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Optimierter tiefengeregelter Laserabtrag – Lasergestützte Bearbeitungsprozesse auch für inhomogene Materialien online optimieren

Kurzfassung

Dieses auf der Radon-Transformation basierende Verfahren optimiert die Trajektorien von Bearbeitungsprozessen im Hinblick auf eine zeitliche Effizienz, bzw. den Laser-Nutzungsgrad. Der Algorithmus arbeitet online und optimiert den Prozess stetig, sodass eine signifikante Produktionssteigerung erreicht wird.

Hintergrund

Bei der automatisierten Bearbeitung von Flächen ist die zurückgelegte Strecke, bzw. Trajektorie (von Laser/ Extruder oder Bauteil) und deren Effizienz mit ausschlaggebend für eine insgesamt möglichst zeiteffiziente und damit wirtschaftliche Bearbeitung. Das gilt sowohl bei der Abtragung von Material als auch für additive Prozesse – die Bearbeitungszeit sollte möglichst kurz sein, natürlich ohne Qualitätseinbußen in Kauf nehmen zu müssen. Manöver wie Abbremsen, Richtungswechsel und erneut Beschleunigen bedeuten dabei stets einen Effizienzverlust.

Problemstellung

Trajektorien verlaufen üblicherweise nach Schema F – entweder in kontur- oder richtungsparallelen Bahnen. Für feste Muster wie parallel verlaufende Prozesse existieren Optimierungsalgorithmen, diese eignen sich allerdings nicht für fragmentierte Geometrien und basieren i.d.R. auf Polygonen. Andere Strategien der Bahnplanung verfolgen meist das Ziel einer Qualitätsoptimierung der Oberfläche. Bei der Bearbeitung inhomogener Materialien kommt ein weiteres Problem hinzu: Ist der Tiefenfortschritt ist nicht homogen, muss der Laser im Laufe eines Prozesses an immer mehr Stellen abgeschaltet werden, während Bahnen mehrfach gefahren werden müssen. Das setzt die Produktivität stark herab. Das Potenzial zeitlicher Effizienz wurde bisher weitestgehend außer Acht gelassen.

Lösung

Am IFSW der Universität Stuttgart wurde nun ein Verfahren zur Berechnung von Trajektorien entwickelt, das sich insbesondere, aber nicht ausschließlich dazu eignet, einen tiefengeregelten Laserabtrag für inhomogene Materialien zeitlich zu optimieren. Der Algorithmus basiert auf der Radon-Transformation, nach der in einem Distanz-Winkel-Raum, dem sog. Radon-Raum gearbeitet wird. Der Bearbeitungsraum wird zunächst über eine Gewichtung betrachtet und dann entlang der Distanzachse aufsummiert. So können diejenigen zueinander parallel liegenden Geraden identifiziert werden, die gleichzeitig die meisten Pixel (also zu bearbeitendes Material) auf sich vereinen. Unter Einbeziehung der geeigneten Schraffur-Winkel (Rechtsachse) entsteht ein optimierter Programmablaufplan (PAP). Gibt es mehrere Optionen für die Schraffur-Richtung, errechnet der Algorithmus automatisch das beste Gesamtergebnis bezogen auf die Bearbeitungszeit, bzw. den Laser-Nutzungsgrad für jeden Abschnitt einer Kontur.
Das Verfahren ermöglicht also die effiziente Bearbeitung inhomogener Materialien, lässt aber auch die Bearbeitung von homogenen Materialien umso effizienter werden und erlaubt dabei sogar weiterführende Optimierungen. So ist eine Einbeziehung der Materialtemperatur (via Thermografie-Monitoring) und deren Berücksichtigung im PAP möglich, womit eine Wärmeakkumulation auf dem Werkstück verhindert werden kann. Um die Berechnung während des laufenden Prozesses zu korrigieren könnte die Fläche simultan messtechnisch erfasst werden (bspw. via Kamera) und ein Algorithmus adaptiert die berechnete Bahn laufend/ online an sich verändernde Bearbeitungszustände. Fertig bearbeitete Flächen werden dabei effizient ausgespart und verbliebene Abschnitte über neu berechnete Trajektorien ebenso effizient abgetragen. Weitere Optimierungsziele sind denkbar.

Nutzungsgrade für Trajektorien bei unterschiedlichen Geometrien (unten) im Vergleich zwischen klassischem Zig-Zag- (1. Balken) und dem neuen Radon(RT)-Verfahren (2. Balken) [Bild: v.n. Universität Stuttgart].
Nutzungsgrade für Trajektorien bei unterschiedlichen Geometrien (unten) im Vergleich zwischen klassischem Zig-Zag- (1. Balken) und dem neuen Radon(RT)-Verfahren (2. Balken) [Bild: v.n. Universität Stuttgart].

Vorteile

  • Geeignet für fragmentierte Geometrien und inhomogene Materialien
  • Optimierter Laser-Nutzungsgrad durch Vermeidung unproduktiver Bahnabschnitte
  • Online-Berechnung und -optimierung möglich
  • Analysen der Geometrie anhand von Pixelbildern möglich
  • Weitere Optimierungsziele implementierbar (bspw. Vermeidung von Wärmeakkumulation)
  • Prozessoptimierung für kritische Materialien

Anwendungsbereiche

Mit diesem Verfahren lassen sich alle lasergestützten Prozesse optimieren, bei denen ein Laser automatisiert eine Bahnplanung abarbeitet. Das gilt prinzipiell sowohl für subtraktive als auch additive Prozesse (Materialabtragung, 3D-Druck, u. ä.).

Publikationen und Verweise

Aufsatz in Fachzeitschrift erscheint in Kürze...

Ein Demonstrator für einen optimierten, tiefengeregelten Laserabtrag befindet sich bereits in der Vorbereitung.

Exposé
Kontakt
Dr.-Ing. Florian Schwabe
TLB GmbH
Ettlinger Straße 25
76137 Karlsruhe | Germany
Telefon +49 721-79004-0
schwabe(at)tlb.de | www.tlb.de
Entwicklungsstand
Validierung / TRL4
Patentsituation
DE 102019105079.0 und PCT anhängig
Referenznummer
18/110TLB
Service
Die Technologie-Lizenz-Büro GmbH ist mit der Verwertung der Technologie beauftragt und bietet Unternehmen die Möglichkeit der Lizenznahme. Ein Demonstrator steht demnächst zur Besichtigung bereit.