Polieren von Werkzeugstählen mit Laserstrahlung

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1 Von der Fakultät für Maschinenwesen der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation vorgelegt von Dipl.-Ing. Edgar Willenborg aus Sögel, Emsland Berichter: Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Reinhart Poprawe M.A. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Fritz Klocke Tag der mündlichen Prüfung: 4. Mai 2005

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3 Berichte aus der Lasertechnik Edgar Willenborg D 82 (Diss. RWTH Aachen) Shaker Verlag Aachen 2006

4 Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2005 Copyright Shaker Verlag 2006 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN X ISSN X Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

5 Danksagung Die vorliegende Arbeit entstand neben meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik in Aachen. An dieser Stelle möchte ich mich bei allen bedanken, die zum Gelingen der Arbeit beigetragen haben. Herrn Professor Dr. rer. nat R. Poprawe M.A. danke ich für die Überlassung des Themas und die Betreuung der Arbeit. Herrn Professor Dr.-Ing. F. Klocke danke ich für die Übernahme des Korreferates sowie Herrn Professor Dr.-Ing. P. W. Gold für die Übernahme des Prüfungsvorsitzes. Mein Dank gilt den Kolleginnen und Kollegen der Abteilung Oberflächentechnik für die angenehme Arbeitsatmosphäre. Dabei danke ich insbesondere Herrn Dr. Konrad Wissenbach und Herrn Dr. Norbert Pirch für ihre Diskussionsbereitschaft und die gewissenhafte Durchsicht der Arbeit. Besonders möchte ich mich bei meinem Kollegen Dipl.-Ing. Thomas Kiedrowski sowie meinen langjährigen studentischen Hilfskräften Simon Höges und André Temmler für die umfassende Unterstützung bedanken. Weiterhin gilt mein Dank meinen Studienarbeitern und Diplomanden insbesondere Christof Gerhardy, Sebastian Hack und Christoph Tietz für ihre engagierte Arbeit. Meinen Eltern danke ich besonders für das in mich gesetzte Vertrauen, das meinen beruflichen Weg überhaupt erst ermöglicht hat.

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7 Inhalt Inhalt 1 Einleitung 1 2 Stand der Wissenschaft und Technik Einordnung der Fertigungsverfahren Anforderungen an polierte Oberflächen Konventionelle Polierverfahren für metallische Freiformflächen Polieren 8 3 Grundlagen des Laserstrahlpolierens Prozessführung und Bearbeitungsstrategie Werkstoff Physikalische Grundlagen des Umschmelzprozesses 15 4 Experimenteller Aufbau und Oberflächenanalyse Laserstrahlquellen Experimenteller Aufbau HPQL, SLM3 und CL120Q Experimenteller Aufbau Slab Oberflächenanalyse 21 5 Makro-Polieren mit cw Laserstrahlung Vorgehensweise Einfluss der Verfahrensparameter Strahldurchmesser Bearbeitungsrichtung Scangeschwindigkeit, Spurversatz, Laserleistung Anzahl der Überfahrten Werkstoff Schutzgas Leistungsstabilität der Laserstrahlquelle Reinigungszustand der Ausgangsoberfläche Theoretische Arbeiten Wärmeleitung und Schmelzbadgeometrie Marangonikonvektion Zusammenfassung der Ergebnisse zum Einfluss der Verfahrensparameter beim Makro-Polieren 63 I

8 Inhalt 6 Mikro-Polieren mit gepulster Laserstrahlung Temperaturgradienten beim Umschmelzen Experimentelle Vorgehensweise Einfluss der Verfahrensparameter Pulsdauer / Intensität Scangeschwindigkeit Pulsfrequenz Spurversatz Werkstoff Zusammenfassung der Ergebnisse zum Einfluss der Verfahrensparameter beim Mikro-Polieren 80 7 Eigenschaften laserstrahlpolierter Oberflächen Rauheit Untersuchung der Oberflächen auf Risse und Poren Härte 85 8 Maschinenentwicklung Anforderungen aus der Verfahrensentwicklung Vorgehensweise Portalroboter Strahlformungs- und -führungssystem Prozessgassystem Steuerung Anforderungen an die Steuerung Steuerungskonzept Hardware Software Messung der Signallaufzeiten Polieren von 3D-Geometrien Geometrieelemente Kanten Radien Flächen Anwendungsbeispiele Werkzeug- und Formenbau Feinmechanik Medizintechnik Poröse Werkstoffe Pharma-, Food- und Biotechnologie 127 II

9 Inhalt 11 Zusammenfassung und Ausblick Anhang Formelzeichen und Abkürzungen Physikalische und technische Daten des Werkstoffes Phasenkorrekter Profilfilter Werkstoffdaten und Annahmen für Modellrechnungen zum Mikro-Polieren Realisierung eines SCommand.DLL Befehls am Beispiel von SJump Gleichungen für 5-Achs-Transformation Literaturverzeichnis 142 III