Frequenzmessung: Schlüssel zu präziser Entfernungsmessung in selbstlernenden Prozessschritten

Photonische Prozessketten
15.02.2018
Erstellt von BMBF-Projekt LARA / TOPTICA Projects GmbH

BMBF fördert Verbundprojekt LARA zur Entwicklung von Lasermessverfahren für die vernetzte Produktion: Lasermikromaterialbearbeitung

Laser bei der Arbeit
Laserbearbeitung von Hartmaterialien zur Herstellung hochgenauer Werkzeugen. Bild: LASERPLUSS AG

Aufbauend auf einem speziellen Lasersystem wird ein Verfahren für die Vermessung von Oberflächentopografien mit µm-Genauigkeit entwickelt. Man misst eine Frequenz und bekommt mit absoluter Genauigkeit einen Abstand.

Absolute Distanzmessung mit Mikrometer-Auflösung

Ziel dieses Vorhabens ist die Daten-gesteuerte Produktion von mikrostrukturierten Oberflächen an Werkzeugen mit Hartstoffen-Schneiden durch rückgekoppelte Laserbearbeitung. Im Vordergrund steht die Herstellung von Werkzeugen höchster Qualität und Maßhaltigkeit. Zentrales Element und Besonderheit ist ein neuartiges Lasermessverfahren, dessen Entwicklung Bestandteil des Projektes ist. Dieses Messverfahren ermöglicht die Realisierung einer präzisen in-process Qualitätskontrolle von Bauteilen mit einer absoluten Genauigkeit von wenigen µm.

Durch Rückkopplung der gewonnenen Messdaten während des Bearbeitungsprozesses können die weiteren Schritte der Produktion ohne händischen Eingriff oder Messung auf separaten Geräten gesteuert werden. Dazu gehört u.a. die Steuerung und Kontrolle der Leistungsdichte des Bearbeitungslasers oder die genaue Position und Lage des Werkzeuges in der Anlage.

Dem Laser neuartige Eigenschaften geben

Als Kernstück des Vorhabens entwickelt TOPTICA-Projekts ein innovatives Lasersystem, welches durch Modifikation des Resonators sehr spezifische Eigenschaften erhält. Diese Eigenschaften erlauben die absolute Bestimmung von Abständen über Distanzen der Größenordnung Meter oder die Vermessung der Topografie einer Oberfläche mit einer Genauigkeit von wenigen µm bei einer Messrate von wenigstens 10 kHz.

Eine noch höhere Genauigkeit ist bei geringerer Messrate möglich. Wesentliches Alleinstellungsmerkmal ist die Art der Messwertgewinnung: Sie erfolgt durch Messung einer Frequenz. Dadurch und durch die Ausführung des Lasers, durchgängig aus Lichtleitfasern, erhält das Messsystem eine außergewöhnliche Robustheit, wird also unempfindlich gegenüber externen Störgrößen. Das Lasersystem ist tauglich für die Einbettung in eine IT-Umgebung für flexible, vernetzte Produktion.

Aufbau selbstlernender Prozesszyklen: Kontrolle und Dokumentation

Der Projektpartner LASERPLUSS AG stellt Apparaturen für die Lasermaterialbearbeitung und hochwertige Schneidkanten aus Hartwerkstoffen, z.B. Diamant, her. Die µm-genaue Vermessung des Materialabtrags kann mit dem LARA-Verfahren zwischen Pulsen des Bearbeitungslasers oder nach einer solchen Pulssequenz erfolgen.

Diese sogenannte in-process Kontrolle erlaubt eine vollständige Einzelstückvermessung und Dokumentation. Der Verlust von Bauteilen und Maschinenzeit durch überschießenden Abtrag wird vermieden.

Der Abtrag pro Laserpuls ist bei gegebenen Leistungsparametern des Bearbeitungslasers abhängig vom Material der Oberfläche. Daher kann die in-process Vermessung zur automatischen Materialerkennung beitragen und durch Rückführung der Messwerte an den Bearbeitungslaser einen selbstlernenden Prozess etablieren.

Ein sehr vielseitiges Messsystem

Bei Erfolg dieses Vorhaben ergeben sich vielfältige wissenschaftlich-technologische Anschlussmöglichkeiten und Erweiterungen für das Messsystem. Durch Wahl eines anderen Verstärkungsmediums lassen sich andere Wellenlängen erreichen und damit weitere Anwendungsfelder eröffnen. Die Möglichkeit zur Erfassung von Oberflächentopografien im µm-Bereich mit einem inline-fähigen robusten Verfahren wird in vielen industriellen Bereichen zur Prozess- und Qualitätskontrolle nachgefragt, dazu gehört neben der Mikrosystemtechnologie auch der Bereich Machine-Vision, die Halbleiterindustrie sowie vielfältige Anwendungen in der Medizin, z.B. Ophthalmologie.

Der Verbund

Das Projekt LARA läuft im Rahmen der Initiative "Photonik für die flexible, vernetzte Produktion – Optische Sensorik" und wird vom BMBF über drei Jahre bis Ende September 2020 mit rund 2,6 Millionen Euro gefördert. Der Verbundname LARA steht für "Lasermessverfahren für die vernetzte Produktion: Lasermikromaterialbearbeitung". Projektpartner sind die LASERPLUSS AG und die TOPTICA Projects GmbH.

Projektkoordinator

Dr. Frank Lison
TOPTICA Projects GmbH
Lochhamer Schlag 19
82166 Gräfelfing
Telefon: +49 89 85837-505
E-Mail: frank.lison@toptica-projects.com

Kopf eines Werkzeuges
Beispiel eines Werkzeuges, welches bei dem Verbundpartner LASERPLUSS AG mit dem dort eingesetzten Laserverfahren in µm-Genauigkeit hergestellt wurde. Bild: LASERPLUSS AG
Werkzeug mit Taster
Ein Schneidwerkzeug bei der Überprüfung durch einen Taster. Solche zeitaufwändigen Messverfahren sollen durch das laserbasierte LARA-Verfahren ersetzt und beschleunigt werden. Bild: LASERPLUSS AG
Junge Frau vor Laser Anlage
Eine Mitarbeiterin inspiziert die Fertigung eines Werkstückes in eine RayCutter Anlage der LASERPLUSS AG. Bild: LASERPLUSS AG