DPP Nano

Nano Photonic Production

PHILIPS/DPP

Maßgeschneiderte Laser-Wärmebehandlung für neue Anwendungen und erhöhte Produktivität

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 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 werden 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.

Kontakt

Dr. Jochen Stollenwerk
+49 241 8906411
jochen.stollenwerk@tos.rwth-aachen.de

Lehrstuhl für Technologie Optischer Systeme TOS
Steinbachstr. 15
52074 Aachen

www.tos.rwth-aachen.de