Steigerung der Prozesseffizienz der laserchemischen Bearbeitung durch Vermeidung der gasblasenbedingten Abtragstörungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Frank Vollertsen
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 403820352

Die laserchemische Materialbearbeitung (LCM) ist eine Weiterentwicklung der elektrochemischen Verfahren, welche auf der laserinduzierten anodischen Materialauflösung an der Grenzfläche Werkstückoberfläche-Elektrolyt basiert. Dabei zeichnet sich das LCM-Verfahren durch seine Flexibilität und Vielfalt, seinen schonenden und rückstandsfreien Abtrag sowie seine geringe thermische Belastung des Werkstücks aus. Bei der Wahl geeigneter Werkstoff-Elektrolyt-Kombinationen und Energieeinträgen können Strukturbreiten < 50 µm und Oberflächenrauheiten von bis zu 0.1 μm erzielt werden. Allerdings liegt der Nachteil dieses Verfahrens bisher in der geringen Bearbeitungsgeschwindigkeit (< 1·e-2 mm3/min), welche ein Hemmnis für eine industrielle Anwendung darstellt. Dies ist dadurch bedingt, dass die rein laserchemische Bearbeitung in einem stark begrenzten Prozessfenster erfolgt, welches durch die schnelle Erreichung des Elektrolytsiedepunkts limitiert ist. Durch hohe induzierte Oberflächentemperaturen bilden sich verstärkt Siedeblasen aus, welche einen abschirmenden Effekt in der Wechselwirkungszone ausüben und so zu einer Störung des Materialabtrags führen.Ziel dieses Projektes ist es, die Prozesseffizienz und -qualität des laserchemischen Abtrags weiter zu steigern. Um die limitierende Wirkung der Gasblasenbildung zu vermeiden, soll der Prozess unter höheren Umgebungsdrücken erfolgen. Dabei wird angenommen, dass die Erhöhung des Elektrolytsiedepunkts als Folge eines steigenden Druckes zu einer Reduzierung der Gasblasengröße sowie einem Anstieg der Abtragsraten führt, wodurch das Prozessfenster für einen störungsfreien laserchemischen Abtrag erweitert wird.Dazu soll zunächst für die sichere Prozessführung bei hohen Drücken eine geeignete Prozesszelle aufgebaut werden. In Abhängigkeit der prozessrelevanten Parameter, u.a. des eingestellten Druckes, sollen dann die Eigenschaften des laserchemischen Abtrags bezogen auf Abtragstiefe, -breite und Oberflächenqualität charakterisiert werden. Darüber hinaus sollen die druckabhängigen Prozessfenster, innerhalb denen ein störungsfreier Abtrag reproduzierbar realisiert werden kann, definiert werden. Zum besseren Verständnis der Abtragsmechanismen sollen zudem die temperaturbedingten Übergänge der Siederegime sowie die Wechselwirkungszone mit/ohne Laserstrahleinwirkung visualisiert werden. Dabei sollen die Zusammenhänge zwischen siedebedingten Eigenschaften und resultierenden Abtragstörungen aufgezeigt und geklärt werden. Aus den zu gewinnenden Erkenntnissen soll eine modellhafte Beschreibung der laserchemischen Abtragsmechanismen gebildet und validert werden. Als Grundlage hierfür soll die Bestimmung der induzierten Temperaturfelder an der Werkstückoberfläche und deren direkter Korrelation mit den resultierenden Abtragsgeometrien dienen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen