Sensoren

3D-Druck unter Kontrolle

Laser-Sensoren von Micro-Epsilon passen auf, dass die Prozesse beim aufkommenden 3D-Druck präzise und zuverlässig ablaufen.

13. November 2018
3D-Druck unter Kontrolle
Die zuverlässige Echtzeit-Regelung bei 3D-Druckverfahren führen hochpräzise Laser-Sensoren der Reihe optoNCDT 1420 von Micro-Epsilon durch. (Bild: © Micro-Epsilon)

Erich Winkler, Produktmanagement Lasertriangulationssensoren, Micro-Epsilon

Experten schätzen, dass der 3D-Druck in Zukunft die wichtigste Rolle bei der maßgeschneiderten Produktion von Bauteilen spielen wird. 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 komplexe Bauteile herstellen, ohne Formerstellung oder -wechsel oder zusätzliche Bearbeitungsschritte. Zudem lässt sich neben Kunststoff eine breite Palette an Metallen und Legierungen für den 3D-Druck verwenden.

Darum erlebt die Additive Fertigung derzeit einen wahren Boom. Dabei fächert sich das Einsatzspektrum immer weiter auf: Waren die 3D-Drucker ursprünglich nur für die Produktion von Prototypen oder einzelner Teile gedacht, sind sie inzwischen längst auch für Serienfertigungen im Einsatz.

Ein konkretes Beispiel einer additiven Fertigungstechnologie ist die Mikro-Laser-Sinter-Technologie, bei der auf Basis von CAD-Konstruktionsdaten aus Metallpulvern durch Laserstrahlung schichtweise ein Bauteil aufgebaut wird. Das Verfahren ist auch unter dem Begriff industrieller 3D-Druck bekannt. Dieser 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 durch den Einsatz eines Lasers im Bauteilquerschnitt verschmolzen und die Bauplattform, auf der das Bauteil erstellt wird, senkt sich ab. Diese Arbeitsschritte werden bis zur Fertigstellung wiederholt.

In Echtzeit regeln

Um qualitativ hochwertige Produkte zu erschaffen, sind die exakte Führung des Druckkopfes und dessen Positionierung erforderlich. Die zuverlässige Echtzeit-Regelung führen dabei zum Beispiel hochpräzise Laser-Sensoren der Reihe optoNCDT 1420 von Micro-Epsilon durch. Der Laser-Sensor ist direkt neben dem Druckkopf angebracht und verfährt mit diesem über die Bauteilplattform. Durch die hohen Temperaturen ist eine Kühlung des Sensors notwendig, um über den gesamten Prozess stabile Messwerte zu erhalten.

Feinste Details messen

Micro-Epsilon will mit den Laser-Sensoren optoNCDT 1420 neue Maßstäbe in der Lasertriangulation setzen, das gilt sowohl für die Funktionalität als auch das Design. Der sehr kompakte Weg- und Abstandssensor hat einen internen Controller. Durch die hohe Messrate von vier Kilohertz eignet sich das Modell für Messaufgaben in 3D-Druckern. Denn dort ist Bauraum begrenzt und der Druckkopf verfährt mit hoher Geschwindigkeit, sodass dort Messungen mit einer hohen Messrate gefordert werden. Die Sensoroptik erzeugt einen extrem kleinen Lichtfleck, der die Messung feinster Details ermöglicht.

Ein wesentliches Merkmal des Laser-Sensors von Micro-Epsilon ist die Material- und Oberflächenunabhängigkeit. Dies ermöglicht Abstandsmessungen auf unterschiedlichen Materialien von Kunststoff bis Metall und verschiedenen Objektfarben von Weiß bis Schwarz mit höchster Präzision. Auch einen Wechsel von matten zu glänzenden Oberflächen und damit von schwacher zu starker Reflexion meistert der Sensor laut Hersteller mühelos. Die Auto-Target-Compensation (ATC) sorgt für eine schnelle Ausregelung von unterschiedlichen Reflexionen und erlaubt einen glatten Verlauf des Abstandssignals. Das innovative Webinterface macht eine einfache Bedienung mittels vordefinierter Setups für die verschiedenen Oberflächen möglich.

Das Messprinzip der Lasertriangulation 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.

Laser-Wegsensoren messen aus großem Abstand zum Messobjekt mit einem winzigen Lichtfleck auch allerkleinste Teile. Der große Messabstand wiederum ermöglicht Messungen gegen kritische Oberflächen, wie zum Beispiel heiße Metalle. Das berührungslose Prinzip erlaubt außerdem verschleißfreie Messungen, da die Sensoren keinem physischen Kontakt zum Messobjekt unterliegen. Zudem ist das Prinzip der Lasertriangulation ideal für sehr schnelle Messungen mit hoher Genauigkeit und Auflösung. mk

Erschienen in Ausgabe: 08/2018