Multiphysikalische Modellierung des Laserstrahlbohrens mit zeitlich geformten Pulsen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 278627194

Dank seiner hohen Effizienz ist das Laserstrahlbohren mit kurzen Pulsen industriell weitverbreitet. Jedoch macht bei qualitätssensiblen Anwendungen die begrenzte Bearbeitungsqualität zunehmend den Einsatz ultrakurzer Laserpulse trotz ihrer deutlich niedrigeren Effizienz notwendig. Zeitlich geformte Pulse stellen daher eine attraktive Alternative dar, die hohe Effizienz mit Präzision verbindet. Obwohl die Wirksamkeit bzgl. der verbesserten Ablationseffizienz und Oberflächenqualität experimentell gezeigt wurde, haben experimentelle Untersuchungen jedoch noch nicht zu einem grundlegenden Prozessverständnis geführt.Daher möchten wir im Rahmen des beantragten Projekts numerische und experimentelle Untersuchungen verknüpfen um das Prozessverständnis zu verbessern und ein analytisches Prozessmodel zu entwickeln. Mit diesem vertieften Verständnis des Prozesses und der Ablationsmechanismen möchten wir auf Bearbeitungsstrategie und Prozessparameter abgestimmte Pulsformen maßschneidern. Anschließend sollen die Ergebnisse verwendet werden um einen Leitfaden für aktuelle und zukünftige industrielle Anwender zu erstellen.Dafür wird das Projekt in zwei Phasen unterteilt. In der ersten Phase wird ein bereits bestehendes transientes fluiddynamisches numerisches Modell für die Simulation der Laserstrahlmaterialbearbeitung weiterentwickelt um den Bohrprozess korrekt abbilden zu können. Dafür werden eine Multiphasen- und Kompressibilitätsbeschreibung in das Modell integriert werden. Um die Genauigkeit des zu entwickelnden Modells sicherzustellen, werden parallel dazu Verifikationsexperimente für einen iterativen Vergleich von Simulation und Experiment durchgeführt werden. Verschiedene experimentelle Methoden wie metallographische Schliffe, Schlieren-Aufnahmen, Pump-Probe-Aufbauten und Sandwich-Proben werden dabei sowohl einen Blick in das Material als auch auf den Bereich oberhalb der Probe ermöglichen.In der zweiten Phase werden simulative und experimentelle Parameterstudien für zeitlich geformte und gaußförmige Laserpulse durchgeführt werden. Mit diesen Untersuchungen soll der Einfluss der verschiedenen Prozessparameter auf Prozessdynamik, Bearbeitungsergebnis und Effizienz für das Einzelpuls- und das Perkussionsbohren systematisch untersucht werden. Diese Ergebnisse werden anschließend kombiniert um ein analytisches Prozessmodel für die Prozessdynamik und die Effizienz des Laserstrahlbohrens mit zeitlich beliebig geformten Laserpulsen zu entwickeln. Dieses Modell soll daraufhin zum anwendungsspezifischen Maßschneidern von Pulsformen verwendet werden, d. h. Pulsformen werden abhängig von den Prozessparametern und der Prozessstrategie so angepasst, dass ein optimiertes Bohrergebnis entsteht. Im letzten Schritt werden die Hauptergebnisse in einem Leitfaden zusammengefasst werden, der industriellen Anwendern Hilfe bieten soll um die Prozesseffizienz und die Bohrqualität abhängig von der jeweiligen Anwendung und den Prozessparametern zu optimieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen