Cutting by laser-induced shock waves

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Frank Vollertsen
• Subject Area: Production Automation and Assembly Technology ; Mechanical Properties of Metallic Materials and their Microstructural Origins
• Term: from 2016 to 2019
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 289438332

• Final Report Year: 2019

Final Report Abstract

Im Rahmen des Projektes wurde erstmals ausführlich das neuartige Verfahren Schneiden durch laserinduzierte Schockwellen untersucht. Das Verfahren besitzt zwei Prozessvarianten, das Lochen und das Ausschneiden, und weist ähnliche Charakteristika wie das Scherschneidens auf. Der entscheidende Unterschied im Vergleich zum konventionellen Scherschneiden liegt in der Art der Kraftübertragung und dem Trennvorgang. Die Kraftübertragung erfolgt für das neue Verfahren nicht mehr über einen Schneidstempel, sondern wirkmedienbasiert durch den Druckstoß einer laserinduzierten Schockwelle. Eine Limitierung der schneidbaren Foliendicken durch Schneidstempel-bedingten Toleranzen, wie insbesondere den Schneidspalt, entfällt dadurch komplett. Eine Grundvoraussetzung für das Schneiden dünner Folien durch laserinduzierte Schockwellen ist das Vorhandensein einer Schneidkante, die scharf in Relation zu der Foliendicke ist (Kantenradius << Foliendicke). Um dies zu gewährleisten wurden entsprechende Schneidmatrizen maßgefertigt. Das Polieren der Matrizenoberseite hat sich als einfaches aber wirkungsvolles Mittel zur Einstellung der Schneidkantenqualität erwiesen. Des Weiteren wurde der Einsatz von Druckzellen untersucht, um die Form des zeitlichen Druckverlaufes zu optimieren. Unter den gegebenen experimentellen Bedingungen hat sich dabei die Höhe des Maximaldruckes als entscheidender Parameter herausgestellt. Durch eine entsprechende Optimierung war es erstmals möglich ein Schneiden mit nur einem Puls zu realisieren. Mit dem entsprechend optimierten Werkzeugaufbau wurde das Lochen und Ausschneiden einfacher Geometrien untersucht. Dabei wurde ein Prozessfenster für das Lochen von Kreisen und Spalten aus Aluminiumfolien gewonnen. Die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf das Ausschneiden wurde an kreisförmigen Schnittgeometrien untersucht. Die erzielbaren Schnittqualitäten sind identisch und es liegen die gleichen Wirkzusammenhänge vor. In beiden Prozessvarianten erfolgt die Kraftaufbringung über die gesamte Fläche des Stanzbutzens. Die Übertragung der aufgebrachten Kräfte an die Schneidkante erfolgt durch Zugspannungen innerhalb des Stanzbutzens. Die Form und Geometrie des Stanzbutzens entscheidet damit über die Spannungsverteilung entlang des Schnittpfades. Daraus folgt, dass komplexere Schnittgeometrien eine Herausforderung für das Verfahren darstellen. Eine weitere Besonderheit des Verfahrens ist, dass die Schneidbarkeit einer Folie nicht nur von der Höhe der aufgebrachten Kraft sowie der Dicke und Festigkeit des Materials abhängt, sondern auch von seiner Korngröße. Dies hängt mit dem gegenüber dem Scherschneiden geänderten Trennverhalten zusammen, das weniger ein Abscheren und mehr ein lokales Versagen durch Einschürung ist. Für Korngrößen, die oberhalb der Dicke des Folienmaterials liegen, kommt es zu unvollständigen Schnitten durch ein Einreißen der Folie innerhalb des Stanzbutzens. Dies beleuchtet eine andere Grundvoraussetzung für das Verfahren: das Folienmaterial muss stabil genug sein, um beaufschlagte Kräfte auch übertragen zu können. Materialfehler, wie Bereiche, die aufgrund von anisotropen Materialverhalten leichter reißen als der Rest der Folie, schränken die Anwendbarkeit des Verfahrens ein. Eine verringerte Duktilität des Folienmaterials hat sich dagegen bei Versuchen an kaltverfestigten Aluminiumfolien sowie Messingfolien als vorteilhaft für die Schnittkantenqualität erwiesen, da es die Gratbildung minimiert. Anwendungspotenziale für das Schneiden mittels laserinduzierter Schockwellen ergeben sich insbesondere aus den hohen Prozessgeschwindigkeiten, welche durch das Schneiden mit nur einem Puls ermöglicht werden. Ein Einsatz für das Lochen oder Ausschneiden elementarer Geometrien im Hochdurchsatz ist denkbar.

Publications

• Schockwelle statt Schneidstempel. Mikroproduktion 01 (2018) 32-43
  Fenske, H; Vollertsen, F
  
• (2019). Laser shock punching: principle and influencing factors. Production Engineering
  Fenske, H., Vollertsen, F.
  
• Tailoring the pressure profile of TEA-CO₂ laser-induced shock waves for mechanical forming and separation processes, Lasers Manuf Mater Process (2019)
  H. Fenske; T. Czotscher