In-line Strukturmessung

Laserprozesse erfordern ein großes Prozess-Know-how, um Produkte hoher Qualität zu fertigen. Messtechnik unterstütze, adaptive Prozesskontrolle reduziert den Aufwand für die Generierung dieses Prozesswissens und erhöht stattdessen den Durchsatz und die Reprodu-zierbarkeit der Prozesse.

Kurzkohärente Interferometrie

Toleranzgerechte Fertigungsprozesse mittels adaptiver Prozessregelung durch koaxial integrierte Sensorik

© Fraunhofer IPT

Laserschneidkopf mit Integrationseinheit zur Einkopplung des Inline-Distanzmesssystems.

Laserbearbeitungssysteme etablieren sich in der industriellen Herstellung von Mikro- und Makrobauteilen immer stärker als wichtiges Werkzeug für die Produktion. Vor allem bei der Herstellung von Mikrostrukturen kann der Laser seine technischen Vorteile wie seine hohe Präzision und Zuverlässigkeit, die Vielfalt der bearbeitbaren Materialein, die äußerst geringe thermische Belastung der Bauteile und die gute Automatisierbarkeit voll ausspielen.

Bei geringen Bauteiltoleranzen und kurzen Taktzeiten, vor allem bei hochgenauen Anwendungen im Bereich der Ultrakurzpulslaser, stößt die Laserbearbeitung jedoch oft noch an ihre Grenzen. Vor allem bei der Herstellung von Präzisionsbauteilen können schon kleine Änderungen von Prozessparametern dazu führen, dass die produzierten Bauteile nicht mehr innerhalb der vorgesehenen Toleranzen liegen. Eine gründliche Überwachung und genaue Regelung des Prozesses ist daher unverzichtbar.

Das Fraunhofer IPT hat für die Überwachung solcher Laserprozesse ein Messsystem entwickelt, das auf der kurzkohärenten Interferometrie basiert und sich leicht in bestehende Laserbearbeitungseinheiten integrieren lässt. Der Lichtstrahl des Messsystems nutzt dabei denselben Strahlengang, der auch zur eigentlichen Laserstrahlführung dient. Auf diese Weise kann das modulare Inline-Messsystem das Bauteil vor, während und nach Bearbeitung messen. Das Messmodul bietet eine hochauflösende und submikrometergenaue dimensionale Charakterisierung der Oberflächengeometrien und ist bei semitransparenten Materialen auch fähig, tomographische Aufnahmen zu erstellen. Zudem erlaubt die kurzkohärente Interferomtrie eine material- und oberflächenunabhängige Überwachung und Steuerung des Lasersystems.

Unser Leistungsangebot

  • Entwicklung von Messsystemen und bedarfsgerechter Signalverarbeitung, sowie Feedbackalgorithmen
  • Integration der Messsysteme in vorhandene Maschinen
  • Implementierung adaptiver Prozessregelung
  • Validierung und Charakterisierung des Messprozesses

Anwendungen

Dimensionale
Topographieprüfung

Die kurzkohärente Interferometrie bietet eine sehr hohe Auflösung für geometrische Abstandmessungen und erzielt sehr hohe Genauigkeiten bei der Charakterisierung von Bauteilmerkmalen.

Adaptive
Prozesskontrolle

Geometrische Daten in Form von 3D-Punktewolken können zur adaptiven Prozessregelung direkt durch geeignete Feedback- und Regelungsalgorithmen an die Laseranlage zurückgegeben werden.

Projekte

ESSIAL

In ESSIAL geht es um die Entwicklung eines Inline-Sensorsystems für das Upscaling eines Lasermikrostrukturierungsprozesses für weichmagnetische Stähle. Mittels Laserprozesskontrolle können Oberflächenstrukturen gezielt gefertigt werden, sodass Verluste elektrischer Maschinen reduziert werden. 

PoLaRoll

In PoLaRoll geht es um die Entwicklung eines Polygonscanner-basierten Rolle-zu-Rolle-Prozess für eine kontinuierliche und digitale Produktion von beschichteten Stahlsubstraten. Dazu entwickelt das IPT ein Inline-Multisensorsystem für die Feedback-Steuerung der Lasermikrostrukturierung.

Veröffentlichungen

Inline-process
monitoring

(Kunze et al., 2017): Inline surface topography measurements of ultrashort laser pulsed manufactured micro structures based on low coherence interferometry, Fraunhofer IPT, 2019.

Laser micromachining applications

(Kunze et al., 2017): Signal processing for in-line process monitoring for coaxially integrated metrology in laser micromachining applications, Fraunhofer IPT, 2017.

Laser Transmission Welding

(Schmitt et al., 2016): OCT for Process Monitoring of Laser Transmission Welding, Fraunhofer IPT, 2016.