welche Software braucht eine Lasermaschine?
Das Herzstück der Lasertechnologie: Die Softwareanforderungen für Laseranlagen
Andreas Besting | 26. Januar 2023 ᛫ 10 Min.
In der modernen Fertigung spielen Lasermaschinen eine entscheidende Rolle. Sie ermöglichen eine präzise Bearbeitung von Materialien, die mit herkömmlichen Methoden nicht erreichbar wäre. Doch hinter der Präzision und Vielseitigkeit dieser Maschinen steht eine ebenso beeindruckende Technologie: die Software.
Die Software einer Lasermaschine ist das teils unsichtbare Herzstück, das alle Komponenten steuert und den reibungslosen Ablauf des gesamten Prozesses gewährleistet. Von der Ansteuerung der Hardware über die Prozessvorbereitung bis hin zur Vermessung der Ergebnisse – die Software ist der Schlüssel, der eine Lasermaschine überhaupt erst nutzbar macht.
In diesem Artikel werden wir uns genauer ansehen, was diese Software ausmacht, welche Funktionen sie erfüllt und warum sie für die Lasertechnologie so wichtig ist. Dabei werden wir auf folgende Themen eingehen:
- Softwarekomponenten für eine Laseranlage
- Anforderung an eine Maschinensoftware
- Die Grundfunktionen
- Wartung und Betrieb einer Laseranlage
- Externe Schnittstellen
- CAD/CAM-Kette
- Pulsar-Expertentipp
Aus welchen Teilen besteht die Software einer Lasermaschine?
Eine Lasermaschine besitzt nicht nur eine Software, sondern es finden sich eine ganze Reihe an unterschiedlichen Softwarekomponenten auf ganz verschiedenen Ebenen wieder. Viele davon sind für den Anwender gar nicht sichtbar.
Hauptsächlich betrachten wir daher den funktionalen Teil einer Lasermaschinen-Software, die Anwendungsebene. Doch neben diesem, vor allem für den Anwender besonders interessanten Teil, lassen sich durchaus noch weitere Schichten der Software abgrenzen.
- Echtzeit-kritische Steuerungen wie z.B. die Software einer SPS
- Betriebssystem-nahe Treiber, die direkten Zugriff auf die Hardware ermöglichen
- System-Software wie z.B. Embedded- oder Firmware-Software
- Safety-Software, die für die Lasersicherheit zuständig ist
Mit zunehmender System- oder Hardwarenähe ergeben sich nur wenige bis keine Möglichkeiten für den Anwender, diese Software-Teile zu verändern – allein aus regulatorischen Gründen darf dies in bestimmten Fällen auch gar nicht passieren, oder muss zumindest detailliert nachvollziehbar geschehen (siehe z.B. Anforderungen im Bereich Medizintechnik Title 21 CFR Part 11).
Dagegen ist, wie im Folgenden aufgeführt wird, eine auch durch den Nutzer erlaubte Anpassung der Software in bestimmten Grenzen gerade in der Anwendungsebene sehr vorteilhaft und eben auch ein Qualitätsmerkmal.
Die Software-Qualität ist entscheidend: Welche Anforderungen an die Software gestellt werden
Qualitativ hochwertige Software zeichnet sich dadurch aus, dass sie die an sie gestellten Anforderungen erfüllt. Insofern unterscheidet sich Software für Laseranlagen grundsätzlich nicht von anderer Software, jedoch liegt der Schwerpunkt auf ganz bestimmten Merkmalen.
Wie schon erwähnt, ist die Anpassbarkeit und auch ggfs. die Erweiterbarkeit je nach Einsatzgebiet in hohem Maße erforderlich. Gerade bei der Laserprozessentwicklung muss oftmals eine Vielzahl an Parameter-Anpassungen vorgenommen werden. All diese Parameter finden sich in komplexen Ablaufsteuerungen wieder, die ebenfalls konfiguriert werden müssen. Letztlich stellt sich für die Prozessentwicklung die Frage: Mit welcher hieraus resultierenden CAD/CAM-Kette (Computer-Aided Design & Computer-Aided Manufacturing) wird aus einem technischen Design und einer Vielzahl von Einstellungen mittels Laserbearbeitung ein fertiges Produkt?
Bevor wir auf diesen für den Prozess eigentliche zentralen Punkt eingehen, stellen wir zunächst ein paar grundlegende Anforderungen kurz heraus:
Die Grundfunktion: Steuerung und Überwachung aller Hardware-Komponenten
Der Anwender sollte mit einer zentralen Software idealerweise alle Komponenten der Laseranlage bedienen können, und nicht zwischen mehreren Programmen wechseln müssen.
Letzteres ist nicht nur umständlich, sondern bringt auch erhebliche Einschränkungen mit sich: Die Ablaufsteuerung eines Laserprozesses lässt sich möglicherweise gar nicht automatisieren, wenn z.B. die Einstellungen des Lasers (z.B. die Laserleistung oder -frequenz) nur mit einem externen Tool manuell verändert werden können.
Neben der reinen Ansteuerung braucht eine solche Anlage auch Überwachungsfunktionen vorhanden sein, die bestimmte Zustände anzeigen oder melden. Interessant wird es dabei auch, wenn etwas nicht wie erwartet funktioniert oder bestimmte Sonderfälle eintreten.
- Anlagenzustand: Wird gerade prozessiert und in welchem Produktionsschritt befindet sich die Anlage? Diese Informationen müssen leicht einsehbar sein. Dazu gehören insbesondere auch kritische Zustände der Anlage, wie z.B. der Betrieb in einem unsicheren Modus (z.B. Laser-Klasse 4).
- Komponentenstatus: Zu jeder Zeit sollte der Zustand aller angesteuerten Komponenten sichtbar sein, z.B. eignet sich hier ein Dashboard. Der Fehlerfall einer Komponente muss geeignet mitgeteilt und der Prozess-Start ggfs. verhindert werden.
- Fehlerbehandlung: Tritt ein Fehler während der Laserbearbeitung auf, muss der Prozess ggfs. abgebrochen werden. In so einem Fall stellt sich auch die Frage, ob bei besonders aufwändigen Prozessen die Bearbeitung durch die Software später fortgesetzt werden kann.
Neben der reinen Überwachung und Darstellung sind daher im Laserbetrieb auch je nach Fall gezielte Aktionen erforderlich, um einen reibungslosen Ablauf zu gewährleisten.
Der Bediener im Fokus: Wartung und Betrieb einer Laseranlage
Laseranlagen sind sehr wartungsarm. Dennoch gibt es einige wichtige Kalibrationsroutinen, wie z.B. eine Laserleistungskalibration, eine Scanfeldkalibration oder die Anpassung von Koordinaten der einzelnen Bearbeitungs- und Messwerkzeuge. Gerade in der Laser-Mikrobearbeitung können z.B. Temperaturschwankungen oder eine längere Betriebsdauer, Wartungsaufgaben erfordern. Diese stellen dann z.B. sicher, dass der Laser noch genügend Leistung abgibt und es keine Verzerrungen im Scanfeld gibt.
Die Software sollte daher sicherstellen, dass diese Aufgaben entweder automatisiert oder durch geeignetes Personal in bestimmten Zeitabständen oder bei bestimmten Bedingungen vorgenommen werden, bevor es in die Produktion geht.
Hier zeigt sich noch ein weiterer Aspekt: Im Betrieb wird die Software oft von unterschiedlichen Nutzergruppen bedient. Ein Wartungstechniker benötigt Zugang zu ganz bestimmten Wartungsfunktionen, während ein Mitarbeiter für die Fertigung oder für die Prozessentwicklung wiederum Zugang zu ganz anderen Funktionen benötigt. Die Bedienbarkeit muss daher auf bestimmte Nutzergruppen abgestimmt sein, d.h. es muss zuerst einmal die Möglichkeit zur sicheren Anmeldung geben.
Unabhängig von der Person, die die Software bedient, erhalten bestimmte Eigenschaften während der Interaktion besonderes Gewicht:
- Benutzerfreundlichkeit: Eine einfach zu bedienende Software, intuitiv und klar strukturiert. Ein Nutzer sollte Zugriff auf nur genau die Funktionen und Informationen haben, die er wirklich braucht.
- Anpassbarkeit: Flexibilität in der Software, bestimmte Bereiche dynamisch nach Bedarf anzupassen. Dies kann so weit gehen, dass die Software auch eine kundenindividuelle Oberfläche erhält.
- Leistungsfähigkeit: Eine Software, die schnell und zuverlässig arbeitet, ohne Verzögerungen. Gerade in der Lasertechnik wird oftmals mit großen Datenmengen gearbeitet, was eine speichereffiziente Implementierung unbedingt notwendig macht.
Letztlich sollte eine Software ansprechend und professionell aussehen. Neben den bereits genannten Punkten spielt die Ästhetik beim Thema UI/UX (User Interface/User Experience) auch bei einer Maschinensteuerungssoftware eine zentrale Rolle. Hierbei wäre es von Vorteil, wenn Farben, Schriften und Symbole in einem einheitlichen geschlossenen Design münden.
Und auch wenn unterschiedliche Laseranlagen aus gänzlich unterschiedlichen Hardware-Komponenten aufgebaut sein können, sollte es stets in jeder Softwarekonfiguration eine möglichst ähnliche Bedienung mit Wiedererkennungswert geben.
Externe Schnittstellen: Eine Laseranlage steht selten nur für sich allein
Software-Schnittstellen zur Anbindung externer Systeme haben eine Reihe von Vorteilen, die den reibungslosen Betrieb und die Effizienz der Produktion sicherstellen. Hierfür sind z.B. die folgenden Anwendungsfälle denkbar.
- Interoperabilität zwischen Maschinen: Hierdurch wird die Kommunikation und Koordination zwischen verschiedenen Maschinen ermöglicht. Dies ist besonders wichtig in einer Fertigungsumgebung, wo mehrere Maschinen zusammenarbeiten müssen, um ein Produkt herzustellen. Standardisierte Schnittstellen wie OPC-UA, sind für Vernetzungsszenarien zu bevorzugen.
- Integration mit Unternehmenssystemen: Die Verbindung von Maschinen mit Unternehmenssystemen wie MES (Manufacturing Execution System) und ERP (Enterprise Resource Planning) ermöglicht eine verbesserte Produktionsplanung und -durchführung, sowie Fernüberwachung. Auch lässt sich so eine Rückverfolgbarkeit (Traceability) in der Fertigung umsetzen, um den gesamten Lebenszyklus des gefertigten Produktes abzubilden.
- Datenanalyse und Optimierung: Durch die gezielte Sammlung und Analyse von Maschinendaten können Engpässe identifiziert und Verbesserungen vorgenommen werden.
Insbesondere der letzte Punkt steht in der Laserbearbeitung heraus: Es gibt eine Vielzahl von Parametern, die unterschiedliche Bearbeitungsergebnisse hervorbringen können. Das zentrale Speichern dieser einmal bestimmten Parameter und ihre einfache Auffindbarkeit ist ein entscheidender Prozess, wenn nicht ständig auf Expertenwissen zurückgegriffen werden soll.
Von den Daten zum fertigen Produkt: Die CAD/CAM-Kette
Neben den Grundfunktionen einer Lasermaschinen-Software, einem nutzerorientierten Bedienkonzept und den Schnittstellen zu anderen Systemen wurde eingangs schon die zentrale Rolle der CAD/CAM-Kette erwähnt.
Diese beschreibt im Fall der Laserbearbeitung, wie Geometriedaten zusammen mit einer Parametrisierung den Weg zu einer Ablaufsteuerung der Laseranlage finden. Insbesondere CAD-Module sind zwar aufwändig zu erstellende Software-Komponenten, haben jedoch eine Reihe von Vorteilen als Bestandteil der Lasermaschinen-Software:
- Integration von Design und Fertigung: Ohne umständlichen Datentransfer können während der Bedienung der Laseranlage Geometrien erstellt, gesichtet und direkt bearbeitet werden. Die Parametersuche wird vereinfacht, da schneller iterativ gearbeitet werden kann.
- Keine externe Software notwendig: Mit Integration des CAD-Teils wird keine externe Software benötigt, was Kosten spart. Vorzugsweise gibt es umgekehrt jedoch am besten die Möglichkeit, mit einer Offline-Version der Steuerungssoftware auch vom Büro-Arbeitsplatz zu arbeiten.
- Sichere Übernahme von Design-Daten: Bei externen Design-Tools können je nach Dateiformat möglicherweise Geometrien für die Bearbeitung nicht passend übernommen werden. Dennoch ist es natürlich vorteilhaft, wenn bereits etablierte CAD-Formate wie z.B. DXF oder STL unterstützt werden.
Ein für die Laserbearbeitung genau abgestimmtes CAD-Modul bringt vor allem den Vorteil, dass zusätzlich zu der Geometriebeschreibung z.B. die Scanner- und Laserparametrisierung mit spezifiziert werden kann. Zudem kann die Software mit einer eigenen Geometriedefinition am besten entscheiden, wie die Daten mit der Anlagenhardware bearbeitet werden sollen, je nachdem, welche Möglichkeiten die jeweiligen Bearbeitungswerkzeuge mit sich bringen.
unser fazit
Software zur Steuerung von Laseranlagen zu erstellen ist ein komplexer Vorgang. Der Anspruch an eine Lasermaschinensoftware ist, neben der Vollintegration aller verfügbaren Hardwarekomponenten, am Ende eine einzelne Software zur Bedienung zu verwenden, und nicht mehrere kleinere Tools. Dies entlastet den Anwender und erlaubt es, modulübergreifend wichtige Funktionen überhaupt erst entwickeln zu können.
Die Bedienung über die Software richtet sich auch nach den konkreten Anwendungsszenarien. Im Forschungsbereich oder bei Pilotanlagen muss die Software es erlauben, eine Vielzahl von Prozessdefinitionen zu entwickeln. In Produktionsprozessen sind Prozesse oft deutlich einfacherer und erfordern eine maßgeschneiderte Benutzeroberfläche, die die Bedienelemente auf das Wesentliche reduziert und außerdem für eine sichere Bedienung sorgt.
Pulsar-Expertentipp…
Die Auswahl und der Einsatz der richtigen Software für Ihre Lasermaschine ist entscheidend für die Effizienz und Qualität Ihrer Produktion. Bei der Auswahl einer Softwarelösung sollten Sie Folgendes berücksichtigen:
- Anpassungsfähigkeit: Wählen Sie eine Software, die flexibel genug ist, um sich an verschiedene Produktionsumgebungen und Benutzerbedürfnisse anzupassen.
- Benutzerfreundlichkeit: Eine intuitive und benutzerfreundliche Oberfläche ist nicht nur zeitsparend, sondern reduziert auch das Risiko von Bedienungsfehlern. Achten Sie auf Software, die eine klare und logische Benutzeroberfläche bietet, die sowohl für erfahrene Bediener als auch für Anfänger geeignet ist.
- Integration und Kompatibilität: Ihre Software sollte in der Lage sein, nahtlos mit anderen Systemen und Maschinen über etablierte Schnittstellen sicher zu kommunizieren. Dies erleichtert die Datenverwaltung und verbessert die Gesamteffizienz des Produktionsprozesses.
- Support und Schulung: Achten Sie darauf, dass der Softwareanbieter zuverlässigen technischen Support und Schulungen anbietet. Dies ist entscheidend, um das volle Potenzial der Software auszuschöpfen und Ausfallzeiten zu minimieren.
- Zukunftssicherheit: Berücksichtigen Sie die zukünftige Entwicklung der Technologie. Eine Software, die regelmäßige Updates erhält und neue Technologietrends integriert, kann eine langfristige Investition sichern.
Indem Sie diese Punkte berücksichtigen, stellen Sie sicher, dass die von Ihnen gewählte Software optimal zu Ihren spezifischen Anforderungen und Zielen passt. Die richtige Software kann den Unterschied zwischen einer reibungslosen, effizienten Produktion und einer, die von technischen Schwierigkeiten und Einschränkungen geplagt ist, ausmachen. Die Bediensoftware von Pulsar Photonics erfüllt die oben angeführten Anforderungen – wenn Sie mehr über Photonic Elements erfahren wollen, nutzen Sie untenstehenden Button.
Mehr über den Autor:
dipl.-inform. Andreas Besting
Andreas Besting ist seit 5 Jahren Softwareentwickler bei Pulsar Photonics und zuständig für den Bereich Laseranwendung und Vernetzung.
Er hat nach seinem Informatik Studium an der RWTH Aachen mit dem Schwerpunkt Softwaretechnik 15 Jahre Berufserfahrung, davon viel auch im Bereich Medizintechnik.