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Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Jean Pierre Bergmann

Fachgebietsleiter

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INHALTE

Lasermaterialbearbeitung

Forschungsschwerpunkte

- Hybridverbund Kunststoff-Metall
- Metallische Mischverbindungen
- Wechselwirkung Prozess-Metallurgie
- Prozessanalyse und -beobachtung
- Einsatz angepasster Intensitäten
- Mikrobearbeitung

Verantwortlicher Ansprechpartner:
Dr.-Ing. Klaus Schricker

Im Technologiefeld Lasermaterialbearbeitung stehen insbesondere Füge- und Trennprozesse sowie damit verbundene Verfahren zur Oberflächenmodifikation im Fokus der Forschungstätigkeiten. Mit Hilfe einer Vielzahl von modernen Laserstrahlquellen werden die Prozess-Werkstoffe-Wechselwirkungen an verschiedenen Materialien und Materialkombinationen untersucht (siehe Ausstattungsliste). Der Laserstrahl ermöglicht hierbei den gezielten und flexiblen Energieeintrag in das Werkstück und somit die Begrenzung thermischer Einflüsse. Dabei werden folgende Forschungs- schwerpunkte verfolgt.

Hybridverbund Kunststoff-Metall

Das thermische Fügen von Metallen mit thermoplastischen Kunststoffen ist ein neuartiger Prozess, der die direkte Herstellung eines Hybridverbundes ohne zusätzliche Fügeelemente oder Klebstoffe ermöglicht und gleichzeitig die Vorteile beider Werkstoffe für eine optimale Bauteilstruktur ausnutzt. Im Vordergrund der Untersuchungen stehen dabei Korrelationen zwischen Prozessdesign und Werkstoffverhalten, faserverstärkte Kunststoffe und Grundlagenunter- suchungen zu Benetzung und Bindemechanismus.

Angepasste Intensitätsverteilungen für Lasermaterialbearbeitungsprozesse

Die Wechselwirkung Laserstrahl/ Werkstoff und das sich in der Folge ausbildende Temperatur-Zeit Profil wird insbesondere bei transienten Lasermaterialbearbeitungsprozessen zu einem großen Teil durch die Intensitätsverteilung des Laserstrahls auf dem Werkstück bestimmt. Die Prozessoptimierung durch Anpassung der Intensitätsverteilung an die werkstoffliche Situation sowie die geforderten Prozessrandbedingungen birgt großes Potential für zahlreiche Laserprozesse. Hierzu zählt u.a. das Schweißen metallurgische anspruchsvoller Legierungen, das laserbasierte thermische Fügen von Kunststoffen mit Metallen sowie Vorwärmprozesse bspw. für das Rührreibschweißen (laser assisted Friction Stir Welding). Die Anpassung an den Prozess erfolgt sowohl durch empirische Versuche als auch mit Hilfe von Prozesssimulation. In enger Zusammenarbeit mit dem Fachgebiet Technische Optik werden die erarbeiteten Intensitätsverteilungen mit Hilfe diffraktiver optischer Elemente in eigens entwickelte Bearbeitungsoptiken implementiert und getestet.

Prozessanalyse und -beobachtung

Die Beschreibung von Prozessen in der Lasermaterialbearbeitung hängt von diversen Einflussgrößen der Laserstrahlquelle sowie des Werkstoffes ab, die das Zeit-Temperatur-Regime bei der Bearbeitung maßgeblich beeinflussen. Zur Analyse und Charakterisierung dieser Faktoren kommen Temperaturmesstechnik, Prozesssignal- erfassung, Hochgeschwindigkeitsvideografie und Verzugsmessungen zum Einsatz, die ein tiefgehendes Prozessverständnis ermöglichen.

Metallische Mischverbindungen

Metallische Mischverbindungen bestehen aus Werkstoffen, die entweder als nur bedingt oder nicht schweißgeeignet gelten, deren unterschied- liche Eigenschaften in Kombination jedoch zahl- reiche Vorteile im Bereich des Leichtbaus, der Elektromobilität und anderen Forschungsgebieten ermöglichen. Beispielhalft sind hier u.a. die Mischverbindungen Aluminium-Kupfer, Aluminium-Titan oder Stahl-Aluminium anzuführen. Schwerpunkt der Forschungsaktivitäten sind dabei gekoppelte und modifizierte Prozesse, wie kombi- nierte Lichtbogen-Laser-Prozesse und pulsmodu- liertes Laserstrahlschweißen. Entscheidend bei metallischen Mischverbindung sind die metallur- gischen Eigenschaften der Grenzfläche zwischen den Fügepartnern, die mit Hilfe verschie- denste Analysemethoden charakterisiert werden.  

Wechselwirkung Prozess-Metallurgie

Die Wechselbeziehung zwischen Prozess und Metallurgie kann u. a. durch das gezielte Einstellen der Abkühl-/Erstarrungsbedingungen und der Schmelzbadkonvektion beeinflusst werden. Pulsmodulation im Laserschweißprozess oder die Überlagerung des Schweißlasers mit einem zweiten Laserspot, für die Einstellung angepasster Temperatur-Zeit-Regime, sind hierbei verfolgte Ansätze. Diese Strategien ermöglichen u. a. ein heißrissfreies Schweißen von Aluminiumlegie- rungen (EN AW 6xxx) ohne Zusatzwerkstoff.

Struktur- und Prozesssimulation 

Die Simulation von Prozessen in der Lasermaterialbearbeitung hängt von diversen Einflussgrößen der Intensitätsverteilung des Laserstrahles sowie des Werkstoffes ab, die das Zeit-Temperatur-Regime bei der Bearbeitung maßgeblich beeinflussen. Der Einsatz von Modellierung und Simulation von Materialbearbeitungsprozessen ermöglicht dabei ein tiefgehendes Prozessverständnis. 

Mikrobearbeitung

Die präzise Materialbearbeitung auf Mikroebene mit hochbrillanten Laserstrahlquellen, beispiels- weise für das Laserstrahlschweißen dünner Metallfolien unter Vakuum (Foliendicke < 25 µm) oder die Oberflächenbearbeitung/-strukturierung, bildet ein weiteres Forschungsfeld mit dem Ziel die Bearbeitungsqualität, die Reproduzierbarkeit der Prozesse und die Bearbeitungsgeschwindig- keit zu maximieren und gleichzeitig den ther- mischen Einfluss des Prozesses lokal zu begrenzen.