Bearbeitungssystem zur Untersuchung der Materialbearbeitung mit einem blau emittierenden Lasersystem

• Fachliche Zuordnung: Produktionstechnik
• Förderung: Förderung in 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 552212495

Das im Rahmen dieses Großgeräteantrags beantragte Bearbeitungssystem setzt sich aus einem Diodenlaser, welcher im blauen Wellenlängenbereich emittiert, einer Hochgeschwindigkeitskamera (HG-Kamera) und einem hochpräzisen Achssystem zusammen. Ziel des Vorhabens ist die Erarbeitung eines grundlegenden Verständnisses über die Wirkzusammenhänge bei der Materialbearbeitung mit blauer Laserstrahlung. Dies ist insbesondere vor dem Hintergrund des Kostenpotenzials von (blauen) Diodenlasern gegenüber (grünen) Scheibenlasern von enormer Bedeutung. Die HG-Kamera wird dabei zur zeitlich und räumlich hochaufgelösten Analyse der spezifischen Prozesscharakteristika (z. B. Schmelzbaddynamik, Ausbildung der Dampffackel, Spritzerbildung) in Abhängigkeit der applizierten Prozessstrategie genutzt. Das Achssystem dient wiederum zur exakten Positionierung und Bewegung des Werkstücks sowie dessen Ausrichtung im Bezug zur Bearbeitungsoptik und zur HG-Kamera. Dadurch kann die Region of Interest, deren Bereich abhängig vom zu untersuchenden Materialbearbeitungsprozess (z. B. Härten, Schweißen, Schneiden, Additive Fertigung) variiert, durch laterale Ausrich-tung der HG-Kamera im Bezug zum Laserstrahl angepasst werden. Aufgrund der erhöhten Absorption metallischer Werkstoffe bei kurzwelliger Laserstrahlung gilt es, die Zusammenhänge zwischen Energieeinkopplung und dem resultierenden Prozessergebnis zu verstehen. Dieser Vergleich wird unter Verwendung verschiedener Laserstrahlquellen mit unterschiedlichen Wellenlängen durchgeführt. Ein weiterer wesentlicher Einflussfaktor bei der Materialbearbeitung mit blauer Laserstrahlung ist die schlechtere Fokussierbarkeit im Vergleich zu infraroten und grünen Strahlquellen mit deutlich höherer Strahlqualität. Aus diesem Grund soll das Potenzial der beantragten Laserstrahlquelle für verschiedenste Lasermaterialbearbeitungsprozesse vor dem Hintergrund der Strahlqualität eruiert werden. So sollen beispielsweise kritische Schwellwerte für das Auftreten unterschiedlicher Prozess- und Fehlermechanismen (z. B. beim Wärmeleitschweißen oder Tiefschweißen) identifiziert und mit verschiedenen Kenngrößen (u. a. Strahldurchmesser, Intensitätsverteilung, Dimension der Schweißnaht) korreliert werden. Darauf aufbauend soll ein Verständnis über die Potenziale der Strahlformung mit blauer Laserstrahlung erarbeitet werden. Durch die lokale Modifikation des Energieeintrags in das Werkstück soll den Limitationen einer reduzierten Ausgangsstrahlqualität entgegengewirkt werden. Dafür werden verschiedene Ansätze zur Modifikation des Eingangsstrahls (diffraktive optische Elemente, deformierbare Spiegel) sowie deren Einfluss auf die Prozessqualität bei der Laser-materialbearbeitung (z. B. beim Laserstrahltiefschweißen) analysiert. Ziel ist es, durch die Etablierung von Strahlformungsansätzen für blaue Laserstrahlung eine ressourceneffiziente Materialbearbeitung zu ermöglichen und zeitgleich die bereits identifizierten Prozessgrenzen zu verschieben.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Bearbeitungssystem zur Untersuchung der Materialbearbeitung mit einem blau emittierenden Lasersystem
• Gerätegruppe: 5700 Festkörper-Laser
• Antragstellende Institution: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
• Leiter: Professor Dr.-Ing. Michael Schmidt