Effiziente Spanbildungsmanipulation mittels hochfokussierter Laserstrahlung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Dirk Biermann; Professor Dr.-Ing. Peer Woizeschke
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 566789021

Im Zuge der spanenden Bearbeitung von Metallen können verschiedene unerwünschte Phänomene auftreten. Dazu zählen speziell bei hochfesten Werkstoffen die Spansegmentierung, die in der Regel mit einer dynamischen Anregung des Prozesses einhergeht, sowie ein ausbleibender Spanbruch (insbesondere bei duktilen oder hochreinen Werkstoffen), wodurch die Prozesssicherheit herabgesetzt wird und Bauteilbeschädigungen drohen. Bei der spanenden Bearbeitung von blei- und schwefelfreien Stählen, die aufgrund gesetzlicher Regelungen einen zunehmenden Marktanteil einnehmen, stellt ein prozesssicherer Spanbruch eine wesentliche Herausforderung dar. Da diese Phänomene auf mikroskopischen Wirkmechanismen beruhen, lassen sie sich durch eine lokalisierte Manipulation in ihrer Intensität und Ausprägung beeinflussen. Bisherige Methoden, die eine solche Manipulation hervorrufen, basieren häufig auf einem mechanischen Prinzip, wie z. B. Spanleitstufen zur Spanbruchinitiierung und das sogenannte "Constraint tool" zur Unterdrückung von Spandickenschwankungen. Diese Methoden sind entweder in ihrem Wirkungsbereich eingeschränkt oder erfordern eine aufwändige Peripherie in der Maschine. So erfüllen Spanleitstufen häufig nur in einem begrenzten Bereich von Schnittwerten ihre Funktion und das "Constraint tool" muss durch eine aufwändige Vorrichtung vor der Schneide positionierbar sein. Einen Lösungsansatz könnten moderne energieeffiziente Laserstrahlsysteme bieten, die es ermöglichen, mit hoher zeitlicher und räumlicher Präzision stark konzentrierte Energieeinträge (pulsartig / kontinuierlich, konstant / periodisch / dynamisch) in Materialien bzw. Werkstücke einzuleiten. Die Dimension der Wechselwirkungsfläche kann dabei bis hinunter auf die Größenordnung von Quadratmikrometern reduziert werden. Dadurch bieten das Werkzeug Laserstrahl und die Prozessregime der Lasermaterialbearbeitung das Potenzial, bei der spanenden Bearbeitung metallischer Werkstoffe lokal die Deformationsmechanismen und -vorgänge gezielt und gleichzeitig mit hoher Flexibilität zu manipulieren. Im Rahmen dieses Projekts ist daher geplant, Grundlagenuntersuchungen zur präzisen laserstrahlgestützten Manipulation des Spanbildungsvorgangs durchzuführen. Zum einen soll bei einem duktilen Werkstoff, der eine geringe Spanbruchneigung aufweist, verstanden werden, wie sich während des Spanbildungsvorgangs mithilfe eines hochfokussierten Laserstrahls lokale "Manipulationsstellen" als "Sollbruchstellen" in den Span einbringen lassen, die in der darauffolgenden Biegephase einen gezielt gesteuerten Bruch des Spans hervorrufen. Zum anderen soll ein hochfester, zur Spansegmentierung neigender Werkstoff dahingehend erforscht werden, wie durch eine lokale spezifisch an den Spanbildungsprozess angepasste und synchronisierte Laserbestrahlung die zyklische Spandickenschwankung unterbunden werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen