiteten Bauteilen beitragen.<br />Ziel dieser Diplomarbeit war es einen 10W-CO2-Laser auf seine Leistungs- und Modenstabilität über der Zeit zu prüfen und etwaige Schwankungen in Korrelation mit einer Gravur zu erfassen. Zur Leistungsmessung über der Zeit wurde eine Versuchsanordung erstellt, in der die mittlere Ausgangsleistung erfasst und aufgezeichnet werden konnte. Die Aufnahme sämtlicher Prozessdaten als auch die Ansteuerung des Lasers erfolgte mit Hilfe eines PXI-Moduls und der Software Labview der Firma National Instruments. Zur Korrelation der Stabilitätsuntersuchungen mit einer Gravur stand ein Laser-Plotter und eine Pyrocam der Firma Spiricon zur Verfügung.<br />Hierbei wurden 24 Bilder pro Sekunde während des Gravurvorganges aufgenommen, welche anschließend mit der Gravur verglichen wurden um auf eventuelle Einflüsse der Moden- und Leistungsstabilität auf die Gravurqualität rückschließen zu können.<br />Dabei stand die Aufnahme unterschiedlicher Laser- und Prozessdaten, sowie die leichte Adaptierbarkeit und die Kombination einzelner Messsensoren und deren Auswertung im Vordergrund und weniger der Aufbau einer hochwertigen Steuerung.<br />Schlussendlich sollte in weiterer Folge der erstellte Versuchsaufbau mit all seinen Möglichkeiten der Datenerfassung als Basis eines Untersuchungssmodells für verschiedene Lasertypen zur Verfügung stehen.<br />

In times of increasing quality requirements, the stability of handling processes are becoming more and more important. Stable working processes mean less waste, higher productivity and therefore increase in sales.<br />The creation of laserbeams and their advantages in various applications opened a lot of alternatives to common manufactoring processes in recent years.<br />A lot of analyses regarding various laser parameters and events during a handling process were made. Though the analyses applied either to the beam source itself or effects of the performed process on the workpiece.<br />There are hardly any analyses combining these aspects. Barely anyhing is known about the connection between the laser parameters and their simultaneous effects during the manufacturing process yet.<br />Correlating several laser parameters with the mechanical movements of the laser over time can provide a lot of valuable data regarding the laser working process. Based on the measured data, conclusions about laser stability, process sequences or reasons for inequalities during the process, mode changes or temperature variations could be drawn.<br />These conclusions could be used to improve the laser source itself and to increase the quality of laser processed workpieces. The goal of this diploma thesis was to test the power- and mode stability of a 10W-CO2-Laser over time and to measure potentially occuring variations in correlation with a gravure.<br />For power measuring, a construction was made to measure and log the mean power over time. The logging of all process data and the control of the laser was executed by a PXI-Modul and the Labview software by National Instruments.<br />To correlate the laser stability measurements with a gravure, a laserplotter and a pyrocam by Spiricon was used.<br />24 pictures per second were being taken during the engraving process and thereafter compared to the gravure to conclude about eventual effects of gravure quality due to power- or mode stability.<br />The measurement of different laser- and process parameters as well as the possibility to adapt and combine different sensors and their analyses were paramount, not the construction of a highly sophisticated control.<br />In conclusion the construction with all its possibilities for measuring and logging should be used as basis equipment for different laser types.<br />