Simulative Auslegung von Strahlengängen für scanner-integrierte Pyrometer

© OTH Regensburgj; Nicht-Sequentielles Modell des Messstrahlengangs

© OTH Regensburg; Abbildung 1: 3D-Scanner mit integriertem Pyrometer und separaten Strahlengängen für den Laser- (rot) und Messstrahlengang (blau)

© OTH Regensburg; Abbildung 2: Geometrisch-optisches Modell des Messstrahlengangs

© OTH Regensburg; Abbildung 3: Bauteilbezogene Transmission (Balken, links) und Gesamttransmission des optimierten pyro-metrischen Temperaturmesssystems (Linie, rechts). Die Nummerierung der Detektoren korrespondiert mit Abbildung 2.

Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg

Das Labor Laser-Materialbearbeitung der Ostbayerischen Technischen Hochschule Regensburg befasst sich intensiv mit der Prozessentwicklung des Laser-Durchstrahlschweißens und der Realisierung scanner-integrierter Temperaturmesssysteme. Mitte 2019 wird das Labor in den Technologiecampus Parsberg-Lupburg umziehen und die erarbeiteten Kompetenzen im Bereich Prozessmodellierung, Prozessüberwachung, Systemtechnikentwicklung und additive Fertigung weiter ausbauen.

1. Einleitung

Beim Laser-Durchstrahlschweißen erlaubt die online-Pyrometrie die Temperaturmessung während des laufenden Prozesses und ermöglicht damit Aussagen über die lokale Schweißnahtqualität [1, 2]. Somit können lokale Fehlstellen erkannt und teilweise kompensiert werden. Die strahlungsphysikalischen Eigenschaften und das niedrige Temperaturniveau der zu schweißenden Polymere stellen eine Herausforderung für die Auslegung und Optimierung der Strahlengänge dar.

An der OTH Regensburg werden in laufenden Forschungsprojekten Optikkonzepte entwickelt und verglichen. Hierbei erweist sich die Raytracing-Simulation als wertvolles Werkzeug.

2. 3D-Laserscanner mit integrierter pyrometrischer Temperaturmesstechnik

Abbildung 1 zeigt ein zielführendes Optikkonzept. Der kollimierte Laserstrahl (λ = 1.07 µm) wird von einem Galilei-Teleskop, bestehend aus Fokus-Shifter und Fokussierdublette, aufgeweitet und fokussiert, um den erforderlichen Durchmesser des Laserstrahls in der Fügeebene zu erhalten. Über die Galvanometerspiegel erfolgt die Auslenkung des Laserstrahls in der Fügeebene. Während dieser Auslenkung wird der Fokus-Shifter translatorisch bewegt, um den Strahldurchmesser in der Fügeebene konstant zu halten. Die als Folge der Bestrahlung durch den Laser in der Fügezone emittierte Wärmestrahlung wird über die Galvanometerspiegel zurück in den Scanner reflektiert und am Strahlteiler ausgekoppelt. Nach einer weiteren Umlenkung wird die Wärmestrahlung über das separate Galilei-Teleskop in den Lichtwellenleiter des Pyrometers eingekoppelt, welcher die Strahlung zum Detektor des Pyrometers (λ = 1.6…2.1 µm) führt.

Dieser Aufbau ermöglicht es, die Optiken und Coatings hinsichtlich der entsprechenden Wellenlänge zu optimieren.

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3.  Geometrisch-optisches Simulationsmodell
Bei der Entwicklung des in Abbildung 1 gezeigten Aufbaus werden zunächst geometrisch-optische Modelle in ZEMAX aufgebaut, mithilfe derer die notwendigen optischen Elemente und Verfahrwege zügig berechnet werden können. Eine Brennweitenanpassung kann, analog zum Laserstrahlengang, mit einem Galilei-Teleskop realisiert werden (siehe Abbildung 2). Im gezeigten geometrisch-optischen Modell wird der Wärmestrahlengang umgekehrt betrachtet, d.h. das Ende des Lichtwellenleiters ist das Objekt, von dem aus Strahlen durch das System propagieren, bis sie die Arbeitsebene erreichen. Der Querschnitt des Strahlenbündels in der Arbeitsebene wird als Messfleck angenommen.

Bei der Verwendung brechender optischer Elemente ist die Dispersion zu berücksichtigen, die für unterschiedliche Wellenlängen zu verschiedenen Abbildungsverhältnissen und damit zu einer Verzeichnung des Messflecks führt. Diese chromatische Aberration kann durch den Einsatz eines Achromats verringert, aber nicht ganz korrigiert werden. Für die Vorauslegung wird zunächst die effektive Wellenlänge verwendet. Im nächsten Schritt wird eine erste Optimierung der Komponenten hinsichtlich sphärischer und chromatischer Aberrationen durchgeführt. Die schnelle geometrisch-optische Berechnung des Strahlengangs ermöglicht die effiziente Durchführung erster Design- und Parameterstudien. Somit können die für die mechanische Konstruktion notwendigen Randbedingungen wie Aperturen, Abstände und Verfahrwege abgeleitet werden.

Allerdings ist die Berücksichtigung des breiten Strahlungsspektrums der Wärmestrahlung und der spektralen Eigenschaften der optischen Komponenten nur eingeschränkt möglich. Eine Berechnung der durch das System transportierten Strahlungsleistung ist nicht möglich. Ebenfalls ist der im geometrisch-optischen Modell bestimmte Messfleckdurchmesser nur eingeschränkt aussagekräftig.

Üblicherweise wird der Messfleck durch die Ermittlung des M90-Durchmessers bestimmt [3]. Hierbei wird der Messstrahl unter Verwendung einer Blende so weit eingeschnürt, bis die detektierte Strahlungsleistung auf 90 % des ursprünglichen Wertes abgefallen ist. Dieses Vorgehen kann im geometrisch-optischen Modell nur mangelhaft abgebildet werden. Somit ist ein Vergleich des berechneten und des experimentell ermittelten Messfleckdurchmessers nur bedingt möglich.

4.  Monte-Carlo-Raytracing
Die Monte-Carlo-Simulation wird üblicherweise zur Berechnung nicht-abbildender Systeme, wie beispielsweise Beleuchtungen, eingesetzt. In dieser Simulation werden keine geometrisch-optischen Abbildungen mit festgelegter Strahlausbreitungsrichtung berechnet. Stattdessen werden viele Strahlen einer definierten Quelle mit bestimmtem Energieinhalt ausgesandt, die mit jedem Objekt nach den Gesetzen der Strahlungsphysik interagieren können. Im vorliegenden Fall beleuchtet die Wärmestrahlung den Pyrometerchip. In das Simulationsmodell integrierte Detektoren zeichnen auftreffende Strahlen auf, wodurch Leistungseintrag- und Verteilung an definierten Positionen im System ermittelt werden können.

4.1  Berechnung von Durchmesser und Lage des Messflecks
Analog zur empirischen Vermessung eines pyrometrischen Messstrahlengangs mittels der M90-Methode wird der Messfleckdurchmesser im Monte-Carlo-Simulationsmodell durch inkrementelles Verkleinern des freien Durchmessers einer virtuellen Aperturblende bestimmt. Dieses Vorgehen ermöglicht den direkten Vergleich des Monte-Carlo-Modells mit entsprechenden Messdaten.

Werden die experimentell vermessene Kaustik und der simulierte Strahlengang des in Abbildung 1 dargestellten scannerintegrierten Temperaturmesssystems verglichen, zeigt sich eine sehr gute Übereinstimmung. Der experimentell ermittelte M90-Messfleckdurchmesser von 1.7 mm liegt in der 390 mm entfernten Arbeitsebene. Der für diese Ebene berechnete Messfleck hat einen Durchmesser von 1.5 mm. Die Abweichung von 0.2 mm liegt im Rahmen der Modellierungsgenauigkeit.

4.2  Optimierung der Gesamttransmission
Zur Prozessüberwachung und Fehlstellendetektion ist ein möglichst gutes Signal-Rausch-Verhältnis notwendig. Somit muss die Strahlungsabschwächung im Scanner minimiert werden. Das Monte-Carlo-Raytracing ermöglicht die Bestimmung der Absorptions- und Reflexionsverluste an jedem Bauteil. Hierfür werden verschiedene Detektoren in das Simulationsmodell integriert und sukzessive ausgewertet. Vor der Optimierung des pyrometrischen Temperaturmesssystems wurde eine Gesamttransmission von lediglich 40% erzielt. Aufgrund der separaten Führung des Messstrahls und der somit möglichen Optimierung der verwendeten Optiken und Coatings hinsichtlich des Messspektrums wird die Gesamttransmission auf über 70 % verbessert (siehe Abb. 3).

Abbildung 3: Bauteilbezogene Transmission (Balken, links) und Gesamttransmission des optimierten pyrometrischen Temperaturmesssystems (Linie, rechts). Die Nummerierung der Detektoren korrespondiert mit Abbildung 2.

4.3   Modellsteuerung- und kopplung
Die automatisierte Durchführung der Berechnungen ist durch die Kopplung der Optik-Software ZEMAX mit dem Programmiertool MATLAB möglich. Somit können umfangreiche Design- und Parameterstudien sowie die Strahlvermessung in der Monte-Carlo-Simulation effizient durchgeführt werden.

5.  Zusammenfassung und Ausblick
Durch Integration einer pyrometrischen Temperaturmesstechnik in den Laserscanner ist eine effiziente, ortsaufgelöste Prozessüberwachung möglich. Mithilfe von geometrisch-optischen Simulationsmodellen und Monte-Carlo-Raytracing in Zemax können die auszulegenden Strahlengänge schnell und effizient untersucht werden. Durch die Modellsteuerung und Kopplung mit dem Programmierwerkzeug Matlab wird eine automatisierte Durchführung und Auswertung umfangreicher und zeitintensiver Simulationen ermöglicht.

Literaturverzeichnis
[1]   Schmailzl, Anton ; Hierl, Stefan ; Schmidt, Michael: Gap-bridging During Quasi-simultaneous Laser Transmission Welding. In: Physics Procedia 83 (2016), S. 1073–1082
[2]   Schmailzl, Anton ; Steger, Sebastian ; Hierl, Stefan: Process Monitoring at Laser Welding of Thermoplastics. In: Laser Technik Journal 12 (2015), Nr. 4, S. 34–37
[3]   Bernhard, Frank (Hrsg.): Handbuch der Technischen Temperaturmessung. 2. Aufl. Berlin : Springer Vieweg, 2014 (VDI-Buch)

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