Entstehung von Mikrostrukturen und deren Einfluss auf die Bohrungsqualität beim Perkussionsbohren mit ultrakurzen Laserpulsen (Formidable)

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Graf
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 510793395

Das Mikrobohren mit ultrakurzen Laserpulsen ist ein komplexer Prozess, bei dem eine Vielzahl von Mechanismen unter extremen Bedingungen auf sehr kleinen zeitlichen und räumlichen Skalen zusammenwirken. Beim Laserbohren in Metall treten verschiedene Probleme auf, wie z. B. Ablagerungen in der Bohrung und am Eintritt, Riefen an der Bohrungswand, die Bildung von Mehrfachlöchern sowie ausgefranste Austritte. Da die Kantenqualität und Formgenauigkeit von Mikrobohrungen für die meisten Anwendungen relevante Kriterien sind, schränken die genannten Phänomene die Anwendbarkeit des Verfahrens ein. Dies wird noch relevanter mit der stetig steigenden verfügbaren Laserpulsenergie von kommerziellen Lasersystemen, die das Bohren sehr tiefer Löcher ermöglicht. Die Entstehung der genannten qualitätsmindernden, sich gegenseitig beeinflussenden Phänomene wird daher in diesem Projekt für das Perkussionsbohren mit umfassender Diagnostik und umfangreichen numerischen Simulationen untersucht. Der Prozess des Durchbohrens wird dafür in drei Phasen unterteilt: (1) Entstehung von Oberflächenstrukturen zu Beginn des Bohrens, (2) Entwicklung der Lochform und Strukturen an den Bohrungswänden während des Bohrens und (3) Ausbildung der Geometrie des Austritts der Durchgangsbohrung. Die Entstehung von selbstorganisierten Nano- und Mikrostrukturen in der Lasermikrobearbeitung ist durch die Wechselwirkung zwischen dem ultrakurzen Laserpuls und dem Material bedingt. Beim Perkussionsbohren entwickeln sich solche Strukturen jedoch fortlaufend während der oben genannten Bohrphasen. In diesem Projekt soll daher geklärt werden, in wieweit die Entstehung von Nano- und Mikrostrukturen zu Bohrbeginn schlussendlich für die resultierende, oft eingeschränkte Bohrungsqualität beim Perkussionsbohren verantwortlich ist. Dazu sollen die Kompetenzen des IFSW und des IFT kombiniert werden, d.h. umfassende Diagnostik und anspruchsvolle numerische Modellierung. Das bestehende numerische Modell berücksichtigt bereits heute die physikalischen Effekte bei der Laserbearbeitung. Die Modellabstimmung zur Reproduktion des gemessenen Wachstums der Strukturen wird es deshalb ermöglichen, die entscheidenden physikalischen Effekte zu identifizieren. Das IFSW und das IFT ergänzen sich also perfekt, um ein besseres Verständnis der zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen zu erlangen. Die Vision ist, dass das Verständnis der physikalischen Ursachen für die oben genannten Phänomene es ermöglichen wird, deren Einfluss deutlich zu reduzieren und damit das sehr effiziente und schnelle Perkussionsbohrverfahren für hochpräzise Anwendungen nutzen zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Partnerorganisation: Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF)
• Mitverantwortlich: Privatdozent Dr. Rudolf Weber
• Kooperationspartner: Professor Dr.-Ing. Andreas Otto