Temperaturbestimmung in der Lasermaterialbearbeitung basierend auf einem hyperspektralen Bildgebungsverfahren hoher spektraler Rekonstruktionsgüte

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Fügetechnik und Trenntechnik
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 326730357

In der Lasermaterialbearbeitung kommt der Kenntnis korrekter Temperaturinformation eine entscheidende Rolle zu. Sie ist einerseits von besonderem Interesse zur Beschreibung fundamentaler Prozessdomänen – wie der Thermofluiddynamik, der Erstarrungs- und Verdampfungskinetik. Andererseits ist sie aber auch in eher anwendungsbezogenen Bereichen, wie beispielsweise zur Defektvermeidung, zur optimalen Prozessauslegung oder zum Abgleich von Prozesssimulationen von Bedeutung. Die Erfassung korrekter Temperaturinformation mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung stellt allerdings noch immer eine große Herausforderung dar. So bieten die bislang etablierten Verfahren entweder nicht die notwendige zeitliche und/oder räumliche Auflösung oder verlangen nach einem Vorwissen um den meist aber nur unzureichend bekannten Emissionsgrad. Im Rahmen dieses Vorhabens soll die Fragestellung untersucht werden, ob ein auf hyperspektraler Bildgebung basierendes Verfahren zur zeitlich und räumlich hochaufgelösten Bestimmung von Temperaturfeldern in der Lasermaterialbearbeitung ohne a priori Kenntnis des Emissionsgrads realisiert werden kann. Im Rahmen von hyperspektraler Bildgebung wird neben zweidimensionaler Bildinformation auch das zu jedem Objektpixel gehörende elektromagnetische Spektrum erfasst. Aus der so gewonnenen spektralen Information kann über das Planck’sche Strahlungsgesetz ohne umfangreiches Vorwissen über den Emissionsgrad auf die Temperatur geschlossen werden. Die Herausforderung bei hyperspektralen Schnappschusssystemen liegt allerdings in der Rekonstruktion der in den Beugungsordnungen überlappenden spektralen Information. Dabei ist ein unterbestimmtes inverses Problem möglichst gut zu approximieren. Aufbauend auf den Erfahrungen der ersten Förderphase soll zu diesem Zweck ein geeignetes hyperspektrales Bildgebungssystem bestehend aus einem angepassten optischen System und einer Hochgeschwindigkeitskamera umgesetzt werden. Die Auslegung des optischen Systems erfolgt unter Berücksichtigung prozessphysikalischer Vorgaben so, dass möglichst umfangreiche zur Rekonstruktion der jeweiligen Spektren notwendige Information bereits in die Bilderfassung integriert wird. Darüber hinaus wird ein anwendungsspezifisch angepasster Rekonstruktionsalgorithmus umgesetzt. In diesem Zusammenhang soll der bestehende Rekonstruktionsalgorithmus dahingehend erweitert werden, dass physikalisch-mathematisches a priori Wissen integriert werden kann. Dadurch sind sowohl eine Steigerung der spektralen Rekonstruktionsgüte als auch die Rekonstruktion ganzer Prozesssequenzen in angemessener Zeit zu erwarten. Eine hohe Genauigkeit in der Temperaturbestimmung sowie die Möglichkeit der Nutzung des Verfahrens in unterschiedlichen Laserprozessen erfordert dabei möglichst umfängliches problemspezifisches a priori Wissen, das in den Algorithmus integriert wird. Dieses Wissen soll aus der Untersuchung unterschiedlicher Prozessszenarien gewonnen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen