Nach heutigem internationalem Stand der Technik existiert keine geeignete einseitige Technologie zum Laserhärten von komplexen Sackbohrungsprofilen mit kleinem Durchmesser. Die angestrebte Laserhärtetechnologie soll daher die vorhandene Lücke, basierend auf einem reproduzierbaren Härteprozess, schließen und so die kostengünstige und effiziente Umsetzung gehärteter Bohrungen ermöglichen.

Ziel dieses Vorhabens ist die Entwicklung eines simulationsgestützten Laserhärteverfahrens basierend auf einer Laserbearbeitungsoptik zum einseitigem Randschichthärten von Bohrungen mit kleinen Durchmessern von d = 5 - 15 mm und komplexen Bohrungsprofilen, gekennzeichnet durch variierende Bohrungsdurchmesser entlang der Bohrungsachse, Übergängen zwischen unterschiedlichen Bohrungsdurchmessern, sowie dem Merkmal Durchgangs- und Sackbohrungen. Der in diesem Projekt vorgestellte und zum Patent angemeldete Ansatz, zu dem der Erteilungsbeschluss des DPMA per 26.11.2018 vorliegt, basiert auf der Nutzung eines kleinen Winkels zwischen dem Laserstrahl und der Innenseite der Bohrung ohne Einsatz von Spiegeln. Die Herausforderung besteht sowohl in der Entwicklung einer entsprechenden Laseroptik für das universelle Härten von Bohrungen als auch in der korrespondierenden Prozessauslegung, -steuerung bzw. -regelung, um reproduzierbare und gleichmäßige Härteprofile für komplexe Bohrungsprofile mit variierenden Durchmessern entlang der Bohrungsachse sowie veränderlichen Wärmeleitverhältnissen zu gewährleisten.

Zur Umsetzung wird ein modellbasiertes und Randschichthärteverfahren für Bohrungen entwickelt, das neue technologische Komponenten (Bearbeitungsoptik, Sensorik, Steuerkreise) sowie Berechnungssoftware zur Auslegung des Härteprozesses zusammenführt und im Anschluss an das Vorhaben in ein vollautomatisiertes resp. sich selbst regelndes Verfahren weiterentwickelt. Eine Schnittstelle zwischen einem Simulationstool und der Bearbeitungsoptik soll in Abhängigkeit der Berechnungsergebnisse Regel- und Steuergrößen mit hohem Automatisierungsgrad an die Systemtechnik übermitteln, um ortsangepasste Prozessparameter für gleichmäßige Härteprofile zur Verfügung zu stellen. Das Tool liefert in Abhängigkeit des berechneten Wärmeeintrags- und geometriebedingten Wärmeabflusses die Maximaltemperaturen an der Oberfläche als Regelgröße des Temperaturregelkreises sowie die korrespondierenden Vorschubgeschwindigkeiten, um geometrieunabhängig an allen Positionen entlang der Bohrungsachse gleiche Härtewerte ohne die bislang unvermeidbaren Unregelmäßigkeiten zu erzielen.

Übergeordnetes Projektziel ist die Überführung der angestrebten technischen Funktionalitäten in ein stabiles, funktionssicheres und großserientaugliches System. Das Projekt wird in zwei eng miteinander verzahnten Teilprojekten bearbeitet. Deren gemeinsames Ziel ist es, eine Gesamtlösung bestehend aus Bearbeitungsoptik, validierten Prozessparametern und simulationsgestützter Parametersteuerung für spätere Endanwender des laserbasierten Bohrungshärtens bereitzustellen.