Steuerungs- und Regelungsprozesse beim Rohrglasfügen mit Laserstrahlung. Technik und Möglichkeiten im Überblick

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1 Steuerungs- und Regelungsprozesse beim Rohrglasfügen mit Laserstrahlung Technik und Möglichkeiten im Überblick

2 Inhalt ifw Jena Kurzvorstellung Notwendigkeit Stand der Technik - Gasbrenner Wechselwirkung Glas - Laserstrahlung Lasertechnik Mess- und Regelungstechnik weiteres Optimierungspotential Zusammenfassung, Ausblick 2

3 Abteilungen LASERTECHNIK Lasermaterialbearbeitung einschließlich lasergestützter Fügeverfahren, Wasserstrahltechnik FÜGETECHNIK Diffusionsfügen, Löten, Wärmebehandeln, Kleben, additive Fertigung, Schweißen MIKROTECHNIK Aufbau- und Verbindungstechnik Sensorentwicklung SCHWEISSTECHNIK Werkstoffprüfung, Bauprüfung, Qualitätsmanagement Schweißtechnische Aus- und Weiterbildung 3

4 Standbeine des ifw Günter-Köhler-Institut für Fügetechnik und Werkstoffprüfung GmbH Forschung / Entwicklung & Applikation Öffentlich geförderte Forschung Auftragsforschung / Technologieentwicklung Optimierung bestehender Prozesse Technologietransfer Dienstleistung Technologieberatung Konstruktion / Vorrichtungsbau Fertigung von Null- und Kleinserien Werkstoffprüfung / Analytik Ausbildung Schweißerqualifizierung (DVS-IIW/EWF Richtlinien) Internationaler Schweißfachmann (SFM) Schweißfachingenieur (SFI) für Studierende der FH Jena Laserstrahlfachkraft Fachtagungen und Anwenderseminare für die Industrie Branchenübergreifend Kundenorientiert Flexibel 4

5 Steuern und Regeln Notwendigkeit Glasart Thermische Dehnung [10-6 K -1 ] Kalk-Natron 9 Borosilikat 3,3 Quarz 0,5 lg (η/dpa s) Kühlbereich Sintern, Senken 10 14,5 dpa s dpa s 10 7,6 dpa s Anpassung der Parameter auf: Glaseigenschaften Glastemperatur Geometrie Prozess Blasen Pressen, Ziehen Schmelzen, Gießen 10 4 dpa s Temperatur in C 5

6 Brennertechnik Vorteile Günstige Brenner- und Zubehörtechnik Günstiger Brennstoff Flexibles Werkzeug [Glamaco] [Uni Bochum] Nachteile Verschmutzung durch Brennerabbrand Flammdruck Chemische Beeinflussung der Fügezone Subjektive Prozessführung Effizienz nur ca. 10% 6

7 Wechselwirkung Laser - Glas CO 2 -Laser für die Glasbearbeitung die geeignetste Wellenlänge Erwärmungs- und Schmelzvorgänge werden nur durch die Wärmeleitfähigkeit des Glases ermöglicht Laserstrahlintensitäten Erwärmen I < 10 4 Wcm -2 Schmelzen I < 10 6 Wcm -2 Verdampfen I > 10 8 Wcm -2 vgl. Glühbirne I 10 0 Wcm -2 7

8 Lasertechnik Vorteile Keine Verschmutzung Kein Flammdruck Keine chemische Beeinflussung Flexibel und trotzdem gut automatisierbar Effizienz >85% Niedrige Betriebskosten Nachteile Hohe Anschaffungskosten Umfangreiche Anlagerperipherie Hohe Sicherheitsanforderungen 8

9 Strahlformung angepasst an die Glasrohrdimension (vergleichbar mit Flammenbild beim Brenner) Realisierung verschiedener Energieverteilungen Laserstrahlprofile Optisches System graphische Darstellung und praktischer Versuchsaufbau 9

10 Pyrometer [Sensortherm] klein, kompakt, schnell, relativ preiswert zum Steuern und Regeln geeignet Punkt-/Fleckmessung dem Laser nachführbar feste Temperaturbereiche und Wellenlängen Emissionsgrad-Abhängigkeit 10

11 Thermographie sehr gute Visualisierung Pyrometer, welches Fläche erfasst 11

12 Videospektrometer Koaxiale T-Messung unabhängig vom Emissionsgrad Live-Bild vom Prozess 900 Thermische Spektrum 800 relative Intensität Wellenlänge [nm] 12

13 Laserleistungsregelung - Prinzip 13

14 Laserleistungsregelung beim Glasrohrfügen Temperatur in C Aufwärmen Kontaktieren Verschmelzen Kühlen Leistung in W Temperaturverlauf an der Oberfläche des Glases Laserleistungsverlauf Energiebedarf Ziel: weitere Reduzierung Energiebedarf Reduzierung Zeit, Temperatur Zeit in s 14

15 Effizienzsteigerung beim Rohrglasfügen Zusätzlicher Energieeintrag in die Fügezone und deren Randbereich mittels Reflektorsystem Ziel: Vergrößerung des schmalen Erwärmungsbereich = Vergrößerung der Wärmeeinflusszone (WEZ) Laserstrahlung T in C Laserstrahlung T in C zusätzlicher Energieeintrag x in mm x in mm Rohr Außenseite Rohr Außenseite Rohr Innenseite Funktionsprinzip ohne Rückführung Rohr Innenseite Funktionsprinzip mit Rückführung Verringerung des Temperaturgradient bezogen auf die WEZ Verkleinerung der Temperaturdifferenz zwischen Außen- und Innenseite der Glasrohrwandung 15

16 Messbare Energieeinsparung Vergleich der Fügeprozesse hinsichtlich des Leistungs- u. Temperaturverlaufs (Ø105x3) Abschnitt Energiebedarf mit Reflektor Energiebedarf ohne Reflektor Einsparung EE 1 39 kkkk 43 kkkk 9 % EE 2 27 kkkk 40 kkkk 33 % EE 3 25 kkkk 38 kkkk 34 % EE GGGGGGGGGGGG 9999 kkkk kkkk 2222 % 16

17 Messbare und sichtbare Qualitätsverbesserung Schweißnaht u. Spannungsverlauf ohne Rückführung der Energie Schweißnaht u. Spannungsverlauf mit Rückführung der Energie Spannungen alt neu Reduzierung Breite alt neu Vergrößerung σσ ZZZZZZ.LLLLLLLLLL 6,4 MMMMMM 3,5 MMMMMM 4444 % LL LLLLLLLLLL 11,5 mmmm 13,5 mmmm 1111 % σσ DDDDDDDDDD 5,8 MMMMMM 1,65 MMMMMM 7777 % LL MMMMMMMMMM 20 mmmm 29 mmmm 3333 % σσ ZZZZZZ.RRRRRRRRRRR 6,75 MMMMMM 3,7 MMMMMM 4444 % LL RRRRRRRRRRR 11,5 mmmm 13,5 mmmm 1111 % 17

18 Prozessbeschleunigung durch Hybridprozesse Deutlich schlechtere Energiebilanz, aber enorme Verkürzung der Prozesszeiten 18

19 Zusammenfassung, Ausblick CO 2 -Laser ist idealer Ersatz für Gasbrenner CO 2 -Laser hat keine nennenswerten prozesstechnischen Nachteile flexible Anpassung auf verschiedene Rohrgeometrien verschiedene Temperaturmesstechnik ersetzt Subjektivität durch intelligente Maschinen- und Regelungstechnik hoher Automatisierungsgrad Vernetzung von Laser und Maschinensteuerung im Vergleich zum Brenner bis zu 70% Energieeinsparung durch Prozessoptimierung weitere Energieeinsparung 19

20 10. Jenaer Lasertagung Termin: 27. und 28. Oktober 2016 Ort: Lehr- und Konferenzzentrum der Ernst-Abbe-Hochschule Jena, Carl-Zeiss-Promenade 2, Jena Tagungsschwerpunkte: Laserfunktionalisierung Moderne Lasersystemtechnik Mikrobearbeitung Lasergestützte Additive Fertigung 20

21 Ansprechpartner Thomas Schmidt Abteilung Lasertechnik Glas-Metall-Verbindung Otto-Schott-Str Jena Kleben Diffusionsschweißen Laserlöten Abtragen Quarzglas schweißen Tel: +49 (0) Fax: +49 (0) Internet: Feuerpolitur Trennen Wasserstrahl schneiden Quarzglas schneiden HALLE 11, STAND E04 Beschriftung 21