Untersuchung der Erzeugung lasergepulster hochdynamischer Reinwasserstrahlen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde ein hochpräziser Aufbau zur Kopplung eines gepulsten Laserstrahls mit einem Wasserstrahl entwickelt und gefertigt, der es erlaubt, dem Wasserstrahl gezielt eine dynamische Komponente hinzuzufügen. Dieser dynamische (gepulste) Wasserstrahl weist gegenüber einem nicht gepulsten Strahl eine nahezu 10fach höhere Materialabtragrate gegenüber einem Aluminium-Werkstoff (3.2315) auf. Des Weiteren wurden Vorrichtungen zur Ultrakurzzeit-Belichtungs-Fotografie entworfen und hergestellt, die eine Prozessbeobachtung mit einer zeitlichen Auflösung von 5 ns (Belichtung) bzw. 1 ns (Einstellbarkeit des Aufnahmezeitpunkts durch den Delay Generator) erlauben. Über entsprechende mechanische Verstelleinrichtungen ist eine Ausrichtung der Einzelkomponenten mit einer Genauigkeit von 10 µm möglich. Dieser experimentelle Aufbau erlaubt es, die nun direkt beobachtbare Struktur des Wasserstrahls, die sich durch die Beaufschlagung mit Laserlicht ergibt, mit den erreichbaren Abtragraten zu korrelieren. Damit konnten die Ergebnisse, die im vorangegangenen Projektzeitraum erarbeitet wurden, zunächst reproduzierbar verifiziert und dann entscheidend erweitert werden. Insbesondere ist hier die in gewissen Grenzen vorhandene Unabhängigkeit der erzielten Abtragratensteigerung von der Laserleistung zu nennen, sowie der Effekt der Quasi-Verdoppelung der Pulsfrequenz durch eine defokussierte Bestrahlung des Fluidjets. Damit konnten die für das dritte Projektjahr beantragten Aufgabenpakete erfolgreich bearbeitet werden. Darüber hinaus haben die im Rahmen einer Machbarkeitsstudie durchgeführten Versuche zur Bearbeitung von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen ein vergleichsweise hohes Potential des Verfahrens aufgezeigt, das in Folgeuntersuchen weiter quantifiziert werden soll. In diesem Bereich liegt ebenfalls eine Möglichkeit, das in diesem Forschungsvorhaben untersuchte Hybridverfahren mittelfristig in einem industriellen Umfeld ökonomisch sinnvoll einsetzen zu können. Ein Haupthindernis ist hierbei die nötige (noch) investitionsintensive Lasertechnologie. Im Rahmen des Gesamt-Forschungsvorhabens wurden zwei Diplomarbeiten angefertigt, sowie 6 Veröffentlichungen ausgearbeitet. Der verwendete Versuchsaufbau ist soweit ausgereift, dass eine Weiterentwicklung nicht mehr unbedingt notwendig erscheint, so dass in diesem speziellen Forschungsfeld weitere Arbeiten nicht angezeigt sind. Mögliche Anwendungen, die sich aus den durchgeführten Arbeiten ergeben haben, sind a.) die Verwertung der entwickelten bildgebenden Verfahren, die sich sehr gut zur Beobachtung von extrem dynamischen periodischen Ereignissen einsetzen lassen, und zwar mit deutlich geringerem Aufwand als herkömmliche Verfahren wie z. B. die Hochgeschwindigkeitsfotografie, und b.) die Umsetzung der gewonnenen Erkenntnisse über dynamische Wasserstrahlen zur industriellen Umsetzung des Prozesses, wobei hier die kostengünstige Darstellung der Dynamizität durch alternative Verfahren (d. h. ohne die investitionsintensive Laserlichtquelle) ein Ziel sein muss.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Lasergepulster Reinwasserstrahl zur Erhöhung der Abtragsleistung. Laser Magazin Oktober, 2005, S. 9-12
Fargas, M.; von Busse, A.; Bunte, J.; Meier, O.; Biskup, C.; Louis, H.; Pude, F.; Schenk, A.
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Abtragen mit lasergepulsten Wasserstrahlen. In: Proceedings of International Conference on Cutting Technologies, page 70 – 75, 2006.
Jäschke, P.; Meier, O.; Fargas, M.; Bach, Fr.-W.; Schenk, A.; Biskup, C.
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Increase of erosive potential of water jets by laser pulsing. In: Proceedings of 18th International Conference on Water Jetting, page 357-366, 2006
Bach, Fr.-W.; Schenk, A.; Kremer, G.; Biskup, C.; Meier, O.; Fargas, M.; Bunte, J.; Jäschke, P.
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Laser based Pusling of pure Water Jets. In: Proceedings 2007 American WJTA Conference and Expo, 2007
Jäschke, P.; Meier, O.; Ostendorf, A.; Bach, Fr.-W.; Schenk, A.; Filus, C.
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Thermographic Analysis of Laser Pulsed Water Jets. In: Inframation, Reno, 2008
Jäschke, P., Herzog, D
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Ablation of cured prepreg laminates using laser pulsed water jets. In: 15th International Conference on Composite Structures ICCS 15, Porto, 2009
Jäschke, P., Hustedt, M., Herzog, D.
