Selbstlernende Mehrgrößendiagnostik und - regelung von Lasermaterialbearbeitungsprozessen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Ziel dieses Projektes war der Entwurf einer Mehrgrößenregelung für 3D-Lasermaterialbearbeitungsprozesse, welche die Fähigkeiten der Detektion und Einhaltung von Prozessgrenzen aufweist. Wesentliche Teile der Mehrgrößenregelung konnten in Form von unterlagerten Regelkreisen für Fokuslage, Spotgeschwindigkeit und Laserleistung realisiert werden. Im Verlauf der dritten Phase des Projektes zeigte sich jedoch, dass auf Grund einer nicht prozesssicher verwertbaren Korrelation der Führungsgröße (störgrößenbereinigter Energieeintrag Pv ) mit dem Prozessergebnis (Nahttiefe, -qualität) die adaptive Leistungsregelung nur dann eine verbesserte Prozessführung ermöglichen kann, wenn Sensorprinzipien gefunden werden und zum Einsatz kommen, die stärker und eindeutiger mit dem Prozessergebnis und seinen Kenngrößen (Nahttiefe, Porosität, Oberflächengüte, u.a.) korrelieren (im folgenden als "Ergebnissensoren" bezeichnet). Daher wurden die Bemühungen in der Restprojektlaufzeit auf die Entwicklung neuer Ergebnissensoren konzentriert. Diese sollen eine adaptive Regelung ermöglichen, ohne dass Funktion und Einrichtung der Regelung von einer nur schwachen Korrelation der Führungsgröße mit dem Bearbeitungsergebnis beeinträchtigt werden. Wie sich gezeigt hat, ist die Optosensorische Düse, welche die zentrale Sensorik der Regelung darstellt, nur bedingt zur Regelung des Laserstrahltiefschweißprozesses geeignet, da die Detektion von prozessergebnisrelevanten Größen wie Kapillartiefe und Kapillarneigung mit der Optosensorischen Düse nicht mit der notwendigen Lebensdauer und Präzision möglich ist. Um eine zuverlässige Messung der lateralen Position des Prozessleuchtens zu realisieren waren jedoch wesentlich umfangreichere Maßnahmen nötig als erwartet. Aufgrund der Erkenntnis, dass zur Realisierung einer effektiven Prozessregelung verbesserte oder andersartige robustere Sensoren nötig sind, konnten zwei vielversprechende Sensorprototypen entwickelt werden, die wesentliche Schwächen der ersten Prototypen beseitigen. In Versuchen konnte gezeigt werden, dass die Sensorsignale mit Kapillartiefe und -neigung korrelieren und diese Größen auch sensorisch quantifizierbar sind. Aus der Messung von Kapillartiefe und -neigung lässt sich direkt die Ergebnisgröße Einschweißtiefe ableiten. Weiterhin ist damit die Grundlage geschaffen, um anhand von Kapillarneigungsschwankungen auf Prozessinstabilitäten wie Humping oder Kapillareinschnürungen, welche zur Porenbildung führen, zu schließen. Durch die Überwachung der Geometrie der Dampfkapillare soll somit in weiterführenden Arbeiten die Beständigkeit der Nahtgeometrie gewährleistet werden. Geplante weiterführende Arbeiten sehen die Untersuchung messtechnischer Möglichkeiten zur schnellen insitu Erfassung geometrischer Größen der Kapillare und ihrer Lage vor. Mit einer Erweiterung des hier entwickelten Sensorkonzeptes und einer anschließenden eingehenden Erprobung der erweiterten Version sollen die Voraussetzungen geschaffen werden, um die Kapillargeometrie und -lage zukünftig zeitlich hochauflösend zu erfassen, zu regeln und die Wirkung einer solchen Regelung mit Blick auf Prozessergebnisgrößen (z.B. Nahttiefe, Porosität, Oberflächengüte, Fehlerhäufigkeit) untersuchen zu können. Der in diesem Projekt fortentwickelte adaptive Regelkreis basiert auf einer effizienten zeitlich hochauflösenden Echtzeit-Identifikation der dynamischen Zusammenhänge zwischen zwei physikalischen, messtechnisch erfassbaren Größen (Streckenidentifikation). Durch die fortlaufende schnelle Identifikation ist der hier entwickelte adaptive Regler weitgehend unabhängig • von der Art der Größen, die systemtheoretisch in einer kausalen Ein-/Ausgangsbeziehung stehen (z.B. Regel- und Führungsgröße, Laserleistung/Kapillartiefe) und • von Variablen, die die Ein-/Ausgangsbeziehung quantitativ beeinflussen (z.B. Vorschub). Insofern steht mit dem in diesem Projekt weiterentwickelten adaptiven Regelkreis nun ein Werkzeug zur Verfügung, mit dem die Wirkung einer Regelung von geometrischen Größen der Dampfkapillare beim Laserstrahlschweißen (Kapillarzustandsgrößen) ohne erheblichen Entwicklungs- und Implementierungsaufwand untersucht werden kann. Voraussetzung hierfür ist die Verfügbarkeit einer erweiterten Sensorik, deren Entwicklung und Untersuchung angestrebt wird. Eine erste Anwendungen der hier entwickelten ersten Version der Sensoriken ist die Abstandsmessung bei Prozessen, die entweder ein ausreichend helles Prozessleuchten aufweisen (Laserstrahlschweißen, Laserstrahlschneiden von Glas und Keramik) oder bei denen ein ausreichend heller Lichtfleck auf dem Werkstück im Bearbeitungspunkt durch einen Belichtungslaserstrahl erzeugt werden kann. Mit dieser Abstandsmessung können Fokuslagevariationen erfasst und ausgeregelt werden, die insbesondere an 3D-Konturen infolge von Bahnabweichungen auftreten. Das geregelte Erreichen von Prozessergebnissen ist essentiell abhängig von der Verfügbarkeit geeigneter Sensoren. Der Schwerpunkt forschender Aktivitäten in diesem Bereich sollte daher auch in Zukunft auf der Entwicklung von Sensorprinzipien liegen, die eine Erfassung relevanter Prozessergebnisgrößen ermöglichen. Die Erfassung prozessbegleitender Größen, deren Korrelation mit dem Ergebnis unklar oder mehrdeutig ist, ist mit wenigen Ausnahmen bislang noch Stand der Technik. Die wissenschaftlichen Bemühungen, diesen Status Quo zu ändern, sind Gegenstand der weiteren Arbeiten der Antragsteller.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Closed Loop Control for Laser Beam Welding. In: SPIE - THE INTERNATIONAL SOCIETY FOR OPTICAL ENGINEERING (Hrsg.) : Proceedings of the XIV. Int. Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers & High Power Laser Conference, ISBN 9780819464309 (2007), Nr. 6346, S. 634616/1-8
Otto, A., Hohenstein, R., Dietrich, S.
- Es werde Strom. In: Design & Elektronik, Nr. 3, Poing : WEKA Fachzeitschriften-Verlag GmbH, S. 73-75, 2007
Dietrich, S., Trägler, H., Otto, A.
- From Basic Research to Industrial Applications – New Developments for Laser Beam Welding. In: Proceedings of the Fourth International WLT-Conference on Lasers in Manufacturing 2007, Munich, June 2007
Otto, A., Geiger, M.
- Laserstrahlschweißen - Trends und aktuelle Entwicklungen. In: Laser Technik Jounal, Nr. 4, Weinheim : Wiley-VCH Verlag GmbH, S. 27-31, 2007
Otto, A., Hohenstein, R.
- Optical In-Process Quality Sensor for Laser Beam Welding. In: Geiger, M.; Otto, A.; Schmidt, M. (Hrsg.) : Proceedings of the LANE 2007 (25.-28.09.), Bamberg : Meisenbach, S. 939-955
Hohenstein, R., Dietrich, S., Otto, A.
- Process Sensing and Control – Adaptive Laser Processing. In: Geiger, M.; Otto, A.; Schmidt, M. (Hrsg.) : Proceedings of the LANE 2007 (25.-28.09.), Bamberg : Meisenbach, S. 99-108
Otto, A., Hohenstein, R., Geiger, M.
- Suitability of the plasma plume position as feedbacksignal for closed-loop process control in laser welding applications. In: Proceedings of the Fourth International WLT-Conference on Lasers in Manufacturing 2007, Munich, June 2007
Dietrich, S., Otto, A., Schmidt, M.
- Near-Field 3D Position Sensing using Optical Fibers. In: WGP (Hrsg.) : Production Engineering Research and Development, 2008
Geiger, M., Hohenstein, R.
- Sensoriken zur Schwerpunktslagebestimmung der optischen Prozessemissionen beim Laserstrahlschweißen. Dissertation, Reihe Fertigungstechnik, Band 204, M. Geiger and K. Feldmann (Hrsg.), Bamberg, Meisenbach, 2009
Dietrich, S.
