Hochgeschwindigkeitsbohren HSD - High Speed Drilling

 

1.Phase
Die Prozessgrenzen - insbesondere die maximale Bohrgeschwindigkeit, das erreichbare Schachtverhältnis und die Reproduzierbarkeit der Maß- und Formtreue - beim Perkussionsbohren mit Laserstrahlung werden durch den Einsatz großer Repetitionsraten bis 50 kHz und kleiner Fokusdurchmesser bis 10 µm erweitert. Um die physikalischen Grenzen des Bohrprozesses angeben zu können und den erreichten Stand der Technik mit dem physikalisch denkbaren Grenzfall bewerten zu können, wird ein tieferes Prozessverständnis erforderlich. Der physikalische Prozeß befindet sich beim Schneiden und Schweißen in der Nähe des quasi-stationären Zustands und hat qualitativ ähnliche Eigenschaften wie die transienten Prozesse beim Bohren. Um die zusätzlichen transienten Effekte beim Perkussionsbohren zu erfassen, werden Methoden zur Modellreduktion angewandt und numerische Berechnungen durchgeführt. Die Modellbildung und Analyse wird durch die Ergebnisse der Prozessdiagnose - Kurzzeitspektroskopie und Hochgeschwindigkeitsphotographie - und die Charakterisierung des Bearbeitungsergebnisses - Metallographie und Elektronenmikroskopie - geleitet. Während des Bohrprozesses ändern sich die typischen Längen- und Zeitskalen. Um die physikalischen Grenzen des Bohrprozesses zu erreichen, werden der Bohrfortschritt überwacht und Strategien für eine geeignete Steuerung der Verfahrensparameter erarbeitet.

2.Phase
Ein physikalisches Modell des Bohrens mit Laserstrahlung für die Prozessdomänen Bohren mit Schmelzabtragen und Bohren mit Verdampfungsabtragen wird mittels der Methoden zur Modellreduktion und der numerischen Simulation erstellt. Ziel ist die ganzheitliche Beschreibung der wesentlichen Prozesse zum Bohren z.B. Propagation der Laserstrahlung, Wärmetransport, Phasenübergänge, Strömung der flüssigen und gasförmigen Phase in Abhängigkeit der Werkstoffeigenschaften. Um die Ergebnisse des Bohrmodells zu prüfen, sind experimentelle Untersuchungen erforderlich. Der Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit den Ergebnissen des Bohrmodells leitet die Modellbildung. Die für die experimentellen Untersuchungen erforderliche Prozessdiagnose umfasst die koaxiale und laterale Prozessbeobachtung (Hochgeschwindigkeitsfotografie und Spektroskopie), sowie die Charakterisierung des Bearbeitungsergebnisses (Metallografie und Mikroskopie). Ziel des Forschungsvorhabens ist die Voraussage der erzielbaren Prozessgrenzen, z.B. bezüglich der Bohrgeschwindigkeit, des Aspektverhältnisses, des Recast und der Reproduzierbarkeit, in Abhängigkeit von den Eigenschaften der Laserstrahlung und der Werkstoffe.