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

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.