Diagnose und Simulation thermischer und fluidmechanischer Wirkungen der Gas- und Dampfphase beim Laserstrahlbohren

• Antragsteller: Professor Dr. Wolfgang Schulz
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung von 2009 bis 2012
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 150325495

Beim Laserstrahlbohren sind der Austrieb von Schmelze, die Strahlungsausbreitung der eingekoppelten Laserstrahlung und die Energie-Einkopplung innerhalb der Bohrung maßgeblich durch den Einfluss der gasförmigen Phase abhängig. Einige dieser Einflüsse, z. B. die antreibende Wirkung eines eingesetzten Prozessgases, haben eine noch unbekannte Größenordnung oder sind bisher nicht systematisch untersucht worden. Die Wirkung von Strahlformung und Prozessgasen auf das Bohren ist aus empirischen Untersuchungen zwar bekannt, kann jedoch wegen des mangelnden Verständnisses weder zum gezielten Einsatz verfügbarer Laser bzw. deren Kopplung noch zur Entwicklung neuer Lasersysteme angewandt werden. Das Modell zum Laserstrahlbohren wird um die Mechanismen und Wirkungen der Gas- und Dampfphase, die für die Strahlausbreitung, die Energie-Einkopplung und den Schmelzaustrieb relevant sind, erweitert. Hierzu werden die thermischen und fluid-mechanischen Wirkungen und der Kopplung von Prozessgasströmung, Dampf, Plasma und Strahlung beim Bohren mit Laserstrahlung untersucht. Die Größenordnung dieser Wirkungen wird in Abhängigkeit von den Prozess- und Verfahrensparametern angegeben, wobei insbesondere die zeitliche und räumliche Strahlform sowie die Eigenschaften der Prozessgasströmung berücksichtigt werden. Dazu werden bewährte und neue experimentelle Diagnose-Verfahren sowie moderne numerische Methoden zur Simulation der kontinuumsphysikalischen Phänomene angewandt und erweitert. Die Diagnose umfasst dabei bildgebende Verfahren wie die Thermographie und Hochgeschwindigkeits-Fotographie, metallurgische Untersuchungen, spezielle Verfahren zur Probenpräparation sowie spektroskopische Untersuchungen. Die Ergebnisse der Diagnose leiten die Modellbildung und die numerische Simulation, welche Methoden (insbesondere finite Methoden wie FDM, FEM, FVM aber auch gitterfreie Verfahren wie das Raytracing) zur Lösung freier Randwertaufgaben anwendet. Durch Anwendung von Diagnoseverfahren zur Modellbildung wird ein besseres Verständnis erarbeitet, mit dem eine Aufteilung des Raums der Verfahrensparameter in verschiedene Prozessdomänen erfolgt. Die Kenntnis der Prozessdomänen, die wesentlich von Einflüssen aus der Gasphase (Massen-, Impuls-, Energieübertrag) abhängen, erlaubt die gezielte Auswahl der Parameter des Bohrens, um die erreichbaren Kriterien der Qualität (z. B. Recast, Bohrungsform) und der Produktivität anzugeben und sicher einzustellen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Person: Professor Dr.-Ing. Ingomar Kelbassa