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

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Andreas Fischer; Dr.-Ing. Tim Radel, seit 10/2021
• Fachliche Zuordnung: Fügetechnik und Trenntechnik
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 451385285

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Erkenntnisse aus den Untersuchungen zur prozessnahen Charakterisierung der laserchemischen Bearbeitung lassen sich wie folgt zusammenfassen: Die indirekte fluoreszenzbasierte Messtechnik zur Erfassung der Werkstückoberfläche konnte erfolgreich in-situ mit einer gepulsten Laserquelle etabliert werden und flächenhaft die Topografie von laserchemisch bearbeitenden Strukturen innerhalb der Ätzzelle mit einem strömenden Fluid erfassen, selbst in der Anwesenheit von strömenden Luftblasen. An den Rändern der bearbeiteten Kavität traten jedoch bei der Geometriemessung systematische Messabweichungen auf, die eine Überarbeitung des Signalmodells erfordern. - Mit dem gleichen optischen Pfad für die Geometriemessung konnte validiert werden, dass sich über die Fluoreszenzlebensdauer die Temperatur der strömenden Elektrolytlösung präzise innerhalb der LCM-Umgebung erfassen lässt, mit einer Standardabweichung von 1°C und einer systematischen Messabweichung von 1,4°C. - Die örtliche Frequenz der Abtragskavität entspricht der örtlichen Frequenz der modulierten Laserleistung bis zur maximalen Grenzfrequenz. Die Abtragstiefe ist konstant, wenn die eingestellte Frequenz der Laserleistung die maximale Grenzfrequenz überschreitet. - Die chemische Laserbearbeitung mit modulierter Laserleistung bei einer Frequenz unterhalb der Grenzfrequenz ermöglicht die Erzeugung komplexer 3-D Oberflächenstrukturen, deren Eigenschaften durch Variation der Frequenz und der Phasenwinkel verändert werden können. Hiermit können unter anderem anisotrope Benetzungseigenschaften erzeugt werden. - Durch eine Erhöhung der Elektrolytviskosität wird das laserchemische Prozessfenster und einhergehend die Obergrenzen der Abtragsraten reduziert. Bei hohen Elektrolytviskositäten wurde eine bisher nicht beobachtete halbkreisförmige Kavitätsgeometrie festgestellt, welche auf den abschirmenden Effekt der Siedeblasen hindeutet.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Influence of electrolyte concentration on laser chemical machining. Proceedings of the 12th Laser Applications Forum (LAF’22), Bremen, 23.-24.11.2022.In: Strahltechnik Band 76, eds. T. Seefeld, T. Radel, T. Mattulat, BIAS Verlag Bremen, S. 32-35, 2022
  M. Simons & T. Radel
  
• Laser chemical machining with additive-increased electrolyte viscosity. Proceedings of the 23rd International Symposium on Laser Precision Microfabrication (LPM 2022), Dresden, 7.-10.6.2022
  M. Simons & T. Radel
  
• Near-process indirect surface characterization of laser-chemically produced removal contours. EPJ Web of Conferences, 266, 10011.
  Mikulewitsch, Merlin; Stöbener, Dirk & Fischer, Andreas
  
• Prozessnahe indirekte Oberflächencharakterisierung von laserchemisch gefertigten Abtragskonturen. tm - Technisches Messen, 89(s1), 37-42.
  Mikulewitsch, Merlin; Stöbener, Dirk & Fischer, Andreas
  
• Fluorescence-based measurements of material removal and process temperature during laser chemical machining. 23th International Conference & Exhibition of the European Society for Precision Engineering and Nanotechnology (euspen), Copenhagen, Denmark, 12.-16.6.2023, pp. 389-390
  D. Stöbener, M. Mikulewitsch & A. Fischer
  
• P30 - Near-process Indirect Surface Geometry and Temperature Measurement for Laser Chemical Machining (LCM). Poster, 338-339. AMA Service GmbH, Von-Münchhausen-Str. 49, 31515 Wunstorf, Germany.
  Mikulewitsch, M.; Bouraoui, Y.; Radel, T.; Stöbener, D. & Fischer, A.
  
• Laser power modulation between disturbed and undisturbed material removal regime in laser chemical processing. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 135(7-8), 3983-3989.
  Lu, Yang; Bouraoui, Yasmine; Niehaves, Claudia; Fischer, Andreas & Radel, Tim
  
• Material removal in laser chemical processing with modulated laser power. Journal of Laser Applications, 36(1).
  Bouraoui, Yasmine; Rathmann, Lewin; Niehaves, Claudia; Mikulewitsch, Merlin; Fischer, Andreas & Radel, Tim
  
• Complex 3D surface structuring by means of laser chemical machining with modulated laser power. Journal of Laser Applications, 37(1).
  Bouraoui, Yasmine; Rathmann, Lewin; Lu, Yang; Niehaves, Claudia; Fischer, Andreas & Radel, Tim
  
• Fluorescence-Based Measurement of Workpiece Geometry and Temperature in Laser Chemical Machining. Nanomanufacturing and Metrology, 8(1).
  Niehaves, Claudia; Tausendfreund, Andreas; Bouraoui, Yasmine; Lu, Yang; Radel, Tim & Fischer, Andreas