Laser erhöht Ermüdungslebensdauer
Der Einfluss des Laserpolierens von LPBF-Bauteilen aus Inconel 718, einem bekannten Werkstoff aus der Luftfahrt, auf das Ermüdungsverhalten untersuchte Professorin Yingchun Guan von der Beihang University aus Peking. Sie wies auf eine ältere, bereits auf der LaP 2020 vorgestellte Untersuchung mit Turbinenbauteilen hin, bei denen sich durch Laserpolieren die Rauheit Ra von mehr als 10 auf unter 0,1 µm senken ließ. Neue Analysen wiesen nun nach, dass sich auch das Festigkeitsverhalten verbessert hat: So steigert das Laserpolieren die Ermüdungslebensdauer bei einer mechanischen Spannung von 840 MPa um 15 bis 20 Prozent im Vergleich zu den Werten bei gefrästen Oberflächen, bei 500 bis 600 MPa fällt sie genauso hoch aus.
Besondere Werkstoffe sind AHSS Stähle (Advanced High Strength Steel), die wegen ihrer hohen Festigkeit (>1000 MPa) für den Leichtbau im Automotive-Bereich interessant sind. Beim Scherenschnitt oder Laserschneiden treten jedoch Mikrodefekte an der Kante auf, was die Bauteile anfällig für Kantenrisse macht. Der Wissenschaftler Dongsong Li vom Institut für Eisenhüttenkunde (RWTH Aachen University) stellte ein Verfahren zum Entgraten und Kantenverrunden mit Laserstrahlung vor, welches zusammen mit dem Fraunhofer ILT entwickelt wurde. Der Laser schmilzt die Kante, beseitigt die Mikrodefekte und glättet sie. Im Versuch gelang es mit einem 4 KW-CW-Diodenlaser, ein 1,5 mm dickes Blech aus hochfestem Dualphasenstahl (Festigkeit: 1000 MPa) mit 3,6 m/min zu bearbeiten. Lochaufweitungsversuche und Diabolo-Tests zeigen eine deutlich verbesserte Performance nach der Laserbehandlung. So wird eine um mehr als 200% größere Umformung ermöglicht bevor die ersten Kantenrisse auftreten.
Eine immer wichtigere Rolle spielt beim Laserpolieren die Prozessüberwachung: Über deutsch-kanadische Zusammenarbeit auf diesem Gebiet u. a. mit dem Fraunhofer ILT berichteten Dr. Evgueni V. Bordatchev, Teamleiter am National Research Council of Canada in London (Ontario) und Sven Linden vom Fraunhofer ILT. Um das Einrichten eines Polierprozesses zu automatisieren, wurde in eine Laserpoliermaschine u.a. ein Weißlichtinterferometer (WLI) integriert, das Oberflächenstrukturen hochgenau erfasst. Ebenfalls im Rahmen der Zusammenarbeit wurde in eine weitere Maschine eine thermografische Hochgeschwindigkeitskamera integriert. Die Echtzeitdaten der Kamera dienen zum Schließen des Regelkreises und Anpassen der Parameter. Sichtlich fasziniert sahen die LaP-Gäste das Video einer Hochgeschwindigkeitskamera, die mit 42.000 Bildern pro Sekunde das Erstarren von flüssigem Warmarbeitsstahl (1.2343) im Schmelzbad sichtbar machte.
Die Thermokamera nutzte Daniel Beyfuss, Wissenschaftler an der University of Western Ontario, London (Kanada) bei der Prozessüberwachung von Laserumschmelzprozessen (Laser Remelting LRM). Der Kanadier analysierte mithilfe von koaxialer optischer Messung die Auswirkungen von thermodynamischen Instabilitäten auf den LRM-Prozess. Ein wichtiges Ergebnis ist die tragende Rolle des thermodynamischen Gleichgewichts zwischen zugeführter Laserleistung und ihrer Umsetzung in Umschmelzprozesse, denn sie beeinflusst die Prozessstabilität maßgeblich.
Schmelzbadanalyse im Synchrotron
Über ein Forschungsprojekt mit dem Bremer Institut für angewandte Strahltechnik BIAS berichtete US-Wissenschaftler Patrick J. Faue von der University of Wisconsin-Madison. Im Mittelpunkt standen Hochgeschwindigkeits-Röntgenaufnahmen im Synchrotron des renommierten Argonne National Laboratory (ANL), die zu interessanten Einsichten zur Schmelzbad-Dynamik beim Laserpolieren führten. Das Forscherteam beobachtete zum Beispiel, wie sich Schmelzbadschwingungen aufbauen und damit auch das Keyhole beeinflussen.
Zufrieden stellte LaP-Initiator und Moderator Dr. Willenborg vom Fraunhofer ILT nach der virtuellen LaP fest: »16 Referate behandelten an zwei Tagen sehr viele Aspekte vom klassischen Glaspolieren bis hin zur Schmelzbadanalyse im Synchrotron. Die Mischung macht‘s: Daher waren wahrscheinlich auch fast alle 70 Teilnehmenden durchgängig online präsent. Ich freue mich trotz des virtuellen Erfolgs aber auf ein Wiedersehen mit der internationalen Laserpoliergemeinde auf der sechsten LaP, die dann hoffentlich im Jahr 2024 wieder live in Aachen stattfindet!«