Prozessdiagnose dynamischer Schmelzen zur Regelung von Laserschneidprozessen

Aachen / Publikationsserver der RWTH Aachen University (2015) [Doktorarbeit]

Seite(n): IV, 106 S. : Ill., graph. Darst.

Kurzfassung

Das Laserstrahlschneiden ist bereits heute ein großlächig industriell eingesetztes Fertigungsverfahren mit hohen Ansprüchen an Produktionssicherheit, Qualität und Produktivität. Aufgrund unterschiedlichster Produktionssituationen sind diese Ansprüche nicht immer zu erfüllen. Schwerpunkt dieser Arbeit ist daher die Entwicklung einer Prozessregelung auf Basis direkt gemessener Prozessantworten, die mit Hilfe einer Hochgeschwindigkeitskamera aus dem Prozess extrahiert werden. Grundlage hierfür stellt die Diagnostik und Interpretation von Hochgeschwindigkeits-Videoaufnahmen des Laserschneidprozesses dar. Durch den Einsatz unterschiedlicher Kameraperspektiven (koaxial und außeraxial zum Bearbeitungsstrahl) werden das Verständnis zur Entstehung der Schnittqualität (Riefen, Bart) verbessert sowie Parameterregime und Prozessantworten identifiziert, die eine hohe oder verbesserte Schnittqualität ermöglichen. Beispielsweise konnte ein Parameterregime für den Gasdruck bestimmt werden, bei dem sich die Ausprägungen von horizontalen Beugungsriefen verringern. Diese Riefen erhöhen die Rautiefe einer Schnittkante und werden durch einen mittleren moderaten Gasdruck minimiert. Ebenso zeigen Laserschnitte mit einer geringen Schmelzdynamik eine niedrige Rautiefe auf der Schnittkante. Ursache hierfür sind die in Hochgeschwindigkeitsaufnahmen geringer sichtbaren Wellen und Schmelzstränge auf der Schneidfront. Diese Erkenntnisse legen den Grundstein für den Aufbau einer Prozessregelung. Koaxiale Prozessaufnahmen werden genutzt, um spezifische Prozessantworten für die Fokuslage, Vorschubgeschwindigkeit, Laserleistung, Düsenjustage und den Gasdruck zu identifizieren. Somit ist es möglich, variierende oder abweichende Prozessantworten anhand der Prozessaufnahmen eindeutig einem Verfahrensparameter zuzuordnen. Die Fokuslage hat im Rahmen dieser Untersuchungen die größte Anzahl Prozessantworten. Sowohl die Intensität der Prozessemission, die Standardabweichung der Prozessemission, die Fugenbreite, die Schneidfrontposition und die Intensitätsverteilung wird durch die Fokuslage beeinflusst. Eine besondere Stellung nimmt dabei die Fugenbreite ein; nur sie wird deutlich von der Fokuslage beeinflusst. Der Laserleistung hingegen kann keine messbare Prozessantwort zugewiesen werden. Aufgrund der Komplexität des Laserschneidverfahrens werden die Kriterien Qualität, Detekierbarkeit, Einstellbarkeit und Instationarität zur Bewertung der Verfahrensparameter eingesetzt. Sie bewerten die Wichtigkeit der Prozessantwort für die Prozessregelung. Als Parameter mit der höchsten Priorisierung stellt sich die Fokuslage heraus. Bereits kleine Variationen erzeugen deutliche Qualitätseinbußen, wobei sie gleichzeitig eine Größe ist, die ein thermisch instabiles Verhalten aufweist. Der iterative Aufbau einer Prozessregelung wird daher mit der Fokuslage demonstriert. Diese eliminiert die Instationärität und hält die Fokuslage trotz Störungen auf einem konstanten gewünschten Wert. Abgerundet wird die Arbeit von einem Konzept, welches den Aufbau einer multikriteriellen Prozessregelung erlaubt. Das bestehende System zur Regelung der Fokuslage kann hiermit iterativ erweitert werden und ermöglicht den Einbezug weiterer Verfahrensparameter.

Autorinnen und Autoren

Autorinnen und Autoren

Molitor, Thomas

Gutachterinnen und Gutachter

Poprawe, Reinhart
Reisgen, Uwe

Identifikationsnummern

  • URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-52939
  • REPORT NUMBER: RWTH-CONV-145408