3D-Druck wird von einem Laser-Sensor überwacht

| Autor / Redakteur: Erich Winkler * / Hendrik Härter

Der Laser-Sensor kombiniert hohe Genauigkeit mit kleinem Laserpunkt, wodurch die exakte Positionsbestimmung des Druckkopfes möglich wird und ein homogener Materialauftrag erfolgen kann.
Der Laser-Sensor kombiniert hohe Genauigkeit mit kleinem Laserpunkt, wodurch die exakte Positionsbestimmung des Druckkopfes möglich wird und ein homogener Materialauftrag erfolgen kann. (Bild: Micro-Epsilon)

Von Prototypen bis zur Serienfertigung sind mit dem 3D-Druck möglich. Damit der Druckkopf exakt geführt und positioniert wird, wird dieser in Echtzeit überwacht. Das übernimmt ein Laser-Sensor.

Mit dem 3D-Druck lassen sich maßgeschneidert Bauteile produzieren: Ob Kunststoffteile für die Automobilindustrie oder präzise gefertigte Flugzeugteile, das Verfahren, bei dem Material Schicht für Schicht aufgetragen wird und dadurch dreidimensionale Gegenstände entstehen, wird zunehmend bezahlbarer und gleichzeitig beliebter. In kürzester Zeit lassen sich selbst komplexe Bauteile herstellen, ohne vorherige Formerstellung, Formwechsel oder zusätzliche Bearbeitungsschritte. Darüber hinaus kann neben Kunststoff eine breite Palette an Metallen und Legierungen für den 3D-Druck verwendet werden.

Die Mikro-Laser-Sinter-Technik zählt zu den additiven Fertigungsverfahren. Auf Basis von CAD-Konstruktionsdaten wird aus Metallpulvern durch Laserstrahlung schichtweise ein Bauteil aufgebaut. Bekannt ist das Verfahren auch als industrieller 3D-Druck. Der Prozess besteht aus dem Auftragen der Pulverschicht durch einen Druckkopf. Die Pulverschicht wird durch eine Rakel auf die richtige Dicke abgezogen. Im Anschluss wird das Pulver mit einem Laser im Bauteilquerschnitt verschmolzen und die Bauplattform, auf der das Bauteil erstellt wird, senkt sich ab. Diese Arbeitsschritte werden bis zur Fertigstellung wiederholt.

Laser-Triangulation beim 3D-Druck

Ein Laser-Sensor des Typs optoNCDT 1420 ist direkt neben dem Druckkopf angebracht und verfährt mit diesem über die Bauteilplattform. Allerdings ist eine Kühlung des Sensors notwendig, um über den gesamten Prozess stabile Messwerte zu erhalten. Der Laser-Sensor misst von oben den Abstand zum Bauteil. Die hohe Genauigkeit, im Zusammenspiel mit dem kleinen Laserpunkt, ermöglicht die exakte Positionsbestimmung des Druckkopfes. Dadurch erfolgt ein homogener Materialauftrag. Die Überprüfung erfolgt in Echtzeit, wodurch bei einer Abweichung der Norm sofort in den Druckprozess eingegriffen werden kann. Durch den Laser-Sensor lässt sich zudem kontrollieren, ob der Druckkopf mitläuft oder ob die Bauteilplattform in horizontaler und vertikaler Richtung korrekt ausgerichtet ist. Auch die Bauteilgrenzen lassen sich korrekt erkennen, wodurch ein Verformen des Objekts verhindert werden soll.

Der Sensor-Hersteller Micro-Epsilon beschreitet mit dem Laser-Sensoren des Typs optoNCDT 1420 neue Wege in der Laser-Triangulation: sowohl in der Funktionalität als auch im Design. Der Weg- und Abstandssensors ist kompakt aufgebaut und verfügt über einen internen Controller. Seine Messrate von 4 kHz prädestiniert ihn für Messaufgaben in 3D-Druckern. Dort ist Bauraum begrenzt und der Druckkopf verfährt mit hoher Geschwindigkeit, so dass dort Messungen mit einer hohen Messrate gefordert werden.

Sensor erkennt feine Details

Die Sensoroptik erzeugt einen sehr kleinen Lichtfleck, der die Messung feinster Details ermöglicht. Ein weiterer Vorteil des Laser-Sensors ist die Material- und Oberflächenunabhängigkeit. Sie ermöglicht Abstandsmessungen auf unterschiedlichen Materialien von Kunststoff bis Metall und verschiedenen Objektfarben von Weiß bis Schwarz mit hoher Präzision. Selbst der Wechsel von matten zu glänzenden Oberflächen und damit von schwacher zu starker Reflexion sind möglich. Die Auto-Target-Compensation (ATC) sorgt dafür, dass unterschiedliche Reflexionen ausgeregelt werden und erlaubt einen glatten Verlauf des Abstandssignals. Über das Webinterface kann der Anwender dank vordefinierter Setups verschiedene Oberflächen auswählen.

Laseroptische Wegsensoren messen aus großem Abstand zum Messobjekt mit einem sehr kleinen Lichtfleck, der Messungen von kleinsten Teilen ermöglicht. Der große Messabstand wiederum ermöglicht Messungen gegen kritische Oberflächen, wie heiße Metalle. Dank des berührungslosen Mess-Prinzips ist es möglich, verschleißfrei zu Messen, da die Sensoren keinem physischen Kontakt zum Messobjekt unterliegen. Darüber hinaus ist das Prinzip der Laser-Triangulation ideal für sehr schnelle Messungen mit hoher Genauigkeit und Auflösung.

Laser-Triangulation im Detail

Das Messprinzip der Laser-Triangulation basiert auf einer einfachen geometrischen Beziehung: Eine Laserdiode emittiert einen Laserstrahl, der auf das Messobjekt gerichtet ist. Die reflektierte Strahlung wird über eine Optik auf einer CMOS-Zeile abgebildet. Der Abstand zum Messobjekt kann über eine Dreiecksbeziehung zwischen Laserdiode, Messpunkt auf dem Objekt und Abbild auf der CMOS-Zeile bestimmt werden. Die Messauflösung reicht bis in den Bruchteil eines Mikrometers.

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* Erich Winkler ist verantwortlich für das Produktmanagement Lasertriangulations-Sensoren bei Micro-Epsilon Messtechnik in Ortenburg.

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