Process Monitoring

Photonics Mai 2026

Laser Turning with Advanced Process Monitoring by Optical Microphone

Autoren:

J. Zettl, C. Lutz, R. Hellmann

Inhalte:

• Das Optische Mikrofon Eta450 von XARION ermöglichte die Echtzeit-Überwachung von Laserdrehen mit Ultrakurzpulsen, indem es die Ultraschallemissionen einzelner Femtosekunden-Ablationsereignisse erfasste.
• Dank seines einzigartigen Ultraschallfrequenzbereichs von 50 kHz bis 2 MHz arbeitete das System zuverlässig in einer industriellen Fertigungsumgebung – trotz Prozessgasströmung, Absauganlagen und maschinenbedingten Umgebungsgeräuschen.
• Aus dem akustischen Signal ließen sich direkt Rückschlüsse auf Materialabtrag, Werkstückdurchmesserreduktion, Oberflächenqualität, Laserfluenz und Strahlversatz ziehen – mehrere Prozessgrößen mit einem einzigen Sensor erfasst.
• Die Ergebnisse zeigen, dass das membranfreie Optische Mikrofon von XARION nicht nur zur Prozessüberwachung geeignet ist, sondern auch als Grundlage für eine automatisierte, geschlossene Regelung in der Ultrakurzpuls-Laserbearbeitung dienen kann.
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13th CIRP Conference on Photonic Technologies  08/2024

Acoustic process monitoring during the structuring of diffusion media for fuel cells with Ultrashort Laser Pulses

Autoren:

Christian Geiger, Pawel Garkusha, Christian Bernauer, Simon Mehrl, Pascal A. Schirmer, Michael F. Zaeh

Inhalte:

•          Um die Leistungseigenschaften von Diffusionsmedien in Brennstoffzellen positiv zu beeinflussen, können diese durch Laserstrukturierung optimiert werden.
•          Die Verwendung von optischen Mikrofonen soll die Überwachung während der Laserstrukturierung gewährleisten.
•        Diese Publikation konnte zeigen, dass mit Hilfe der akustischen Daten die Fokusposition des Lasers sowie Materialübergänge im Diffusionsmedium während der Strukturierung überwacht werden können.

13th CIRP Conference on Photonic Technologies

Wood Material Science & Engineering  10/2024

Predicting wood moisture classes by sound frequency spectra and Explainable Machine Learning during milling

Autoren:

Mehieddine Derbas, Timothy Mark Young, Stephan Frömel-Frybort, Hans- Christian Möhring & Martin Riegler

Inhalte:

•          Der Feuchtigkeitsgehalt in Holz hat starken Einfluss auf die optimalen Prozessparameter beim Fräsen.
•          Mit dem neuartigen optischen Mikrofon wurden verschiedene Feuchtigkeitsklassen (dried, conditioned, wet und frozen) unterschieden.
•          Mit Hilfe von Machine-Learning Modellen konnte durch das akustische Signal die Feuchtigkeitsklasse sowie die Geschwindigkeit beim Fräsen bestimmt werden. Das beste Modell erreichte eine Genauigkeit von rund 97.2%.

Wood Materal Science & Engineering

Journal of Laser Applications  03/2025

Layer detection in ultrashort pulsed multilayer laser ablation by analyzing ultrasonic process emission

Autoren:

Christian Lutz, Cemal Esen, Ralf Hellmann

Inhalte:

•          Laserablation wird zur Bearbeitung von elektronischen Anwendungen (z.B. PCB) verwendet.
•          In dieser Arbeit werden Materialübergänge während der Laserablation durch ihr akustisches Signal mit dem optischen Mikrofon detektiert.
•          Der Materialübergang von Kupfer auf Polyimid stand dabei im Fokus. Durch die höhere Abtragungsrate von Polyimid im Vergleich zu Kupfer, konnte beim Übergang ein starker Anstieg der akustischen Energie erkannt werden.
•          Zusätzlich zur Detektion von Materialübergängen konnte auch ein Zusammenhang des akustischen Signals mit der Schichtdicke erkannt werden.

Journal of Laser Applications

17th CIRP Conference on Intelligent Computation in Manufacturing Engineering (CIRP ICME ‘23)  08/2024

In-situ acoustic signals correlation of process parameters in laser powder bed fusion

Autoren:

Levent Subasi, Soner Oren, Gokhan Dursun, Cagdas Sen, Akin Orhangul

Inhalte:

•          Pulverbettschmelzen (LPBF) ist additives Verfahren zur Herstellung von metallischen Werkstoffen. Dabei spielt Reproduzierbarkeit eine zentrale Rolle.
•         Das optische Mikrofon wurde zur Überwachung der akustischen Emission während dem LPBF-Prozess verwendet.
•          Die Analyse zeigte eine starke Korrelation zwischen dem akustischen Signal und den Prozessparametern.
•          Diese Methodik ermöglicht die Beurteilung von Prozessmängeln und der Gesamtqualität.

17th CIRP Conference on Intelligent Computation in Manufacturing Engineering

Proceedings of LANE 2024 Fürth, Germany 09/2024

Toward in-line crack detection and localization during metal additive manufacturing using laser-based air-coupled ultrasound sensors

Autoren:

Matthias Kettner, Ryan Sommerhuber et.al.

Inhalte:

• Die Studie zeigt, dass während des L-DED-Prozesses entstehende Ultraschall-Emissionen eine zuverlässige und frühzeitige Inline-Erkennung von Cold Cracks ermöglichen.
• Mit dem luftgekoppelten Optischen Mikrofon von XARION konnten sowohl das Auftreten als auch der exakte Zeitpunkt der Rissbildung anhand charakteristischer Signaturen identifiziert und mit dem Bewegungsprofil des Roboters verknüpft werden.
• Dadurch ließ sich die Position von Defekten auch auf großen Bauteilen präzise bestimmen. Versuche mit einem Sensor-Array verdeutlichen das Potenzial noch genauerer Lokalisierungsmethoden für zukünftige Echtzeitlösungen.

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Applied Sciences 10/2024

Akustische Emissions- und Digitale Bildkorrelations-basierte Untersuchung zur Früherkennung von Schäden in Sandwichstrukturen

Autoren:

Aitor García de la Yedra, Igor Erro, et al.

Inhalte:

• Die Überwachung der Qualität komplexer Sandwichstrukturen ist aufgrund von Zugangsproblemen mit gängigen Prüfmethoden schwierig
• Ein neuer Ansatz zur Lösung dieses Problems ist die akustische Überwachung im Ultraschallbereich mit dem Optischen Mikrofon
• Die Ergebnisse der akustischen Überwachung wurden mit den Ergebnissen der digitalen Bildkorrelation verglichen
• Es konnte gezeigt werden, dass eine frühzeitige Erkennung struktureller Schäden mit dem Optischen Mikrofon möglich ist

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Additive Manufacturing 01/2024

Healing of keyhole porosity by means of defocused laser beam remelting: Operando observation by X-ray imaging and acoustic emission-based detection (Englisch)

Autoren:

Charlotte de Formanoir, Milad Hamidi Nasab, et al.

Inhalte:

• Beim Pulverbettschmelzen (LPBF) kann die unvorhersehbare Bildung von Defekten wie Poren zu einer Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften führen
• Mit Hilfe des optischen Mikrofons von XARION wurde eine Strategie zur Überwachung der In-situ-Porenheilung durch Laserumschmelzen entwickelt
• Akustische Signale, die während des Laserumschmelzens erfasst werden, werden zeitlich synchronisiert und mit Röntgenbildern analysiert, um akustische Signaturen des Porenheilungsvorgangs zu identifizieren
• Der in dieser Arbeit vorgestellte Ansatz ermöglicht eine präzise Überwachung der Defektheilung während des LPBF-Prozesses ohne den Einsatz aufwändiger maschineller Lernalgorithmen

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SPIE Photonics West 01/2024

Towards process control by detecting acoustic emissions during ultrashort pulsed laser ablation of multilayer materials (Englisch)

Autoren:

C. Lutz, R. Sommerhuber, M. Kettner, C. Esen, R. Hellmann

Inhalte:

• Mit dem optischen Mikrofon Eta450 Ultra von XARION kann der ultrakurzgepulste Laserabtrag von dünnen Mehrschichtmaterialien überwacht werden
• Es ist möglich, den Materialübergang zwischen Polymer und Kupfer während des Laserabtrags zu überwachen, indem ein breites akustisches Frequenzspektrum zwischen 100 kHz und 2 MHz in Luft beobachtet und eine plötzliche Änderung der akustischen Energie erkannt wird
• Es wurde ein direkter Zusammenhang zwischen Erhöhung der Ablationsrate und erhöhter Schallenergie festgestellt

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Nature Communications 12/2023

Harmonizing sound and light: X-ray imaging unveils acoustic signatures of stochastic inter-regime instabilities during laser melting (Englisch)

Autoren:

Milad Hamidi Nasab, Giulio Masinelli, et al.

Inhalte:

• Laser Powder Bed Fusion (LPBF) Additive Manufacturing ist ein Verfahren zur additiven Fertigung von Metallen, welches in der Lage ist, komplizierte dreidimensionale Metallteile direkt aus CAD-Modellen herzustellen
• In der vorliegenden Arbeit wird Synchrotron-Röntgenbildgebung eingesetzt, um Keyhole-Instabilitäten in LPBF zu filmen und diese mit der Schallemission des Prozesses zu korrelieren
• Das optische Mikrofon von XARION wurde zur Messung der Luftschallemission aus der Wechselwirkungszone zwischen Laser und Material eingesetzt
• Die Übergänge zwischen den Zuständen Wärmeleitschweißen, Schweißen mit stabilem Keyhole und Schweißen mit instabilem Keyhole (welches zur Bildung von Porosität und anderen Instabilitäten führt), können anhand der Schallemissionsdaten erfolgreich erkannt werden

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