Entwicklung und Analyse des plasmaunterstützten Laserstrahlschmelzschneidens
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Forschungsvorhaben wurde das Potenzial des plasmagestützten Laserschmelzscheidens zum Trennen metallischer Werkstoffe untersucht. In Abgrenzung zu früheren Arbeiten anderer Forschungsgruppen wurde hierbei erstmals ein nichtübertragener Plasmastrahl in Kombination mit einem Laserstrahl genutzt, um – wie beim konventionell durchgeführten Laserschneidprozess auch – eine Funktionstrennung der involvierten Teilprozesse des Aufschmelzens und des Austreibens der Schmelze zu erreichen: Während der Laserstrahl den Werkstoff entlang der Schneidfuge aufschmilzt, ist die Funktion des Plasmastrahls auf den Austrieb des geschmolzenen Werkstoffes aus dem Schnittspalt ausgerichtet. Dadurch sollte es ermöglicht werden, die Vorteile eines fokussierten Laserstrahls zur Generierung schmaler Schnittspalte mit nahezu planparallelen Schnittflanken mit den Vorteilen des Plasmaschneidens mit geringen Schnittkantenrauheiten und moderatem Gasverbrauch synergetisch zu verknüpfen. Motiviert wurden die Arbeiten durch theoretische Vorüberlegungen, in denen argumentiert wurde, dass – im Vergleich zum konventionell genutzten Kaltgas – infolge einer erhöhten dynamischen Viskosität und einer reduzierten Dichte des Plasmastrahls prinzipiell Verfahrensvorteile durch (i) einen effizienteren Schmelzaustrieb, (ii) eine reduzierte Kantenrauheit durch Laminarisierung der Schnittspaltströmung und ein (iii) deutlich reduzierter Gasverbrauch erwartet werden können. Zur Validierung der Arbeitshypothesen und zur Klärung der abgeleiteten Forschungsfragen wurden verschiedene Versuchsaufbauten realisiert, mit denen das Potenzial des plasmagestützten Laserstrahlschneidens untersucht werden konnte. Erste Versuchsserien mit einem nichtkoaxialen sequentiellen Aufbau erwiesen sich hierbei als vielversprechend und ermöglichten in einem Druckbereich von 2 bis 4 bar gute Schneidergebnisse trotz eines geometrisch bedingten relativ großen Abstandes zwischen der laserinduzierten Schneidfront und des für die Plasmagenerierung konzipierten Plasmabrenners. So wurden in 6 mm dicken Proben aus korrosionsbeständigem Stahl 1.4301 nahezu gratfreie Schnitte bei einem deutlich reduzierten Gasverbrauch im Vergleich zum konventionellen Schnitt hergestellt. Weiterführende Untersuchungen mit einer koaxialen Anordnung von Laser- und Plasmastrahl sowie einem modifizierten Plasmabrenner in serieller Anordnung konnten jedoch die ursprünglich erwarteten Verfahrensvorteile bezüglich einer verbesserten Schnittkantenqualität abschließend nicht verifizieren. Eine mögliche Ursache identifizierten theoretische Simulationsmodelle. Diese lassen darauf schließen, dass die angestrebten Plasmatemperaturen von 10000 K im Bereich des Schnittspaltes mit den getesteten Designansätzen nicht erreicht werden können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Numerical study of a plasma jet for plasma-assisted laser cutting, 75th IIW Annual Assembly and International Conference, July 17-22, Tokio (Japan)
S. Manzke, F. Urlau, M. Krümmer, U. Füssel, A. Mahrle & C. Leyens
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Numerical study of a plasma jet for plasma-assisted laser cutting. Welding in the World, 67(7), 1667-1677.
Manzke, Sebastian; Krümmer, Moritz; Urlau, Franz; Mahrle, Achim; Füssel, Uwe & Leyens, Christoph
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Numerische Simulation des plasmaunterstützten Laserschneidens, XI. Dresdner Fügetechnisches Kolloquium, 4.-5. Oktober 2023, Dresden
S. Manzke
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Plasma-assisted laser cutting of stainless steel: An analysis of a first prototypical setup, Proc. of the Int. Conference on Lasers in Manufacturing (LIM 2023), Munich (Germany), Wissenschaftliche Gesellschaft Lasertechnik e.V., Paper (10 pp) and Presentation (Open Access)
F. Urlau, A. Mahrle, S. Manzke, M. Krümmer, C. Leyens & U. Füssel
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Numerische Simulation einer Plasmadüse für das plasmaunterstützte Laserschneiden, Ehrenkolloquium zum 75. Geburtstag von Prof. Dr.-Ing. habil. Ulrich Groß, 21. Januar 2025 (Online)
S. Manzke
