Laserunterstütztes Fräsen reduziert die Prozesskräfte

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iwb Institut für Werkzeugmasch. und Betriebswissenschaft der TU München

Mit Hilfe eines durch Experimente kalibrierten Simulationsmodells des Wärmeeintrags durch die Laserstrahlung konnte das bei verschiedenen Laserleistungen P_L, Spotdurchmessern d_L und Vorschubgeschwindigkeiten v_L erzielbare transiente Temperaturfeld simulativ abgebildet werden. Weil erst bei einer Temperatur von etwa 450 °C eine Reduzierung der Festigkeit von Titan auftritt, muss der Werkstoff über diese Temperatur erwärmt werden. Um Heißrisse im Werkstück zu vermeiden, darf die β-Transustemperatur (circa 950 °C) allerdings nicht überschritten werden. Die Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls v_L ist durch die maximale Vorschubgeschwindigkeit des Fräsprozesses f vorgegeben. Mithilfe des Simulationsmodells können nun die Laserparameter (P_L und d_L) bestimmt werden, um die erreichbare Durchwärmtiefe bei gegebener Vorschubgeschwindigkeit f zu ermitteln. Die axiale Zustellung a_p wird dabei der simulativ bestimmten Durchwärmtiefe angepasst.

Ein Großteil der Wärme wird über den Span abgeführt

Ergänzend wurde der optimale Vorlauf des Brennflecks u_W vor der unmittelbaren Zerspanungsstelle und dessen Abstand zur Kante u_K ermittelt, um keine zusätzliche thermische Belastung des Werkzeugs durch direkte Bestrahlung, aber auch keine unnötige Erwärmung des Bauteils durch Abfluss der Wärme zu verursachen. Bild 3 zeigt schematisch die Ausrichtung des Laserbrennflecks zu Werkstück und Werkzeug. Im optimalen Fall wird der Werkstoff erwärmt und anschließend ohne Wärmeeintrag ins Bauteil sofort im entfestigten Zustand abgehoben.

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