Methodik zur Ermittlung und Realisierung anwendungsangepasster Intensitätsverteilungen für die Werkstoffbearbeitung mit Laserstrahlung

Völl, Annika; Bergs, Thomas; Loosen, Peter

doi:39386

Methodik zur Ermittlung und Realisierung anwendungsangepasster Intensitätsverteilungen für die Werkstoffbearbeitung mit Laserstrahlung = Methodology for the identification and implementation of application specific intensity distributions for material processing with laser radiation

Völl, Annika^RWTH*

2020

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Annika Völl

ImpressumAachen 2020

Umfang1 Online-Ressource ( X, 112 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Loosen, Peter (Thesis advisor)^RWTH* ; Bergs, Thomas (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-06-15

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-07163
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/793751/files/793751.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Technologie optischer Systeme (418910)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
VCSEL (frei) ; freeform optics (frei) ; inverse problem (frei) ; laser beam shaping (frei) ; laser material processing (frei) ; numerical modelling (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die derzeit stattfindende Digitalisierung ermöglicht zunehmend eine detaillierte Analyse sowie simulative Abbildung von Fertigungsprozessen. Dies gilt insbesondere auch für die laserbasierte Werkstoffbearbeitung, für die mittels einer genauen Modellierung der zu Grunde liegenden physikalischen Zusammenhänge geeignete Prozessparameter identifiziert werden können. Ein solcher Parameter ist die im Laserstrahl vorliegende Intensitätsverteilung, die das im zu bearbeitenden Bauteil hervorgerufene Temperaturprofil und damit die erzielte Bauteilqualität sowie Prozesseffizienz wesentlich beeinflusst. Inhalt dieser Arbeit ist daher die numerische Ableitung und die computergestützte Realisierung anwendungsangepasster Intensitätsverteilungen, mit denen zuvor definierte Temperaturprofile im Werkstück induziert werden können. Dazu wird zunächst die benötigte Intensitätsverteilung abgeleitet, indem die Situation als inverses Wärmeleitungsproblem formuliert und dieses unter Verwendung numerischer Methoden gelöst wird. Dabei werden solche Prozesse angenommen, bei denen lediglich eine Erwärmung des Materials und keine Änderungen des Aggregatzustandes stattfinden. Beispiele dafür sind das Laserhärten, das laserbasierte Entfestigen hochfester Stähle, das laserunterstützte Tapelegen oder - unter gewissen Annahmen - die laserbasierte Funktionalisierung dünner Schichten. Für diese Verfahren kann die beschriebene Methodik eingesetzt werden, wobei temperaturabhängige thermophysikalische und optische Materialeigenschaften, komplexe 3D-Geometrien, Oberflächen- oder Volumenabsorption des Laserstrahls sowie zeitabhängige oder quasistationäre Verteilungen berücksichtigt werden. Anschließend werden in der vorliegenden Arbeit Strahlformungsansätze beschrieben, mit denen die erzielten, stark inhomogenen Intensitätsverteilungen experimentell realisierbar sind. Zum einen werden dazu Freiformoptiken eingesetzt, mit denen sich über eine gezielte Formung der optischen Oberflächen nahezu beliebige Intensitätsverteilungen umsetzen lassen. Um Freiformoptiken für Lasermaterialbearbeitungsprozesse auszulegen, werden erstmalig Strategien beschrieben, mit denen die vergleichsweise geringe Strahlqualität der verwendeten Laserstrahlung im Design berücksichtigt wird. Da Freiformoptiken jedoch keine zeitliche Anpassung der Intensitätsverteilung ermöglichen, werden darüber hinaus Methoden zur anwendungsangepassten Strahlformung mittels VCSELn vorgestellt. Dies sind spezielle, flächig angeordnete Hochleistungsdiodenlaser, deren einzelne Zonen dynamisch und unabhängig voneinander ansteuerbar sind, um eine flexible Strahlformung zu ermöglichen. In der vorliegenden Arbeit werden dazu neue Strategien beschrieben, wie eine Ansteuerung sowie die benötigte Anordnung von VCSELn zur Erzeugung einer anwendungsangepassten Intensitätsverteilung aussehen muss. Abschließend werden zur Validierung der simulativen Methodik experimentelle Ergebnisse zusammengefasst.

The presently ongoing digitalization in industry and society increasingly enables a detailed analysis as well as a simulative representation of manufacturing processes. This especially holds for laser-based material processing for which appropriate processing parameters can be identified through an accurate modelling of the basic physical principles. One relevant parameter in these processes is the laser beam’s intensity distribution, which strongly influences the temporal and spatial temperature profile within the treated workpiece and subsequently defines the resulting processing quality as well as efficiency. Thus, in this work, application specific intensity distributions that induce previously defined temporal and spatial temperature profiles within the workpiece are numerically derived and realized. In a first step, the needed intensity distribution is computed by formulating the situation as an inverse heat conduction problem which is solved numerically. Here, the approach is restricted to processes where only a heating of the material without change in state of aggregation takes place. Examples for those processes are laser hardening, laser softening of high-strength steels, the laser assisted tape placement or - making certain assumptions - the laser based thin film functionalization. The implemented method then accounts for temperature dependent thermophysical and optical material properties, complex 3D-geometries, surface or volume absorption of the laser beam energy, as well as quasi-stationary or time-dependent distributions. Afterwards, beam shaping methods are presented within this work which are applicable for the realization of the obtained, strongly inhomogeneous intensity distributions. On one hand, the use of freeform optics that enable the generation of almost any stationary intensity distribution through a specific shaping of their optical surfaces is suggested. For the implementation of freeform optics in laser material processing, design strategies are presented that - for the first time - rigorously take into account the comparably low beam quality of the used laser radiation. Alternatively, as it is impossible to use freeform optics for a timedependent adaptation of an intensity distribution, methods for the application specific beam shaping with VCSELs are presented. These are specially designed high-power lasers that exhibit the potential of a plane arrangement with different zones which are independently addressable for a flexible beam shaping. In this work, new strategies are described to calculate the necessary VCSEL control and arrangement for the realization of application specific intensity distributions in materials processing. Finally, validations of the simulative approaches are presented by means of experimental results.

OpenAccess:
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