ISBN 978-3-8439-3615-6

978-3-8439-3615-6, Reihe Ingenieurwissenschaften

Peter Weidmann
Eigenspannungsermittlung mittels laserablativem Materialabtrag und optischer Verschiebungsmessung

161 Seiten, Dissertation Universität Stuttgart (2018), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Ziel der Arbeit ist die Entwicklung einer Methodik zur Eigenspannungsermittlung, bei der Material mittels Laserablation abgetragen und die dabei auftretende Oberflächenverschiebung mit Hilfe digitaler Holographie gemessen wird. Das Verfahren soll zunächst auf einer Probe aus Metallsubstrat mit plasmagespritzter Keramikschicht angewandt werden. Zu Vergleichszwecken wurden zunächst Untersuchungen zur klassischen Bohrlochmethode durchgeführt. Diese beinhalten neben einer fallsensitiven Kalibrierung auch Randbedingungen wie Plastifizierungsvorgänge, Anisotropie und Schichtdickenschwankungen. Zur Abschätzung des Einflusses der Laserablation auf die Materialabtrags-Geometrie und Temperaturentwicklung wurde ein numerisches Modell auf Basis der Arrhenius- und Fourier’schen Wärmeleitungs-Gleichung aufgebaut. Insbesondere wärmebedingte Einflüsse konnten damit für den spezifischen Anwendungsfall ausgeschlossen werden. Bei Materialbelastung durch einen einfach kollimierten Laserstrahl ergab sich eine kegelstumpfartige Lochgeometrie (Ø ~0,7 mm). Die daraus resultierenden Verschiebungsfelder konnten unter Ausnutzung ihrer rotationssymmetrischen Verteilung ausgewertet werden, wobei die Ergebnisse quantitativen Aussagecharakter hatten. Defizitär waren die geometrische Instabilität des Materialabtrags und das geringe Tiefenauflösungsvermögen des Verfahrens.

Weiterführend wurde ein räumlicher Lichtmodulator angewandt, um geometrisch deutlich stabilere Ablationen in Form einer Nut (Länge 1,1 mm) auszuführen. Zur Auswertung wurde, basierend auf der integralen Methode zur Eigenspannungsermittlung, ein neues Verfahren entwickelt, bei dem die Oberflächenverschiebung mit einer gewichteten Mittelung bei variabler Fläche eingesetzt wird. Die Kalibrierung kann dabei durch eine bivariate Interpolation fallspezifisch auf die Versuche angepasst werden. Dieses Vorgehen erwies sich gegenüber vielen Randbedingungen, wie z. B. Messrauschen und Starrkörperbewegungen, als robust und konnte mit guter Auflösung die Eigenspannung wiedergeben. Allgemeine Vergleiche zwischen dem neu entwickelten Verfahren und der klassischen Bohrlochmethode sind u. a. wegen unterschiedlicher Messstellen und Längenskalen mitunter schwierig. Es wird daher empfohlen, den Fokus der weiteren Entwicklung auf die Etablierung weiterer geeigneter Validierungsverfahren für die lasergestützte Eigenspannungsermittlung zu legen, z. B. durch Abgleich mit biegeinduzierter Lastspannung.