Adaptive Fokuslagenkorrektur fasergebundener Laser-Remote-Scanner mit Linsenoptiken fr hohe Laserleistungen

Dieses Buch umfasst die Erforschung und Entwicklung einer prozessbegleitenden, adaptiven, softwarebasierten und flexibel fr Laser-Remote-Scanner anpassbaren Korrekturmethode und eines Sensorkonzepts zur Stabilisierung der Soll-Prozessfokuslage im Interpolationstakt der Scannersteuerung und damit der Einhaltung des vorgegebenen Laserstrahldurchmessers und der prozessrelevanten Intensittsverteilung an der Wirkstelle bei der Lasermaterialbearbeitung, wie dem Laserstrahlschneiden, -schweien und -abtragen sowie dem selektiven Laserstrahlschmelzen (3D-Druck). Die mit dieser Arbeit entwickelte Korrekturmethode zur Fokuslagenstabilisierung ist vorzugsweise fr fasergebundene Laser-Remote-Scanner mit Linsenoptiken fr hohe Laserleistungen ausgelegt und bietet den Anwendern C++-codierte Korrekturalgorithmen, die in die Scannersteuerung implementierbar sind und die das mit dieser Arbeit entwickelte ABCD-Fokusmodell zur verbesserten Einstellung der Soll-Prozessfokuslage gegenber linearen Fokusmodellen sowie die matrizenoptik-, raytracing- und PID-regelkreisbasierte aktive Korrektur des Fokus-Shifts beinhalten. Die mit dieser Arbeit entwickelte Korrekturmethode zur Fokuslagenstabilisierung wurde am Beispiel des vorgegebenen und an der Technischen Universitt Hamburg-Harburg (TUHH) am Institut fr Laser- und Anlagensystemtechnik (iLAS) entstandenen 30-kW-Laser-Remote-Scannersystems Dragon zur berprfung der Wirkung eingesetzt und simulativ erprobt. In der Umsetzung wurden passive und aktive Analyse- und Korrekturmethoden des Fokus-Shifts recherchiert, ihre Eignung fr das 30-kW-Laser-Remote-Scannersystem Dragon analysiert und bewertet und die Ergebnisse tabellarisch aufgefhrt. Weiterhin wurden die Zusammenhnge der herausgearbeiteten Problemstellungen zur Erfllung der daraus festgelegten Zielstellung mit den abgeleiteten Teilzielen erforscht. Dazu wurden der Einfluss der Thermischen Linse und der Umgebungsgren auf den Fokus-Shift untersucht. Auerdem wurden die zur Thermischen Linse fhrenden thermischen Effekte (thermo-optischer Effekt, spannungs-optischer Effekt, End-Effekt) beschrieben und die mathematische Modellbildung der Thermischen Linse auf der Basis der Finite-Elemente-Methode (FEM) umgesetzt. Zustzlich wurden eine Sensorintegration und eine mathematische Modellbildung der Brechzahl der Luft durchgefhrt, um die prozessbegleitend gemessenen Umgebungsgren zur direkten Anpassung der Korrekturalgorithmen zu erfassen und in die Korrekturmethode zur Fokuslagenstabilisierung einzubinden. Abschlieend wurde auf der Basis der Matrizenoptik (ABCD-Matrizen) die Mglichkeit geschaffen, das optische Gesamtsystem mathematisch und kompakt zu beschreiben und somit die computergesttzte Berechnung zu beschleunigen. Im Ergebnis der Erforschung und Entwicklung knnen mit dem mit dieser Arbeit entwickelten ABCD-Fokusmodell die Einstellung der Soll-Prozessfokuslage des 30-kW-Laser-Remote-Scannersystems Dragon bis zu einer Grenordnung gegenber dem bislang genutzten linearen Fokusmodell verbessert und der Fokus-Shift aktiv durch die Erweiterung mit einem zeitdiskreten PID-Regelkreis minimiert, die Soll-Prozessfokuslage im Interpolationstakt der Scannersteuerung stabilisiert und damit der vorgegebene Laserstrahldurchmesser und die prozessrelevante Intensittsverteilung an der Wirkstelle wirkungsvoll eingehalten werden. Die Zielgruppe sind Lasersystemtechnikentwickler, -hersteller und -integratoren, Anwender in der Lasermaterialbearbeitung sowie wissenschaftlich und technisch Interessierte.