Fraunhofer ILT optimiert Pulvergasstrahl für das Laserauftragschweißen

Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) hat ein System für Anlagen zum Laserauftragschweißen entwickelt, das zur Prüfung, Qualifizierung und Justage des fokussierten Pulvergasstrahls eingesetzt werden kann. Zudem kann der Prozess dank eingebauter Kamera mit integrierter Beleuchtung visualisiert und überwacht werden.

Das additive Verfahren des Laserauftragschweißens kommt beispielsweise zur Reparatur von Werkzeugen oder bei dem Auftragen von Korrosionsschutzschichten zum Einsatz. Dabei trägt ein Laserstrahl geschmolzenes Metallpulver auf das Werkstück auf.

Das Ergebnis des Vorgangs hängt vor allem davon ab, wie gleichmäßig das Pulver vom Laserstrahl aufgetragen wird. Hierbei spielen Geschwindigkeit und das Volumen der Pulverzufuhr in das Schmelzbad eine entscheidende Rolle. Düsen und Kaustik müssen zudem regelmäßig überprüft, zertifiziert und kalibriert werden – ein sehr aufwändiger Prozess, wie Diplom-Ingnieur Oliver Nottrodt, Projektleiter für Prozesssensorik und Systemtechnik am Fraunhofer ILT erklärt:

“Ein Mitarbeiter trug auf einem Blech eine Pulverspur auf, die dann ein Experte überprüfte. Doch diese Aufgabe können nur wenige Fachleute in reproduzierbarer Qualität durchführen.”

Inline-System für Anlagen

Deshalb entschloss sich das Fraunhofer ILT einen maschinenunterstützten Inline-Prozess zu entwickeln. Dieses System besteht aus den drei Hauptkomponenten Kameramodul mit Beleuchtung, Lasermodul zur Vermessung der Düse und der Elektronik zur Steuerung der beiden Module.

“Für die Dokumentation ist es wichtig zu wissen, wo sich die Achsen der Anlage befinden. Ihre exakte Position lässt sich über gängige Datenbus-Schnittstellen von der Basismaschine übertragen.”

Zur Vermessung der Partikeldichteverteilung und Kaustik des Pulvergasstrahls wird dieser mit einer Laserlinie beleuchtet und von der Kamera durch die Pulverdüse beobachtet. Die Position von Laser und Bearbeitungskopf zueinander wird für weitere Messungen mehrmals geändert. Eine Auswertung von 2000 bis 3000 Bildern zeigt die statistische Verteilung der Partikel.

“Wenn ich auf diesem Wege schrittweise die sogenannte Kaustik erfasse – also den Fokussierbereich, in dem sich der Pulverpartikelstrahl bündelt – lässt sie sich mit Blick auf die wichtigsten Parameter wie dem minimalen Durchmesser und der Dichteverteilung sehr genau berechnen und charakterisieren,” erklärt Nottrodt.

Das Messsystem ermöglicht die standardisierte Vermessung und Zertifizierung der Pulverzufuhrdüsen und die vollständige Charakterisierung des jeweiligen Pulvergasstrahls. Es leistet Hilfestellung beim Einrichten des Prozesses, indem es dem Anwender eine Vielzahl von Arbeiten abnimmt – wie zum Beispiel das Messen und Markieren der Positionen des Bearbeitungslasers sowie die Dokumentation aller Arbeitsschritte. Des Weiteren überwacht das Messsystem anhand der geometrischen Merkmale des Schmelzbads den Laserauftragschweißprozess, den es zudem visualisiert und dokumentiert.