07 Fakultät Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik
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Item Open Access Die Kornstruktur und der Heißrisswiderstand von Laserstrahlschweißnähten in Aluminiumlegierungen(München : utzverlag, 2020) Hagenlocher, Christian; Graf, Thomas (Prof. Dr. phil. nat.)Die Kornstruktur einer Schweißnaht beeinflusst ihren Widerstand gegen die Bildung von Nahtmittenheißrissen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der übergreifende Zusammenhang zwischen Schweißparameter, Kornstruktur und Heißrisswiderstand beim Laserstrahlschweißen durch analytische Gleichungen beschrieben und das resultierende Modell experimentell validiert.Item Open Access Bildbasierte Charakterisierung und Regelung von Laserschweißprozessen(München : Herbert Utz Verlag, 2017) Abt, Felix; Graf, Thomas (Prof. Dr. phil. nat. habil.)Das Laserstrahltiefschweißen ist ein weit verbreitetes Verfahren in der industriellen Fertigung und obwohl bereits seit Jahrzehnten erfolgreich im Einsatz, mangelt es bis heute an Möglichkeiten der Prozessregelung. Verfügbare Regelsysteme beschränken sich meist auf die Positions- oder Abstandsregelung, lassen den eigentlichen Schweißprozess jedoch in aller Regel außen vor. Bisherige Ansätze zur Regelung des Schweißprozesses scheiterten regelmäßig an zu geringer Messgeschwindigkeit oder nicht robust messenden Integraldetektoren. Obgleich die Prozessüberwachung von Laserschweißprozessen bereits in vielen Bereichen Anwendung findet, handelt es sich auch hierbei meist um Verfahren mit integral messenden Detektoren, deren Messkurven lediglich über Korrelationsverfahren mit der erreichten Nahtqualität in Verbindung stehen. Kamerabasierte Verfahren zur Prozessüberwachung wurden zwar in den vergangenen Jahren massiv weiterentwickelt, abgesehen von Systemen zur Positionsüberwachung und -Regelung, kommen jedoch auch bei diesen meist Algorithmen zum Einsatz, die den Prozess auf Helligkeitsschwankungen hin untersuchen. Die Verwendung von Bildverarbeitungsalgorithmen, welche auf der Auswertung von geometrischen Formparametern beruhen, ermöglichen eine weit robustere und aussagekräftigere Beurteilung des Prozesszustandes, als es die eingangs genannten helligkeitsbasierten Algorithmen vermögen. Der notwendige hohe Rechenaufwand verhindert jedoch bis dato die Nutzung solcher Algorithmen für ein echtzeitfähiges System zur Prozessreglung. In dieser Arbeit wird basierend auf spektroskopischen Untersuchungen der elektromagnetischen Prozessemissionen und der Störeinflüsse durch Metalldampf und Schweißrauchpartikel, ein spektrales Fenster identifiziert, welches optimale Bedingungen für die Beobachtung der thermischen Prozessemission mit siliziumbasierten Kameras ermöglicht. Grundlagenuntersuchungen mittels kombiniertem Einsatz von Röntgenvideotechnik und Hochgeschwindigkeitskameras im nahen und mittleren Infrarot, erlauben einen dreidimensionalen Einblick in den Schweißprozess, auch unterhalb der Schmelzebadoberfläche. Die gewonnenen Erkenntnisse bilden die Basis für die Entwicklung einer kamerabasierten Prozessüberwachung, welche über eine koaxial zum Bearbeitungslaserstrahl angeordnete Kamera, die thermische Strahlungsemission des Prozesses erfasst und die entstehenden Bilder anhand geometrischer Bildmerkmale auswertet. Die identifizierten Bildmerkmale beschreiben die jeweiligen transienten Fehler eindeutig und liefern eine Charakterisierung des Prozesszustandes. Aus den evaluierten geometrischen Bildmerkmalen wird das Merkmal Durchschweißloch ausgewählt, um mittels eines geschlossenen Regelkreises den Durchschweißgrad von Lasertiefschweißprozessen zu regeln. Die Regelung wird dabei mittels einer neuartigen Rechnerarchitektur realisiert, der sogenannten Cellularen Neuronalen Netze (CNN). Die CNN-Architektur integriert dabei ein Netzwerk analoger Prozessoren direkt auf dem Kamerachip. Jeder einzelne Pixel verfügt bei diesem System über einen eigen simplen Prozessor. Diese Architektur ermöglicht es durch die Vernetzung der einzelnen Pixel eine Bildverarbeitung direkt auf dem Kamerachip durchzuführen, deren Berechnungen innerhalb eines Belichtungszyklus abgeschlossen sind. Auf diese Weise wurde ein Regelsystem implementiert, welches mit Regelfrequenzen bis zu 14 kHz bei minimaler Latenz, eine robuste Regelung der Durchschweißung und Einschweißung an I-Naht-Überlappverbindungen ermöglicht.Item Open Access Determination of the thermally induced focal shift of processing optics for ultrafast lasers with average powers of up to 525 W(2018) Faas, Sebastian; Förster, Daniel J.; Weber, Rudolf; Graf, ThomasThe continuous increase of the average laser power of ultrafast lasers is a challenge with respect to the thermal load of the processing optics. The power which is absorbed in an optical element leads to a temperature increase, temperature gradients, changing refractive index and shape, and finally causes distortions of the transmitted beam. In a first-order approximation this results in a change of the focal position, which may lead to an uncontrolled change of the laser machining process. The present study reports on investigations on the focal shift induced in thin plano-convex lenses by a high-power ultra-short pulsed laser with an average laser power of up to 525 W. The focal shift was determined for lenses made of different materials (N-BK7, fused silica) and with different coatings (un-coated, broadband coating, specific wavelength coating).Item Open Access Estimation of the depth limit for percussion drilling with picosecond laser pulses(2018) Förster, Daniel J.; Weber, Rudolf; Holder, Daniel; Graf, ThomasItem Open Access Local laser heat treatment of AlSi10Mg as-built parts produced by Laser Powder Bed Fusion(2024) Kramer, Steffen; Jarwitz, Michael; Schulze, Volker; Zanger, FrederikToday, complex structural components for lightweight applications are frequently manufactured by laser powder bed fusion (PBF-LB), often using aluminum alloys such as AlSi10Mg. However, the application of cyclic load cases can be challenging as PBF-LB produced AlSi10Mg parts typically have low ductility and corresponding brittle failure behavior in the as-built condition. Therefore, this paper presents investigations on the feasibility of a laser heat treatment of PBF-LB produced AlSi10Mg parts to locally increase the ductility and decrease the hardness in critical areas. Potential heat treatment process parameters were derived theoretically based on the temperature fields in the material calculated assuming three-dimensional heat conduction and a moving heat source. PBF-LB produced specimens were then laser heat treated at varying laser power and scan speed. Hardness measurements on metallographic cross sections showed hardness reductions of over 35 % without inducing hydrogen pore growth.Item Open Access General mathematical model for the period chirp in interference lithography(2023) Bienert, Florian; Graf, Thomas; Abdou Ahmed, MarwanItem Open Access Influence of geometry variations during pyrometric temperature measurement in laser material processing(2024) Traunecker, David; Jarwitz, Michael; Michalowski, AndreasItem Open Access Process limits for percussion drilling of stainless steel with ultrashort laser pulses at high average powers(2022) Brinkmeier, David; Holder, Daniel; Loescher, André; Röcker, Christoph; Förster, Daniel J.; Onuseit, Volkher; Weber, Rudolf; Abdou Ahmed, Marwan; Graf, ThomasThe availability of commercial ultrafast lasers reaching into the kW power level offers promising potential for high-volume manufacturing applications. Exploiting the available average power is challenging due to process limits imposed by particle shielding, ambient atmosphere breakdown, and heat accumulation effects. We experimentally confirm the validity of a simple thermal model, which can be used for the estimation of a critical heat accumulation threshold for percussion drilling of AISI 304 steel. The limits are summarized in a processing map, which provides selection criteria for process parameters and suitable lasers. The results emphasize the need for process parallelization.Item Open Access Stream finishing of additively manufactured AlSi10Mg PBF-LB parts: influence on surface quality and fatigue behaviour(2024) Wexel, Helena; Kramer, Steffen; Schubert, Johannes; Schulze, Volker; Zanger, FrederikItem Open Access Tuning the hardness of produced parts by adjusting the cooling rate during laser-based powder bed fusion of AlSi10Mg by adapting the process parameters(2022) Leis, Artur; Traunecker, David; Weber, Rudolf; Graf, ThomasThe mechanical properties of parts produced by laser-based powder bed fusion (LPBF) are mainly determined by the grain structure in the material, which is governed by the cooling rate during solidification. This cooling rate strongly depends on the scan velocity and the absorbed laser power. Experiments with varying process parameters were performed to develop and validate an analytical model that predicts the hardness of printed AlSi10Mg parts. It was found that it is possible to tune the hardness of additively manufactured parts of AlSi10Mg in a range between 60 ± 9 HV0.5 and 100 ± 10 HV0.5 by adjusting the cooling rate during solidification with adapted process parameters.