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Erweiterung der Prozessgrenzen bei der Werkstoffbearbeitung mit Laserstrahlung / SPP 1139

Extension of the Process Limits in Materials Processing with Laser Radiation

17.09.2003

Programmbeschreibung / Programme Summary

Die grundlegenden physikalischen und chemischen Prozesse, die während der Bearbeitung von Werkstoffen mit Laserstrahlung miteinander in komplexer Weise wechselwirken, werden erforscht. Ziel ist, die derzeit bestehenden weitgehend empirisch gefundenen Grenzen für Geschwindigkeit und Präzision der Bearbeitung bis zu den physikalischen Grenzwerten durch eine flexible Anpassung der Energiedeposition im Werkstück in Ort und Zeit zu erweitern, die eine zeitlich und räumliche definiert modulierbare Energiestromdichte ermöglicht. Die Zielsetzung erfordert ein durchgängiges Verständnis der Bearbeitungsprozesse für den Übergang von Zuständen des thermodynamischen Gleichgewichtes zu Nicht-Gleichgewichtszuständen und dabei insbesondere die Betrachtung nicht-thermischer Schmelzen. Der Schmelzbaddynamik kommt eine besonders hohe Bedeutung zu, da diese Phase bei vielen Werkstoffen das Bearbeitungsergebnis und den Bearbeitungswirkungsgrad wesentlich bestimmt. Themen der Forschungsarbeiten liegen in folgenden Bereichen: 1. Räumliche und zeitliche Modellierung der Einflussgrößen sowohl im mikroskopischen als auch im makroskopischen Maßstab unter Nutzung numerischer und analytischer Verfahren, 2. Erarbeitung von systematischen Methodiken und Prozessmodellierung zur Erweiterung von Prozessgrenzen unter Nutzung von Reverse-engineering-Methoden und selbstlernenden Prozessen, 3. Zeitliche, räumliche und spektrale Steuerung der Energiestromdichteverteilung der Laserstrahlung zur Erzielung einer angepassten Energiedeposition, 4. Schmelz- und Strömungsausbildung insbesondere für das Verständnis freier Phasengrenzen, 5. Verdampfungskinetik bei Prozessen mit und ohne Schmelzbildung (s. „Werkstoffklassen“), speziell bei Kurzpulsverfahren und im Intensitätsbereich < 1015 W/cm², 6. Erstarrung der Schmelze und daraus resultierende Bearbeitungsqualität, z.B. beim Schneiden, Bohren, Schweißen, Beschichten, Generieren und Legieren, 7. Dynamik der Wärmeleitung im mikroskopischen und makroskopischen Maßstab und deren Einfluss auf Qualität, Wirkungsgrad und Geschwindigkeit. Dabei erfolgt eine schwerpunktmäßige Fokussierung auf die Werkstoffklassen Metalle, Keramiken, Polymere und organische Materialien sowie die Betrachtung von Dimensionen oberhalb der verwendeten Wellenlänge.

The basic physical and chemical processes are investigated, which are interacting during materials processing with laser radiation. The goal is to extend the empirial limits of velocity and precision in processing up to the physical limits by flexible spatial and temporal energy deposition in the material, which allows a defined spatial and temporal modulation of the energy flux density. The goal requires a general understanding of the processes in materials processing for the transition from thermal equilibrium to non-thermal equilibrium with special consideration of non-thermal melts. The melt dynamics plays an important role since it dominates for most of the materials the quality and the efficiency of processing. The topics of research work rely to the following areas: 1. Spatial and temporal modulation of the influencing processing parameters as well in the microscopic as in the macroscopic scale taking into account modelling and simulation 2. Systematic evaluation of methods and modelling of processes for the extension of the process limits considering reverse engineering and self-learning processes 3. Temporal, spatial, and spectral steering of the distribution in energy flux density of the laser radiation for process-adapted energy deposition 4. Melt formation and melt flow for the understanding of the free boundary problem 5. Kinetics of vaporisation with and without melt formation (see materials) especially for short pulse techniques and intensities < 1015 W/cm² 6. Solidification of melt and resulting quality of materials processing, e. g. for cutting, drilling, welding, cladding, generating, and alloying 7. Dynamics of heat conduction in the microscopic and macroscopic scale with its influence on quality, efficiency, and velocity of processing The main emphasis is on materials such as metals, ceramics, polymers, and organics including dimensions above the wavelength of laser radiation used.

Sprecher / Spokesperson:

Professor Dr. Reinhart Poprawe
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik Aachen
Steinbachstraße 15 · 52074 Aachen
Tel.: (0241) 8906-110 · Fax.: (0241) 8906-112
E-Mail: poprawe@ilt.fraunhofer.de