Dynamische Strahlmodulation zur Optimierung industrieller Laserprozesse (FastShape)

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Graf
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 426328417

Zwei schwierige Prozesse der Lasermaterialbearbeitung mit effizienten Festkörperlasern (bei einer Wellenlänge von ca. 1 µm) stehen im Fokus dieses Projektes: Einerseits ist das Schmelzschneiden von Stahlblechen mit Dicken von 8-20 mm mit guter Qualität mit effizienten Festkörperlasern schon lange ein Wunsch vieler industrieller Anwender. Andererseits erfordert der Umstieg auf Elektromobilität qualitativ hochwertige und effiziente Fügeprozesse von Elektro-Kupfer Blechen mit Dicken im Bereich von 0,5-3 mm. Sowohl beim Laserschneiden von dicken Stahlblechen als auch beim Laserschweißen von Kupfer mit Festkörperlasern treten bislang noch Prozessinstabilitäten auf, die zu massiven Defiziten bezüglich der Qualität und der Performance führen, wodurch eine breite industrielle Umsetzung dieser Anwendungen bislang noch gehemmt wird.Grundlegende Untersuchungen am IFSW haben bereits gezeigt, dass sich über die Beeinflussung der Geometrie der Wechselwirkungszone (WW-Zone) des Lasers mit dem Material diese Instabilitäten unterdrücken lassen und eine Optimierung der Bearbeitungsergebnisse erreicht werden kann. Dies wurde experimentell mit der in Europa einzigartigen Röntgenanlage des IFSW verifiziert. Mit der Röntgentechnik sowie einem IFSW-eigenen Polarisations-Goniometer lässt sich die Geometrie der WW-Zone während der Bearbeitung erfassen und darstellen.Am IWS wurde in empirischen Studien nachgewiesen, dass für Schneid- und Schweißprozesse durch Nutzung einer dynamischen Strahlmodulation eine deutlich verbesserte Qualität und Performance erzielt werden kann. Dynamische Strahlmodulation im hier gebrauchten systemtechnischen Sinne beinhaltet insbesondere die schnelle zeitliche und räumliche Auslenkung eines Laserstrahls bezüglich seiner statischen und in Relation zum bearbeiteten Werkstoff entsprechend der Bearbeitungsgeschwindigkeit bewegten Propagationsachse sowie bei Bedarf einer positionsabhängigen hochfrequenten Leistungsregelung.Im geplanten Forschungsvorhaben sollen die physikalischen Wirkmechanismen der dynamischen Strahlmodulation auf die Geometrie der WW-Zone und das daraus resultierende Prozessergebnis identifiziert werden, um die am IWS genutzten Methoden der dynamischen Strahlmodulation mit Hilfe der am IFSW entwickelten Diagnostiktechniken für die Umsetzung an den beispielhaften Anwendungen der Kooperationspartner anzupassen und zu optimieren. Ziel dabei ist die Geometrie der WW-Zone aktiv und reproduzierbar für die gegebenen Anwendungsfälle einstellen zu können und somit eine gesteigerte Qualität und Performance der spezifizierten beispielhaften Anwendungen des Schneidens und Schweißens demonstrieren zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen (Transferprojekt)
• Anwendungspartner: TRUMPF Werkzeugmaschinen GmbH + Co. KG; Robert Bosch GmbH; Zentralbereich Forschung und Entwicklung
• Kooperationspartner: Professor Dr.-Ing. Christoph Leyens