Thermal drift in laser cutting of metallic mesh structures

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Frank Vollertsen
• Subject Area: Production Automation and Assembly Technology ; Synthesis and Properties of Functional Materials
• Term: from 2019 to 2023
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 424264718

• Final Report Year: 2023

Final Report Abstract

Ziel des Projektes war die Erarbeitung der wissenschaftlichen und technischen Grundlagen, um Gitter mit Aussparungen im Bereich von 500 µm mit einer Transmission von über 70% in weniger als 1 s pro Aussparung herzustellen. Dieses Ziel wurde erreicht, wobei Transmissionsgrade von 83,5 % bei einer Prozessdauer von 0,9 s pro Aussparung realisiert wurden. Zur Erreichung des Ziels wurde aus experimentellen Daten und thermischen Berechnungen eine allgemeingültige Strategie zur Laserbearbeitung von Gittern mit möglichst dünnen Stegen bei hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten abgeleitet. Thermisch bedingtes Knicken, welches sich mittels Eulerfall 2 beschreiben lässt, wurde als Versagensmechanismus der Stege identifiziert, wobei sich über die Steifigkeit und den Temperaturdifferenz die minimale Stegbreite ergibt. Dieser Versagensmechanismus tritt bei Aluminium und Stahl auf, wobei bei Aluminium dünnere Stege verglichen mit Stahl erzeugt werden können. Dies ist auf die geringere Temperaturerhöhung bei Aluminium zurückzuführen. Zur Erreichung hoher Transmissionsgrade müssen bei der Schneidstrategie einzelner Butzen die Start- und Endpunkte derart gewählt werden, sodass Imperfektionen an den Stegen, wie beispielsweise Einschnürungen an den Kontenpunkten, lokale Verdickungen und Stegverformungen vermieden werden. Es konnte gezeigt werden, dass hierfür die Start- und Endpunkte nicht an den Stegen und Knotenpunkten liegen dürfen. Die Reihenfolge, in der die Butzen nacheinander ausgeschnitten werden, lässt sich mathematisch als Optimierungsproblem beschreiben, aus dem je nach gewählten Nebenbedingungen unterschiedliche Schneidstrategien resultieren. Die gefertigten Netze aus Aluminium EN AW-1050 erreichen ein maximales Grenzziehverhältnis von 2,8 beim Tiefziehen und Versagen im 45° Winkel zur Walzausrichtung.

Publications

• UKP-laserbasierte Herstellung von Netzen unterschiedlicher Transmissionsgrade/USP-laser based production of meshes of different transmission degrees. wt Werkstattstechnik online, 110(11-12), 787-789.
  Simons, Marcel; Rusche, Till; Valentino, Tobias; Radel, Tim & Vollertsen, Frank
  
• Cut edge quality in laser ablation of micrometer-scale grating structures. Proc. of Lasers in Manufacturing Conference 2021 (LiM 2021). German Scientific Laser Society/Wissenschaftliche Gesellschaft Lasertechnik e.V. (WLT e.V.) online
  Zilm, M. & Radel, T.
  
• 3D-Präzisionsgitter mit minimalen Stegbreiten. Mikroproduktion 4 (2023), 36-37
  Stephen, A.; Valentino, T.; Radel, T. & Vollertsen, F.