Wie bleiben Prozessfenster bei Serienbauteilen reproduzierbar?

Dabei geht es nicht darum, jede physikalische Grundlage erneut zu erklären. Energieeintrag, Fokus und Unterschiede zwischen Puls- und CW-Systemen stehen bereits in den Beiträgen Wie funktioniert Laserablation beim Reinigen von Metall? und Pulslaser oder CW: Welcher Energieeintrag passt zum Bauteil?.

Dieser Beitrag betrachtet den nächsten Schritt: Wie wird aus einem funktionierenden Parametersatz ein dokumentierter und über längere Zeit kontrollierbarer Serienprozess?

Vom Materialtest zum Serienprozess

Ein Materialtest beantwortet zunächst eine grundlegende Frage: Kann der gewünschte Oberflächenzustand mit einem bestimmten System erreicht werden? Für eine Serie reicht diese Information noch nicht — dort entstehen zusätzliche Anforderungen. Der Prozess soll wiederholbar sein, eine definierte Taktzeit einhalten, unterschiedliche Bauteilchargen verkraften, einfach bedienbar sein, Abweichungen erkennbar machen und dokumentiert werden können.

Genau an dieser Stelle verändert sich die Sichtweise. Während beim ersten Versuch häufig nach der besten sichtbaren Oberfläche gesucht wird, benötigt die Produktion einen stabilen Bereich, innerhalb dessen akzeptable Ergebnisse erreicht werden. Fraunhofer ILT nennt neben Machbarkeitsstudien auch Entwicklung, Umsetzung und Integration anwendungsspezifischer laserbasierter Reinigungsprozesse in bestehende industrielle Abläufe. Der Übergang vom Versuch zur Integration ist damit ein eigener Entwicklungsschritt.

Warum ein einzelner Parametersatz nicht genügt

Angenommen, bei einem Test wurde ein gutes Ergebnis mit einer bestimmten Leistung, Scanbreite und Geschwindigkeit erzielt. Es wäre verlockend, diese Werte einfach als feste Produktionsparameter zu speichern. In der Praxis können jedoch leichte Schwankungen auftreten:

• Beschichtung ist etwas dicker
• Bauteil sitzt geringfügig anders in der Vorrichtung
• Oberfläche ist stärker verschmutzt
• Schutzglas weist erste Ablagerungen auf
• Werkstoffcharge besitzt leicht andere Eigenschaften
• Umgebung oder Ausgangstemperatur unterscheiden sich

Wenn ein Prozess nur an exakt einem Punkt funktioniert und bereits kleine Veränderungen zu einem fehlerhaften Ergebnis führen, ist er für die Serie empfindlich. Deshalb ist ein Prozessfenster sinnvoller als ein einzelner Idealwert: Gesucht wird ein Bereich, innerhalb dessen die Qualität stabil bleibt.

Prozessfenster statt Idealwert

Ein Prozessfenster kann mehrere Parameter umfassen. Vereinfacht könnte gelten: Leistung innerhalb eines definierten Bereichs, Geschwindigkeit zwischen zwei Grenzen, Arbeitsabstand innerhalb einer Toleranz, festgelegte Scanbreite und eine maximal definierte Anzahl an Überfahrten.

Ziel ist nicht, möglichst große Schwankungen zu erlauben. Ziel ist zu wissen, welche Schwankungen der Prozess verträgt — das erhöht die Robustheit. Wenn beispielsweise eine geringe Abweichung des Arbeitsabstands sofort zu sichtbaren Resten führt, sollte geprüft werden, ob der Prozessparameter angepasst werden kann oder ob die Positionierung des Bauteils genauer werden muss.

Damit verbindet das Prozessfenster die Lasertechnik mit der Anlagen- und Vorrichtungstechnik. Ein robuster Serienprozess entsteht aus beiden Bereichen gemeinsam.

Welche Parameter dokumentiert werden sollten

Eine Dokumentation sollte so aufgebaut sein, dass ein qualifizierter Mitarbeiter später nachvollziehen kann, unter welchen Bedingungen der freigegebene Prozess entstanden ist.

Anlage

Verwendetes System, Softwarestand und relevante Optikkonfiguration.

Werkstück

Bauteilnummer, Material, Beschichtung, bekannte Schichtdicke sowie Lieferant oder Charge, wenn relevant.

Prozess

Leistung, Frequenz bei gepulsten Systemen, Scanbreite, Scanmuster, Bewegungsgeschwindigkeit, Anzahl der Durchgänge und Arbeitsabstand.

Ergebnis

Referenzbilder, definierte Qualitätsmerkmale, zulässige Restschicht, Oberflächenzustand und Bearbeitungsdauer.

Eine solche Dokumentation erscheint bei kleinen Stückzahlen möglicherweise übertrieben. Sobald derselbe Prozess über Monate oder mit mehreren Mitarbeitern eingesetzt wird, gewinnt sie erheblich an Wert — sie verhindert, dass Prozesswissen ausschließlich im Kopf eines einzelnen Bedieners gespeichert bleibt.

Bauteiltoleranzen als Einflussfaktor

Auch Serienbauteile sind nicht vollkommen identisch. Fertigungstoleranzen können Position und Oberfläche geringfügig verändern. Bei einer einfachen ebenen Fläche ist das möglicherweise irrelevant; bei dreidimensionalen Konturen können kleine Abweichungen den Arbeitsabstand oder Auftreffwinkel verändern.

Deshalb sollte bereits bei der Prozessentwicklung geklärt werden, wie groß die realen Bauteiltoleranzen sind und ob das definierte Prozessfenster diese Toleranzen abdecken kann. Wenn nicht, gibt es verschiedene Möglichkeiten: Die Vorrichtung kann das Werkstück genauer positionieren, ein Sensor kann die Lage erkennen, der Roboter kann seine Bahn anpassen, oder der Bearbeitungsprozess kann so robust eingestellt werden, dass die zulässigen Schwankungen keinen relevanten Einfluss haben.

Welche Lösung wirtschaftlich sinnvoll ist, hängt von Stückzahl und Qualitätsanforderung ab.

Verschmutzung ist nicht immer identisch

Auch die zu entfernende Schicht kann schwanken. Bei einem Produktionsprozess können unterschiedliche Mengen von Öl, Oxid, Trennmittel oder Prozessrückständen auftreten. Bei beschichteten Bauteilen kann die Lackdicke innerhalb der zulässigen Fertigungstoleranzen variieren. Das bedeutet: Selbst perfekt identische Metallbauteile können unterschiedliche Ausgangszustände besitzen.

Der Serienprozess muss deshalb nicht nur Bauteiltoleranzen, sondern auch realistische Schwankungen der Verunreinigung berücksichtigen. Eine sinnvolle Prozessentwicklung testet nicht ausschließlich das schönste Muster, sondern auch Bauteile am Rand der erwarteten Ausgangszustände. Nur so lässt sich erkennen, ob der Parametersatz unter realen Produktionsbedingungen ausreichend robust ist.

Optik und Schutzglas im Blick behalten

Der Zustand des optischen Systems kann sich im Betrieb verändern. Das Schutzglas schützt empfindliche Komponenten vor Prozessrückständen; mit zunehmender Verschmutzung kann sich der Zustand des optischen Weges verändern. Deshalb gehören Kontrollen der relevanten Komponenten in einen standardisierten Betrieb.

Die Frage lautet nicht ausschließlich, wann ein Schutzglas vollständig unbrauchbar ist, sondern ab welchem Zustand die Prozessqualität beeinflusst werden kann. Herstellerangaben und Wartungsvorgaben sind dabei maßgeblich.

Für Serienanwendungen kann es sinnvoll sein, feste Prüfintervalle zu definieren und optische Komponenten nicht erst dann zu kontrollieren, wenn ein sichtbarer Fehler auftritt. Ein schleichender Zustand ist schwieriger zu erkennen als ein plötzlicher Ausfall.

Positionierung und Vorrichtung

Eine stabile Bearbeitung benötigt eine stabile relative Position zwischen Werkstück und Bearbeitungskopf. Bei manuellen Aufgaben übernimmt der Bediener diese Funktion; in einer Serie wird häufig eine Vorrichtung verwendet. Eine gute Vorrichtung soll das Bauteil eindeutig positionieren, wiederholbar aufnehmen, gegen Bewegung sichern und schnell be- und entladbar machen.

Je genauer die Position reproduziert wird, desto kleiner wird eine mögliche Fehlerquelle. Besonders bei lokalen Bearbeitungszonen ist das wichtig: Soll nur ein schmaler Bereich vor einem Fügeprozess behandelt werden, darf das Werkstück nicht bei jedem Zyklus mehrere Millimeter anders liegen. Die Qualität des Prozesses hängt daher nicht allein vom Lasersystem ab — Vorrichtung, Handhabung und Bauteilreferenzierung gehören zum Gesamtsystem.

Referenzmuster und Grenzmuster

Ein besonders praktisches Werkzeug für die Qualitätskontrolle sind Referenzmuster. Ein freigegebenes Muster zeigt, wie ein akzeptables Ergebnis beschaffen sein soll. Zusätzlich können Grenzmuster definiert werden:

• Referenz gut: vollständig akzeptabler Zielzustand
• Grenze akzeptabel: maximal zulässige Restschicht oder Veränderung
• Nicht akzeptabel: Ergebnis außerhalb der Spezifikation

Damit bekommen Mitarbeiter eine konkrete Orientierung — insbesondere bei visuellen Qualitätsmerkmalen. Bei technisch anspruchsvolleren Prozessen können zusätzlich messbare Kriterien verwendet werden.

Eine Referenz sollte allerdings nicht unbegrenzt ohne Prüfung verwendet werden. Auch Muster können altern, verschmutzen oder falsch gelagert werden. Deshalb sollte ihr Status ebenfalls dokumentiert werden.

Bedienereinfluss reduzieren

Bei handgeführten Prozessen ist der Mensch Teil der Prozesskette. Das ist kein grundsätzlicher Nachteil — ein erfahrener Bediener kann flexibel auf unterschiedliche Bauteile reagieren. Für wiederkehrende Arbeiten sollte der individuelle Einfluss jedoch begrenzt werden. Hilfreich können sein:

• klare Arbeitsanweisungen
• definierte Reihenfolge der Bearbeitungszonen
• gespeicherte Parametersätze
• festgelegte Zahl der Durchgänge
• definierter Arbeitsabstand
• Schulung anhand von Referenzmustern

Ziel ist nicht, Erfahrung überflüssig zu machen, sondern dass zwei geschulte Personen möglichst vergleichbare Ergebnisse erzielen. Je höher die Stückzahl und je enger die Qualitätsanforderung, desto wichtiger wird diese Standardisierung. Welche Rolle die Bahnführung dabei spielt, behandelt der Beitrag zu Scanmustern an Kanten und Konturen.

Automatisierung und Rezeptverwaltung

Bei automatisierten Systemen lassen sich Parameter und Bewegungen digital hinterlegen. Für unterschiedliche Bauteiltypen können sogenannte Rezepte beziehungsweise definierte Prozessdatensätze verwendet werden. Ein Datensatz kann Leistung, Frequenz, Scanstrategie, Roboterbahn, Geschwindigkeit und Zahl der Wiederholungen enthalten.

Damit sinkt das Risiko, dass Parameter bei einem Produktwechsel manuell falsch eingegeben werden. Gleichzeitig muss kontrolliert werden, welches Rezept tatsächlich freigegeben ist, und Änderungen sollten nachvollziehbar dokumentiert werden.

Fraunhofer IWS nennt Scannertechnik, Sensorik, Monitoring sowie Steuerungssoftware als Bestandteile von Systemlösungen für präzise Laserbearbeitungsprozesse. Diese Kombination aus Prozesswissen und Systemtechnik ist besonders relevant, sobald aus einer Einzelanwendung eine automatisierte Produktion wird.

Prozessüberwachung sinnvoll einsetzen

Nicht jeder Prozess benötigt eine komplexe Sensorik. Aber mit steigenden Stückzahlen wächst der Wert einer automatischen Überwachung. Prozessüberwachung kann unterschiedliche Ziele verfolgen:

• Position kontrollieren
• Anlagenzustand überwachen
• Prozesssignale aufzeichnen
• Abweichungen erkennen
• Qualitätsdaten dokumentieren

Welche Sensorik sinnvoll ist, hängt von Anwendung und wirtschaftlicher Bedeutung eines Fehlers ab. Bei einem preiswerten Einzelteil kann eine nachträgliche Sichtkontrolle genügen; bei einem kritischen Serienbauteil mit hohem Folgeaufwand kann eine frühzeitige Fehlererkennung wirtschaftlich wertvoll sein. Fraunhofer IWS arbeitet in verschiedenen Laseranwendungen mit Prozessmonitoring und Regelungssystemen. Die Entscheidung für Monitoring sollte daher risikobasiert erfolgen und nicht als Selbstzweck.

Änderungen kontrolliert freigeben

Ein stabiler Prozess kann über die Zeit verändert werden müssen. Mögliche Gründe sind ein neues Beschichtungsmaterial, ein neuer Lieferant, eine andere Bauteilgeometrie, ein Softwareupdate, eine andere Optik, höhere Stückzahlen oder eine neue Qualitätsanforderung.

Ein häufiger Fehler besteht darin, eine solche Änderung direkt im laufenden Prozess vorzunehmen und anschließend davon auszugehen, dass die bisherige Freigabe weiterhin gilt. Besser ist ein kontrolliertes Änderungsverfahren, bei dem dokumentiert wird, was verändert wurde, warum, welche Auswirkungen möglich sind, welche Tests durchgeführt wurden und wer die neue Einstellung freigegeben hat.

Diese Vorgehensweise ist keine Besonderheit der Lasertechnik — sie folgt den Grundprinzipien stabiler industrieller Prozesse. Je kritischer das Bauteil, desto wichtiger wird die Nachvollziehbarkeit.

Sicherheit als Bestandteil der Standardisierung

Auch Schutzmaßnahmen müssen Teil des standardisierten Prozesses sein. Bei handgeführten Klasse-4-Anwendungen reicht es nicht, ausschließlich die Bearbeitungsparameter zu dokumentieren. Je nach Einsatz gehören dazu:

• definierter Laserbereich und Abschirmungen
• Zugangsbeschränkungen
• geeignete persönliche Schutzausrüstung
• Prozessabsaugung
• Unterweisung und Verhalten bei Störungen

Die DGUV-Handlungshilfe FBHM-139 „Strahlarbeiten – Reinigen und Entschichten mit Laserstrahlung“, Ausgabe 06/2024, behandelt die Gefährdungen und Schutzmaßnahmen für handgeführte Klasse-4-Lasersysteme. Ein Serienprozess ist erst dann vollständig standardisiert, wenn nicht nur das Bearbeitungsergebnis, sondern auch die sichere Durchführung reproduzierbar organisiert ist. Einen Überblick gibt die Seite Sicherheitshinweise zur Laserklasse 4.

Fazit: Reproduzierbarkeit entsteht durch Kontrolle

Damit Prozessfenster bei Serienbauteilen reproduzierbar bleiben, genügt es nicht, dass ein einmal gefundener Parametersatz gespeichert und anschließend nie wieder hinterfragt wird. Ein belastbarer Ablauf berücksichtigt Schwankungen: Bauteiltoleranzen, Unterschiede der Verschmutzung oder Beschichtung, den Zustand von Optik und Schutzkomponenten, die Positionierung des Werkstücks, den Bedienereinfluss sowie Veränderungen an Anlage und Software.

Das Prozessfenster beschreibt deshalb den Bereich, in dem ein zuverlässiges Ergebnis erzielt werden kann. Eine gute Dokumentation macht diesen Bereich nachvollziehbar, Referenzmuster helfen bei der Qualitätsbewertung, Vorrichtungen und Automatisierung reduzieren Lageabweichungen, und Monitoring kann bei geeigneten Anwendungen zusätzliche Prozesssicherheit schaffen.

Ein kontrolliertes Änderungsmanagement verhindert schließlich, dass sich ein freigegebener Prozess unbemerkt verändert. Damit wird aus einem erfolgreichen Testlauf ein industriell nutzbarer Ablauf — genau dieser Übergang ist entscheidend, wenn Laserbearbeitung nicht nur gelegentlich eingesetzt, sondern als wiederkehrender Produktionsschritt genutzt werden soll.

Quellen

• Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT — „Reinigen“: Machbarkeitsstudien, anwendungsspezifische Prozessentwicklung und Integration in industrielle Prozesse.
• Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS — Systemtechnik: Scanner, Sensorik, Monitoring und Steuerung für Hochgeschwindigkeits- und Präzisionsprozesse; Beispiele für die Einbindung laserbasierter Reinigungsschritte in Fertigungsprozesse.
• DGUV — FBHM-139 „Strahlarbeiten – Reinigen und Entschichten mit Laserstrahlung“, Ausgabe 06/2024.

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