GroRoLas3D - 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.

Hierzu 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. Der Aufwand, der betrieben werden muss, um eine solche Präzision – auch nur zur lokalen Bearbeitung – zu gewährleisten, steigt mit zunehmender Werkstückgröße überproportional an. Gerade sehr große Formen für Endprodukte wie Pkw-Stoßstangen, Instrumententafeln oder Mittelkonsolen erfordern eine sehr aufwän-dige und kostenintensive Anlagentechnik. Die Investitionskosten für ein System mit einem Arbeitsvolumen von 2 x 2 x 2 m³ übersteigen schnell 1,5 Mio €. Dabei entfällt nur ein Bruchteil (ca. 50-75T €) auf das eigentliche Lasersystem. Die Relevanz des Verfahrens zeigt sich am Beispiel der Lasergravur von kleineren Objekten, z.B. von Prägestempeln für die Münzindustrie. Hier ist keine Neupositionierung des Objekts bei der Bearbeitung erforderlich, daher bestehen keine besonderen Anforderungen an die Anlagentechnik. In diesem Bereich ist das Gravieren durch Laserstrahlung bereits seit Jahren etabliert. Das Lasergravieren großer Werkzeugformen (z.B. für Instrumententafeln) wird dagegen derzeit nur von wenigen Unternehmen angeboten. Als Grund hierfür können die hohen Investitions- und Betriebskosten (Klimatisierung, Platzbedarf) solcher Anlagen angesehen werden.

Zielsetzung und Vorgehensweise

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung einer Technologie, welche das Laserstrahlstrukturieren von großformatigen, freigeformten Bauteilen mit metallisch-reflektierenden Oberflächen mittels eines kostengünstigen Anlagensystems ermöglicht. In Vorarbeiten konnte die Machbarkeit eines entsprechenden Ansatzes mit Kompensation von Positionsungenauigkeiten eines kostengünstigen Industrieroboters bereits demonstriert werden. Dabei konnten gute Ergebnisse für matte oder lackierte Bau-teil-Oberflächen erzielt werden, während für reflektierende, wie zum Beispiel metallische Oberflächen, noch zu lösende Herausforderungen erkennbar wurden. Innerhalb des Projektes soll die Technologie weiter erforscht und für einen automatisierten Einsatz in der industriellen Produktion entwickelt werden. Größte Herausforderung und bisheriges Hindernis bei der Umsetzung dieses Ansatzes ist die Übertragung der Kompensationsmethode auf Bauteile mit reflektierender und gekrümmter Oberfläche. Hierfür wird auf ein entwickeltes, scannerbasiertes Bearbeitungssystem zurückgegriffen, welches mit intelligenten softwarebasierten Reflexionssanalysen in der Bahnplanung im Zusammenspiel mit Polarisationsfilterung im Strahlengang die Kompensationsmethode weiterentwickelt wird.

Der Aufwand für die Industrie großflächig zu strukturieren steigt mit zunehmender Bauteilgröße überproportional an. Die Investitionskosten in eine adäquate Anlagentechnik übersteigt schnell 1,5 Mio €. Das Verwenden eines Industrierobotersystems zum groß-flächigen Oberflächenstrukturieren bietet hier eine sehr kosteneffiziente Lösung. Allerdings muss die für das Laserstrukturieren notwendige Positionsgenauigkeit des Roboters stark verbessert werden, um mit hochpräzisen Achslösungen der Laseranlagen konkurrieren zu können. Hierbei werden die Ungenauigkeiten des Roboters durch eine softwaregestützte, kamerabasierte optische Referenzierung anhand des Bau-teils verbessert, was eine komplexe Prozesskette nach sich führt.

Eine komplexe Prozesskette birgt das Risiko für die vielfältigen Anforderungen im industriellen Einsatz ungenügende Robustheit aufzuweisen. In Vorarbeiten wurde das Anlagensystem konzipiert und aufgebaut, sowie die Prozesskette realisiert. Die Machbarkeit konnte innerhalb des vorläufigen Projektes demonstriert werden.

Abbildung 1: Ledernarbe an äußeren Markierungen ausgerichtet. Die Kompensationsmetode zeigt gute Ergebnisse für raue Oberflächen

In Abbildung 1 ist eine anhand der Referenzmarkierungen ausgerichtete Ledernarbung gezeigt. Innerhalb der Struktur ist keine Positionsverschiebung, trotz der Positionsungenauigkeit des Robotersystems, erkennbar. Die Kompensationsmethode arbeitet allerdings bisher nur auf matten Oberflächen zuverlässig. Im Projekt GroRoLas3D wird das vorhandene System mittels Polarisationsfilterung und CAD/CAM-gestütztes Reflexionsmodell für reflektierende, metallische Oberflächen stabilisiert.

Förderhinweis

Das IGF-Vorhaben GroRoLas3D (21046N) der Forschungsvereinigung Programmiersprachen für Fertigungseinrichtungen (FVP) e.V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Förderzeitraum begann im März 2020 und endete im August 2022.