Maßgeschneiderte Laser-Wärmebehandlung

BMBF-Verbundprojekt Nano DPP entwickelt und erprobt innovative Laser-Strahlquellen, optische Systeme und Algorithmen für neue Anwendungen und erhöhte Produktivität.
Schmaler, länglich-rechteckiger Kasten.

VCSEL-Hochleistungsarray bestehend aus einer Matrix von oberflächenemittierenden Diodenlasern © Philips

29.10.14

BMBF-Verbundprojekt Nano DPP

Die Funktionalität von Bauteilen sowie die Verarbeitbarkeit von Werkstoffen erfordert in zahlreichen Bereichen der industriellen Produktion eine thermische Prozessierung, um die geforderten Werkstoffeigenschaften gezielt einzustellen. Der Laser als berührungsloses, schnell zu steuerndes Werkzeug ermöglicht die Erzeugung von bauteil- und werkstoffangepassten Temperaturverteilungen.

Herausragende Vorteile des Laserverfahrens liegen vor allem in der einzigartigen Möglichkeit, die Wärme lokal begrenzt einzubringen, der im Vergleich zu Ofenprozessen hohen Energieeffizienz sowie der einfachen Integrierbarkeit in automatisierte Fertigungslinien. Im Unterschied zu einer Ofenbehandlung handelt es sich bei Laserverfahren in der Regel um eine Kurzzeitwärmebehandlung mit Zykluszeiten im Bereich von Mikrosekunden bis zu wenigen Sekunden.

Die mittels Laserstrahlung in das Bauteil eingebrachten zeitlichen und örtlichen Temperaturverteilungen werden maßgeblich durch die Intensitätsverteilung der Laserstrahlung am Werkstück bestimmt. Mit heutigen Lasersystemen ist allerdings die flexible, prozessangepasste Gestaltung von Intensitätsverteilungen nur sehr begrenzt möglich. Dies hat u.a. zur Folge, dass viele Anwendungen bisher überhaupt nicht realisierbar sind und zum Teil hohe Produktivitätseinbußen hingenommen werden müssen.

Daher sollen im Verbund „Nano DPP“ neue Laser-Strahlquellen, optische Systeme und Algorithmen entwickelt und erprobt werden, die die Erzeugung maßgeschneiderter, werkstoffangepasster Lichtverteilungen ermöglichen, um eine örtlich begrenzte, zeitlich gesteuerte, exakt dosierte Wärmebehandlung durchzuführen.

Mithilfe eines solchen flexiblen Werkzeuges wird die Produktivität von Wärmebehandlungsprozessen gesteigert (Entfestigen, Laserhärten), das Anwendungsspektrum erweitert (Bearbeitung von 3D-Geometrien, Herstellung von komplexen Bau-teilen aus Verbundwerkstoffen) und neue Anwendungsgebiete in der Industrie erschlossen (z. B. durch die Funktionalisierung von Oberflächen auf Basis nanopartikulärer Werkstoffe).

Dahingehend werden interdisziplinär in der Werkstoffkunde, der Strahlquellenentwicklung, der Numerik und der Verfahrenstechnik grundlegende Forschungs- und Entwicklungsarbeiten durchgeführt.

Insbesondere werden neuartige Laser-Strahlquellen auf Basis der VCSEL-Technologie in Zusammenarbeit mit der Firma Philips Photonics entwickelt und erprobt. Die Strahlquellen bestehend dabei aus Halbleiterchips mit vielen tausenden unabhängigen Mikrolasern, deren kombinierte Emission eine ausfallsichere, Specklefreie und homogene Wärmebehandlung auch größerer Flächen ermöglicht.

Zur Anpassung der Lichtverteilung konventioneller Laser-Strahlquellen werden Optik-Auslegungsalgorithmen entwickelt, die das Design kompakter optischer Systeme auf Basis von Freiform-Optiken ermöglichen sollen. Die Herstellung solcher Freiform-Optiken erfolgt bisher größtenteils in Kunststoff, die Firma Innolite forscht daher an Verfahren zur direkten, formwerkzeuglosen Fertigung optischer Freiform-Oberflächen in zerspanbaren Gläsern.

Die grundlegenden Forschungsarbeiten im Vorhaben stellen eine Wissensbasis bereit, mit der Kurzzeit-Wärmebehandlungsverfahren in industriellen Anwendungen bezüglich der für Hochlohnländer relevanten Merkmale Produktivität, Anwendbarkeit und vor allem Qualität signifikant verbessert werden können.

Der Verbund Nano DPP ist Anfang Oktober 2014 gestartet und wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Initiative „Forschungscampus – öffentlich-private Partnerschaft für Innovationen - Digital Photonic Production“ mit über 2,5 Millionen Euro gefördert. Projektpartner sind die Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, die Philips GmbH Photonics Aachen und die InnoLite GmbH (Aachen). Das Projekt läuft über fünf Jahre und soll Ende September 2019 abgeschlossen werden.

Weitere Informationen

Download Steckbrief BMBF-Projekt Nano DPP (PDF)

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