In-situ-Diagnose und Steuerung der Schmelz- und Erstarrungsdynamik beim Laserstrahlschneiden

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Während bei spanabhebenden Fertigungsverfahren mit geometrisch bestimmter Schneide – wie dem Drehen und Fräsen – die Werkzeugschneide und ihre Orientierung maßgeblich die entstehende Abtraggeometrie vorgeben, erzeugen thermische Trennverfahren den Abtrag durch die lokale Erwärmung des Werkstückes. Die Abtragwirkung entsteht durch Wärmeleitung und Phasenumwandlung des Werkstoffes – bei Schmelzschneidverfahren dominant durch Umwandlung des abzutragenden Volumens in die schmelzflüssige Phase - und den Abtransport zumindest von Teilen dieser Schmelze aus der sich bildenden Schneidfuge. Die Abtraggeometrie kann also nicht unmittelbar aus einer wohldefinierten Schneide abgeleitet werden. Vielmehr entscheiden die Verteilung der lokal eingekoppelten Energie, die Wärmeleitung, der Aufschmelzprozess sowie die Prozesse des partiellen Materialaustriebes einerseits und der Restschmelze-Anhaftung und -Erstarrung andererseits insbesondere über die Präzision (Reproduzierbarkeit und Regelmäßigkeit) und in Folge auch über die zu gewährleistende Genauigkeit (Maß- und Formeinhaltung) der entstehenden Schnittflanken.

Beim Laserstrahlschneiden verursachen Instabilitäten der Laserschneidfront unerwünschte Qualitätseinbußen in Form von Abtrag- und Erstarrungsriefen. Sie können bis zur Bartbildung durch erstarrte Schmelze führen. Die Analyse der ursächlichen Phänomene wurde bisher vor allem aufgrund eingeschränkter Diagnosemöglichkeiten infolge zeitlich und räumlich schwer zugänglicher Domänen behindert. Mit neuen Diagnostikmethoden konnten die Mechanismen von Riefenentstehung und Bartbildung, den beiden wichtigsten Präzisionsmerkmalen einer Laserschnittkante, in den ersten beiden Phasen des Teilprojektes inzwischen ausführlich analysiert werden und sind nun deutlich besser verstanden.

Ein vorrangiges Ziel dieses Teilvorhabens bleibt die konsequente Umsetzung und nachhaltige Erprobung der gefundenen Methoden zur Präzisionserhöhung beim oxidfreien Laserstrahlschmelzschneiden von Blechwerkstoffen. Die gewonnenen Erkenntnisse über Mehrfachreflexionsbeiträge, Strahlformungseinflüsse und akustische Resonanzen sollen in zuverlässig wirksame, räumliche und zeitliche Modulationsverfahren zur Homogenisierung der absorbierten Leistungsdichteverteilung und zur Steuerung der Schmelz- und Erstarrungsdynamik überführt werden.

Die Beherrschung des Schmelzprozesses auf der Schneidfront und des Erstarrungsprozesses auf den Schneidflanken soll in der dritten Phase konkret durch Rückführung von den Teilprozessen zuzuordnenden Sensorsignalen auf Stellgrößen der Laserstrahlung und der Schneidgasströmung erfolgen, um damit eine Dämpfung von Instabilitäten und eine präzise Schnittflankenformung zu gewährleisten. Zur Detektion geo-metrischer und thermischer Prozessinformationen in Echtzeit werden Photodioden und Signalverarbeitungsmittel verwendet. Zur Anpassung der Düsen-/Fugenimpedanz, zur Erhöhung des Strömungswirkungsgrades und der Strömungsstabilität werden die ebenfalls in der zweiten Phase gefundenen, vollkommen neuen Erkenntnisse über die stabilisierende Wirkung akustischer Resonanzen in der Schneidfuge und die Chancen ihrer Verstärkung durch entsprechende Anpassung von Düsendesign und Lasermodulation genutzt. Letztlich soll die charakteristische blechdickenabhängige Frequenz in der Fuge nicht nur verstärkt, sondern auf maximale Wirkung geregelt werden. Auf dem Weg zu geschlossenen Regelschleifen für die Kompensation von prozessimmanenten Instabilitäten und äußeren Störungen wird die dritte Phase in folgende Arbeitspakete gegliedert:

• Systemaufbau zur online Prozessüberwachung unter Nutzung gezielter zyklusverstärkender bzw. minimalinvasiver Schneidgas- bzw. Laserstrahlmodulation; Detektion der Prozessantwortsignale und Identifikation der Prozesszustände in Echtzeit unterstützt durch neue Methoden des Maschinellen Lernens (ML)

• Kompensation von Instabilitäten auf der Schneidfront bzw. in der -fuge durch Anpassung der Gas- und Laserstrahl-Modulationsparameter

• Rückführung der Prozesssignale in geschlossene Regelschleifen, bedarfsweise auch mit ML-generierter Inferenztechnik

Maßgebliches Ziel ist die Minimierung von Unregelmäßigkeiten, d.h. die Erzeugung von bartfreien Schnittkanten am Beispiel von 6 mm dicken Edelstahlblechen mit gemittelten Rautiefen Rz unter 10 μm beim Schneiden mit Faser- und Scheibenlasern. Die Beherrschung des Prozesses wird darüber hinaus die weitere in der zweiten Phase begonnene Funktionalisierung von Schnittflanken mit definierten Geometrien und Texturen ermöglichen, womit entsprechend hergestellte Produkte signifikant aufgewertet werden, ohne die Prozesskette durch nachgelagerte Prozessschritte zu verlängern.

  links: Prinzip des In-situ-Diagnoseaufbaus für Einschnitte; rechts: Prinzip der Streakaufnahmen Urheberrecht: © SFB 1120 links: Prinzip des In-situ-Diagnoseaufbaus für Einschnitte; rechts: Prinzip der Streakaufnahmen
 
  links: Prinzip des schneidetiefenabhängigen Schmelzwellenerkennungsverfahrens für eine Schnitttiefe von 2 mm und einer Auswahl von 40 Frames; rechts: Schnitttiefenabhängige Analyse der Schmelzwellenfrequenzen (fmw) Urheberrecht: © SFB 1120 links: Prinzip des schneidetiefenabhängigen Schmelzwellenerkennungsverfahrens für eine Schnitttiefe von 2 mm und einer Auswahl von 40 Frames; rechts: Schnitttiefenabhängige Analyse der Schmelzwellenfrequenzen (fmw)
 
  links: Düsendesign der Schneidpfeife; rechts: Diagramm der spektralen Peakfrequenzen vs. Hohlraumllänge; Die Theoretischen Frequenzen werden durch die durchgezogenen Linien und die experimentellen Daten durch die Punkte dargestellt. Urheberrecht: © SFB 1120 links: Düsendesign der Schneidpfeife; rechts: Diagramm der spektralen Peakfrequenzen vs. Hohlraumllänge; Die Theoretischen Frequenzen werden durch die durchgezogenen Linien und die experimentellen Daten durch die Punkte dargestellt.
 
  Validierung der akustischen Resonanz der Schneidpfeife durch den Vergleich optischer und akustischer Messungen (Schlieren- bzw. Mikrofonmessung). Für die Ermittlung der Frequenz aus der Schlierenaufnahme wurde aus einer Abfolge Einzelbilder jeweils ein P Urheberrecht: © SFB 1120 Validierung der akustischen Resonanz der Schneidpfeife durch den Vergleich optischer und akustischer Messungen (Schlieren- bzw. Mikrofonmessung). Für die Ermittlung der Frequenz aus der Schlierenaufnahme wurde aus einer Abfolge Einzelbilder jeweils ein P
 
  Nutzung akustischer Resonanzen stabilisiert die Schmelzdynamik beim Laserstrahlschneiden. Urheberrecht: © SFB 1120 Nutzung akustischer Resonanzen stabilisiert die Schmelzdynamik beim Laserstrahlschneiden.
  Schlieren-optische Highspeed Videoaufnahme der Überschall-Gasströmung aus der Schneidpfeife bei freier Expansion
  Schlieren-optische Highspeed Videoaufnahme der Überschall-Gasströmung aus einer konischen Standarddüse bei freier Expansion