Das Laserschneiden von Metallen ist ein leistungsstarkes und flexibles Verfahren. Je nach Materialdicke und -beschaffenheit ist das Einstellen der Schneidmaschinen aber ein langwieriger Prozess. Forschende der Empa, der Fachhochschule Südschweiz (SUPSI) und des Maschinenherstellers Bystronic haben in einem Innosuisse-Projekt ein Verfahren entwickelt, bei dem der Laser die Schnittqualität mittels Kameras und Mikrofonen beurteilen und, falls nötig, gleich anpassen kann.
Beim Laserstrahlschneiden mit Wellenlängen im Nahinfrarotbereich und hohen Leistungen lassen sich zentimeterdicke Stahlplatten in Sekundenbruchteilen trennen. Laserschneiden ermöglicht eine schnelle Verarbeitung und besonders genaue Schnitte, auch bei Werkstücken mit komplexen Formen oder geringer Stückzahl. Deshalb steigt die Nachfrage, etwa in der Autoindustrie.
Gerade bei dicken Werkstücken ist der Prozess jedoch etwas volatil. Um die gewünschte Schnittqualität zu erreichen, muss der Laser für jede Legierung und jede Materialstärke neu eingestellt werden. Es dauert, bis ein Hersteller seine Laserschnittmaschine mit gezielten Versuchsreihen perfekt konfiguriert hat. Und bei jeder noch so kleinen Änderung des zu schneidenden Materials muss der aufwändige Vorgang wiederholt werden.
In einem Innosuisse-Projekt wollen die Empa, die Fachhochschule Südschweiz (SUPSI) und der Schweizer Maschinenhersteller Bystronic Abhilfe schaffen. Das Ziel ist es, dem Laser Augen und Ohren zu geben, damit die Maschine die Schnittqualität fortlaufend beurteilen und selbstständig anpassen kann. Die SUPSI arbeitet an der Beurteilung des Schnitts mit Kameras. Wir entwickeln akustische Methoden, erklärt Empa-Forscher Roland Richter, der im Labor Multifunctional Materials and Interfaces im Team von Elia Iseli tätig ist.
Konstantinos Skovolas, Andreas Lüdi (beide Bystronic) und Naval Mehta (Empa) (v. l.) (Bild: Roland Richter, Empa)
Obwohl das Schneiden nur mit Licht erfolgt, ist der Prozess laut. Wo der Laser auf den Stahl trifft, entsteht geschmolzenes und verdampftes Metall und Plasma. Ein Prozessgas strömt fortlaufend über den Schnitt, um das abgetragene Material zu entfernen. Die Empa-Forschenden nutzen Daten aus zahlreichen Versuchen und Modelle des maschinellen Lernens, um aus der wilden Geräuschkulisse Hinweise auf die Schnittqualität zu gewinnen. Wie Richter erläutert, lässt sich die Schnittqualität akustisch fast gleich gut beurteilen lässt, wie mit Kameras. Zugleich ist das benötigte Equipment deutlich günstiger.
Die Schnittqualität setzt sich aus zwei Faktoren zusammen: der Rauheit der Schnittkante – je glatter, desto besser – und der sogenannten Gratbildung. Grate entstehen, wenn sich das aus dem Schnitt ausgeblasene Material an der Rückseite des Werkstücks absetzt, was besonders bei dicken Werkstücken aufgrund der benötigten hohen Laserleistungen der Fall ist. Je weniger Grate, desto weniger Nachbearbeitung und Materialverschleiß.
Um ihre Modelle zu trainieren, wurden Versuchsreihen mit vier unterschiedlichen Materialstärken durchgeführt: 6 mm, 10 mm, 15 mm und 25 mm. Bei jedem Versuch wurde die Schnittqualität manuell beurteilt und die Geräuschkulisse mit neun Mikrofonen aufgenommen, die an unterschiedlichen Orten in der Maschine platziert wurden. Die daraus entwickelten Modelle verfeinerten sie dann mit kleineren Versuchsreihen mit unterschiedlichen Legierungen. Das SUPSI-Team verfolgte parallel dazu ein ähnliches Vorgehen mit optischen Kameras.
Der Laser kann die Schnittqualität mittels Kameras und Mikrofonen selbst beurteilen (Bild: Roland Richter, Empa)
Bestehende Maschinen können ganz einfach mit dem neuen System nachgerüstet werden (Bild: Roland Richter, Empa)
Das zweijährige Projekt soll im Herbst 2026 zum Abschluss kommen. In der letzten Phase arbeiten die Empa-Forschenden nun daran, die akustischen und die optischen Modelle mit einem zentralen Gehirn zu verknüpfen, mit dem die Maschine den Schnitt beurteilen und ihre Einstellungen sofort selbst optimieren kann. Mit diesem Modell entfallen die aufwendigen Versuchsreihen, so Richter. Stattdessen stellt sich der Laser selbst auf die optimalen Parameter für das jeweilige Material ein. Bestehende Maschinen könnten einfach mit dem System nachgerüstet werden.
Die Partner sind mit den Ergebnissen zufrieden. Denn von einer solchen Zusammenarbeit profitiert nicht nur der Industriepartner, sondern auch die Forschung. Dieses Projekt hat uns ermöglicht, unsere Modelle zur Simulation und Kontrolle von Laserschnittprozessen mit sehr leistungsstarken Industrielasern zu testen und weiterzuentwickeln, zu denen wir sonst keinen Zugang hätten, resümiert Richter.Anna Ettlin
- www.empa.ch
