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Der perfekte Laserstrahl

03.11.2015

von Barbara Stumpp
Je dicker das zu schneidende Blech, umso rauer werden die Kanten beim Laserschneiden und umso langsamer ist der Schneidprozess. Für Optimierung will hier das EU-Projekt HALO (High Power Adaptable Laser Beams for Materials Processing) sorgen. Entscheidend ist dabei die richtige Strahlformung.


Im Bereich des Blechschneidens ist der Laser ein etabliertes Werkzeug. Laserleistungen bis 8 kW sind heute industrieller Stand der Technik und gestatten sogar das Schneiden von Dickblech bis 50 mm. Aber, wie bei allen thermischen Schneidprozessen sinkt mit wachsender Materialdicke die Schneidgeschwindigkeit. Dadurch kann ein größerer Teil der Wärme ins Blech diffundieren, was die Prozesseffizienz senkt. Dazu kommt mit wachsender Dicke eine reduzierte Absorption der Laserstrahlung und die Erzeugung einer breiteren Fuge, die mehr Energie erfordert, weil ein größeres Schmelzvolumen produziert wird.

Normalerweise hat ein Laserstrahl eine Gaußsche Intensitätsverteilung, das heißt die Intensität ist im Zentrum maximal und fällt zu den Rändern hin glockenförmig ab. Ein Laserstrahl mit einer solchen Intensitätsverteilung ist nicht für jede Anwendung optimal. So lässt sich ein Blech von 1 mm Dicke noch schnell und qualitativ hochwertig damit schneiden, ein 1 cm dickes Blech erfordert jedoch eine ausgedehntere und an den Rändern höhere Intensität des Laserstrahls. Außerdem würde eine verbesserte Absorption der Laserenergie sowohl eine glattere Schnittkante erzeugen als auch schnelleres Schneiden erlauben. Hier setzt das EU-Projekt HALO an: Ein internationales Konsortium aus neun Forschungseinrichtungen und Industrieunternehmen fand sich unter der Leitung von Gooch & Housego zusammen.

Internationales Konsortium

Im Teilprojekt Blechschneiden mit Laser passt man im Unternehmen die Laserstrahlintensität mittels eigens entwickelter optischer Komponenten kundenspezifisch an jede Anwendung an. Das Blechschneiden mit adaptierten Strahlen durch Einstellen der Polarisation der Strahlung untersucht man bei Trumpf. An der Universität Lulea und am Fraunhofer ILT beschäftigt man sich mit Simulation und Modellieren des Laserschneidens. Ziel von HALO ist die Kostensenkung und das Erhöhen der Bearbeitungsgeschwindigkeit bei gleichzeitiger Verbesserung der Qualität.

„Ein Grund für die schlechte Qualität der Schnittkante dicker Bleche ist, dass die Laserstrahlung bedingt durch optische Effekte im Bereich der Schneidfuge nicht gleichmäßig verteilt ist. Es bilden sich Schattenbereiche hinter den Wellen der ausströmenden Schmelze, die die Rauhigkeit der Schneidfuge verursachen“, so Prof. Wolfgang Schulz, Projektleiter am Fraunhofer ILT. Diese Schattierung hängt ab von der Fresnel-Zahl und dem Einfallswinkel der Laserstrahlung. Die Fresnel-Zahl ist eine Funktion von der Amplitude der Schmelzwelle, der Wellenlänge der Laserstrahlung und der Wellenlänge der Schmelzwelle.

App zur Ermittlung der Schneidparameter

Verbesserung bringt hier das Vergrößern des Einstrahlwinkels und der Einsatz eines elliptischen Strahls. „Um dem Anwender die Möglichkeit zu geben, auf Basis unserer aktuellen Forschungen seinen Prozess zu verbessern, haben wir eine App entwickelt. Mit diesem Optimierungstool kann der Anwender so lange die für seine Fertigungsumgebung erreichbaren Parameter schieben, bis sie für seine Anwendung optimal passen“, so Wolfgang Schulz. Eine App für das Bohren von Turbinenschaufeln ist bereits verfügbar und eine für das Schneiden von Metallen ist in Vorbereitung. Am ILT nutzt man mit der Metamodellierung noch ein weiteres Werkzeug zur Optimierung des Laserstrahls. Der Begriff weist schon darauf hin, dass hier Aussagen auf einer höheren Ebene ermittelt werden als sonst bei Modellen und Simulationstools üblich, man hat sozusagen ein Modell über einem Modell. Das Metamodell ist zunächst eine Art ‚Nachschlagtabelle‘ aus sehr vielen Simulationsergebnissen. Aufbereitet sind sie sehr viel schneller aufrufbar und mit mathematischen Methoden behandelbar. Mit Hilfe dieser Metamodellierung ermittelt man auch die Parameter optischer Komponenten für hochwertiges Laser-Blechschneiden.

Nachschlagtabelle mit sehr vielen Simulationsergebnissen

Die am ILT ermittelten Ergebnisse gehen zur Validierung an die Luleå University of Technology (LTU). Dabei stehen den Forschern Diagnoseverfahren wie Hochgeschwindigkeits-Videografie des Schneidprozesses sowie davon abgeleitete Methoden wie Streak-Technik oder Post-Modellierung zur Verfügung. Professor Alexander Kaplan, Projektleiter an der LTU: „Um die ILT-Resultate zu validieren und zu ergänzen, entwickelten wir die High Speed Imaging (HSI)-Methode weiter. Das beinhaltet die HSI-Analyse vom Schneidfront-Schmelzfilm begleitet von Tropfenauswurf und Gratbildung.“ Gooch & Housego entwickelt Komponenten, um das Strahlprofil und die Polarisation des Laserstrahls optimal an die jeweilige Anwendung anzupassen. „Eine Möglichkeit ist hier der Einsatz von segmentierten Verzögerungsplatten, um über die passende Polarisation die Absorption des Laserstrahls an der Schneidfront zu steigern“, berichtet Tom Legg, Projektmanager bei Gooch&Housego. Diese Verzögerungsplatten bestehen aus dünnen Quarzsegmenten, ähnlich angeordnet wie bei einem Dartboard, die den ursprünglich linear polarisierten Strahl radial polarisieren. Diese segmentierten Verzögerungsplatten erreichen eine etwa 95-prozentige radiale Polarisation des ursprünglichen Laserstrahls und eine ausgezeichnete Transmission. Je nach Anwendung des Laserschneidens ist eine Gaußsche -, eine Top-Hat- oder eine Doughnut-Verteilung der Intensität gefordert.

Einstellbare Optiken verkürzen Entwicklungszeit

Bei Gooch & Housego ist man deshalb dabei, weitere optische Komponenten zu entwickeln, die mit dem adaptierbaren Laserstrahl oder innerhalb des Laserresonators arbeiten, um adaptierbare Laserstrahlen zu erhalten. Diese Komponenten erzeugen zum Beispiel einen Outputstrahl mit einem ringförmigen Intensitätsprofil zum Pumpen eines Stablasers, der  einen Strahl mit einer Doughnut-förmigen Intensitätsverteilung liefert. Der nächste Schritt in Richtung einer geeigneten Optik zur Strahlformung wird durch eine einstellbare Optik die Entwicklungszeiten für eine adaptierte Optik verkürzen. Anstelle der mühsamen iterativen Fertigung von stufenweise verbesserten Prototypen wird dann eine Optik mit variabel einstellbaren Parametern zur Entwicklung genutzt, so dass erst  nach dem Erfolg eine ‚Fest‘-Optik gefertigt wird. Ein Beispiel für eine solche einstellbare Optik ist der so genannte ‚Spatial Light Modulator SLM‘, dessen Brechkraft über das Anlegen einer elektrischen Spannung eingestellt wird.

Die Ergebnisse zum Schneiden von Metall zeigen schon heute, dass mit einer geeigneten Strahlformung die aktuellen technischen Grenzen überwunden und deutliche Fortschritte beim Laserschneiden erreicht werden.

www.halo-project.eu



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