Modellbasierte, adaptive Prozessregelung für das Laserstrahlstrukturieren (PDF)

Das Laserstrahlstrukturieren ist ein innovatives Verfahren, um Strukturen in Oberflächen einzubringen und diese so zu funktionalisieren. Dies können z. B. technische Strukturen auf bewegten Komponenten zur Reibungsreduzierung oder Designstrukturen auf Werkzeugen zur replikativen Fertigung sein. Dabei wird ein hochenergetischer, gepulster Laserstrahl durch zwei bewegliche Scannerspiegel auf das Bauteil gelenkt, wo der Laserstrahl in mehreren Schichten Material verdampft und so die gewünschte Geometrie erzeugt. Das Einstellen der Prozessparameter stellt den Bediener vor besondere Herausforderungen, da es durch die Vielzahl von Parameterkombinationen und Einflussfaktoren nicht möglich ist, die Abtragtiefe der Geometrie ohne umfangreiche Parameterstudien vorherzusagen.

Die Scannerspiegel müssen sich mit einer möglichst konstanten Geschwindigkeit bewegen, um eine Konzentration von Laserpulsen in der Beschleunigungs- oder Abbremsregion zu vermeiden. Um einen gleichmäßigen Abtrag gewährleisten zu können, wurde in dieser Dissertation ein Beschleunigungskompensationsalgorithmus entwickelt, welcher ein Regressionsmodell sowohl für den geschwindigkeitsabhängigen Schleppverzug als auch für den Bereich der Beschleunigung nutzt. Dieser Algorithmus legt durch eine intelligente Bahnführung die Beschleunigungs- und Abbremsregionen in Bereiche, in denen der Laser deaktiviert ist. Die dafür benötigten Parameter werden erstmalig in einem automatisierten Verfahren ermittelt und im System eingestellt. Im Ergebnis sorgt die Kalibrierung für eine gleichförmige Bewegung des Laserstrahls auf dem Bauteil und verhindert so ungewünschte Einbrandeffekte.

Trotz des nun gleichmäßigen Abtrags ist durch die Vielzahl an Einflussfaktoren eine verbindliche Vorhersage der Abtragtiefe nicht möglich. In dieser Arbeit wurde erstmalig eine adaptive Online-Regelung für den Abtragprozess implementiert, die regelmäßig die aktuelle Abtragrate überwacht und Prozessparameter entsprechend automatisch einstellt. Dazu wurde ein LCI-basiertes Messgerät (Low Coherence Interferometry) in die Prozesskette integriert, welches die aktuelle Abtragsituation direkt durch den Strahlengang des Prozesslasers misst. Nach einem Teilabtrag wird eine Messung durchgeführt und mit diesem Messwert wird der Abtrag pro Schicht für die bereits bearbeiteten Schichten berechnet. Mit dieser Information werden die folgenden Schichten berechnet. Am Ende des Prozesses wird so die gewünschte und programmierte Abtragtiefe automatisch erreicht.