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Customized photonic devices for defectless laser based manufacturing

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Maßgeschneiderte thermische Zyklen bringen die laserbasierte Fertigung in Schwung

Die maßgeschneiderte Laserstrahlformung auf der Grundlage der Mehrebenen-Lichtkonversion geht auf die aktuellen Herausforderungen ein und öffnet damit die Tür zur Laserbearbeitung von bisher unzugänglichen Materialien.

Industrielle Technologien

Laser haben sich auf die Rangliste der wichtigsten Werkzeuge in der industriellen Fertigung gebeamt. Sie sind in der Lage, sehr feine Strukturen zu erzeugen, die sich mit konventionellen Bearbeitungsmaschinen nur schwer oder gar nicht herstellen lassen, und Materialien zu schneiden, mit nur geringfügiger Auswirkung auf die Umgebung der Eingriffsstelle, wodurch auch der Nachbearbeitungsbedarf minimiert wird. Die Laserstrahlformung zur Steuerung der Intensität (Leistung pro Flächeneinheit) kann die derzeitigen Hürden bei industriellen Laseranwendungen überwinden und eine Feinabstimmung der Mikrostruktur und der Endeigenschaften des Bauteils ermöglichen. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts CUSTODIAN wurde eine auf Photonik basierende Technologie zur Laserstrahlformung entwickelt, die auf bestimmte Materialien und Anwendungen zugeschnitten ist und Laserverfahren in Echtzeit steuert.

Experiment und Simulation nehmen Einfluss auf die Entwicklung der Mehrebenen-Lichtumwandlungstechnologie

Das Team konzentrierte sich auf das Laserstrahlschweißen von Edelstahlkomponenten für die Automobilindustrie, das Pulverbettschweißen für die Luftfahrt und die Energieerzeugung sowie das Laserschneiden von dicken Stählen für verschiedene weitere Branchen. Drei entscheidende vorbereitende Arbeiten legten den Grundstein für die Technologie der Laserstrahlformung: 1) Bestimmung des optimalen thermischen Zyklus durch Verfahrens- und Materialanalyse; 2) Multiphysik-Simulation zur Bestimmung der optimalen Strahlform, um den gewünschten thermischen Zyklus zu erreichen, und 3) Berechnung der optimalen Absorption auf der Grundlage der fresnelschen Formeln (welche die Reflexion und Transmission von Licht an einer Grenzfläche beschreiben), um die Leistungsverteilung zu homogenisieren. Das Fachwissen, die hervorragende Zusammenarbeit und das Engagement der Partner von CUSTODIAN lieferten enorme und wesentliche Erkenntnisse in diesen Bereichen. Darauf aufbauend arbeitete der Projektpartner Cailabs an der fortschrittlichen Technologie der Mehrebenen-Lichtkonversion (Multi-Plane Light Conversion, MPLC) zur Strahlformung, die auf der iterativen Veränderung des Strahlquerprofils nach aufeinanderfolgenden Reflexionen an einer Phasenplatte beruht. „Die MPLC-Technologie stammt aus dem Telekommunikationsbereich, und ihre Anpassung an industrielle Lasergeräte war nicht trivial. Wir mussten in den letzten Monaten des Projekts wichtige Anpassungen vornehmen und hatten eine sehr knappe Endphase für die Prüfung und Validierung der Ergebnisse“, erklärt CUSTODIAN-Projektleiter Daniel Gesto vom AIMEN Technology Centre.

Echtzeit-Überwachung und -Steuerung durch Hochgeschwindigkeits-Infrarotaufnahmen

Die technische Fähigkeit, die Form des Strahls zu verändern, muss mit den entsprechenden Algorithmen gepaart werden. CUSTODIAN hat Echtzeit-Überwachungs- und Steuerungssysteme auf der Grundlage von Hochgeschwindigkeits-Infrarotaufnahmen entwickelt. Die Hochgeschwindigkeits-Infrarot-Bildgeber des Projekts wurden koaxial integriert, um die Dynamik der Schmelzbäder in Echtzeit zu erfassen. Anhand der gewonnenen Informationen wurden Algorithmen erstellt und getestet, mit denen die Verfahrensparameter in Echtzeit angepasst werden können, um den thermischen Zyklus für jedes Material zu optimieren.

Lösung bestehender Laserprobleme und Wegbereitung für neue Anwendungen

Die Ergebnisse von CUSTODIAN haben das nötige Potenzial demonstriert, industrielle Herausforderungen im Bereich der Laseranwendungen, die derzeit nicht bewältigt werden können, anzugehen und zu lösen. Sie ermöglichen eine bessere Qualität und höhere Produktivität bei gleichzeitiger Senkung der Produktionskosten, Verbesserung der Energieeffizienz und drastischer Verringerung der Ausschussmenge. Darüber hinaus öffnen sie die Tür zur Laserbearbeitung von Werkstoffen, die heute aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung und Mikrostruktur nicht zugänglich sind. „Die CUSTODIAN-Methodik, die Multiphysik-Simulation und eine flexible Laserstrahlformungs-Technologie (MPLC) kombiniert, ist die einzige Möglichkeit, die zahlreichen Eingangsparameter auf aussagekräftige Weise zu bewerten und anzupassen. Das Projekt hat eine Vorreiterrolle bei einem der wichtigsten Themen in der heutigen Lasermaterialbearbeitung gespielt – der flexiblen und anwendungsspezifischen Intensitätsverteilung“, so Gesto abschließend. Die Methodik von CUSTODIAN formt demnach die Zukunft der Materialbearbeitung.

Schlüsselbegriffe

CUSTODIAN, Laser, Laserstrahlformung, MPLC, Mehrebenen-Lichtkonversion, Multiphysik-Simulation, Laserstrahlschweißen, Pulverbettschweißen

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30 Dezember 2021