Programmeerbare straal spaart energie

In het Metamorphaproject wordt dynamische bundelvorming voor industriële toepassingen geoptimaliseerd en daarmee naar een nieuw niveau getild.

Er ontstaan nieuwe vrijheden in materiaalverwerking met lasers: met een vloeibaar-kristalmodulator kan het straalprofiel van een laser vrij worden geprogrammeerd met een hoge tijdelijke resolutie. De bundel kan ook worden opgesplitst in identieke exemplaren. Samen met inline procesbewaking en intelligente besturing is nul-fouten productie mogelijk.

Details worden onderzocht in het EU-project Metamorpha. De module wordt samen met industriële partners in drie toepassingen getest. De minimale doelstelling is 30 procent energiebesparing in vergelijking met conventionele processen.

PK’s op de weg zetten

Ultrakorte puls (USP) lasers kunnen met pulsen in het pico- of femtoseconde bereik zelfs de hardste materialen met micrometerprecisie verwijderen. Nu USP-lasers beschikbaar zijn met een uitgangsvermogen van enkele honderden watt, richten onderzoek en ontwikkeling zich op de vraag ‘hoe de pk’s op de weg kunnen worden gezet’. Het Fraunhofer Instituut voor Lasertechnologie ILT in Aken houdt zich al jaren bezig met deze vraag. Naast verschillende USP-lasers beschikt het instituut ook over de nieuwste krachtige vloeibaar-kristalmodulatoren voor bundelvorming bij lasermateriaalverwerking. Deze kunnen tot 150 watt laservermogen verdragen. In Metamorpha (Made-to-measure micromachining with laser beams tailored in amplitude and phase) zijn er twee met elkaar verbonden in een optische module. Deze kan een straalprofiel individueel of als multi-straal vormgeven en is compatibel met verschillende machines.

Productie zonder defecten

Een groot voordeel van vloeibaar-kristalmodulatoren is hun vermogen om de straalvorm meer dan 60 keer per seconde te veranderen, wat het mogelijk maakt het bewerkingsproces te optimaliseren of zelfs te veranderen in een gesloten regellus. Hiervoor wordt het proces continu bewaakt en geregeld met een intelligent besturingssysteem. De procesparameters en strategie worden geoptimaliseerd met behulp van machine learning, dat tot doel heeft onderdelen te produceren die volledig vrij zijn van defecten. Na een overeenkomstige leerfase kunnen ook processen worden gesimuleerd en optimale procesparameters worden voorgedefinieerd.

Het hoofddoel van het project is het besparen van energie en grondstoffen bij de productie. Dit is met name van belang voor de drie industriële partners Ceratizit, Thyssenkrupp en Philips. Ze hebben allemaal processen waarvoor de geplande productieaanpak met lasers een enorme vooruitgang zou betekenen op weg naar duurzame, economische productie. Bij thyssenkrupp is de laser bedoeld om perswalsen te structureren. Dat gebeurt momenteel middels vonkerosie. Dit proces verbruikt per jaar meer dan 10 GWh, waarvan de laser naar verwachting 90 procent zal besparen. Dankzij het nauwkeurig herstructureren van uitgesleten oppervlakken met de laser zou de levensduur van de rollen vertienvoudigd moeten worden. Ceratizit wil het proces gebruiken om hardmetalen ponsen en persmatrijzen te maken en om versleten gereedschappen te reviseren. Een fotonische procesketen moet dit sneller en zuiniger laten gebeuren. En Philips wil de productie van producten voor de consumentensector vereenvoudigen door gebruik te maken van een universele laserbewerkingskop.