Laser-Mythen: Was Hersteller nicht wissen, kann dem Prozess schaden

Laser werden häufig für Fügeanwendungen im Automobilbau eingesetzt. Die Überwachung des Lasersystems trägt dazu bei, gleichmäßige und qualitativ hochwertige Fügeprozesse sicherzustellen.

Der Einsatz von Hochleistungslasern findet in industriellen Umgebungen immer mehr Anwendung, beispielsweise beim Sintern in der additiven Fertigung, beim Fügen von Karosseriekomponenten in der Automobilindustrie sowie beim Bohren und Schneiden von Luft- und Raumfahrtkomponenten. Je mehr Anwendungen dieser Laser entdeckt und entwickelt werden, desto mehr Hersteller erkennen, wie zuverlässig und wiederholbar industrielle Lasersysteme sein können.

Wie bei jeder anderen Werkzeugmaschine haben sich die Technologien rund um das Lasersystem in den letzten Jahrzehnten erheblich weiterentwickelt. Dennoch gibt es immer noch viele Mythen rund um den Einsatz, Betrieb und die Wartung eines Industrielasers. Die Trennung von Fakten und Fiktionen ist für die Gewährleistung eines qualitativ hochwertigen Laserprozesses von entscheidender Bedeutung.

Die Verwendung eines Lasers als industrielles Werkzeug lässt sich fast bis zum Aufkommen des Lasers selbst zurückverfolgen. Der CO2-Laser war früher aufgrund seiner enormen Leistung, relativ günstigen Betriebskosten und einfachen Wartung das Arbeitstier der Laserfertigung. Hunderttausende sind noch heute im Einsatz.

In den 1980er Jahren wurde der Faserlaser als industrielles Werkzeug eingeführt und veränderte die Landschaft der industriellen Laserfertigung. Der Faserlaser brachte im Vergleich zu den etablierten CO2-Lasern mehrere Vorteile mit sich, wie z. B. eine höhere Effizienz bei der Wandsteckdose, eine verbesserte Strahlqualität und einen geringeren Wartungsaufwand. Doch die frühen Generationen der Faserlaser waren teuer, lieferten nicht die für industrielle Laseranwendungen erforderliche Leistung und waren schwer zu warten. Die Hersteller von Faserlasern haben die meisten dieser Hürden überwunden und bieten nun Quellen und Systeme an, die praktischer sind.

So hochwertig und zuverlässig die heutigen Lasersysteme auch geworden sind, der Benutzer könnte versucht sein, die Tatsache zu vernachlässigen, dass das System immer noch aus physischen Teilen mit physikalischen Eigenschaften besteht. Lasersysteme bestehen aus mechanischen und elektrischen Komponenten, die sich nach regelmäßiger Verwendung verschlechtern oder ausfallen. Wenn diese Laser in rauen Industrieumgebungen voller Prozessabfälle eingesetzt werden, vervielfachen sich die Verschlechterung und der Ausfall von Komponenten, was zu einer verringerten Effizienz und höheren Betriebskosten führt.

Systementwickler sind bei der Verwaltung von Prozessrückständen kreativ geworden. Ohne die Messung der Leistung des Lasersystems kann der Benutzer jedoch nicht die vollständigen Auswirkungen dieser Verschlechterungen der Systemkomponenten verstehen oder wissen, wie und wann Maßnahmen zur Maximierung der Systemeffizienz ergriffen werden müssen.

Lasersysteme erfordern erhebliche finanzielle Investitionen, um Teile so schnell und effizient wie möglich herzustellen. Eine regelmäßige Wartung des Systems ist notwendig, aber der offensichtliche Wunsch, den Return on Investment (ROI) zu maximieren, bedeutet, den Zeitaufwand für die Wartung des Systems zu minimieren. Ein Laserleistungsmesssystem kann einen schnellen Hinweis auf die Leistung des Lasers liefern und bei der Entwicklung einer umfassenderen Laserwartungsroutine helfen.

Wenn bei CO2-Laseranwendungen ein Laser beginnt, von seinem optimierten Prozess abzuweichen, könnte ein Laserbenutzer versucht sein, die Leistung zu erhöhen, um weiterhin Teile zu bearbeiten, ohne sich mit der Frage zu befassen, warum der Laser an Effizienz verliert. Mögliche Ursache ist ein erhöhter thermischer Effekt auf das Lasersystem, der durch eine gealterte, beschädigte oder verunreinigte Optik verursacht wird, die sich normalerweise in der Nähe des Prozesses befindet. Durch den thermischen Effekt verschiebt sich der fokussierte Punkt nach oben, was zu einer verringerten Leistungsdichte führt.

Strahlprofilierungsinstrumente ermöglichen es Endbenutzern, ihre Laserprozesse abzustimmen, um eine präzise Bestrahlungsstärke zu erreichen, die für die Aufgabe ausreicht, aber nicht zu intensiv ist, sodass beispielsweise eine Schweißnaht überhitzt und weniger optimale Ergebnisse liefert. Heutige Lasermesswerkzeuge helfen Benutzern, die Leistung ihres Laserlichts zu verstehen und den Betrieb und die Wartung ihrer Systeme zu optimieren.

In diesem Zusammenhang sollten Hersteller den Hauptunterschied zwischen CO2-Lasern und Faserlasern kennen. CO2-Laser arbeiten mit einer sehr toleranten Wellenlänge von 10,6 µm. Die Optik dieser Laser ist robust, weniger anfällig für Schäden durch umgebende Prozessabfälle und einfacher zu warten. Moderne Faser-, Scheiben- und Diodenlaser arbeiten in der Nähe einer Wellenlänge von 1 µm. Die in diesen Lasern verwendeten Optiken sind anfälliger für Schäden durch den in ihrer rauen Industrieumgebung entstehenden Schmutz und müssen beim Austausch mit äußerster Vorsicht behandelt werden. Einige Laserbetreiber verlassen sich auf die althergebrachte Praxis, CO2-Laseroptiken zu wechseln, aber diese Praktiken können letztendlich die Bearbeitungsköpfe ihrer 1-µm-Wellenlängenlaser beschädigen.

Laserbasierte additive Fertigungssysteme erfordern präzise Ausgangsleistungen und fokussierte Punktgrößen im Prozess, um gleichbleibend hochwertige Teile herzustellen.

Dieser Mythos, dass der ROI mit einem Lasermesssystem niedrig sei, wurzelt in der falschen Vorstellung, dass diese Systeme teuer und schwierig einzurichten und zu verwenden sind. Außerdem sind viele Hersteller der Meinung, dass Lasermessgeräte zwar praktisch sind, aber möglicherweise keine Informationen liefern, die für die Anwendung nützlich oder relevant sind.

In der Vergangenheit waren die Anschaffungskosten für Lasermesssysteme hoch. Als in den 1970er Jahren elektronische Lasermessprodukte auf den Markt kamen, wurden sie hauptsächlich in wissenschaftlichen Labors und streng kontrollierten Umgebungen eingesetzt. Die von ihnen bereitgestellten Informationen waren besonders nützlich, aber aufgrund der Betriebskosten konnten nur gut finanzierte Organisationen über diese Tools verfügen.

Dank der Fortschritte bei Kameratechnologien, optischen Komponenten, Netzwerk- und Kommunikationstechnologien sowie Rechenleistung und Software sind Lasermessprodukte heute kleiner, schneller und kostengünstiger. Laserleistungsmessgeräte und Strahlprofilierungsprodukte haben sich zu kostengünstigen Wartungswerkzeugen entwickelt, die direkt in Laserarbeitszellen integriert werden können. Beispielsweise integrieren Automobilhersteller immer häufiger ein industrielles kombiniertes Leistungsmess- und Strahlprofilierungsgerät in ihre Arbeitszellen, um die Laserleistung für Trendanalysen, Prozessrückverfolgbarkeit und intelligentere Wartungsvorhersagen zu überwachen.

Neben Kostenverbesserungen ermöglichen mehrere Fortschritte eine einfachere Bedienung dieser Produkte. Heutige Lasermesssysteme berücksichtigen die Bedürfnisse von Systemintegratoren, Bedienern und Wartungspersonal. Sie nutzen beispielsweise branchenübliche Kommunikationsprotokolle und sind mit robusten Industrie-Hardwareverbindungen ausgestattet. Sie umfassen auch Sicherheitsverbesserungen zum Schutz vor Schäden durch Prozessabfälle und Überhitzung. Laserleistungsmessgeräte und Strahlprofilierungsprodukte werden in Wissenschaft und Forschung häufig eingesetzt und sind häufig für diese Umgebungen konzipiert. Aufgrund der relevanten Laserleistungsinformationen, die sie liefern, werden diese Produkte auch in der Industrie eingesetzt. Aus diesem Grund wurden ihre Designs an rauere Produktionsumgebungen angepasst.

Es ist nicht ungewöhnlich, dass Laserpersonal in der Industrie sagt: „Dieser Laserprozess ist so robust, da geht kaum etwas schief“ oder „Dieser Laser schweißt Bleche, warum sollte mich also seine Leistung interessieren?“ In einigen Fällen wird eine Laseranwendung entwickelt und bereitgestellt, und es wird einfach davon ausgegangen, dass die Leistung konstant bleibt, bis etwas schief geht. Das ist nicht die beste Art, einen Prozess zu verwalten. Darüber hinaus ist es besonders besorgniserregend, diese Aussagen von Menschen zu hören, die in Hochpräzisionsanwendungen wie der Automobilfertigung tätig sind und einen so hohen Stellenwert auf Sicherheit und Qualität legen.

Die Realität in der Fertigungswelt sieht jedoch so aus, dass dem Streben nach Sicherheit und Qualität ein Gegengewicht zu dem ständigen Bestreben zur Senkung der Betriebskosten gegenübersteht. Dies kann jedoch manchmal schwierig sein, insbesondere bei Laseranwendungen wie dem Schweißen stark reflektierender Materialien, bei denen es nicht immer einfach ist, einen gleichmäßigen Laserprozess zu erreichen. Um sicherzustellen, dass der Laser im Laufe der Zeit eine konstante Leistung erbringt, müssen wichtige Leistungsmessungen durchgeführt, analysiert und entsprechende Maßnahmen ergriffen werden. Wenn diese Laserparameter unbekannt sind, kann es zu Abweichungen im Prozess kommen, was letztlich zu Ausschussteilen führen kann. Wenn sich beispielsweise der Fokuspunkt bei einer Kupferschweißanwendung von seiner vorgesehenen Position verschiebt, kann es zu einem Verlust der Schweißdurchdringung kommen, da die Strahlgröße am Prozesspunkt zunimmt. Wenn die Fokusverschiebung am Lasersystem nachgeführt wird, kann diese Drift vermieden werden.

Auch Nachhaltigkeit wird großgeschrieben. Fertigungsunternehmen suchen nach Möglichkeiten, Ressourcen sinnvoller zu nutzen, um die Auswirkungen auf den Planeten zu verringern. Jeder, der an solchen Initiativen beteiligt war, weiß, dass jede noch so kleine Verbesserung eines Prozesses hilft.

Das Messen, Verfolgen und Analysieren der Laserleistung sowie das Ergreifen von Maßnahmen zur Aufrechterhaltung einer gleichbleibenden Laserleistung können zur Nachhaltigkeit beitragen. Ein ordnungsgemäß gewartetes Lasersystem verbraucht weniger Strom und maximiert den Durchsatz, was nicht nur zur Senkung der Betriebskosten, sondern auch gut für den Planeten ist.

Die Philosophie „Repariere nicht, was nicht kaputt ist“ ist in der Fertigung weit verbreitet. Beispielsweise verwenden einige Laser-Servicemitarbeiter immer noch sehr einfache Werkzeuge zur Wartung und Fehlerbehebung von Laserproblemen. Laser-„Power-Pucks“, Acryl-Modusblöcke und phosphorbeschichtete Leuchtstoffplatten sind schnell und einfach zu verwenden, aber diese älteren Produkte zeichnen ein unvollständiges Bild der Laserleistung zu einem bestimmten Zeitpunkt.

Bei diesen primitiven Methoden wird ein Laser mehrere Sekunden lang auf ein großes thermisches Gerät abgefeuert, wodurch eine einzelne Zahl erzeugt wird, die der Ausgangsleistung entspricht. Der Laserstrahl wird auf einen Acrylblock oder eine fluoreszierende Platte abgebildet und subjektiv analysiert, ohne dass Trenddaten oder Industriestandards für Messungen vorliegen. Heutige elektronische Lasermessprodukte bieten zeitbasierte Messungen, die eine kurz- oder langfristige Trendanalyse der Laserleistung ermöglichen. Sie sind anhand von NIST-rückführbaren Standards kalibriert und verwenden ISO-konforme Methoden der Strahlmessung. Dies bietet dem Benutzer eine umfassendere Analyse der Lasereigenschaften und Vertrauen in die Genauigkeit der Messungen.

Im Zeitalter von Industrie 4.0 erweist sich die Nachfrage nach Rückmeldungen von Werkzeugmaschinen als sehr wertvoll für die Verbesserung der industriellen Verarbeitung. Der Laser bildet als Werkzeugmaschine keine Ausnahme. Produkte können nun mit verschiedenen Ansätzen Informationen über die Leistungsmerkmale des Lasers liefern. In-Prozess- oder „In-situ“-Messungen können Echtzeit-Feedback über die Funktionsweise des Lasers liefern, analysieren jedoch häufig nur einen Teil des Lasersystems, wodurch die bereitgestellten Informationen eingeschränkt werden. Andererseits bieten Produkte zur prozessbegleitenden Messung eine umfassendere Analyse der Leistung des Lasers am Bearbeitungsort. Allerdings müssen diese Produkte zwischen Teilläufen verwendet werden, sodass die resultierenden Informationen nicht in Echtzeit vorliegen. In jedem Fall sind Informationen über die Leistung des Lasers immer besser als keine Analyse, wenn es um Prozessverbesserungen geht.

Der Job des Laserbedieners ist ohne Zugriff auf Laserleistungsdaten schon anspruchsvoll genug. Das Messen, Verfolgen und Analysieren langfristiger Leistungstrends kann ihnen helfen, ihre Lasersysteme besser zu betreiben und zu warten und auftretende Probleme schnell zu beheben.