Optimierung des Temperaturfeldes beim Laserstrahlhärten

• Optimization of the temperature field during laser hardening

Schulz, Martin; Bergs, Thomas (Thesis advisor); Loosen, Peter (Thesis advisor)

1. Auflage. - Aachen : Apprimus Verlag (2022)
Buch, Doktorarbeit

In: Ergebnisse aus der Produktionstechnik 22/2022
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Seit ihrem ersten industriellen Einsatz Mitte der 1960iger-Jahre hat sich die Lasertechnik als Querschnittstechnologie in vielen Fertigungsprozessen etabliert. Das martensitische Härten mittels Laserstrahlung ist dabei eines der ersten Verfahren, in denen der Laser produktionstechnisch eingesetzt wurde. Als bisher wichtigste Meilensteine der Prozessoptimierung sind die Pyrometerregelung und effiziente leistungsstarke Strahlquellen wie der Diodenlaser zu nennen. Ebenso hat sich das erreichbare Prozessergebnis durch die Möglichkeiten zur Manipulation der Intensitätsverteilung kontinuierlich verbessert. Obwohl Stand der Technik in der Regel homogenisierte Intensitätsprofile sind, werden in Forschung und Entwicklung leistungsfähigere Strahlformungssysteme erprobt. Diese Systeme eröffnen neue Freiheitsgrade zur Gestaltung der Intensitätsverteilung. Wie diese Freiheitsgrade zur Optimierung des Laserstrahlhärtens beitragen können, ist jedoch noch nicht geklärt und soll in der folgenden Arbeit thematisiert werden. Im Fokus dieser Arbeit stehen dabei nicht die Techniken zur Strahlformung, sondern die Optimierung der damit erzeugten Temperaturverteilung im Prozess. Den Rückschluss auf die zur Erzeugung erforderlichen Intensitätsverteilungen erlaubt die numerische Lösung des inversen Wärmeleitungsproblems. Die Realisierung der bestimmten Intensitätsverteilung kann dann mit unterschiedlichen Strahlformern geschehen. Zur Findung optimierter Temperaturfelder ist die Arbeit wie folgt aufgebaut: Nach einer kurzen Themenabgrenzung wird die Abhängigkeit des Prozesses vom Zeit-Temperatur-Verlauf qualitativ diskutiert. Anschließend werden die mit den derzeit verfügbaren technischen Mitteln erzeugbaren Strahlprofile vorgestellt und ihr Einfluss auf das Temperaturfeld und die Werkstoffreaktion erörtert. Aus dem so aufgearbeitetem Stand der Technik wird die Forschungshypothese abgeleitet und der Lösungsweg aufgezeigt. Zunächst werden hierzu basierend auf allgemeinen Anforderungen an laserstrahlgehärtete Produkte Bewertungsgrößen zur Optimierung von Temperaturfeldern erarbeitet. Um die Abhängigkeiten der Bewertungsgrößen von den Temperaturfeldern zu beschreiben, wird ein Modell erstellt. Am Beispiel einer homogenen Intensitätsverteilung wird das Modell experimentell verifiziert. Das Beispiel dient auch dazu, den Stand der Technik hinsichtlich der eingeführten Größen zu bewerten. Anschließend werden auf Grundlage der Modellannahmen Temperaturfelder hergeleitet, die jeweils zu einer Verbesserung hinsichtlich einer der Bewertungsgrößen führen. Das Potential dieser Temperaturfelder wird diskutiert und anhand eines Härteversuches mit Freiformspiegeln experimentell überprüft.