QLIP - Qualitätssicherung beim Laserstrahlschneiden mittels in-situ-Polarisationsmessung

 

Gefördert im Rahmen von Sparkling Science Projektpartner: HTL Donaustadt, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster und HTL Ettenreichgasse, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster

Projektende: Dezember 2019

Auf dem Bild ist ein oranger, etwa raumhoher Roboterarm. Dieser ist im Boden verschraubt. Auf der Höhe des ersten Gelenks des Roboterarm liegt der Versuchsaufbau (erkennbar an Verkabelungen und diversen Halterungen, ohne genauerer Beschreibung) .

© TU Wien

Messaufbau koaxial zur Laserstrahlung

Im Bild sind die einzelnen Komponenten des Versuchsaufbaus dargestellt. An der genaueren Beschreibung arbeiten wir gerade und werden diese so bald wie möglich editieren.

© TU Wien

Messaufbau lateral zur Laserstrahlung

Entlang des optischen Pfades sind auf den einzelnen Abschnitten die Versuchskomponenten auf einer schwarzen Lochplatte fixiert. Zentral durch die Komonenten verlaufen zwei blaue Kabeln (etwa einen Zentimeter dick jeweils). Erkennbar ist auch eine Längsverbindung der Komponenten durch zwei, diagonal versetzt durch die Ecken verlaufende, metallisch glänzende, etwa zwei Zentimeter dicke Rundstangen. Eine der Komonenten scheint ein durchsichtiger Quader zu sein. Entlang des Pfads deutlich pink-rotes Leuchten erkennbar.

© TU Wien

Optischer Pfad des Testaufbaus mit SCPEM

Kugelförmiger, grell leuchtender (magenta Farbton des Lichts) Körper; Umgeben von Komponenten des Versuchsaufbaus, fixiert in einer Lochplatte;

© TU Wien

SCPEM im Testaufbau

Laserstrahlschneiden zählt heute aufgrund der erzielbaren hohen Flexibilität, der ausgezeichneten Automatisierbarkeit und der hohen Qualität lasergeschnittener Bauteile zu den Standardverfahren der industriellen Materialbearbeitung. Das Laserstrahlschneiden ist zudem ein hochdynamischer Prozess mit einer Vielzahl von Parametern, wodurch Qualitätsüberwachungssysteme vor sehr hohen Herausforderungen stehen. Da zusätzlich eine direkte Beobachtung der Vorgänge im Schnittspalt nur sehr schwer möglich ist, wurden die thermischen Emissionen aus der Schnittfuge zur Ermittlung der Schnittqualität beim Laserstrahlschneiden herangezogen.

Hierzu wurde während des Laserstrahlschneidens von Stahlblechen die emittierte und polarisierte Wärmestrahlung aus dem Schnittspalt aufgezeichnet und ausgewertet. Durch die Verwendung eines aktiven optischen Elements (SCPEM = Single Crystal Photo-Elastic Modulator) und eines Polarisators wurde der Polarisationszustand der thermischen Strahlung in ein moduliertes Signal gewandelt und mit einer Fotodiode erfasst und anschließend aufgezeichnet. Das ausgewählte Messverfahren erlaubte es, die von der Schneidfront emittierte thermische Strahlung mit einer hohen Abtastrate zu erfassen, wodurch auch hochdynamische Vorgänge des Schmelzbads erfasst werden konnten. Mittels Auswertealgorithmen wurde das Verhältnis der Polarisationsanteile aus den Signalverläufen berechnet und damit die Neigung der Schneidfront ermittelt. Durch die Korrelation der bei Laserstrahlschneidversuchen ermittelten Schnittqualität und der berechneten Schneidfrontneigung wurde ein Qualitätskriterium gefunden. Diese Ergebnisse können zudem zur Verbesserung existierender Simulationsmodelle des Laserschneidens eingesetzt werden, wodurch in weiterer Folge das Prozessverständnis erweitert werden kann.