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Hochgeschwindigkeitsbohren mit gepulster Laserstrahlung

Abstract
Die Prozessgrenzen - insbesondere die maximale Bohrgeschwindigkeit, das erreichbare Schachtverhältnis und die Reproduzierbarkeit der Maß- und Formtreue - beim Perkussionsbohren mit Laserstrahlung werden durch den Einsatz großer Repetitionsraten bis 50kHz und kleiner Fokusdurchmesser bis 10µm erweitert. Um die physikalischen Grenzen des Bohrprozesses angeben zu können und den erreichten Stand der Technik mit dem physikalisch denkbaren Grenzfall bewerten zu können, wird ein tieferes Prozessverständnis erforderlich. Der physikalische Prozess befindet sich beim Schneiden und Schweißen in der Nähe des quasi-stationären Zustands und hat qualitativ ähnliche Eigenschaften wie die transienten Prozesse beim Bohren. Um die zusätzlichen transienten Effekte beim Perkussionsbohren zu erfassen, werden Methoden zur Modellreduktion angewandt und numerische Berechnungen durchgeführt. Die Modellbildung und Analyse wird durch die Ergebnisse der Prozessdiagnose - Kurzzeitspektroskopie und Hochgeschwindigkeits-photographie - und die Charakterisierung des Bearbeitungsergebnisses - Metallographie und Elektronenmikroskopie - geleitet. Während des Bohrprozesses ändern sich die typischen Längen- und Zeitskalen. Um die physikalischen Grenzen des Bohrprozesses zu erreichen, werden der Bohrfortschritt überwacht und Strategien für eine geeignete Steuerung der Verfahrensparameter erarbeitet.

Projektbeschreibung
Die Ziele des Vorhabens sind die Vergrößerung der Bohrgeschwindigkeit (5mm Werkstoff-dicke mit Bearbeitungsdauer <<1s) und des Schachtverhältnisses (>200) beim Perkussions-bohren mit gepulster Laserstrahlung sowie die Verbesserung der Qualität des Bearbeitungsergebnisses und dessen Reproduzierbarkeit. Approximative Bewegungsgleichungen für die wesentlichen dynamischen Freiheitsgrade des Bohrprozesses sollen angegeben werden. Während des Bohrprozesses ändern sich die typischen Längen- und Zeitskalen. Um die Qualität und die Reproduzierbarkeit von Bohrergebnissen zu steigern und die physikalischen Grenzen des Bohrprozesses zu erreichen, soll der Bohrfortschritt überwacht, Bearbeitungsergebnisse in-situ beurteilt und Strategien für eine geeignete Steuerung der Verfahrensparameter erarbeitet werden. Das gewonnene Prozessverständnis soll genutzt werden, um physikalisch bedingte Prozessgrenzen aufzuzeigen und einen Bohrprozess mit großen Bohrgeschwindigkeiten und großen Schachtverhältnissen, bis zu den Prozessgrenzen, zu ermöglichen.

Gefördet durch DFG Deutsche Forschungsgemeinschaft
Projektpartner Fraunhofer ILT
Lehrstuhl für Lasertechnik
Projektleiter Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Schulz