Potenzialstudie zum Einsatz des Beam Shaping für die Lasermaterialbearbeitung
Hard- und Software-Komponenten
Potenzialstudie zum Einsatz des Beam Shaping für die Lasermaterialbearbeitung
BeamShape
Das Ziel des Verbundvorhabens ist die Darstellung des Potenzials des BeamShaping für die Lasermaterialbearbeitung. Dies soll erreicht werden durch die Erarbeitung der grundlegenden Wirkmechanismen des BeamShapings für schmelzebasierte Laserprozesse. Daraus erfolgt eine wissensbasierte Ableitung und Validierung konkreter prozessspezifischer Strahlformen. Dafür steht erstmals eine Komponente zur flexiblen Einstellung nahezu beliebig komplexer Strahlformen für Laserleistung im kW-Bereich zur Verfügung.
Projektlaufzeit
⏱ 01.04.2026 - 31.03.2027
Projektverantwortliche/r
👤 Marvin Kippels M.Sc.
Beteiligte Partner
👥 3
Kerninhalte & Mehrwert
Herausforderung & Mission
Die verfügbare Laserleistung kann in Schmelzebasierte Laserprozesse weder vollständig noch effizient genutzt werden, und Steigerungen der Bearbeitungsgeschwindigkeit mit konventionellen Strahlformen gehen zwangsläufig mit Qualitätseinbußen einher. Dass bereits einfache Strahlformung Produktivität, Effizienz, Robustheit und Bauteilqualität erhöhen kann, zeigt zwar das vorhandene Potenzial, dieses ist bei komplexen Strahlformen jedoch bislang weder erschlossen noch bekannt.
Das Projekt schließt diese Lücke erstmals durch eine neutrale, vergleichende Untersuchung unterschiedlicher Strahlformen unter konstanten Randbedingungen. Statt des bisher üblichen komponentenbasierten Ansatzes wird ein prozessbasierter Ansatz verfolgt: Mittels flexibler LCoS-Technologie (Liquid Crystal on Silicon) wird wissensbasiert eine prozessspezifische Strahlform beliebiger Komplexität eingestellt und validiert, um Vorgänge in der Schmelzbadzone gezielt zu manipulieren und so definierte Ergebnisse, etwa bei Spurgeometrie, Bearbeitungsgeschwindigkeit oder Rissunterdrückung, zu erreichen.
Zentrale Ziele
- Aufbau eines LCoS-basierten optischen Systems zum flexiblen Beamshaping für die Lasermaterialbearbeitung für PL ≥1kW
- Darstellung der grundlegenden Wirkmechanismen (Intensität, Wechselwirkungszeit) des Beamshaping für „einfache“ Strahlformen (Gauß / TopHat(rund, quadratisch) / Ring und dessen Einfluss auf Spurgeometrie und Schmelzbadstabilität
- Ableitung einer prozessspezifischen komplexen Strahlform für mindestens zwei Bearbeitungsverfahren und experimentelle Validierung der Wirkung auf das Bearbeitungsergebnis (Qualität, Produktivität, Kosten)
Relevanz & Zielgruppe
Für die Wissenschaft entsteht durch die systematische, wissensbasierte Vorgehensweise ein tieferes Verständnis der Wirkung des Beamshaping, das die Grundlage für weiterführende Forschung bietet. Die Industrie profitiert unmittelbar in zweifacher Hinsicht: Anwender können eine an ihre Prozesse angepasste Laserstrahlverteilung (LDV) mit bereits nachgewiesener Wirkung risikoarm umsetzen und so Produktivität, Bauteilqualität und Wettbewerbsfähigkeit steigern. Anlagenhersteller wiederum können ihre Systeme mit angepassten LDV ausstatten und ihren Kunden den Nutzen anhand der Projektergebnisse konkret belegen. Da die Umsetzung über etablierte optische Systeme kostengünstig in bestehende Produktionsanlagen erfolgen kann, bestehen nur geringe Entwicklungs- und Investitionshürden. Somit profitieren letztlich auch die Gesellschaft durch ressourceneffizientere und qualitativ hochwertigere Fertigungsprozesse.
Innovation & Besonderheiten
Bislang werden alternative, nicht-Gaußsche Leistungsdichteverteilungen (LDV) (wie Ring- oder Tophat-Profile) genutzt, ohne ein tieferes Verständnis dafür zu haben, warum diese LDV vorteilhaft sind. Neu ist es, diese Wirkmechanismen durch Anpassung bestehender Leistungsdichteverteilungen zu verstehen und aus diesem Verständnis prozessangepasste LDV in der Leistungsklasse über 1 kW Laserleistung abzuleiten.
Zeitleiste, Ergebnisse & Medien
Bisherige Zwischenergebnisse
Aktuell befinden wir uns in der Endphase des Systemaufbaus mit der wir die komplexen Laserstrahl-Leistungsdichteverteilungen erzeugen können.
Ausblick & nächste Schritte
Anschließend werden Versuche durchgeführt um den Einfluss durch Anpassung der Leistungsdichteverteilung zu isolieren und deren Potential zu quantifizieren.
Das Ergebnis (Geplanter Output)
Darstellung des Potentials komplexer Strahlformung
Bild- und Videomaterial
⏳ In Vorbereitung
Beteiligte Partner
Aconity3D
Fraunhofer ILT
LaVa-X GmbH
Die Projekte werden im Rahmen des Programms „ – Wandel durch Innovation in der Region" des BMFTR gefördert. Der Projektträger ist das Forschungszentrum Jülich.