Adaptive Strahlführungen für CO2-Laseranlagen
| العنوان: | Adaptive Strahlführungen für CO2-Laseranlagen |
|---|---|
| المؤلفون: | Neubauer, Norbert |
| بيانات النشر: | Meisenbach, 2020. |
| سنة النشر: | 2020 |
| مصطلحات موضوعية: | Ingenieurwissenschaften, Maschinenbau, Department Maschinenbau, 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten, ddc:620, ddc:600, Produktionstechnik, Lehrstuhl für Fertigungstechnologie (LFT) |
| الوصف: | Adaptive Strahlfiihrungen für CO2-Laseranlagen können einen Beitrag zur definierten Einstellung der Fokusparameter auf die Erfordernisse des Bearbeitungsprozesses leisten. Sie eignen sich für die Kompensation von Störungen der Fokusparameter, die beispielsweise durch die thermische Belastung optischer Komponenten oder durch variierende Strahlweglangen zwischen Laser und Fokussieroptik entstehen. Weiterhin ermöglichen sie mit der schnellen Fokuslagennachfiihrung eine neue Bearbeitungsstrategie für räumliche Werkstücke. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde auf der Basis wellenoptischer Simulationsrechnungen eine systematische Untersuchung der Abbildungsfehler in adaptiven Strahlffihrungen durchgeführt. Daraus abgeleitete Richtlinien bilden die Basis für eine zuverlässige Planung und Realisierung solcher Systeme. Der Aufbau und die Erprobung eines Bearbeitungskopfes für die Fokusnachführung bei der räumlichen Laserstrahlbearbeitung ist ein Beispiel für die Anwendung dieser Richtlinien. Der Einfluß von Abbildungsfehlern der Strahlführung auf die Kenngrößen des fokussierten Laserstrahls wird durch wellenoptische Simulationsrechnungen analysiert. Die Eingangsdaten liefert ein Shack-Hartmann-Sensor für die Bestimmung der Oberflächenform reflektierender Optiken unter realen Betriebsbedingungen. Die Auflösung des Sensors beträgt 2mm in der Transversalebene und O,lμm in Hohenrichtung. Der Sensor eignet sich für Optiken bis zu einem Durchmesser von 42mm und für Oberflfichendeformationen von -20μm bis ⅛20μm. Die Meßergebnisse des Shack-Hartmann Sensors werden im Rahmen einer wellenoptischen Simulationsrechnung der Strahlausbreitung berücksichtigt. Ergebnisse dieser Simulationsrechnung sind der Radius und die Bildweite des fokussierten Laserstrahls. Abbildungsfehler der Strahlffihrung machen sich in einer Verschlechterung des Strahlpropagationsfaktors bemerkbar. Unter Verwendung des entwickelten Systems zur Charakterisierung der Strahlausbreitung wurden grundlegende Untersuchungen zur Auslegung adaptiver Strahlffihrungen durchgeführt. Durch die Wahl eines kleinen Einfallswinkels des Laserstrahls auf die adaptive Optik kann der Astigmatismus begrenzt werden. Eine wichtige Erkenntnis ist die Abhängigkeit der Brechkraft der adaptiven Optik vom Radius des Laserstrahls. Die Anforderungen an die Genauigkeit der Zentrierung von Laserstrahl und adaptiver Optik lassen sich durch eine genaue Justage der Strahlffihrung einhalten. Die thermische Deformation der Spiegeloberflfiche adaptiver Optiken durch den absorbierten Anteil der Laserstrahlung ist gegen andere Abbildungsfehler vernachlässigbar. In einer Strahlfiihrung mit adaptiver Optik für die Bildweitenanderung ist der Einbauort in der Nähe der Brennebene relativ genau einzuhalten. Eine Alternative, die größere Toleranzen zuläßt, ist die Kombination von zwei adaptiven Optiken in einer Strahlführung. Die Entwicklung eines Bearbeitungskopfes für die Fokusnachführung in einer Anlage zur räumlichen Laserstrahlbearbeitung ist ein Beispiel für die Umsetzung der aufgestellten Richtlinien. Eine Analyse der Strahlausbreitung an der verwendeten Laseranlage zeigte, daß für die Anwendung einer adaptiven Optik die Reduktion des Strahlradius erforderlich ist. Mit einem Strahlradius von w^o — 8mm und einer Brennweite der Fokussieroptik von fL = 200mm läßt sich eine Bildweitenänderung von Nzp = 18mm erreichen. Ein abschließender Überblick über Anwendungen adaptiver Optiken, die auf der Grundlage der in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse realisiert wurden, zeigt die Möglichkeiten adaptiver Strahlfiihrungen in der industriellen Anwendung der Laserstrahlbearbeitung auf. Der StrahlwegUngenausgleich in Laseranlagen mit fliegenden Optiken garantiert die Unabhängigkeit des Bearbeitungsergebnisses vom Ort im Arbeitsraum. Die Fokusnachführung beim Laserstrahlschneiden und -schweißen ermöglicht neue Bearbeitungsstrategien für räumliche Blechwerkstücke. Adaptive beam guidance for CO2 laser systems can contribute to the defined adjustment of the focus parameters to the requirements of the machining process. They are suitable for compensating for disturbances in the focus parameters, which arise, for example, from the thermal stress on optical components or from varying beam path lengths between the laser and the focusing optics. Furthermore, with the fast focus position tracking, they enable a new machining strategy for spatial workpieces. In the context of the present work, a systematic investigation of the imaging errors in adaptive beam guides was carried out on the basis of wave-optical simulation calculations. Guidelines derived from this form the basis for reliable planning and implementation of such systems. The construction and testing of a processing head for focus tracking in spatial laser beam processing is an example of the application of these guidelines. The influence of imaging errors of the beam guidance on the parameters of the focused laser beam is analyzed by wave-optical simulation calculations. A Shack-Hartmann sensor provides the input data for determining the surface shape of reflective optics under real operating conditions. The resolution of the sensor is 2 mm in the transverse plane and 0.1 μm in the vertical direction. The sensor is suitable for optics up to a diameter of 42mm and for surface deformations from -20μm to ⅛20μm. The measurement results of the Shack-Hartmann sensor are taken into account in a wave-optical simulation calculation of the beam spread. The results of this simulation calculation are the radius and the image width of the focused laser beam. Imaging errors in the beam guidance are noticeable in a deterioration in the beam propagation factor. Using the developed system to characterize the beam spread, basic investigations for the design of adaptive beam guides were carried out. The astigmatism can be limited by choosing a small angle of incidence of the laser beam on the adaptive optics. An important finding is the dependence of the refractive power of the adaptive optics on the radius of the laser beam. The requirements for the accuracy of the centering of the laser beam and adaptive optics can be met by an exact adjustment of the beam guidance. The thermal deformation of the mirror surfaces of adaptive optics due to the absorbed portion of the laser radiation is negligible compared to other imaging errors. In a beam guide with adaptive optics for changing the image width, the installation location near the focal plane must be observed relatively precisely. An alternative that allows greater tolerances is the combination of two adaptive optics in one beam guide. The development of a processing head for focus tracking in a system for spatial laser beam processing is an example of the implementation of the guidelines. An analysis of the beam spread on the laser system used showed that the reduction of the beam radius is necessary for the use of adaptive optics. With a beam radius of w ^ o - 8mm and a focal length of the focusing optics of fL = 200mm, an image width change of Nzp = 18mm can be achieved. A final overview of applications of adaptive optics, which were realized on the basis of the results presented in this work, shows the possibilities of adaptive beam guidance in the industrial application of laser beam processing. The beam path compensation in laser systems with flying optics guarantees that the machining result is independent of the location in the work area. The focus tracking in laser beam cutting and welding enables new machining strategies for spatial sheet metal workpieces. Fertigungstechnik - Erlangen, 70 |
| وصف الملف: | application/pdf |
| اللغة: | German |
| DOI: | 10.25593/3-87525-095-8 |
| URL الوصول: | https://explore.openaire.eu/search/publication?articleId=doi_dedup___::1bf92194d93f68a17282d47ed0ac81c0 |
| حقوق: | OPEN |
| رقم الأكسشن: | edsair.doi.dedup.....1bf92194d93f68a17282d47ed0ac81c0 |
| قاعدة البيانات: | OpenAIRE |
| DOI: | 10.25593/3-87525-095-8 |
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