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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prozesskontrolle bei der Lasermaterialbearbeitung.
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Kurze Beschreibung des Stands der Technik
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Die Verwendung von Lasern bei der Materialbearbeitung ist inzwischen ein gängiges und gut etabliertes Verfahren. Im Zuge der Weiterentwicklung der Lasermaterialbearbeitung sind heutzutage viele verschiedene Verfahren möglich, die von der Bearbeitung der Oberfläche, das Trennen und Fügen bis hin zur gezielten Manipulation von Materialen und deren Oberflächen gehen.
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Die Diversifizierung der Verfahren, die unter Einsatz eines Lasers möglich sind, gehen einher mit einer Zunahme des Spektrums an Materialen, die heutzutage bearbeitet werden können. Daraus ergeben sich zunehmende und komplexere Anforderungen an Prozesskontrolle der nun möglichen Verfahren, da das Prozessfenster, in dem gute Resultate erzielt werden, immer kleiner wird. Zur Erzielung eines akzeptablen Ergebnisses sind nur noch minimale Abweichungen bei der Lasermaterialbearbeitung möglich.
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Es ist daher erforderlich ein Verfahren zur Hand zu haben, was eine akkurate Überwachung des Prozesses der Lasermaterialbearbeitung ermöglicht.
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Die publizierte internationale Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen
WO 2013/053832 A1 offenbart eine Vorrichtung, bei der in einem Laserschneidprozess zurückgestreutes Licht gemessen wird, um die Schnittqualität zu überprüfen. Die gemessene Intensität des zurückgestreuten Lichts ist geringer, wenn der Schnitt sich tatsächlich durch das Werkstück erstreckt. Um den Abtransport von Schlacke zu optimieren, werden die Frequenz bzw. der Druck von beim Schneidprozess verwendeten Gaspulsen mittels einer Steuerungseinrichtung so angepasst, dass die gemessene Intensität des zurückgestreuten Lichts einen minimalen Wert annimmt. Generelle Ursache für einen Schnittabriss ist eine unzureichende Energieeinbringung in das Werkstück. Die zu geringe Streckenenergie führt zu einer Abflachung der Schneidfront, d.h. zu einer Vergrößerung des Schneidfrontwinkels, wodurch die Schmelze an der Schnittunterkante nicht mehrvollständig ausgetrieben werden kann und in der Schnittfuge erstarrt. Der Verschluss der Schnittunterkante führt zu Prozessunregelmäßigkeiten, die in der Regel einen Trennschnitt dauerhaft verhindern. Der Schneidfrontwinkel, der eine charakteristische Kenngröße des Schnittspalts darstellt, ist daher ein Indikator für einen drohenden Schnittabriss
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In der publizierten internationalen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen
WO 2012/107331 A1 wird vorgeschlagen, eine Schneidfrontoberkante und eine Schneidfrontunterkante als Materialbegrenzung des Werkstücks zu detektieren und daraus unter Berücksichtigung der Dicke des Werkstücks den Schneidfrontwinkel des Laserschneidprozesses zu ermitteln. Zu diesem Zweck wird der Abstand zwischen der Schneidfrontoberkante und der Schneidfrontunterkante entlang der Spaltmitte des Schnittspalts bzw. der Schnittfuge typischer Weise im sichtbaren Wellenlängenbereich gemessen. Weicht der Schneidfrontwinkel von einem Sollwert bzw. einem Sollbereich ab, kann dies auf einen Schneidfehler oder einen nicht optimalen Arbeitspunkt hindeuten, der durch geeignete Maßnahmen, z.B. durch eine Anpassung der Schnittgeschwindigkeit, korrigiert werden kann.
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Bei der koaxialen Prozessbeobachtung durch die Schneiddüse hindurch besteht sowohl bei der Beobachtung der Temperaturstrahlung, der rückgestreuten Hochenergiestrahlung als auch bei der Beobachtung von Materialbegrenzungen das Problem, dass der Beobachtungsbereich durch die in der Regel kreisförmige Innenkontur der Schneiddüse begrenzt ist. Insbesondere bei Brennschneidprozessen werden kleine Düsendurchmesser eingesetzt, so dass die Schneidfrontunterkante auch bei einem Gutschnitt außerhalb des durch die Düsenmündung begrenzten Beobachtungsbereichsliegt und der Schneidfrontwinkel nicht zuverlässig bestimmt werden kann.
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In der publizierten deutschen Patentanmeldung
DE 10 2011 016 519 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern der Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls beschrieben, bei dem der Bearbeitungsstrahl durch eine Linse hindurchtritt, die zum Verschieben einer Auftreffstelle des Bearbeitungsstrahls auf das Werkstück senkrecht zu ihrer optischen Achse bewegt werden kann. In einem Beispiel ist eine Überwachungskamera zur Erzeugung eines elektronisch auswertbaren Bildes vorgesehen, deren Abbildungsstrahlengang durch die Linse auf die Auftreffstelle fokussiert wird.
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Die publizierte europäische Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen
EP 3 043 951 B1 offenbart eine Vorrichtung zur Überwachung, insbesondere zur Regelung, eines Schneidprozesses an einem Werkstück umfassend ein Fokussierelement zur Fokussierung eines Hochenergiestrahls, insbesondere eines Laserstrahls, auf das Werkstück, eine Bilderfassungseinrichtung zur Erfassung eines zu überwachenden Bereichs an dem Werkstück, der einen Wechselwirkungsbereich des Hochenergiestrahls mit dem Werkstück umfasst, sowie eine Auswerteeinrichtung , die ausgebildet ist, anhand des erfassten Wechselwirkungsbereichs mindestens eine charakteristische Kenngröße des Schneidprozesses, insbesondere einer bei dem Schneidprozess gebildeten Schnittfuge, zu ermitteln, wobei die Bilderfassungseinrichtung zur Bildung eines Beobachtungsstrahls zur Beobachtung des Wechselwirkungsbereichs aus einer unter einem Winkel zur Strahlachse des Hochenergiestrahls erlaufenden Beobachtungsrichtung ausgebildet ist, und wobei die Bilderfassungseinrichtung eine Abbildungsoptik zur Erzeugung eines Bildes des Wechselwirkungsbereichs aus der unter dem Winkel zur Strahlachs eines Hochenergiestrahls erlaufenden Beobachtungsrichtung (R1) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Beobachtungsrichtung in einer Ebene (X, Y) senkrecht zur Strahlachse des Hochenergiestrahls entgegen einer Vorschubrichtung des Schneidprozesses verläuft, und dass die Auswerteeinrichtung ausgebildet ist, anhand des erfassten Wechselwirkungsbereichs einen Schneidfrontwinkel der Schnittfuge und/oder eine Überschreitung und/oder eine Unterschreitung eines vorgegebenen Schneidfrontwinkels der Schnittfuge als charakteristische Kenngröße(n) des Schneidprozesses zu ermitteln.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein verbessertes Verfahren zur Prozesskontrolle bei der Lasermaterialbearbeitung zur Verfügung zu stellen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Prozesskontrolle und -regelung bei der Lasermaterialbearbeitung, umfassend das Erzeugen von zumindest zwei ST-Einzeldiagramms in den Regionen von Interesse von Bildern der Lasermaterialbearbeitung und Orientierung der zumindest zwei ST-Einzeldiagramme in einem zuvor festgelegten Muster.
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In einem weiteren Aspekt kann das erfindungsgemäße Verfahren umfassen, dass die ST-Einzeldiagramme als zentrales Kreuz durch die Werkzeugspitze, über Vor- und Nachlauf, rechts oder links der Vorschubrichtung oder in einem zuvor definierten Abstand zum Arbeitsprozess angeordnet werden.
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Es kann in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, dass zumindest zwei Kreuze von ST-Einzeldiagramm parallel zu einem Gitter angeordnet werden.
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Es ist erfindungsgemäß weiterhin vorgesehen, dass vor dem Erzeugen der zumindest zwei ST-Einzeldiagramme die folgenden Schritte ausgeführt werden:
- a. Aufnahme von Bildern mit einem im mittleren Infrarot Wellenlängenbereich sensitiven Flächensensors, wobei der Flächensensor koaxial zur Laserstrahlachse ausgerichtet fixiert ist;
- b. Bestimmung von Regionen von Interesse in den aufgenommenen Bildern nach zumindest einem der folgenden Parameter ausgewählt aus der Gruppe umfassend die, die Eingangsgröße Vorschubrichtung der Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung aus dessen Speicher programmierbaren Steuerung, die Auswertung von Bildinformationen hinsichtlich der Ermittlung eines Vorschubvektors und die Auswertung von Bildinformationen rotierend um die Werkzeugspitze;
- c. Rotation der Geometrie zur Erzeugung der S-T-Diagramme, vorgegeben durch den Richtungsvektor, zur omnidirektionalen Auswertung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann nach dem Erzeugen der zumindest zwei ST-Einzeldiagramme die folgenden Schritte umfassen:
- e. Auswertung von zuvor bestimmten Merkmalen aus den Bildinformationen der ST-Einzeldiagramme durch Analyse der Informationen der ST-Einzeldiagramme und durch den Vergleich der Informationen von den zumindest zwei ST-Einzeldiagrammen;
- f. Auswertung des Gesamtbilds nach zumindest einem geometrischen Parametern ausgewählt aus der Gruppe umfassend die Werkzeugspitze und den Prozessschweif und dem daraus abgeleiteten Prozessvektor, Intensitätsschwankungen, der Schmelzbadgeometrie und -symmetrie dem Piercing und der Schnittfuge;
- g. Auswertung der Intensitätssignale des Sensors.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass die Auswertung der Intensitätssignale des Sensors die Bestimmung von Maximal- und Minimalwerten umfasst.
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In einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Bilder mit einer Bildrate von wenigstens 1.000 fps aufgenommen werden.
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Zudem ist vorgesehen, dass die Bilder in einem Wellenlängenbereich von 1.000 - 5.000 nm aufgenommen werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei einem Schneid-, Schweiß- oder Lötprozess aus zumindest zwei ST-Einzeldiagrammen Merkmale ermitteln, die ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend:
- - beim Schweißen: die Ausbildung der Schmelzbadgeometrie, die Bildung von Spritzern aus dem Schmelzbad, die Anbindung, und die Nahtlage;
- - beim Schneiden: die Ausbildung der Schnittfuge, die Krümmung der Schnittfugenfront, die Ausbildung eines Lochs im Material;
- - beim Löten: die Strahl-Draht-Justage, das Abschmelzverhalten des Drahts, der Schmelzbadgeometrie sowie der Anbindung vom Lot zum zu verbindenden Metall;
- - bei allen zuvor genannten Verfahren auch die Laserleistung, die Fokuslage, der Fokusdurchmesser und Strahlformung.
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Für das erfindungsgemäße Verfahren ist in einem weiteren Aspekt vorgesehen, das eine Aufnahme der Bilder durch zumindest einen Umlenkspiegel erfolgt.
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Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren den Schritt umfassen, der eine Steuerung der Lasermaterialbearbeitung betrifft. Dieser Schritt kann auch der abschließende Schritt des Erfindungsgemäßen Verfahrens sein.
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Das Verfahren sieht für die Schritte der Steuerung der Lasermaterialbearbeitung die Beeinflussung von folgenden Parametern vor:
- - beim Schweißen von Oszillations-Frequenzen und Amplituden;
- - beim Schneiden vom Gasdruck;
- - beim Löten vom Zusatzwerkstoff und der Strahl-Draht-Justage;
- - allgemein die Laserleistung, relative Prozessgeschwindigkeit, Fokuslage in allen drei Dimensionen und/oder den Fokusdurchmesser und weitere Strahlformung
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Weiterhin kann in einer Ausführungsform vorgesehen sein, dass zur Auswertung auch Informationen aus der Steuerung der Lasermaterialbearbeitung verwendet werden, so dass Abweichungen vom geplanten Ort der Lasermaterialbearbeitung detektiert und/oder korrigiert werden.
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Weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich ohne weiteres aus der folgenden detaillierten Beschreibung, in der einfach bevorzugte Ausführungsformen und Implementierungen dargestellt sind. Die vorliegende Erfindung kann auch in anderen und unterschiedlichen Ausführungsformen verwirklicht werden und ihre verschiedenen Details können in verschiedenen, offensichtlichen Aspekten modifiziert werden, ohne Lehre und Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Dementsprechend sind die Zeichnungen und Beschreibungen als veranschaulichend und nicht als einschränkend anzusehen. Zusätzliche Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden teilweise in der folgenden Beschreibung dargelegt und werden teilweise aus der Beschreibung offensichtlich oder können der Ausführung der Erfindung entnommen werden.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Abbildungen näher dargestellt. Dabei ist für den Fachmann offensichtlich, dass es sich nur um mögliche, beispielhafte Ausführungsformen handelt, ohne dass die Erfindung auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt wird. Der Schutzbereich wird durch die Ansprüche und er zugrundeliegenden Lehre und den sich daraus ergebenden Äquivalenten definiert. Für den Fachmann ergibt sich, dass Merkmale einer Ausführungsform auch mit Merkmalen anderer gezeigter oder beschriebener Ausführungsformen kombiniert werden können, wobei:
- 1 zeigt eine Bild, bei dem mit den gestrichelten Linien die Ebene und Anordnung der zumindest zwei ST-Einzeldiagramme angegeben ist.
- 2 zeigt für eine omnidirektionale Funktion eine sich bewegendes (rotierendes) Fadenkreuz der ST-Einzeldiagramme.
- 3 zeigt die Anordnung von ST-Einzeldiagrammen zu einem parallelen Gitter zur Prozesskontrolle
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die zuvor formulierte Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche decken weitere spezifische Ausführungsformen der Erfindung ab.
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Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung sollen unter dem Begriff Lasermaterialbearbeitung die folgenden Verfahren verstanden werden (vgl. Bliedtner, Müller, Barz, Lasermaterialbearbeitung, Grundlagen - Verfahren - Anwendungen - Beispiele, ISBN 978-3-446-42168-4 ):
- 1. Abtragende und trennende Verfahren:
- i. Schneiden,
- ii. Reinigen,
- 2. Schmelzende und eigenschaftsverändernde Verfahren:
- i. Fügen:
- a) Schweißen,
- b) Löten
- ii. Oberflächenbehandlung,
- 3. Auftragende und generierende Verfahren:
- i. Generative Verfahren:
- a) Stereolithografie,
- b) Lasersintern,
- c) Direct Energy Deposition.
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Zur Vereinfachung werden die generativen Verfahren den Schweißprozessen zugerechnet.
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Der Begriff Prozesskontrolle und -regelung wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung auch synonym als Monitoring bezeichnet.
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Die vorliegende Erfindung basiert auf der koaxialen Integration eines im Spektralbereich von 1 - 5 µm sensitiven Flächensensors, der mit Bildraten höher 300Hz in der Lage ist, dynamische Laserprozesse zu Monitoren und gleichzeitig über eine nachgelagerte Bildverarbeitung hinsichtlich verschiedener Merkmale zu steuern. Die verschiedenen Merkmale sind hierbei prozess- und zum Teil auch produktspezifisch. Die Merkmale werden in Kombination von bildbasierter Auswertung als auch durch ein global akquiriertes Temperatursignal bewertet. Ferner ist in Abhängigkeit der Auflösung des Sensors eine Prozessregelung durch die aktive Beeinflussung von Laserleistung, Fokuslage und Fokusdurchmesser angestrebt.
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Sofern es sich bei der Lasermaterialbearbeitung um das Schneiden von Material handelt ist auch ein Monitoring der Düsenzentrierung, des Zustandes der Schneiddüse sowie der Wahl des korrekten Düsendurchmessers vorgesehen im Rahmen der Prozesskontrolle.
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Weiterhin sind ein Monitoring sowie die Steuerung von so genannten Piercing-Prozessen vorgesehen, insbesondere deren zeitliche Dauer und Qualität. Dabei wird der Piercing-Prozess durchgängig mit 1000 fps (frames per second) aufgenommen. Zur Detektion des Piercing-Prozesses bzw. dessen Beendigung ergeben sich durch die Verwendung einer Thermographie-Kamera die folgenden beiden Möglichkeiten:
- 1. Auswertung des Maximalsignals über alle Pixel. Das Piercing-Ende ist durch einen Abfall der Maximalintensität detektierbar. Dies funktioniert auch zuverlässig defokussiert bei üblichen Piercingabständen, wobei der Fokus der Kamera nicht nachgestellt wird.
- 2. Auswertung der Bildinformationen, dabei ist die Ausbildung des Lochs deutlich
im Kamerabild zu erkennen und im Fokus am deutlichsten zu erkennen.
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Die Kombination der beiden Möglichkeiten ist ebenfalls zum Erhalt erfindungsgemäß vorgesehen.
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Weiterhin ist eine omnidirektionale Überwachung von Schneidprozessen vorgesehen auf Merkmale wie Schnittfugenstabilität, Keyholebreite, Schnittfrontlänge, um damit Aussagen über die Qualität des Schnitts generieren zu können. Dabei kann durch eine Auswertung des Maximalsignals über alle Pixel festgestellt werden, dass die Maximalintensität bei einem unvollständigen Schnitt deutlich ansteigt. Bei der Auswertung der Bildinformationen kann die Ausbildung der Schnittfuge gut erkannt werden und zudem ein Abreißen der Schnittfuge detektiert werden. Auch hier führt die Kombination von Auswertung der Maximalintensität sowie der Bildinformationen zu einem zuverlässigen Ergebnis in Bezug auf die Prozesskontrolle des Schnittvorgangs, wodurch dann auch direkt in die Regelung von Schneidparametern wie beispielsweise der Laserleistung, der Fokuslage, dem Fokusdurchmesser, der Schneidgeschwindigkeit und dem Gasdruck eingegriffen werden kann.
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Weiterhin ist auch eine Auswertung zur Bewertung der Schnittfront, der Symmetrie von Schnittkanten und der Wärmeeinbringung ins Bauteil vorgesehen. Durch eine Verbindung mit der Maschinensteuerung und der damit verbundenen Kenntnis über den Schnittfugenverlauf kann das System Schwingungen der Anlage sowie des Schneidbettes erkennen und diese als Fehler melden.
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Bei Schweißprozessen ermöglicht die direkte Auswertung und Aufbereitung von Teilaspekten der Aufnahmen ebenfalls Rückschlüsse auf den Prozess. Auch hier können die gewonnenen Informationen für eine Regelung der Prozessparameter verwendet werden. Bei der Auswertung von Schweißprozessen spielen insbesondere als Parameter die Ausprägung und Dynamik der für das Schweißen typischen Dampffackel sowie auftretende Spritzer eine Rolle. Weiterhin sind die Ausprägung und Form der Schweißnaht, insbesondere auftretende Inhomogenität und Anbindungsfehler von Interesse. Die Lage von Blechkanten und somit die Lage der Schweißnaht relativ zur Blechkante kann ebenfalls ausgewertet werden, wodurch eine Überwachung der Nahtführung ermöglicht wird.
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Die vorliegende Erfindung basiert darauf, dass zumindest zwei ST-Einzeldiagramme im Rahmen der Bildauswertung erzeugt werden und diese beiden ST-Einzeldiagramme als Kreuz über einer Region von Interessen, beispielsweise der Fokusposition (synonym als Position der Werkzeugspitze, oder einfach Werkzeugspitze), angeordnet bzw. gelegt werden (1). Diese zeigen die zeitliche Entwicklung des von einer Zeile und einer Spalte gelieferten Signals (durch das Fadenkreuz ausgewählt).
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Es ist erfindungsgemäß weiterhin vorgesehen, dass mehrere als Kreuz angeordnete ST-Einzeldiagramme zu einem Gitter angeordnet werden (3), in dem die Kreuze parallel um eine Region von Interesse angeordnet werden. Das Fadenkreuz als Zentrum von der Anordnung von ST-Einzeldiagrammen kann sich erfindungsgemäß auch bewegen, z. B. rotieren entlang eines Vorschubvektors (2). Gleiches gilt für ein Gitter, welches ebenfalls entlang eines Vorschubvektors bewegt werden kann.
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Die Verwendung der zumindest zwei ST-Einzeldiagramme führt zu einer höheren Qualität bei der Auswertung der Bildinformationen und erlaubt somit eine deutlich präzisere Überwachung der Prozesskontrolle.
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Die vorstehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wurde zum Zweck der Veranschaulichung und Beschreibung gegeben. Es ist nicht beabsichtigt, erschöpfend zu sein oder die Erfindung genau auf die offenbarte Form zu beschränken. Modifikationen und Variationen sind angesichts der obigen Lehre möglich oder können aus der Praxis der Erfindung erlangt werden. Die Ausführungsform wurde gewählt und beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung und ihre praktische Anwendung zu erläutern, um es dem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen zu verwenden, die für die spezielle beabsichtigte Verwendung geeignet sind. Es ist beabsichtigt, dass der Umfang der Erfindung durch die beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente definiert wird. Die Gesamtheit jedes der oben genannten Dokumente wird durch Bezugnahme hierin aufgenommen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2013/053832 A1 [0005]
- WO 2012/107331 A1 [0006]
- DE 102011016519 A1 [0008]
- EP 3043951 B1 [0009]
