Strahldosierung mit intelligenten Pixeln – Laserschweißprozesse optimal geregelt

Die Forschungsgesellschaft für Strahlwerkzeuge (FSGW), eine gemeinnützige Gesellschaft des Instituts für Strahlwerkzeuge der Universität Stuttgart, stellt nun anlässlich der Messe „Laser World of Photonics 2009“ vom 15. bis 18. Juni in München ein neues Verfahren vor, das es erlaubt, Laserschweißprozesse mit Hilfe einer sehr schnell arbeitenden Kamera zu regeln.

Das an der FSGW entwickelte Regelsystem trägt dazu bei, die Qualität und die Produktionsgeschwindigkeit in vielen Branchen, zum Beispiel der Automobilindustrie und dem Maschinenbau, zu steigern und gleichzeitig Nacharbeiten oder Ausschuss zu vermeiden. Zudem können Probleme beim Schweißprozess, wie etwa aufgrund von Stärkenunterschieden in den zu bearbeitenden Blechen oder wegen Geschwindigkeitsschwankungen, leichter gemeistert werden.

Die Dosierung der Laserleistung beim Laserschweißen ist eine heikle Angelegenheit: Ist sie zu hoch, bilden sich Löcher in der Naht, bei zu niedriger Leistung dagegen verbinden sich unter Umständen die Bleche nicht. Um solche Fehler zu vermeiden, muss die Laserleistung exakt auf die spezielle Schweißaufgabe eingestellt sein. Dies ist jedoch nur möglich, wenn die Gegebenheiten während des Schweißprozesses auch über lange Zeiträume konstant bleiben. Hierzu muss beispielsweise mit viel Aufwand sichergestellt werden, dass es nicht zu einer Leistungsminderung durch Schweißrauch oder verschmutzende Optiken kommt. Außerdem darf die Materialstärke des zu schweißenden Materials keine all zu große Toleranz aufweisen.

Um die Qualität und Produktivität von laserbasierten Schweißprozessen weiter steigern zu können, ist deshalb eine Überwachung und Regelung erforderlich. Aufgrund der komplexen und hochdynamischen Prozesse muss eine solche Regelung eine sehr schnelle Bildaufnahme und Bildverarbeitung beinhalten. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt*) mit dem Fraunhofer Institut für Physikalische Messtechnik und der Forschungsgesellschaft für Strahlwerkzeuge gelang es den Wissenschaftlern erstmals, ein Regelsystem zu entwickeln, das die Laserleistung bedarfsgerecht für eine optimale Durchschweißung anpasst. Hierfür wird die Größe des Durchschweißloches überwacht und die Laserleistung entsprechend erhöht oder reduziert.

Das Regelsystem basiert auf einer Spezialkamera, mit der es möglich ist, genau definierte Bildmerkmale mit einer Geschwindigkeit von über 10.000 Bildern pro Sekunde aufzunehmen und auszuwerten. Diese CNN-Kamera bildet mit ihren intelligenten Pixeln ein sogenanntes „Cellular Neural Network“, das aus über 25.000 winzigen Prozessoren besteht. Mit dieser Technologie können die Bilder über zehnmal schneller verarbeitet werden als bei konventionellen Systemen. Dabei ist das gesamte Regelsystem nicht größer eine Schuhschachtel. Und auch die Investitionskosten und der Strombedarf liegen deutlich unterhalb dessen, was für konventionelle Systeme veranschlagt werden muss.

*) Analoge Bildverarbeitung mit Cellularen Neuronalen Netzen zur Regelung laserbasierter Schweißprozesse (ACES), http://www.fgsw.de/homepage/projekte/de_aces.php

Weitere Informationen bei Felix Abt, Forschungsgesellschaft für Strahlwerkzeuge (FGSW), Tel. 0711/351451-30, e-mail: felix.abt@fgsw.de