Hochgeschwindigkeits-Stereoröntgenbildgebungsanlage zur Diagnostik von Laserbearbeitungsprozessen

• Fachliche Zuordnung: Produktionstechnik
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 584896134

Bei Lasermaterialbearbeitungsverfahren wie Schweißen, Schneiden und Bohren stehen die Effizienz und Qualität des Prozesses in einem engen Zusammenhang mit der Geometrie der Laserstrahl-Werkstück-Wechselwirkungszone. Die Geometrie dieser Wechselwirkungszonen (WWZ) soll während experimenteller Schweißungen, Schneidprozessen oder Bohrungen durch die hier beantragte Stereo-Röntgenbildgebungsanlage zeitaufgelöst und dreidimensional vermessen werden. Am IFSW der Universität Stuttgart wird seit 2009 eine Mono-Röntgenbildgebungsanlage betrieben, mit welcher die zweidimensionale Geometrie der Kavitäten in der WWZ von Lasermaterialbearbeitungsprozessen ermittelt werden kann. Anhand der ortsabhängigen Absorption der Röntgenstrahlung kann unter der Annahme einer symmetrischen Kavität zwar die lokale Ausdehnung der Kavität in Röntgenbestrahlungsrichtung bestimmt werden, deren tatsächliche dreidimensionale Ausprägung bleibt damit allerdings verborgen. Neueste Arbeiten verschiedener internationaler Gruppen nutzen hochbrillante Synchrotronröntgenstrahlung zur Vermessung der zweidimensionalen Geometrie der Kavität. Die deutlich höheren Intensitäten der Synchrotronröntgenstrahlung ermöglichen deutlich höhere zeitliche und örtliche Auflösungen der Bildsequenzen. Allerdings ist selbst die oben erwähnte vereinfachte dreidimensionale Rekonstruktion der Kavität nicht möglich. Für die Untersuchung von Lasermaterialbearbeitungsprozessen ist die exakte dreidimensionale Bestimmung der Kavitätsgeometrie von höchster Bedeutung, um den Ursprung auftretender Fluktuationen und Instabilitäten zu verstehen und schließlich Maßnahmen abzuleiten, um in die hochdynamischen physikalischen Prozesse eingreifen und die Materialbearbeitungsprozesse verbessern zu können. Anhand der ermittelten dreidimensionalen Kavitätsgeometrien kann die Verteilung der lokalen absorbierten Bestrahlungsstärke mittels Raytracing der Laserstrahlung berechnet werden sowie in einem weiteren Schritt die Dampfströmungen innerhalb der Kavität sowie die Schmelzeströmung um diese herum. Im Speziellen ist die exakte dreidimensionale Geometrie zur Untersuchung von asymmetrischen Effekten notwendig, die beim Einsatz neuester Strahlformungstechnologien auftreten und genutzt werden sollen. Die hochdynamischen Geometriefluktuationen der Kavitäten in Lasermaterialbearbeitungsprozessen erfordern eine zeitliche Auflösung von mindestens 10 kHz bei einer örtlichen Auflösung von 10 µm. Zentrale Elemente der hier beantragten Stereo-Röntgenbildgebungsanlage sind zwei Röntgenröhren und zwei bildgebende Systeme inklusive Szintillatoren, optischer Abbildungssysteme, Bildverstärkern und Hochgeschwindigkeitskameras. Zur Untersuchung der Lasermaterialbearbeitungsprozesse und zur Justierung der Röntgenquellen und aller bildgebenden Elemente werden zudem 19 NC-Achsen mit einer entsprechenden Steuerung benötigt. Für einen sicheren Betrieb der Anlage ist eine laser- und strahlenschutzgerechte Umhausung der Anlage notwendig.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Hochgeschwindigkeits-Stereoröntgenbildgebungsanlage zur Diagnostik von Laserbearbeitungsprozessen
• Gerätegruppe: 4020 Röntgenkameras für Feinstruktur und Topographie
• Antragstellende Institution: Universität Stuttgart
• Leiter: Professor Dr. Thomas Graf