In-situ-Diagnose und Steuerung der Schmelz- und Erstarrungsdynamik beim Laserstrahlschneiden

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Während bei spanabhebenden Fertigungsverfahren mit geometrisch bestimmter Schneide – wie dem Drehen und Fräsen – die Werkzeugschneide und ihre Orientierung maßgeblich die entstehende Abtraggeometrie vorgeben, erzeugen thermische Trennverfahren den Abtrag durch die lokale Erwärmung des Werkstückes. Die Abtragwirkung entsteht durch Wärmeleitung und Phasenumwandlung des Werkstoffes – bei Schmelzschneidverfahren dominant durch Umwandlung des abzutragenden Volumens in die schmelzflüssige Phase - und den Abtransport zumindest von Teilen dieser Schmelze aus der sich bildenden Schneidfuge. Die Abtraggeometrie kann also nicht unmittelbar aus einer wohldefinierten Schneide abgeleitet werden. Vielmehr entscheiden die Verteilung der lokal eingekoppelten Energie, die Wärmeleitung, der Aufschmelzprozess sowie die Prozesse des partiellen Materialaustriebes einerseits und der Restschmelze-Anhaftung und -Erstarrung andererseits insbesondere über die Präzision (Reproduzierbarkeit und Regelmäßigkeit) und in Folge auch über die zu gewährleistende Genauigkeit (Maß- und Formeinhaltung) der entstehenden Schnittflanken.

Beim Laserstrahlschneiden verursachen Instabilitäten der Laserschneidfront unerwünschte Qualitätseinbußen in Form von Abtrag- und Erstarrungsriefen. Sie können bis zur Bartbildung führen. Die Analyse der ursächlichen Phänomene wird vor allem aufgrund eingeschränkter Diagnostikmethoden infolge zeitlich und örtlich schwer zugänglicher Domänen behindert. Die physikalischen Mechanismen von Riefenentstehung und Bartbildung an der Schnittunterkante, den beiden wichtigsten Präzisionsmerkmalen einer Laserschnittflanke, sind daher bis heute ungeklärt.

Ein vorrangiges Ziel dieses Teilvorhabens ist die Auffindung, experimentelle Umsetzung und Erprobung neuer Methoden der Präzisionserhöhung beim oxidfreien Laserstrahl-Schmelzschneiden von Blechwerkstoffen durch die Anwendung verbesserter In-situ-Diagnosemethoden und die Entwicklung räumlicher und zeitlicher Modulationsverfahren zur Homogenisierung der absorbierten Leistungsdichteverteilung und zur Steuerung der Schmelz- und Erstarrungsdynamik.

Das damit verbundene technische Ziel sind hochpräzise Schnittgeometrien durch Reduzierung der Schnittflankenrauhtiefe im Vergleich zum Stand der Technik um eine Größenordnung bei bartfreiem Schnitt. Ein konkretes Beispiel: Während heute beim Schneiden von Edelstahlblechen der Dicke 6 mm mit fasergekoppelten Faser- oder Scheibenlasern der Leistungsklasse 2-4 kW bartbehaftete Schnittflanken mit gemittelten Rauhtiefen Rz von ca. 60-70 µm produziert werden, sollen die in diesem Teilvorhaben zu entwickelnden Lasermodulations- und Steuerungsverfahren die Herstellung bartfreier Schnittflanken mit Rz-Werten unter 10 µm ermöglichen.

Neue Maßnahmen zur Führung des Schneidprozesses werden nicht nur eine Minimierung von Unregelmäßigkeiten an möglichst senkrechten Schnittflanken gestatten, sondern erstmalig Wege zur Herstellung definierter Schnittflankengeometrien und sogar Schnittflankentexturen aufzeigen. So können den Schnittflanken zusätzliche Funktionalitäten bezüglich Design (Geometrie, Optik, Haptik), Gleit-, Reibungs- und Verschleißverhalten verschafft werden, die den Schneidprozess bzw. das damit hergestellte Produkt signifikant aufwerten ohne die Prozesskette durch nachgelagerte Prozessschritte zu verlängern.

Dazu sind ein erweitertes Verständnis der Prozessdynamik und neue Lösungen zur kontrollierten Führung der zeitlichen und räumlichen Verteilung von Laser- und Gasstrahleigenschaften in der Schnittfuge zu erarbeiten.

Zur Erhöhung der Präzision sind vorrangig 3 wissenschaftliche Zielstellungen zu behandeln:

  • Untersuchung der Schmelz- und Erstarrungsdynamik und ihres Antwortverhaltens (Steuerbarkeit) in der Schneidfuge (Schwerpunkt in Phase 1).
  • Gesteuerte Einstellung hochpräziser und -genauer Flankengeometrien und -texturierungen sowie Überprüfung und Ausdehnung des Gültigkeitsbereiches der entwickelten theoretischen (A9) und praktischen Steuerungs- und Modulationslösungen für räumlich verteilte Laser- und Gasstrahlparameter (Schwerpunkt in Phase 2).
  • Regelung des Schmelzprozesses auf der Schneidfront und des Erstarrungsprozesses auf den Schneidflanken zur vollständigen Dämpfung selbstanfachender Instabilitäten und äußerer Störungen (Schwerpunkt in Phase 3).
 

A8 In-situ-Diagnose und Steuerung der Schmelz- und Erstarrungsdynamik beim Laserstrahlschneiden

 
Prüfstand Urheberrecht: SFB 1120

Automatisierbarer Besäumschnitt -Prüfstand – In-Situ-Diagnose System für das Laserstrahlschneiden

 
 
Bild Analyse Urheberrecht: SFB 1120

Bild Analyse des Schmelzflusses auf der Schneidfront beim Laserstrahlschneiden mittels Besäumschnitt-Methode

 
 
Analyse der Schmelze-geschwindigkeit Urheberrecht: SFB 1120

Analyse der Schmelze-geschwindigkeit an verschiedenen Stellen der Schneidfront beim Laserstrahlschneiden mittel Streak-Imaging Methode

 
 
Prinzip Skizze Besäumschnitt Methode Urheberrecht: SFB 1120

Prinzip Skizze Besäumschnitt Methode