Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Großflächiges, roboterbasiertes Laserstrahlstrukturieren reflektierender 3D-Flächen

Das Verfahren Laserstrahlstrukturieren wird in der Produktion eingesetzt, um komplexe 3D-Geometrien wiederholbar zu markieren oder zu gravieren. Gegenüber der konventionellen Oberflächenbearbeitung, zum Beispiel dem Ätzprozess, bietet dieses Verfahren wirtschaftliche, ökologische und gestalterische Vorteile. Hierbei wird ein fokussierter, gepulster Laserstrahl mit hoher Präzision und Geschwindigkeit über die zu bearbeitende Oberfläche geführt. Dies erfolgt durch ein System mit hochdynamisch bewegbaren Spiegeln (sog. “Laserscanner“). Da das Arbeitsvolumen des Scansystems jedoch begrenzt ist, erfolgt die Bearbeitung großformatiger Bauteile in mehreren Schritten. Dabei wird die gesamte Oberfläche in hinreichend kleine Ausschnitte unterteilt („Patches“), die sequentiell bearbeitet werden. Nach Abarbeitung eines Patches muss daher das Strukturiersystem neu positioniert werden, um das benachbarte Feld zu bearbeiten. Zur Vermeidung von sichtbaren Übergängen zwischen den einzelnen Bearbeitungsschritten muss der Laserfokus sehr präzise positioniert werden. Bereits eine Abweichung von wenigen Mikrometern führt zu optisch erkennbaren „Nähten“. Durch diese hohe Anforderung an die Positioniergenauigkeit ist eine hochpräzise Anlagentechnik erforderlich, die insbesondere für KMU derzeit nicht erschwinglich ist und daher deren Existenz zu deutlichen Wettbewerbsnachteilen führt. Im Rahmen des Forschungsvorhabens soll daher ein Verfahren entwickelt werden, um die Vorteile der Laserstrukturiertechnologie bei der Bearbeitung großformatiger Bauteile insbesondere für KMU zu erschließen. Ziel ist es dabei, mittels der dargestellten Technologie und die Kombination von vergleichsweise kostengünstigen Hard- und Software-Lösungen ein Verfahren zu schaffen, durch welches die Investitionskosten für ein Großstrukturiersystem um bis zu 80% auf ungefähr 300T € gesenkt werden können.

Ergebniszusammenfassung:

Das Verfahren Laserstrahlstrukturieren wird in der Produktion eingesetzt, um komplexe 3D-Geometrien wiederholbar zu markieren oder zu gravieren. Hierbei wird ein fokussierter, gepulster Laserstrahl mit hoher Präzision und Geschwindigkeit über die zu bearbeitende Oberfläche geführt. Dies erfolgt durch ein System mit hochdynamisch bewegbaren Spiegeln (sog. “Laserscanner“). Da das Arbeitsvolumen des Scansystems jedoch begrenzt ist, erfolgt die Bearbeitung großformatiger Bauteile in mehreren Schritten. Dabei wird die gesamte Oberfläche in hinreichend kleine Ausschnitte unterteilt („Patches“), die sequentiell bearbeitet werden. Nach Abarbeitung eines Patches muss das Strukturiersystem daher neu positioniert werden, um das benachbarte Feld zu bearbeiten. Bereits kleinste Abweichungen bei der Positionierung müssen hierbei durch das Lasersystem kompensiert werden, um sichtbare Übergängen zwischen den einzelnen Bearbeitungsschritten zu

vermeiden. Dies erfolgt mittels eines optischen Systems sowie einer Bildverarbeitungssoftware, die auf der Oberfläche eingebrachte Referenzmarker erkennen und für die Ermittlung und Kompensation des Positionsfehlers nutzen. Aufgrund von starken Bauteilreflexionen ist es hierbei jedoch nicht in jeder Relativlage möglich, diese Marker zu erkennen.

Im Rahmen des Vorhabens ist ein Konzept für den Aufbau einer Kompensationssoftware für Lasterstrukturierungsanlagen entstanden. Anhand eines mit Realdaten einlernbaren Materialmodells ist es möglich, zu einer gegebenen Relativlage zwischen Scansystem und Bauteil die erwarteten Reflexionen zu ermitteln und im Rahmen der Bildverarbeitung zur Verbesserung der Markererkennung zu nutzen. Hierdurch werden großflächige Laserstrukturierungen auch für komplexere Bauteile erschließbar. Die Ergebnisse des Vorhaben GroRoLas3D stärken dabei besonders klein- und mittelständische Unternehmen wie sie im Werkzeug- und Formenbau zu finden sind.