Akustische Emissionen zeigen, ob ein Laserprozess stetig läuft oder vom Kurs abweicht. Das Fraunhofer IWS entwickelt akustische Überwachungssysteme, die die Laserbearbeitung direkt und sofort bewerten. Das Ziel: eine robuste, wirtschaftliche Prozesssteuerung, um Schallemissionen in Echtzeit zu interpretieren und Abweichungen sofort zu erkennen. Das Dresdner Institut präsentiert auf der Laser World of Photonics ein marktreifes Modul und erweitert gleichzeitig den Ansatz für Laserschweiß- und -schneidanwendungen.
Die Qualitätssicherung in der Laser-Mikrobearbeitung ist oft mit Verzögerungen, technischem Aufwand und komplexer Nachbearbeitung verbunden. Typische Strukturen weisen Mikro- und Submikrometerabmessungen auf, die eine zeitaufwendige mikroskopische Inspektion erfordern. Das Fraunhofer IWS bietet nun eine industrienahe Alternative: Ein neues akustisches Überwachungsmodul analysiert die bei der Verarbeitung entstehenden Schallemissionen, bewertet die Qualität in Echtzeit und visualisiert Anomalien – ohne das Teil aus der Maschine zu entfernen.
Akustik als Datenquelle: Echtzeit-Auswertung während des Prozesses
Das System verwendet robuste Halbleitermikrofone zur Erfassung von Schallemissionen, eine lokale Auswerteeinheit und ein neuronales Netzwerk, das auf Daten in echter Qualität trainiert ist. Es zerlegt die Signale in Frequenzkomponenten und extrahiert Schlüsselparameter wie Amplitude, Dauer und Pulsform. Diese fließen in eine KI-basierte Analyse ein, die den Prozesszustand zuverlässig als stabil, abweichend oder fehlerhaft klassifiziert. Die Rückmeldung erfolgt sofort und unabhängig von zusätzlichen Sensoren.
Ein herausragendes Merkmal ist "akustische Bildgebung". Das System erzeugt eine zweidimensionale Karte der strukturierten Oberfläche basierend auf der räumlichen Schallemissionsverteilung. Dieses akustische Bild spiegelt die konventionelle Oberflächeninspektion wider – ohne externe Messtechnik, rein aus Prozessdaten. Unregelmäßigkeiten wie Kontamination, Fehlausrichtung oder ungleichmäßige Ablation erscheinen deutlich und ermöglichen eine Dokumentation. "Wir wollten eine Lösung, die die Prozessqualität direkt an der Maschine bewertet - ohne Probenextraktion oder Labormessung", sagt Tobias Steege, Gruppenleiter Systemtechnik und Sensorik am Fraunhofer IWS. "Unsere akustische Analyse ersetzt nicht die mikroskopische Inspektion, sondern ermöglicht eine robuste, wirtschaftliche Inline-Steuerung für jedes einzelne Teil."
Kompakte Integration, Kosteneffizienter Betrieb
Das Überwachungsmodul kommt als Plug-and-Play-Lösung für den industriellen Einsatz. Es verfügt über standardisierte Ethernet-Schnittstellen (TCP/IP, REST), benötigt keine externe Cloud und ist mit Standard-Maschinensteuerungen verbunden. Ein modularer Aufbau und Einsatz von Halbleiterbauelementen reduziert die Systemkosten im Vergleich zur herkömmlichen akustischen Überwachung deutlich. Dadurch wird eine präzise, inlinefähige Prozesssteuerung auch für kleine Produktionsmengen möglich. "Das System läuft aus der Box - keine spezielle Hardware, keine externe Datenverbindung, nur eine Netzwerkverbindung zur Maschine", erklärt Steege. "Akustische Analysen können zwar die mikroskopische Oberflächeninspektion nicht ersetzen, gewährleisten aber eine robuste und wirtschaftliche Qualitätskontrolle für jedes einzelne Bauteil."
Verwurzelt in der Forschung, bereit für die Industrie
Mehrere öffentlich geförderte Projekte legten den Grundstein für diese Entwicklung, darunter das EU-finanzierte Projekt SYNTECS und die deutsche BMBF-geförderte Initiative Medius, die datengetriebene Methoden zur Laserprozessüberwachung erforscht. Das Fraunhofer IWS realisierte durch interne Förderung des Fraunhofer Performance Center Smart Production and Materials einen voll funktionsfähigen Demonstrator mit klarem Fokus auf industrielle Anwendungen.
Das Institut bietet Industriepartnern die Möglichkeit, das System in Pilotanwendungen zu testen oder als OEM-Komponente zu integrieren. "Wir sehen branchenübergreifend großes Potenzial für die akustische Überwachung - von der hochpräzisen Strukturierung bis hin zu robusten Schweißprozessen", betont Steege. "Unsere Stärke liegt in der Kombination von prozessorientierter Sensorik und intelligentem Softwaredesign, das auf den industriellen Alltag ausgerichtet ist."
Nächster Schritt: Überwachung für Schweißen und Schneiden
Neben der laserbasierten Oberflächenstrukturierung überträgt ein weiteres Team am Fraunhofer IWS unter der Leitung von Dr. Axel Jahn das Prinzip der akustischen Analyse auf Makrobearbeitungsanwendungen wie Laserschweißen und -schneiden. Diese Prozesse erzeugen komplexe akustische und optische Emissionen, die die Qualität von Schweißnähten und Schnittkanten direkt widerspiegeln.
Die Forscher erfassen Daten mit hochdynamischen Mikrofonen und Hochgeschwindigkeitskameras, um diese Prozesse zu überwachen. Sie trennen zunächst richtige Signale vom Hintergrundrauschen und verknüpfen diese mit charakteristischen Prozesszuständen und Qualitätsindikatoren. In Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Center Mid-Atlantic (CMA) in den USA entwickelt das Fraunhofer IWS eine dedizierte Sensorplattform und maßgeschneiderte Datenanalysealgorithmen. Das System verwendet hochdynamische Mikrofone und optische Sensoren, die sich nahtlos in industrielle Schweißzellen integrieren lassen. Machine-Learning-Algorithmen analysieren die Sensordaten und erkennen zuverlässig Schlüsselmuster wie Strahlfehlausrichtung, Spritzerbildung oder Nahtinstabilität.
"Schweiß- und Schneidprozesse erzeugen auch akustische Signaturen, die Qualität aufdecken und Fehler hervorheben", erklärt Jahn. "Wir entwickeln Systeme, die diese Signale zuverlässig erfassen - auch in lauten Umgebungen." In Zukunft wollen wir Laseranwendungen mit sensorbasierter Prozessüberwachung in einen breiteren industriellen Einsatz bringen.
< Zurück zu Automatisierung, KI, Robotik
> Hier ist einer der Orte, an denen der Emittent der Veröffentlichung gebranded wird.
> Tippen Sie auf die Schaltflächen oder Logos, um zu den Profilen oder Seiten des Emittenten weitergeleitet zu werden.
