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- Lasertechnik: DFG
fördert FAU-Projekt
Laserstrahlumformen: Eine Sekunde lang Hitze
auf engstem Raum
- Um mehr als zehntausend Grad in einer
Sekunde heizen Werkstoffe sich auf und kühlen ebenso schnell
wieder ab, wenn sie mit einem Laserstrahl in Form gebracht werden.
Daß dabei auch die Mikrostruktur und damit die Eigenschaften
des bearbeiteten Materials sich verändern, ist unvermeidlich;
doch sollen die Bauteile sowohl exakt geformt sein als auch weiterhin
beispielsweise bruch- und reißfest bleiben. Im Schwerpunktprogramm
"Kurzzeitmetallurgie" fördert die Deutsche Forschungsgemeinschaft
für weitere zwei Jahre ein Grundlagenforschungsprojekt zu
dieser Problematik am Lehrstuhl für Fertigungstechnologie
von Prof. Dr.-Ing. Dr. Ing. E.h. mult. Dr. h.c. Manfred Geiger
an der Universität Erlangen-Nürnberg. Das Projekt,
das von Dipl.-Ing. Marion Merklein bearbeitet wird, hat damit
eine Gesamtlaufzeit von fünf Jahren.
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- Das Laserstrahlumformen ist ein flexibles
Fertigungsverfahren, das seit einigen Jahren im Rapid Prototyping,
der Kleinserienfertigung oder dem Richten geschweißter
Komponenten angewendet wird. Für dieses sehr innovative
Verfahren müssen keine aufwendigen Umformwerkzeuge bereitgestellt
werden. Um das Einsatzspektrum des Laserstrahlumformens, z. B.
im Automobilbau für das Richten gegossener Bauteile, erweitern
zu können, ist es unabdingbar, die Auswirkungen der Laserbestrahlung
und der damit verbundenen kurzzeitigen Erwärmung (Aufheiz-
und Abkühlgeschwindigkeit > 104 K/s) auf die mechanischen
Eigenschaften und die Mikrostruktur des Werkstoffes genau beschreiben
zu können. Bei dieser Lasermaterialbearbeitung wird in einem
eng begrenzten Bereich der Werkstoff aufgeheizt, jedoch an der
Wärmeausdehnung gehindert und dadurch plastisch verformt;
damit verändern sich an der bearbeiteten Stelle auch die
Werkstoffeigenschaften. Zwei Aluminiumlegierungen, beide typische
Außenhautwerkstoffe im Automobilbau, werden vorrangig untersucht.
Die Werkstoffe werden auf unterschiedliche Weise mit Wärme
behandelt und weisen deshalb unterschiedliche Eigenschaften auf.
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- In den ersten drei Projektjahren konnten
die Auswirkungen des Laserstrahlumformens bei Verwendung eines
Nd:YAG-Lasers für Blechwerkstoffe der Blechdicken 1 bis
3 mm untersucht und beschrieben werden. Das Gefüge wurde
lichtmikroskopisch untersucht, die Mikrostruktur mit dem Elektronenmikroskop.
Art und Umfang der Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften
konnten mittels Ultrakleinlasthärtemessungen und Zugversuchen
nachgewiesen werden. Die beim Laserstrahlumformen auftretenden
Temperaturfelder und Temperaturgradienten sowie die lokal vorherrschenden
Spannungs- und Dehnungszustände wurden mittels FEM- Simulation
berechnet. Eine Korrelation dieser Ergebnisse mit denen der FEM
(Finite-Elemente-Methode) ermöglicht die modellartige Beschreibung
der Werkstoffveränderungen für das Laserstrahlumformen
bei Verwendung eines Nd:YAG-Lasers.
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- Weitere Werkstoffe, andere Systeme
- Im weiteren Verlauf des Projektes sollen
die Untersuchungen auf das Excimer-Laserstrahlumformen ausgedehnt
werden. Da die Strahlung hier sehr viel weniger tief in den Werkstoff
eindringt, können deutlich dünnere Bleche in das Versuchsprogramm
aufgenommen werden. Damit soll geprüft werden, ob die bisher
gefundenen Zusammenhänge sowohl auf andere Lasersysteme
als auch auf ein breiteres Werkstoffspektrum übertragbar
sind. Temperaturmessungen an den umzuformenden Bauteilen sollen
das FEM-Modell absichern und die Simulationsergebnisse verbessern.
Diese Messungen gewährleisten einen Abgleich von Experiment
und Simulation.
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- Nach Ablauf der Projektdauer von fünf
Jahren wird es möglich sein, sowohl die Grenzen des Laserstrahlumformens
aus werkstoffkundlicher Sicht aufzuzeigen als auch sinnvolle
Prozeßketten vorzugeben, die notwendige Anforderungen
an Werkstoffe beim Laserstrahlumformen sichern.
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- · Kontakt:
Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Dr. h.c. Manfred Geiger,
Dipl.-Ing. Marion Merklein
Lehrstuhl für Fertigungstechnologie, Egerlandstraße
11, 91058 Erlangen
Tel.: 09131/85 -27140, -28341, Fax: 09131/36 40 3, E-Mail: mn@lft.uni-erlangen.de
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- Mediendienst FORSCHUNG Nr. 577 vom 13.7.2000
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Stand 13.7.2000