Laserunterstützte Fräsbearbeitung hochfester Werkstoffe

Die herausragenden Festigkeitseigenschaften hochleistungsfähiger Werkstoffe bedingen nicht nur ihren häufigen Einsatz in technischen Systemen, sondern führen zu grossen Herausforderungen in der mechanischen Bearbeitung. Hier eröffnet die laserunterstützte Zerspanung völlig neue Perspektiven. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die laserunterstützte Fräsbearbeitung mit unmittelbarer Laserbestrahlung der Schnittfläche innerhalb des Fräsereingriffs untersucht. Aufbauend auf der analytischen Betrachtung der zugrundeliegenden Wirkmechanismen erfolgte zunächst die Modellierung der laserinduzierten Temperaturverteilung im Spanungsquerschnitt. Anhand von experimentellen Analogieversuchen am Beispiel von Siliziumnitrid-Keramik wurde schliesslich eine grundlegende Bewertung der prozesstechnologischen Machbarkeit durchgeführt. Im Anschluss wurden die optischen, mechanischen und thermischen Grundlagen zur Integration von Strahlführungssystemen erarbeitet. Die Ergebnisse aus der Herleitung entsprechender Anforderungen an die Spindel-Werkzeug-Technologie für die maschinenintegrierte Laserstrahlführung bildeten die Grundlage zur Umsetzung eines Maschinensystems, das erstmalig die hybride Fräsbearbeitung unter direkter Laserbestrahlung der Schnittfläche innerhalb des Fräsereingriffs ermöglicht. Im Anschluss wurden allgemeine systemseitige Mess- und Stellgrössen zur Steuerung des hybriden Fräsprozesses abgeleitet. Die Ergebnisse wurden in einem Prozesssteuerungssystem umgesetzt, das zusammen mit dem Maschinensystem für eine abschliessende prozesstechnologische Analyse eingesetzt wurde. Hierbei erfolgte die experimentelle Untersuchung der Abhängigkeiten zwischen maschinenseitigen Stell- und prozessseitigen Kenngrössen bei der laserunterstützten Fräsbearbeitung von Siliziumnitrid-Keramik und der Nickelbasislegierung Inconel 718. Gegenüber dem Stand der Forschung konnte eine signifikante Steigerung der Effektivität und Energieeffizienz nachgewiesen werden. Die vorgestellte Maschinen- und Steuerungstechnik eröffnet weitreichende Entwicklungspotenziale für die Anpassung bestehender Bearbeitungssysteme. Ein Werkzeugportfolio für unterschiedlichste Bearbeitungsaufgaben ist ebenso denkbar wie die modulare Erweiterung der Maschinensteuerungen oder die Implementierung von CAD/CAM-Schnittstellen, welche die zur Synchronisation und Modulation benötigten Eingriffsdaten bei komplexen Bearbeitungsaufgaben bereitstellen. Die Ergebnisse dieser Arbeit eröffnen weitgreifende neue Perspektiven für den Einsatz der laserunterstützten Frästechnologie bei hochfesten Werkstoffen.