Hochgeschwindigkeitsumformung durch laserinduzierte Schockwellen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im bearbeiteten Projekt wurden die prozesstechnischen Grundlagen des neuen Verfahrens des Hochgeschwindigkeitsumformens durch laserinduzierte Schockwellen charakterisiert sowie die Grundlagen zur Prozessgestaltung ermittelt und so ein Überblick über Grundlagen des Umformens durch laserinduzierte Schockwellen geschaffen. Als wichtiger, einflussnehmender Prozessparameter stand der Druck der Schockwelle zunächst im Vordergrund. Hier zeigen sich Druckmaxima im Bereich von 8 bis 20 MPa. Insgesamt ist der Prozess Laserschockumformen bisher auf Aluminium, Kupfer und austenitischen Stahl (s0 = 25 µm) beschränkt. Durch einen konisch geformten Niederhalter, der die Ausbreitung der Welle einschränkt, lässt sich der Druck weiter erhöhen. Es wurde eine Abhängigkeit der erzielbaren Werkstückform und der Niederhaltergeometrie ermittelt und gezeigt, dass man durch einen Niederhalter mit kleinem Bohrungsdurchmesser und geringer Höhe eine konische Form statt einer Kugelform erzeugt. Der Grund für dieses Verhalten liegt vorwiegend in der Abhängigkeit der Beschleunigung zur Probemitte hin. Bei längerer Druckeinwirkzeit wird das seitliche Material nachgeholt und es bildet sich eine Kugelform. Neben dem Druckmaximum sind daher weitere ausschlaggebende Parameter für eine maximale Umformtiefe zu berücksichtigen. Das Laserschockumformen wurde anhand des freien und des formgebundenen Laserschockumformens untersucht. Es konnte ermittelt werden, dass dem Prozessfenster der freien Umformung beim Laserschocktiefziehen durch den Fehler „einseitiger Einzug“ eine Grenze aufgezeigt wird, während die formgebundene Umformung und der Prozess selber eine hohe Stabilität aufweisen. Bei der formgebundenen Umformung können Bauteile mit einer exzentrischen Positionierung der Probe von bis zu 100 µm fehlerfrei gefertigt werden. Aufgrund der konstanten Druckwerte für eine Fokusposition über 0 mm ist eine Korrektur der Fokuslage während eines Tiefziehprozesses mit mehreren Pulsen nicht notwendig, wenn sich die Oberfläche in der Startphase oberhalb des Fokus befindet. Bei der Umformung durch laserinduzierte Schockwellen im geschlossenen Werkzeug wurde festgestellt, dass es zu einem Rückstoßeffekt bei der Umformung der Folie kommt, welcher sich in einer Ausbeulung des Werkstückbodens widerspiegelt. Es konnte gezeigt werden, dass primär Effekte des (teil-)elastischen Stoßes die Stärke der Ausprägung der Ausbeulung beeinflussen. Die Abbildegenauigkeit kann hier durch eine zentrale Bohrung im Matrizenboden, an der die Proben während der Umformung durch Ansaugen fixiert werden, verbessert werden. Das Ansaugen erfolgt ohne zusätzliches plastisches Umformen der Probe. Einerseits ergibt sich durch diese Bohrung im Werkzeug eine minimale Fehlstelle im Werkstückboden, andererseits ermöglicht dieses Vorgehen jedoch das Ausbilden der gewünschten Form. So wurde ein entsprechendes Werkzeugkonzept für die formgebundene Umformung aufgestellt und umgesetzt. Auf Basis dieser Werkzeuganpassung konnten im Rahmen des Projekts Eckradien von bis zu 0.4 mm im vorgegebenen Gesenk reproduzierbar hergestellt werden. Im Bereich der Herstellung von Hinterschneidungen konnten erfolgreich Hinterschneidungstiefen von bis zu 85 µm bei 50 µm dicken Aluminium-Folien realisiert werden. Damit konnte das große Potential für weiterführende Untersuchungen z.B. im Bereich der Fügetechnik im Mikrobereich aufgezeigt werden. Der Einsatz des Lasers als Werkzeug und seine einfache Handhabung für eine schnelle Umformung unter industriellen Bedingungen und eine Reduzierung an Werkzeugkomponenten erhöhen die Prozesssicherheit. Die Ergebnisse der aufgestellten Prozessfenster, der ermittelten notwendigen Positioniergenauigkeit und der Untersuchungen zum Einfluss der Fokuslage auf den Druckstoß spiegeln eine hohe Prozessstabilität des Laserschockumformens wider. In Kombination mit der Möglichkeit der hohen Taktzahlen zeigen die erzielten Erkenntnisse, dass das Hochgeschwindigkeitsumformen durch laserinduzierte Schockwellen für die Herstellung von Mikrobauteilen geeignet ist. Die Ermittlung der Bauteileigenschaften zeigt des Weiteren keine Nachteile bezüglich der Qualität der Bauteile durch die Umformung mittels laserinduzierter Schockwelle.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Investigations of forming Behaviour in Laser Shock Deep Drawing, steel research international 80, No. 5, Düsseldorf (2009) 323 -328
Wielage, H.; Vollertsen, F.
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On the acting pressure in laser deep drawing, Production Engineering - Research and Development, 3/1 (2009) 1 - 8
Vollertsen, F.; Schulze Niehoff, H.; Wielage, H.
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Prevention of partial draw-in during high speed deep drawing, Key Engineering Materials Vols. 410-411, Trans Tech Publications, Switzerland, 2009, 571-578
Wielage, H.; Vollertsen, F.
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Advances in Micro Cold Forming, Proceedings of the 17th International Symposium on Plasticity & Its Current Applications: Macro to Nano-scale Inelastic Deformation and Failure of Materials & Multi-scale Modeling, 03.-08.Januar 2011, Puerto Vallarta, Mexico, ISBN: 0-9659463-1-2, NEAT PRESS, Fulton, USA (2011) 226-228
Vollertsen, F.; Wielage, H.
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Analysis of Fracture Behavior in Plastic Shaping by Laser Shock Forming, Proceedings International Conference on Technology of Plasticity (ICTP) 2011, September 25.-30. 2011, Aachen, Deutschland (2011) 1076-1080
Wielage, H.; Vollertsen, F.
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Classification of laser shock forming within the field of high speed forming processes, Journal of Materials Processing Technology 211 (2011) 953–957
Wielage, H.; Vollertsen, F.
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Influence of entrapped air in laser shock die forming on the work piece shape, Proceedings 8th International conference on industrial tools and material processing technologies, ICIT&MPT2011, Okt. 3-5 2011, Ljubljana, Slowenien (2011) 201-204
Wielage, H.; Vollertsen, F.
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Undercuts by Laser Shock Forming, The 14th International ESAFORM Conference on Material Forming, AIP Conf. Proc. 1353, American Institute of Physics, ISBN: 978-0-7354-0911-8 (2011) 1309-1312
Wielage, H; Vollertsen, F.
