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SPP 1139:  Erweiterung der Prozessgrenzen bei der Werkstoffbearbeitung mit Laserstrahlung

Fachliche Zuordnung Maschinenbau und Produktionstechnik
Wärmetechnik/Verfahrenstechnik
Förderung Förderung von 2002 bis 2008
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5471703
 
Die grundlegenden physikalischen und chemischen Prozesse, die während der Bearbeitung von Werkstoffen mit Laserstrahlung miteinander in komplexer Weise wechselwirken, werden erforscht. Ziel ist, die derzeit bestehenden weitgehend empirisch gefundenen Grenzen für Geschwindigkeit und Präzision der Bearbeitung bis zu den physikalischen Grenzwerten durch eine flexible Anpassung der Energiedeposition im Werkstück in Ort und Zeit zu erweitern, die eine zeitlich und räumliche definiert modulierbare Energiestromdichte ermöglicht.Die Zielsetzung erfordert ein durchgängiges Verständnis der Bearbeitungsprozesse für den Übergang von Zuständen des thermodynamischen Gleichgewichtes zu Nicht-Gleichgewichtszuständen und dabei insbesondere die Betrachtung nicht-thermischer Schmelzen. Der Schmelzbaddynamik kommt eine besonders hohe Bedeutung zu, da diese Phase bei vielen Werkstoffen das Bearbeitungsergebnis und den Bearbeitungswirkungsgrad wesentlich bestimmt.Themen der Forschungsarbeiten liegen in folgenden Bereichen:1. Räumliche und zeitliche Modellierung der Einflussgrößen sowohl im mikroskopischen als auch im makroskopischen Maßstab unter Nutzung numerischer und analytischer Verfahren, 2. Erarbeitung von systematischen Methodiken und Prozessmodellierung zur Erweiterung von Prozessgrenzen unter Nutzung von Reverse-engineering-Methoden und selbstlernenden Prozessen, 3. Zeitliche, räumliche und spektrale Steuerung der Energiestromdichteverteilung der Laserstrahlung zur Erzielung einer angepassten Energiedeposition, 4. Schmelz- und Strömungsausbildung insbesondere für das Verständnis freier Phasengrenzen, 5. Verdampfungskinetik bei Prozessen mit und ohne Schmelzbildung (s. "Werkstoffklassen"), speziell bei Kurzpulsverfahren und im Intensitätsbereich < 1015 W/cm², 6. Erstarrung der Schmelze und daraus resultierende Bearbeitungsqualität, z.B. beim Schneiden, Bohren, Schweißen, Beschichten, Generieren und Legieren, 7. Dynamik der Wärmeleitung im mikroskopischen und makroskopischen Maßstab und deren Einfluss auf Qualität, Wirkungsgrad und Geschwindigkeit.Dabei erfolgt eine schwerpunktmäßige Fokussierung auf die Werkstoffklassen Metalle, Keramiken, Polymere und organische Materialien sowie die Betrachtung von Dimensionen oberhalb der verwendeten Wellenlänge.
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