Systementwicklungen

Für den industriellen Einsatz der Remote-Technologie zum Schweißen, Schneiden, Abtragen und Perforieren entwickelt das Fraunhofer IWS Dresden Software und Steuerungslösungen, welche die Prozess- und Kundenanforderungen berücksichtigen.

Je nach Anwendungsfall werden die auf dem Markt vorhanden steuerungstechnischen Lösungen geprüft und bei Bedarf eigene Lösungen entwickelt. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf der hoch dynamischen Ansteuerung von Galvanometerscannern und deren Integration in neue oder bestehende Maschinen.

Motion Control Framework

Das Motion-Control Framework bildet die Basis für eine effiziente, jedoch anpassbare Softwareentwicklung zur Realisierung komplexer Remotebearbeitungsaufgaben. Ziel der Softwareentwicklung auf Basis des Motion-Control Frameworks ist es die technologischen und prozesstechnischen Zusammenhänge effizient zu kapseln, so dass für den Endanwender eine einfach zu bedienende Software entsteht. Das Fraunhofer IWS fungiert hier nicht nur als reiner Softwareentwickler, sondern bringt die langjährigen Prozesskompetenzen im Bereich der Lasermaterialbearbeitung mit ein, um eine anwenderfreundliche steuerungstechnische Lösung zu entwickeln.
 

ESL2-100 Modul

Das ESL2-100 Modul wurde als Gateway zwischen den Feldbus EhterCAT und der SL2-100 Protokoll vom Fraunhofer IWS entwickelt. Im Rahmen der Steuerungsentwicklung wird das ESL2-100 Modul eingesetzt, wenn

• eine Vernetzung der Galvanometerscanner zu einer übergeordneten Maschinensteuerung (SPS) notwendig ist oder
• eine echtzeitfähige Beeinflussung der Scan-Bewegung realisiert werden muss.

Da alle an der Bearbeitungsaufgabe beteiligen Sensoren und Aktoren in einer Steuerung zusammengefasst werden können, ist eine durchgängige, echtzeitfähige und synchrone Kommunikation möglich. Aufgrund der Flexibilität des Feldbussystems können die beteiligten Galvanometerscanner nahezu beliebig verteilt sowie skaliert werden.
 

Anwendungen

• Laserbehandlung von kornorientiertem Elektroblech (LMDR)
• Fügen von thermoplastischen Faserkunststoffverbunden

Das vom Fraunhofer IWS gemeinsam mit Partnern entwickelte Bearbeitungssystem erlaubt die Realisierung von kontinuierlichen Prozessen mit konstanten Behandlungsbedingungen bei gleichzeitig höchster Parameterflexibilität. Das optische Design des Bearbeitungssystems berücksichtig die verfahrens- und produktionstechnischen Anforderungen. Es besteht aus bis zu 12 Einzelscannern und ermöglicht die Kombination von bis zu vier Strahlquellen bei lateralen Spotgeschwindigkeiten von bis zu 300 m/s. Die Ansteuerung der Scanner und der Strahlquellen erfolgt synchron zur Bandgeschwindigkeit. Hierfür wurde vom Fraunhofer IWS eine Steuerungslösung entwickelt, welche die Prozessparameter automatisch an die Vorschubgeschwindigkeit des Elektrobandes anpasst, um unabhängig von der Bandgeschwindigkeit gleichbleibende Bearbeitungsergebnisse zu erzielen.

Basierend auf langjährigen Erfahrungen in der Remotebearbeitung hat das Fraunhofer IWS gemeinsam mit der Firma Held Systems ein für die Industrie umsetzbares Konzept entwickelt. Beim contiLAS-Prinzip handelt es sich um eine doppelt überlagerte »on the fly« Bearbeitung.

Die Remote-Technologie ermöglicht die Umsetzung des Laserschneidprozesses auf beliebige Schneidkonturen und Materialbreiten. Es können ein oder mehrere Scanner die Gewebebahnen bearbeiten. Somit werden Materialtransportgeschwindigkeiten von bis zu 25 Metern pro Minute erreicht.

Neben Flachgewebe können auch One-piece-woven-Airbags (OPW) bearbeitet werden. Bei OPW besteht die Besonderheit darin, dass sie – in einem Stück gewebt – einerseits über Flachmaterial und andererseits über eingelassene Hohlräume verfügen. In Verbindung mit der passenden Beschichtung sorgt das Verfahren dafür, dass die Airbags Luft besser einschließen.

Das Schneiden mithilfe der Lasertechnik bietet den Vorteil, dass die entstehenden Kanten direkt verschmelzen und gleichzeitig dem Aufdrieseln vorgebeugt wird.

Die Herausforderung bei OPW Material besteht darin zu erkennen, an welcher Stelle der Laser schneiden muss. Die Position der Airbags wird hierbei über ein Kamerasystem erfasst und an die vom Fraunhofer IWS entwickelte Steuerungssoftware übermittelt. Anschließend erfolgt ein Abgleich der Soll- und Ist-Daten sowie eine Anpassung der Schnittkontur auf Basis der erfassten Positionen.

Moderne Strahlquellen haben die Grenzen der materialstärken- und leistungsabhängigen Schneidgeschwindigkeit deutlich verschoben. Neuartige Festkörperlaser, wie Faser- oder Scheibenlaser, ermöglichen insbesondere bei Metallen deutlich höhere Schneidgeschwindigkeiten im Vergleich zu CO₂-Lasern bei gleicher Ausgangsleistung. Dieses Potential kann jedoch von konventionellen Schneidmaschinen nicht in den Konturschnitt übertragen werden. Speziell für Werkstückgeometrien mit vielen Richtungsänderungen sind hohe Beschleunigungs- und Ruckwerte^*) der Achsen erforderlich.

Diese können in hochdynamischen Achssysteme mit angepasstem, reduziertem Arbeitsfeld realisiert werden. Mit Hilfe einer parallelkinematischen Achsstruktur lassen sich die zu bewegenden Massen für Strahl- und Schneidgasbewegung in erheblichem Maße reduzieren und damit die Dynamikeigenschaften deutlich steigern. Die mittlere Bearbeitungsgeschwindigkeit kann auf viele Werkstückgeometrien erhöht bzw. die Schneidzeit reduziert werden. 

^*) Der Ruck (m/s³) beschreibt die zeitliche Änderung der Beschleunigung (m/s²). Er ist neben der Beschleunigung die entscheidende Größe zur Steigerung der mittleren Bearbeitungsgeschwindigkeit im Konturschnitt.

Programmierung / Steuerung

Je nach Kundenanforderung können hochdynamische Achssysteme im »stand alone«-Betrieb oder in eine bestehende Maschinensteuerung integriert werden. Durch eine offene Steuerungsplattform werden Schnittstellen zu verschiedenen Feldbussystemen geschaffen.
 

Vorteile

• Umsetzen des Schneidvermögens brillanter Strahlquellen im Konturschnitt
• schmale Wärmeeinflusszonen auch an spitzen Ecken und kleinen Radien
• besonders geeignet zum Schneiden thermisch empfindlicher Materialien
• bis zu 60 % Teilezeitersparnis bei komplexen Bauteilgeometrien
• Arbeitsfelderweiterung durch Nachsetzbetrieb oder überlagerte Bewegungen mit weiteren Achssystemen