(VP1) "Demonstratoranlage für die Produktoptimierung" - Jens Bliedtner, Andreas Hopf und Michael Seiler - VIPO
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“Demonstratoranlage für die Produktoptimierung”
(VP1)
Jens Bliedtner, Andreas Hopf und Michael Seiler
Ernst-Abbe-Hochschule Jena
Einleitung/Motivation
Herausforderungen an optische Systeme der Lasermaterialbearbeitung
(hohe Präzisionsanforderungen, dynamische Strahlablenkung, robuste Prozesse)
Zwei Schwerpunkthemen
Sublimationsschneiden höchster Remote-Laserstrahlschweißen mit
Präzision mit UKP-Laserstrahlung Hochbrillanten Festkörperlasern
Biopsiezange -Operationsinstrument Schweißen einer Dachspitze 3-BMW
Quelle: Bliedtner, J.; Müller, H.; Barz, A.: Lasermaterialbearbeitung. Carl Hanser Verlag. 2013
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Aktuelle Probleme
Fokuslageshift
Strahllagedriften
Zeitliche Fluktationen
Reale Testergebnisse an einem aktuell
eingesetzten Standard-Fokussierkopf
(Quelle: Marten et al. (2010). Qualifizierung von Fokussier-und Abbildungs-
systemen für die industrielle Laserbearbeitung mit brillanten Strahlquellen im
Multikilowattbereich. Laser-Anwenderforum Proc)
Bohrungsdurchmesser 1µm
Änderung der Schweißnahtgeometrie im
Prozess (Reitemeyer, D. (2012). Stabilisierung der
Fokuslage beim Schweißen mit Faser-und
Scheibenlasern. BIAS.) Bohrungsabstände variieren
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Strahlführungselemente und Systemkomponenten
Optische Komponenten und Systeme werden zumeist nur seriell betrachten
Dadurch ganzheitliche Aussage zu Abbildungsfehlern, thermisches und
halbleiterphysikalisches Verhalten nicht möglich
Optical Designs der Einzellinse mit Tolerierung Mechanisch Optisches Designs des Objektives mit
Tolerierung
Quelle: Bliedtner, J., & Gräfe, G. (2008). Optiktechnologie. Hanser Fachbuchverlag, Leipzig.
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Lösungsansatz und Zielstellung Optiksimulation mit Multiphysik-Domänen-Kopplung am Beispiel von Lasermaterialbearbeitungsanlagen - Technologien zur Erstellung, Validierung und Kalibrierung virtueller Produktmodelle - Validierte Mehrdomänenmodelle - Modelle zur Parameterkalibrierung - Zusammenhangsmodelle reduzierter Komplexität für Produkte - Modelle zur Mehrzieloptimierung. Quelle: Frau Kunath, Fa. Dynardo 30.01.2020 vipo - Symposium 2020 5
Prinzipdarstellung der Demonstratoranlage 30.01.2020 vipo - Symposium 2020 6
Demonstratoranlage - aktuell
Präzisionsmaschine:
- Schnelle Galvanoantriebe: 15m/s
- Achssysteme: Pos.-Genauigk.< 2 µm
UKP-Laser:
- ps/fs-Laser: 532 nm
- Mittl. Leistung: 20 W
- Rep.rate: 20 MHz
Komponenten/I4.0-fähig:
- Condition Monitoring System
- Inline-Topografiemessung
- Sensornetzwerk
- Durchgängige Prozesskette
- Strahlformung: Spatial Light Modulator
- Machine integrated measurements Quelle: Pulsar Photonic GmbH: Übergabedokumentation der
Demonstratoranlage an die EAH Jena. 2019
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Demonstratoranlage - aktuell
stabiler Granitaufbau
und zweifachgeführter
Strahlengang
© Pulsar Photonics GmbH
zahlreiche optische Komponenten
zur Strahlführung und
Strahlformung sowie
Komponenten der
Strahlüberwachung
Bearbeitungsraum mit
Werkzeugaufspannung
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Inline-messung der Strahlqualität sowie Strahllage und -
position Generieren von Messdaten für das Kalibrieren
des Modells
Datenreduktion auf Signifikanz
predictive maintenance
© Pulsar Photonics GmbH
© Pulsar Photonics GmbH
© Pulsar Photonics GmbH
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Strahlintensitätsverteilungen mit und ohne DOE
Scanlab Scanner HurryScan - Objektiv 100er Brennweite
DkeX: 30,1 µm DkeX: 68,5 µm
DkeY: 29,0 µm DkeY: 66,4 µm
Gauß: TopHat:
X: 30,682 µm x: 68,508 µm
Y: 29,044 µm y: 66,387 µm
Mittel: 29,863 µm Mittel: 67,4475 µm
30.01.2020 vipo - Symposium 2020 10Pulsbreitenmessung
Typisches Verhalten
1800 20
• „Weiter“ Bereich 1600
konstanter Leistung P 1400
19
Gemessene Leistung P [W]
• Variierende Pulsdauer tp in
1200
Pulsdauer tp [fs]
Abhängigkeit von Position
des Gitterkompressors 1000
18
und Pulspicker 800
tp (500 kHz)
600
Leistungssensor für tp (2000 kHz)
17
400
Optimierung nicht P (500 kHz)
ausreichend 200
P (2000 kHz)
Weitere Messmethoden 0 16
notwendig 0 1000 2000 3000 4000
Position Gitterkompressor [µm]
Quelle: Seiler et al. Untersuchung zum Einfluss von Pulsdaueränderungen auf
den Bearbeitungsprozess mittels einer online-Charakterisierungsmöglichkeit der
Pulsqualität, 11. Jenaer Lasertagung, DVS-Berichte Band 346
30.01.2020 vipo - Symposium 2020 11Auf der Basis von nicht linearer Effizienz
Direkte Messung von
vier Laserkenngrößen
• Repetitionsrate
• Mittlere Leistung
• Position
• Nicht lineare Effizienz
Mittlere Leistung
Relative Spitzenenergie
Pulsqualität
Relative Pulsdauer
Strahl Pointing
© APE GmbH
30.01.2020 vipo - Symposium 2020 12Topografiemodul zur inline-Vermessung von Geometrie
und Strukturen
© Pulsar Photonics GmbH
30.01.2020 vipo - Symposium 2020 13Anwendungsszenario
Aufgabe: Bohrungen in eine Chromschicht auf Quarzglassubstrat
Ziel: Durchmesservariation zwischen 1 µm und 100 µm (mit Single Pulse) mit
einer Positioniergenauigkeit von 100 nm
Chromschicht
Quarzsubstrat
ca. 2000 -3000
Glasfasern
© 2020 Zeiss-Planetarium Jena
30.01.2020 vipo - Symposium 2020 14Zusammenarbeit
Partner im VP 1 Assoziierte Partner
- Pulsar GmbH
- Jenoptik AG
- Ophir
- Scanlab
30.01.2020 vipo - Symposium 2020 15Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Demonstratoraufbau
Quelle:
https://www.sternregister.de/sternbilder/sternbild- im Grundzustand
orion.php
30.01.2020 vipo - Symposium 2020 16Sie können auch lesen
