Lichtbogenbasierte, durch ultrakurze Laserpulse unterstützte Werkstückbearbeitung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 263891905

Das Bearbeiten metallischer Werkstücke durch Verfahren wie Fügen, Trennen, Strukturieren und Umformen entwickelt sich durch neue Erkenntnisse in Prozess- und Systemtechnik stetig weiter und ist daher Gegenstand aktueller Forschung. Für bestimmte Anwendungen haben sich verschiedene Bearbeitungsverfahren etabliert. So besitzt z. B. die Remote-Laserstrahl-Bearbeitung, bei der ein Laser mittels eines schnellen Galvanometerscanners über eine abbildende Optik auf ein Werkstück fokussiert wird, Vorteile bezüglich der Prozessgeschwindigkeit und erlaubt die Bearbeitung von Werkstücken mit räumlicher Ausdehnung. Die Nachteile bestehen z. B. im Aufwand, eine ausreichende Laserleistung zu erzeugen und zum Werkstück zu leiten. Andererseits werden diverse lichtbogenbasierte Verfahren eingesetzt, die viel Leistung zur Verfügung stellen können, jedoch aufgrund des Lichtbogens nah am Werkstück geführt werden müssen. Eine Automatisierung dieser Prozesse erfordert daher Roboter- oder Portalsysteme und zudem Werkstücke mit flacher Geometrie, damit der Lichtbogen durch eine Feldänderung aufgrund von krummen Oberflächen nicht verschoben wird.Das hier zu untersuchende Verfahren ermöglicht es, die Vorteile einer Laser-Remote-Bearbeitung in Bezug auf Geschwindigkeit und Einfachheit des Zugangs zum Werkstück mit den Leistungsvorteilen von Lichtbogenprozessen zu kombinieren. Es basiert auf der Erzeugung elektrisch leitender Plasmafilamente, die mittels ultrakurzer Laserpulse hoher Pulsenergie in Luft oder Gasen gebildet werden. Die Filamente können genutzt werden, um elektrische Entladungen hoher Leistung präzise und über längere Strecken im Freiraum zu führen und setzen dabei die zur Überwindung des Abstandes benötigte Durchschlagsspannung deutlich herab. Mittels der Filamente können nicht nur Entladungen zwischen zwei entsprechend gepolten Elektroden geführt, sondern auch durch Feldionisation hervorgerufene Entladungen ohne weitere Elektroden am Werkstück kanalisiert werden. Dies eröffnet auch für nichtleitende Werkstücke neue Möglichkeiten der Bearbeitung. Diese Eigenschaften sollen für eine schnelle Remote-Hochleistungsbearbeitung des Werkstücks ausgenutzt werden. Dazu wird ein Ultrakurzpulslaser verwendet, der mit Hilfe eines Galvano-meterscanners abgelenkt wird. Für die Fokussierung wird hier eine modifizierte Abbildungsoptik verwendet, die gewährleistet, dass der Laserstrahl unabhängig von der Ablenkung immer den gleichen, werkstückseitigen Konvergenzpunkt durchquert. Dadurch kann mittels einer am Konvergenzpunkt befindlichen Elektrode jeweils eine kanalisierte Entladung pro Laserpuls an beliebigen Positionen am Werkstück erzeugt werden. Der Laser kann zudem so vorfokussiert werden, dass die Filamentbildung erst im Konvergenzpunkt einsetzt.Ziel dieses Projektes ist die Durchführung von Untersuchungen zum hier vorgestellten Verfahren, um die Eignung filamentinduzierter Entladungen zur Materialbearbeitung wie z. B. Schweißen oder Schneiden beurteilen zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Person: Dr. Kristian Cvecek