Galvanometer laser machining is a well-established laser machining technique in which the laser beam is positioned on a working field by means of mirrors mounted in galvanometers. Nonetheless, new applications make necessary the development of innovative techniques for increasing the performance of such systems. Aside all the advantages of this technique like given resolution, repeatability and velocity, a limited working area is an important drawback. In this thesis work, the limitations of different state-of-the-art schemes for increasing the working field of galvanometer laser machining systems are examined. The necessity of a new strategy for reducing present deviations introducing a vision system is established. The construction of an error vector and calculation of coordinate’s transformations to improve precision are presented. In this work, the “Arithmetic mean transformation”, “individual correction transformation”, “iterative inverse distance weighting transformation” and a stitching approach denominated “Auto-stitching” are presented and demonstrated as methods for reducing inherent deviations in galvanometer scanning systems for large area processing.

In dieser Arbeit wurden Techniken untersucht, die die zur Verfügung stehende Pulsenergie von Hochleistungslasern effektiv nutzen und in einem Schritt eine Vielzahl einzelner periodisch angeordneter Strukturen herstellen. Dazu wird durch optische Strahlformung ein Laserstrahl mit mehreren Intensitätsmaxima hergestellt. Dazu wurden das Direkte Laserinterferenzstrukturieren (DLIP) und die Microlensarray-Strukturierung (MLAS) genutzt. Beide Verfahren bieten die Möglichkeit, großflächig periodische Strukturen in einem einstufigen Verfahren herzustellen. Beim DLIP werden mit einem Laserpuls, aufgrund von Interferenzeffekten mehrere tausend Linien oder Punkte auf bis zu Quadratzentimeter großen Flächen erzeugt. Microlensarrays (MLA) sind optische Elemente mit einer periodischen Linsenanordnung, die mehrere Brennpunkte aus einem einzigen Laserstrahl erzeugen. Durch die Verwendung als Fokussieroptik können einige tausend Laserpunkte mit einem einzigen Puls erzeugt werden. Anhand verschiedener Materialien werden die Möglichkeiten und Grenzen dieser Techniken untersucht und die Qualität der Strukturen im Hinblick auf die geplante Anwendung untersucht. Die für diese Arbeit genutzten Materialien sind ausschließlich nichtmetallische Werkstoffe. Es werden die Keramiken Hydroxylapatit, Aluminium- und Zirkonoxid, die leitfähigen Dünnschichten aluminium- und bordotiertes Zinkoxid und Indiumzinnoxid auf Glassubstrat und der Kunststoff PET untersucht. Hydroxylapatit ist eine Keramik die aufgrund ihrer guten Biokompatibilität in Knochen- und Zahnimplantaten verwendet wird. Eine Oberflächenstrukturierung ermöglicht eine Verbesserung des Zellwachstums. Aluminium- und Zirkonoxid werden ebenfalls in Gelenkimplantaten verwendet jedoch als Gleitfläche. Eine Strukturierung dieser Flächen verringert möglicherweise Reibung und Verschleiß in ähnlicher Weise wie bei Metallen bereits mehrfach gezeigt. Hier werden aufgrund der benötigten Strukturgrößen mit Perioden von mehreren Mikrometern sowohl DLIP als auch MLAS genutzt. Die leitfähigen Schichten und das PET finden vorrangig in optischer Elektronik Anwendung. Diese findet zunehmende Bedeutung in Form von Solarzellen und Lichtemittierenden Dioden. Die periodische Strukturierung des Substrates oder des beschichteten Substrates bringt ein Beugungsgitter in diese Elemente ein. Bestehende Untersuchungen haben bereits einen positiven Effekt von lithografisch hergestellten Beugungsgittern nachgewiesen. In dieser Arbeit wird untersucht, ob DLIP ebenfalls einen positiven Effekt hat.

Das selektive Laserschmelzen (SLM) erlaubt komplexe Geometrien zu fertigen, die, z. B. in Form von integrierten Kühlkanälen, bei Werkzeugen von großer Bedeutung sind. Aktuell werden in der Industrie hauptsächlich Aluminium-, Stahl-, Titan-, Nickel- und Kobaltchromlegierungen mit SLM verarbeitet. Für die additive Fertigung sind Stähle interessant, die besondere Eigenschaften aufweisen. So wird für Konstruktionsbauteile größtenteils korrosionsbeständiger Stahl verwendet. Ein weiteres Anwendungsfeld ist die Herstellung von Werkzeugen. Die besonderen Ansprüche an die mechanischen Eigenschaften, die für Werkzeuge benötigt werden, erfüllen die Werkzeugstähle. Durch die Neigung zu Rissbildung und Verzug resultiert eine herausfordernde Verarbeitbarkeit im SLM-Prozess. Werkzeugstähle wurden bisher auf Grund dieser Herausforderungen selten mit SLM prozessiert. Es besteht daher ein großer Bedarf die Zusammenhänge zwischen dem Prozess, der Verarbeitbarkeit, dem entstehenden Gefüge und den resultierenden Eigenschaften aufzuklären. In dieser Arbeit werden die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften dreier hochfester Stahllegierungen, verarbeitet im SLM-Prozess, untersucht. Eine Legierungsentwicklung, speziell auf die Anforderungen des SLM-Prozesses zugeschnitten, ermöglicht, das volle Potenzial des SLM-Prozesses auszuschöpfen. Die Verarbeitbarkeit der neu entwickelten Legierung im SLM-Prozess konnte erfolgreich gegenüber den Ausgangslegierungen verbessert werden.

Die Arbeit beschäftigt sich im ersten Teil mit der Untersuchung des Einflusses der Prozessgrößen auf die Zielgrößen, Randschichthärtetiefe und die Oberflächenhärte beim Laserhärten. In einem weiteren Kapitel werden die Ergebnisse von verschiedenen Möglichkeiten der laserbasierten Härteverfahren zur Steigerung der Prozessgrenzen dargestellt. Eine Möglichkeit ist das Laserlegieren von kohlenstoffhaltigen Zusatzwerkstoffen, wie zum Beispiel mit Eisencarbid, Eisenchromcarbid oder Glaskohlenstoff. Dazu sind die Einflussgrößen auf die Einhärtetiefe sowie die Schmelzbaddynamik der jeweiligen Werkstoffe analysiert worden. Auf der Basis der neu erworbenen Kenntnisse ist ein Model zur Schichtdickenberechnung und eine numerische Simulation des Laserlegierprozesses entwickelt worden. Eine andere Möglichkeit die Prozessgrenzen zu erweitern ist, in der Arbeit durch das Laserauftragschweißen beschrieben worden. Dabei sind unterschiedliche Düsen und Beschichtungsstrategien zum Einsatz gekommen. Die letzte in der Arbeit beschriebene Methode zur Steigerung der Prozessgrenzen ist das Gaslegieren. Dabei sind Versuche zum Laserhärten unter Stickstoffatmosphäre sowie zum Lasercarbonitrieren als auch Lasercarburieren gemacht worden. Im letzten Kapitel werden konkrete Anwendungsgebiete zum Laserhärten von Powertrain-Komponenten vorgestellt. Dabei werden unterschiedliche Lösungsansätze zum Laserhärten von Bohrlöchern in Flanschwellen und zum Laserhärten der Hohlkehlen von Kurbelwellen aufgezeigt.