Ophir Spiricon BeamPeek: Mess-Evolution für laserbasierte Fertigungssysteme

Eine regelmäßige Prüfung der Strahlqualität ist die Basis für eine konstant gute Bauteilqualität.

Nicolas Meunier
Business Development Manager bei Ophir

„Die Messung des Laserstrahls muss schnell erfolgen und sollte – gerade in Produktionsumgebungen – keine aufwendigen Vorbereitungen erfordern. Das gilt in allen Branchen.“

Beim Selektiven Laserschmelzen (laser-based metal powder bed fusion – LPBF) wird Metallpulver durch einen Laserstrahl Schicht für Schicht geschmolzen. Bei Schichtdicken von üblicherweise 30 bis 120 µm ist die exakte Einhaltung der vordefinierten Strahlparameter eine wesentliche Voraussetzung dafür, dass erzeugte Strukturen über die geforderte Stabilität verfügen. Doch wie lassen sich alle relevanten Strahlparameter auf der Bauebene in Fertigungsanlagen prüfen? Diese Frage stellte die Ingenieure in der Entwicklung tatsächlich lange vor große Herausforderungen, insbesondere bei den stetig steigenden Laserleistungen, die beim Selektiven Laserschmelzen angewendet werden. „Beengte räumliche Verhältnisse, Metallpulver im Bauraum und hohe Leistungen – schwieriger können die Voraussetzungen zur Messung des Laserstrahls kaum sein“, wie Nicolas Meunier, Ophir Business Development Manager für die Bereiche Additive Manufacturing, Automotive und High Power, erklärt. „Ophir BeamPeek ermöglicht es erstmals, Strahlprofil, Fokusspot und Leistung in einem Vorgang zu erfassen. Insbesondere für Servicetechniker, aber auch für versierte Anwender vereinfacht sich die Prozesskontrolle in der Additiven Fertigung damit signifikant.“

Das Ophir BeamPeek-Messgerät verfügt über einen herausnehmbaren Einschub, um die bei der Messung entstehende Wärme schnell zu absorbieren.

Innovative Technologie ohne aktive Kühlung

Laserstrahlen als Bearbeitungswerkzeug haben den Vorteil, dass sie durch die entsprechenden Optiken flexibel geformt werden können. Zudem werden je nach Material und Anwendung unterschiedliche Wellenlängen genutzt und die Leistungsdichte des Laserstrahls wird auf der Bearbeitungsebene angepasst. Die vielfältigen Anwendungsbereiche forcieren die Entwicklung der Technologie. Dabei ist zu beobachten, dass die Leistung der Laser, die beim Selektiven Laserschmelzen genutzt werden, in den letzten Jahren stetig steigt. Warum dies messtechnisch eine Hürde darstellt, erklärt Nicolas Meunier: „Um die Leistung eines Lasers im Kilowatt-Bereich zu messen, ist in der Regel ein wassergekühlter Sensor erforderlich. Doch die Zufuhr von Wasser in der Baukammer ist nur schwierig zu realisieren und birgt Risiken. Für das BeamPeek-System haben wir eine neuartige Technologie entwickelt, die das vermeidet.“ Der Laserstrahl trifft im Messgerät auf eine austauschbare Strahlfalle in Form eines separaten Einschubs. Die entstehende Wärme wird über den massiven Aluminiumblock absorbiert. Bis zu 1 kW Laserleistung lässt sich zwei Minuten lang ohne aktive Kühlung mit einem der Einschübe messen. Erwärmt sich die Strahlfalle bei der Messung eines Laserstrahls zu stark, leuchtet eine Warnanzeige am Messgerät auf. Der Einschub kann schnell entfernt, extern gekühlt und anschließend wieder eingesetzt werden. Sofern erforderlich, kann auch ein zweiter Einschub bereitgehalten werden. Sobald dieser eingesetzt ist, lässt sich sofort die nächste Messung durchführen. Durch Trennung der Strahlfalle von der eigentlichen Messtechnik steigt die Temperatur im Inneren der Messeinheit selbst bei einer Leistung von 1 kW um maximal 2,5° C pro Minute.

Das Ophir Ariel-Messgerät erfasst die Laserleistung in der geschlossenen Baukammer.

Integrierte Messungen in Sekunden

Technisch vereint das BeamPeek-Messgerät Leistungsmessung und Strahlprofilanalyse. Entwickler und Servicetechniker, aber auch versierte Anwender erhalten damit ein umfassendes Bild des verwendeten Laserstrahls. Dieser fällt durch die Apertur in das Innere des Messgeräts. Ein Strahlteiler lenkt einen Teil des Strahls auf eine Kamera, einen anderen auf ein Leistungsmessgerät und den verbleibenden Teil – ungefähr 96 % des Strahls – auf die Strahlfalle. Die integrierte Kamera erfasst das gesamte Profil des Strahls und liefert die Daten über die USB-Schnittstelle an die Analysesoftware. In nur drei Sekunden stehen alle relevanten Strahlparameter zur Verfügung, darunter Divergenz, Fokusposition, Fokusgröße. Zusätzlich liefert der integrierte Leistungssensor die Leistung des Strahls an die Analysesoftware.

Praktische Anwendungsvorteile

„Die Messung des Laserstrahls muss schnell erfolgen und sollte – gerade in Produktionsumgebungen – keine aufwendigen Vorbereitungen erfordern. Das gilt in allen Branchen“, erklärt Nicolas Meunier und ergänzt: „Für das Selektive Laserschmelzen haben wir das Gerät bewusst so konzipiert, dass alle aktiven Komponenten im Inneren des Messgeräts vor Staub und Partikeln geschützt sind.“ Die Messung des Laserstrahls kann direkt nach jedem Baujob erfolgen, ohne dass die Kammer vorher gereinigt werden muss.

Zusätzliche Flexibilität in der Anwendung des Messgeräts wird gewährleistet, da neben NIR-Laser mit 1.030 bis 1.080 nm auch grüne Laser mit einer Wellenlänge von 532 nm mit dem BeamPeek-System gemessen werden können. Grüne Laser werden beispielsweise eingesetzt, um feinste Strukturen aus Kupfer additiv zu fertigen. So lassen sich die Kühlkanäle in Wärmetauschern optimieren, die zur Kühlung elektronischer Hochleistungskomponenten eingesetzt werden. Gerade für Hersteller von additiven Fertigungsanlagen eignet sich das neue Messgerät ideal für Messungen im Feld. Ophir BeamPeek ergänzt in idealer Weise das Portfolio von MKS im AM-Bereich.

Messtechnik hält Schritt

Schon im vergangenen Jahr gelang MKS ein wesentlicher Schritt hin zur Prozessoptimierung beim Selektiven Laserschmelzen: Das Anfang 2021 vorgestellte Ophir Ariel-Leistungsmessgerät lässt sich autark in der abgeschlossenen Baukammer einer additiven Fertigungsanlage einsetzen. Weder ein Stromanschluss noch ein Kabel zur Anbindung an ein Anzeigegerät sind für die Messung erforderlich. Die Baukammer kann während des gesamten Messvorgangs geschlossen bleiben, da die Messdaten direkt auf dem integrierten Display abgelesen oder über Bluetooth auf ein mobiles Endgerät übertragen werden können. „Das Ariel-Leistungsmessgerät bietet erstmals den Anwendern selbst die Möglichkeit, die Leistung des Laserstrahls regelmäßig zwischen den Baujobs zu prüfen. Zeigen sich dabei Auffälligkeiten, können die Ursachen schnell gesucht und beseitigt werden. Baufehler aufgrund schwankender Laserleistung werden vermieden“, erklärt Nicolas Meunier. „Gerade bei Auffälligkeiten, aber auch für regelmäßige Wartungsarbeiten der Lasersysteme, eignet sich das BeamPeek-Messgerät. Durch die Vielzahl der Parameter und deren Anzeige im zeitlichen Verlauf lassen sich konkrete Rückschlüsse auf die Qualität des Laserstrahls auf der Bauebene und damit auf die Prozessqualität ziehen.“