Digitale Photonische Produktion

  Aufbau Bahnplanung beim Laserstrahlschweißen Urheberrecht: © Forschungscampus DPP, Aachen.

Die Lasertechnik hat in den letzten Jahren eine rasante Entwicklung genommen und sich als Werkzeug in der Produktion vieler Unternehmen etabliert. Durch immer günstiger werdende Strahlquellen und zahlreiche flexible Anwendungsfelder bietet die Lasertechnik die Möglichkeit, kundenspezifische und maßgeschneiderte Lösungen zu entwickeln – vom Laserschneiden bis hin zum Additive Manufacturing. Während die Lasertechnik auf Grund ihrer Vielfalt und Flexibilität maßgeschneiderte Lösungen für Unternehmen ermöglicht, sind die Handhabungssysteme mit deren Hilfe die Laseroptik bewegt und somit der Laserstrahl zum Werkstück platziert wird, bislang noch nicht speziell für die Anforderungen der Lasertechnik optimiert. Somit können die Potentiale der Lasertechnik, wie z.B. kraft- und momentfreie Prozesse, die Generierung von Prozessdaten direkt aus CAD-Daten sowie die nahezu echtzeitfähige Anpassung von Prozessparametern, derzeit nur bedingt ausgenutzt werden.

Mit dieser Herausforderung beschäftigt sich die Gruppe Digitale Photonische Produktion am Lehrstuhl für Lasertechnik, indem sie die Entwicklung von Maschinen zur flexiblen Handhabung von Laseroptiken untersucht. So sollen langfristig die Vorteile der Lasertechnik besser genutzt werden können. Ein großer Fokus liegt hier auf robotischen Systemen wie zum Beispiel sechs-achsigen Roboterarmen aber auch der prototypischen Entwicklung neuartiger Ansätze wie z.B. von autonomen Bearbeitungssystemen. Die Forschung umfasst dabei die sensorische Erfassung der Systemzustände, die Entwicklung neuer Algorithmen zur laserspezifischen Bahnplanung sowie Ansätze zur Closed-Loop Regelung der Prozesse und Zusatzkinematiken zur Strahlpositionierung.

Ziel ist dabei, verhältnismäßig kleine, flexible und günstige System zur Handhabung der Laseroptiken zu befähigen, um die sich rasch entwickelnde Lasertechnologie neuen Anwendergruppen als Produktionswerkzeug zu erschließen.

Auf der Suche nach Lösungen arbeitet der Lehrstuhl für Lasertechnik interdisziplinär mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie im Rahmen des Exzellenzclusters Internet of Production (IoP) sowie dem Forschungscampus Digital Photonic Production (DPP) zusammen.

  Aufbau Bahnplanung beim Laserstrahlschweißen Urheberrecht: © Forschungscampus DPP, Aachen.

Laser für mehr Wettbewerbsfähigkeit

Individuellere Produkte und kürzer werdende Innovationszyklen stellen produzierende Unternehmen in Industrieländern vor die Herausforderung, trotz hoher Lohnkosten ihre Wettbewerbsfähigkeit zu sichern. Dabei werden im Sinne des Internet of Production (IoP) ganzheitliche, digitale Prozessketten benötigt, um den gestellten Anforderungen gerecht zu werden. Automatisierte, selbstregelnde und flexible Produktionsprozesse nehmen in diesem Kontext eine Schlüsselrolle ein und die Lasertechnik ist wie kaum ein anderes Produktionswerkzeug in der Lage diese Rolle auszufüllen.

Dabei liegt das große Potential der Lasertechnik in den vielseitigen Anwendungsgebieten und dem hohen erreichbaren Automatisierungsgrad bei gleichzeitig geringem Werkzeugverschleiß, wodurch die allgemeine Qualität und Effektivität der Produktionsprozesse gesteigert werden kann.

Vorteile für alle Anwender nutzbar machen

Die Entwicklung immer günstigerer Strahlquellen macht die Vorteile der Lasertechnik für neue Anwender in den Bereichen wie dem Prototyping und der Kleinserienfertigung attraktiver. Große und meist teure Handhabungsgeräte auf Basis klassischer Werkzeugmaschinen verhindern jedoch noch vielfach, dass die Flexibilität und Qualität der Lasertechnik von neuen Anwendern kosteneffizient genutzt werden.

Durch die Entwicklung kleinerer und damit deutlich leichterer Laseroptiken, beispielsweise auf Basis von Diamantlinsen , sind die effektiv zu bewegenden Massen deutlich gesunken, wodurch erstmalig die technologischen Grundlagen für die Nutzung kleinerer Handhabungssysteme geschaffen sind.

Ausgehend davon erforscht die Forschungsgruppe Digital Photonic Production die technischen Grundlagen zur Befähigung kleinerer, leichterer und damit günstigerer Handhabungssysteme für die Nutzung in der Lasertechnik.

Dazu wird am Lehrstuhl für Lasertechnik beispielsweise die Anwendung kleiner sechs-achs Roboter oder mobiler Plattformen untersucht. Weitere Grundlage der Arbeit ist das Potential neuer Sensoren und die stetig steigende Verfügbarkeit von Rechenleistung. Basierend darauf werden am LLT prototypisch neuartige, optische Sensoren zur Bestimmung der TCP-Position entwickelt. Diese anfallenden Daten sollen zur verbesserten Steuerung der Robotersystem genutzt werden.

  Grafik zu sensor- und datenbasierten Robotersystemen zur Materialbearbeitung Urheberrecht: © © Lehrstuhl für Lasertechnik LLT, RWTH Aachen University.

Aktuelle Herausforderungen

Essenzielle Aufgabe der Handhabungssysteme ist die genaue Positionierung der Laseroptik und somit des Laserstrahls, auf der Bauteiloberfläche. Dabei müssen die Abweichungen von der Zielposition entlang der gesamten Trajektorie möglichst gering gehalten werden, um die erforderliche Prozessqualität sicherzustellen. Aktuell verfügbare Handhabungssysteme werden durch verschiedene Fehlerquellen in ihrer Genauigkeit beeinträchtigt.

Um die Positionsgenauigkeit der Systeme zu erhöhen, verfolgt die Forschungsgruppe das Ziel der Entwicklung sensor- und datenbasierter Robotersysteme zur Lasermaterialbearbeitung. Dabei stehen vier Themengebiete im Mittelpunkt der Forschung am Lehrstuhl für Lasertechnik:

  1. Zusatzkinematik zur Fehlerkompensation mittels Repositionierung des Laserstrahls
  2. Anwendungsoptimierte Bahnplanung
  3. Prozess- und anlagenintegrierte Positionsmessung
  4. Regelung der Tool Center Point Position