Prozessnahe Charakterisierung der Temperaturfeld- und Abtragsveränderung bei der laser-chemischen Bearbeitung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Andreas Fischer; Dr.-Ing. Tim Radel, seit 10/2021
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 451385285

Die laserchemische Materialbearbeitung (Laser Chemical Machining, LCM), eine Weiterent-wicklung des elektrochemischen Verfahrens, basiert auf der laserinduzierten anodischen Ma-terialauflösung an der Grenzfläche Werkstückoberfläche-Elektrolyt. Es zeichnet sich durch seine Flexibilität und Vielfalt, seinen schonenden und rückstandsfreien Abtrag, sowie seine geringe thermische Belastung des Werkstücks aus. Im Vergleich zu anderen Mikroferti-gungsverfahren bspw. dem Mikrofräsen erreicht es eine höhere Abtragsqualität bezüglich der Formgenauigkeit bei spitzen Kantenwinkeln und kleinen Kantenradien. Jedoch ist die Fertigungsgeschw. bei LCM geringer als bei vergleichbaren Verfahren, insbesondere weil Störeffekte wie das Elektrolytsieden das laserchemische Prozessfenster und die damit verbundene Abtragsrate stark beschränken. Bisher sind Oberflächentemperatur und Abtragsgeometrie mit gängigen Messverfahren nicht während der Fertigung messbar sind. Deshalb ist aktuell weder ein Verlassen des Prozessfensters während der Fertigung detektierbar, noch eine Prozessmodellierung zur Vorhersage der optimalen Prozess- und Bearbeitungsparameter oder eine Anpassung auf anderen Materialien möglich. Das Ziel des Vorhabens ist daher, das Prozessverständnis der laserchemischen Bearbeitung zu erhöhen und den LCM-Prozess zu modellieren, sodass eine höhere Abtragsrate ermöglicht und dabei die Abtragsqualität gesteigert wird. Um die Siedeblasenbildung und Abtragsstörungen während der laserchemischen Bearbeitung zu reduzieren wird dazu eine Variation der Elektrolytviskosität und eine zeitliche Modulation der Laserstrahlung betrachtet. Da aktuell nur ein vereinfachtes Temperaturmodell existiert, das Viskosität und Modulation jedoch nicht berücksichtigt, ist die Erweiterung bezüglich dieser Größen vorgesehen. Außerdem werden erstmals explizit die Siedeblasen und der Materialabtrag modelliert wobei der Einfluss von Viskosität und Modulation ebenfalls berücksichtigt wird. Die Erarbeitung von Temperatur-, Siedeblasen- und Abtragsmodell erfolgt insbesondere mit Hilfe prozessnaher Messungen der Werkstückoberflächentemperatur, der Siedeblasen und der Werkstückgeometrie während der Bearbeitung in der Abtragszone. Eine geeignete prozessnahe Messtechnik ist wegen der Komplexität der laserchemischen Bearbeitung in Hinblick auf die fluid-, thermo- und chemo-dynamischen Mechanismen essentiell für das Prozessverständnis und die Validierung der Modelle. Aus diesem Grund wird in diesem Vorhaben auf die prozessnahe Anwendung im LCM-Prozess angepasste, fluoreszenzbasierte Messtechnik erarbeitet und für die prozessnahe Messung während des laserchemischen Abtrags validiert. Auf Basis der messtechnisch gestützten Modellierung des LCM-Prozesses und des dadurch erhöhten Prozessverständnisses kann das Prozessfenster schließlich auch an andere Materialien angepasst werden und eine präzise Vorhersage der in Abhängigkeit der Prozessparameter erreichbaren Abtragsqualität und Abtragsrate erfolgen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Frank Vollertsen, bis 10/2021