Theoretische und experimentelle Untersuchungen zur präzisen und dynamischen Strahlformung für die Lasermaterialbearbeitung

• Antragstellerin: Dr.-Ing. Annika Bonhoff
• Fachliche Zuordnung: Fügetechnik und Trenntechnik ; Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 387868000

In verschiedenen Verfahren der Lasermaterialbearbeitung hat die Leistungsdichteverteilung (LDV) im Laserstrahl einen signifikanten Einfluss auf das resultierende zeitliche und räumliche Temperaturprofil im Werkstück und damit auf das Bearbeitungsergebnisses. Für eine effiziente, hochqualitative Bearbeitung wird daher eine entsprechende Anpassung der LDV insbesondere auch bei hohen Leistungen benötigt. Strahlformungsansätze, welche prinzipiell die benötigte dynamische Flexibilität ermöglichen, sind aktuell jedoch nur für geringe Leistungen einsetzbar. Daher ist im vorausgegangenen Projekt ein Strahlformungsansatz untersucht worden, bei dem zunächst die Strahlformung mit einem sogenannten LCoS (liquid crystal on silicon) durchgeführt und der Laserstrahl anschließend in der Leistung verstärkt wird. Dieser Ansatz hat sich als sehr vielversprechend gezeigt, es haben sich jedoch weitere Fragestellungen ergeben, die im vorliegenden Fortsetzungsprojekt beantwortet werden sollen. Zunächst konnte in den vorigen Arbeiten der sogenannte Crosstalk als Fehlerquelle bei der Strahlformung identifiziert werden. Dabei handelt es sich um ein Übersprechen der einzelnen Pixel des segmentierten LCoS, wobei die Adressierung eines Pixels signifikant auch die benachbarten Pixel beeinflusst. Da derzeit keine Strategie bekannt ist, mit der dies bei der Strahlformung kompensiert werden kann, ist ein Ziel des Projektes die Entwicklung einer entsprechenden Simulations- und Kompensationsmethodik.Weiterhin soll im geplanten Projekt untersucht werden, inwiefern eine Ableitung der benötigten Phasenmaske, welche dem Laserstrahl durch den LCoS aufgeprägt wird, mittels maschinellen Lernens durchgeführt werden kann. In den bisherigen Untersuchungen wurde zwar ein Berechnungsalgorithmus entwickelt, mit dem erfolgreich Phasenmasken abgeleitet werden können. Allerdings ist die Berechnungszeit für einzelne Phasenmasken so hoch, dass eine Echtzeit-Berechnung, wie sie zur dynamischen Strahlformung in zahlreichen Situationen erforderlich ist, nicht möglich ist. Schließlich ist im vorangegangenen Projekt lediglich die Strahlformung unabhängig vom resultierenden Temperaturprofil betrachtet worden. Da dieses für ein erfolgreiches Bearbeitungsergebnis jedoch die eigentlich relevante Größe ist, soll im geplanten Projekt eine Kopplung an ein Simulationstool zur Lösung eines inversen Wärmeleitungsproblems stattfinden. Mit diesem bereits vorhandenen Simulationstool ist es möglich, aus einem vorgegebenen Temperaturprofil die zur Realisierung benötigte LDV abzuleiten. Mit dieser Kopplung soll untersucht werden, inwieweit eine Anpassung der Phasenmaske bzgl. einer Optimierung des erzielten Temperaturprofils (statt der LDV) eine zusätzliche Steigerung der Funktionalität aus LCoS und Verstärker ermöglicht.Indem diese drei Fragestellungen bearbeitet werden, wird der erfolgreichen Umsetzung einer anwendungsangepassten, präzisen und dynamischen Strahlformung bei hohen Leistungen deutlich nähergekommen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen