Hochleistungs-fs-Lasersystem
Final Report Abstract
Durch das bewilligte Großgerät konnten einige wichtige Erkenntnisse bezüglich der Skalierung hochpräziser Materialbearbeitung mit ultrakurz gepulster (UKP-) Laserstrahlung auf große mittlere Leistungen gewonnen werden. In grundlegenden Projekten wurden und werden die limitierenden Effekte bei der Leistungsskalierung untersucht und quantifiziert. Dies sind vor allem thermische Effekte durch die große mittleren Leistung (sogenannte Wärmeakkumulation) und abschirmende Effekte durch kurze zeitliche Abstände zwischen aufeinanderfolgenden Laserpulsen. Experimentelle Arbeiten bestätigten die hohe Relevanz dieser beiden Effekte, die bei einer Leistungsskalierung unbedingt berücksichtigt werden müssen. Auf Basis experimenteller Arbeiten wurde ein Modell entwickelt, dass den Einfluss dieser beiden Effekte auf die Produktivität und Bearbeitungsqualität beschreibt und vorhersagt. Mit dem so entwickelten Prozessverständnis konnte die Skalierung von hochqualitativer UKP- Materialbearbeitung auf Leistungen von mehreren 100 W demonstriert werden. Durch den Einsatz der Hochleistungsstrahlquelle in Verbindung mit einem Polygonscanner zur schnellen Strahlablenkung konnte für den Prozess der Oberflächenstrukturierung so eine Volumenabtragrate von mehr als 30 mm³/min erzielt werden, was einer Verbesserung um einen Faktor von 30 bis 60 gegenüber etablierten UKP-Prozessen entspricht. Im Rahmen eines öffentlich geförderten Projektes zur Einbringung von Kühlluftbohrungen für Turbomaschinen wurde mit dem System ein hybrides Laserstrahlbohrverfahren entwickelt, mit dem hochpräzise Bohrungen mit hoher Produktivität und ohne Erzeugung störender Schmelzfilme möglich sind. Im Bereich der Bearbeitung von Faserverbundstoffen, zeigte sich ein sehr hohes Anwendungspotential für Hochleistungs-UKP-Laser. Durch Entwicklung geeigneter Prozessstrategien zur Vermeidung ausgeprägter Thermik, können CFK-Preforms äußerst schnell und präzise bearbeitet werden. Mechanische Tests an bearbeiteten Proben unterstreichen hierbei die gute Bearbeitungsqualität. Für die Bearbeitung technischer Keramiken wurde beobachtet, dass sich diese mittels Hochleistungs-UKP-Laserstrahlung nicht nur hochqualitativ, sondern auch extrem effizient bearbeiten lassen. Für die Bearbeitung transparenter Werkstoffe wurde die Energieeinbringung in Abhängigkeit relevanter Prozessparameter grundlegend untersucht. Mittels geeigneter Strahlformung konnte durch Einsatz des hoch repetierenden Lasersystems zu dem das sogenannte „non-ablative“ Trennen transparenter Werkstoffe untersucht und demonstriert werden.
Publications
- Drilling of holes for force transmission elements in CFRP-preforms via ultra-short pulse laser radiation LAMP 2015, (7 S.) (2015)
Janssen, S., Fögen, N., Kelbassa, I., Cetin, M.: Oppitz, S.
- “Comparison between PS and µS-laser radiation for drilling holes for force transmission elements in CFRP-preforms” ICALEO 2015, Paper 1701 (10 S.) (2015)
Janssen, S., Reinelt, S., Kelbassa, I., Oppitz, S., Cetin, M.
(See online at https://dx.doi.org/10.2351/1.5063226) - “Hybrid laser drilling of cooling holes by using millisecond pulsed fiber laser radiation and ultrashort pulsed laser radiation” ICALEO 2015. Paper 2008 (8 S.) (2015)
Uchtmann, H., Kürschner, D., Kelbassa, I.
(See online at https://doi.org/10.2351/1.5063244) - “Hybrid laser drilling of cooling holes by using millisecond pulsed fiber laser radiation and ultrashort pulsed laser radiation” LAMP 2015, (7 S.)(2015)
Uchtmann, H., Kuerschner, D., Kelbassa, I.
- „High power ultra-short pulse laser ablation of IN718 using high repetition rates“, Journal of Materials Processing Technology 226 (2015)
Finger, J., Kalupka,C., Reininghaus, M.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2015.07.014) - “High precision and high aspect ratio laser drilling: challenges and solutions” Proc. SPIE 9741 (12 S.) (2016)
Uchtmann, H., He, C., Gillner, A.
(See online at https://doi.org/10.1117/12.2222662) - „The Role of Pulse to Pulse Interactions During USP-Laser Ablation with High Average Power and Repetition Rates” ICALEO 2016, Paper M303 (6 S) (2016)
Finger, J., Kalupka, C., Nottrodt, O.
