DE102017219019A1

DE102017219019A1 - Verfahren, Verwendung, System und mobile Laserschockbehandlungsstation zum Laserschockstrahlen eines Bauteils

Info

Publication number: DE102017219019A1
Application number: DE102017219019.1A
Authority: DE
Inventors: Matthias Hegenbart; Peter Linde
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2017-10-25
Filing date: 2017-10-25
Publication date: 2019-04-25
Also published as: US11052487B2; US20190118302A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Laserschockstrahlen eines Bauteils, insbesondere an schwierig zugänglichen Stellen, mit den Schritten: Zuführen eines ersten Endes eines flexiblen Lichtleiters, welches in Form einer Lichtleiterbürste mit einer Vielzahl von auseinandergehenden Lichtleiterfasern ausgebildet ist, zu einer mittels Laserschockstrahlen zu behandelnden Stelle des Bauteils; Generieren von an einem zweiten Ende des Lichtleiters einkoppelnden Laserschockpulsen mittels einer Laserstrahlquelle; und Abgeben der Laserschockpulse mittels der Lichtleiterbürste in eine Prozesszone an der zu behandelnden Stelle des Bauteils.Ferner schafft die vorliegende Erfindung eine Verwendung einer eine Vielzahl von auseinandergehenden Lichtleiterfasern aufweisenden Lichtleiterbürste zum Laserschockstrahlen eines Bauteils, ein System zum Laserschockstrahlen eines Bauteils sowie eine mobile Laserschockbehandlungsstation für Reparatur oder Nachrüstungsarbeiten mittels Laserschockstrahlen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschockstrahlen eines Bauteils, insbesondere an schwierig zugänglichen Stellen, eine Verwendung einer eine Vielzahl von auseinandergehenden Lichtleiterfasern aufweisenden Lichtleiterbürste zum Laserschockstrahlen eines Bauteils, ein System zum Laserschockstrahlen eines Bauteils sowie eine mobile Laserschockbehandlungsstation für Reparatur oder Nachrüstungsarbeiten mittels Laserschockstrahlen.
Laserschockstrahlen ist eine laserstrahlbasierte Oberflächenbehandlungstechnik, welche vorwiegend in metallischen Werkstoffen zur spezifischen Verbesserung von Materialeigenschaften durch Einbringen von Druckvorspannungen eingesetzt wird. Dazu wird die Oberfläche eines Bauteils durch Laserschockstrahlen bearbeitet. Eine herkömmliche Anordnung 100 zum Laserschockstrahlen ist beispielsweise in 1 dargestellt. Üblicherweise werden Strahlungspulse 101 aus einer mit hoher Leistung gepulsten Laserquelle 102 eingesetzt, um Stoß- bzw. Schockwellen auf der Oberfläche eines Bauteils 103 zu erzeugen. Durch den auf die Bauteiloberfläche gerichteten gepulsten Laserstrahl wird eine starke lokale Druckkraft auf einen behandelten Abschnitt 104 erzeugt. An der Auftreffstelle des Laserstrahls 101 entsteht bei Ablation oder Verdampfung einer dünnen Schicht der Oberfläche oder einer Beschichtung ein stark expandierendes Plasma 105, wodurch eine Explosivkraft erzeugt wird. Der Druckimpuls aus dem sich rasch ausdehnenden Plasma 105 ergibt eine in das Bauteil wandernde Schockwelle 106. Diese von dem Laserstrahlpuls bewirkte Druckschockwelle 106 führt zu plastischen Druckverformungen im Bauteil 103. Die plastischen Verformungen rufen erwünschte Druckrestspannungen im Material hervor. Das Laserschockstrahlen wird beispielsweise in dem US-Patent 3,850,698 A oder dem US-Patent 4,401,477 A beschrieben.
Laserschockstrahlen wird bisweilen verwendet, um eine druckbeanspruchte Schicht 107, wie in 2 dargestellt, an der äußeren Oberfläche eines Bauteils 103 hervorzurufen, so dass die Widerstandsfähigkeit des Werkstückes wesentlich verbessert wird. Im Gegensatz zu konventionellen Oberflächenstrahltechniken, beispielsweise Kugelstrahlen, bei welchen ein Strahlmittel bis zum Erreichen einer Sättigungszeit auf die zu behandelnde Stelle gerichtet wird, nach welcher eine gewünschte Oberflächenverfestigung erreicht ist, wird zum Laserschockstrahlen bisweilen eine äußere Oberfläche eines Bauteils gemäß einem vorbestimmten Raster mit gepulsten Laserstrahlen 101 strukturiert abgefahren. Somit werden an der Oberfläche des Bauteils 103 sich überlappende Laserstrahl-Einwirkzonen 108 gebildet. Beispielhaft sind derartige Raster sind in den 3 und 4 dargestellt. In 3 überlappen sich die Einwirkzonen 108 mehrfach und in zwei Dimensionen, sodass eine gleichmäßige matrixartige Struktur entsteht. Gemäß 4 überlappen sich die Einwirkzonen 108 lediglich eindimensional, sodass mehrere parallele Linien sich überlappende Einwirkzonen 108 gebildet werden. Beispielsweise kann das zu behandelnden Bauteil 103 dazu unter einer Laserstrahloptik mäanderformig bewegt werden, wie mit den eingezeichneten Bewegungspfeilen 109 angedeutet.
Eine derartige Laserschockstrahltechnik findet bisweilen zum einen in der Produktion, insbesondere zur Anpassung von Werkstoffparametern, zum anderen aber auch zu Reparaturzwecken, insbesondere zum Stoppen von Rissfortschritten, Anwendung. Die WO 2010/063643 beschreibt beispielsweise den Einsatz von Laserschockstrahlen zum Vermeiden einer Rissbildung in metallischen Flugzeugstrukturen, wozu ein eine Schadstelle umgebender Oberflächenbereich mittels Laserschockstrahlen behandelt wird.
Bisweilen wird zum Laserschockstrahlen zumeist eine Schutzschicht 110 auf die zu behandelnde Oberfläche aufgetragen, wie in 2 dargestellt. Als Schutzschicht 110 wird oftmals Glas oder eine Wasserbenetzung vorgesehen. Zur Realisierung des Rasters ist in der Regel eine Roboterführung des Bauteils oder des Laserstrahlkopfes nötig.
Darüber hinaus existieren auf dem Gebiet der Videoendoskopie sogenannte Lichtleiterbürsten 111. Diese bezeichnen geöffnete Bündel aus Lichtleitfasern 112 zur Bildaufnahme, wobei es sich insbesondere um ein aufgefächertes Faserbündel eines Lichtleiterkabels 113 mit zufälliger Verteilung der einzelnen Fasern handeln kann, wie beispielhaft in 5 dargestellt. Die mit einzelnen zufällig verteilten Fasern zur Videoendoskopie aufgezeichneten Bildsegmente werden mit speziellen Algorithmen analysiert und zu einem Gesamtbild zusammengesetzt. Diese Funktionsweise ist beispielsweise beschrieben in Heshmat, B. et al. Optical brush: Imaging through permuted probes. Sci. Rep. 6, 20217; doi: 10.1038/srep20217 (2016).
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Technik zum Laserschockstrahlen eines Bauteils, insbesondere an schwierig zugänglichen Stellen, bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Laserschockstrahlen eines Bauteils mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und/oder durch eine Verwendung einer eine Vielzahl von auseinandergehenden Lichtleiterfasern aufweisenden Lichtleiterbürste zum Laserschockstrahlen eines Bauteils mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 und/oder durch ein System zum Laserschockstrahlen eines Bauteils mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 und/oder durch eine mobile Laserschockbehandlungsstation für Reparatur oder Nachrüstungsarbeiten mittels Laserschockstrahlen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14.
Demgemäß ist vorgesehen:

- Ein Verfahren zum Laserschockstrahlen eines Bauteils, insbesondere an schwierig zugänglichen Stellen, mit den Schritten: Zuführen eines ersten Endes eines flexiblen Lichtleiters, welches in Form einer Lichtleiterbürste mit einer Vielzahl von auseinandergehenden Lichtleiterfasern ausgebildet ist, zu einer mittels Laserschockstrahlen zu behandelnden Stelle des Bauteils; Generieren von an einem zweiten Ende des Lichtleiters einkoppelnden Laserschockpulsen mittels einer Laserstrahlquelle; und Abgeben der Laserschockpulse mittels der Lichtleiterbürste in eine Prozesszone an der zu behandelnden Stelle des Bauteils.
- Eine Verwendung einer eine Vielzahl von auseinandergehenden Lichtleiterfasern aufweisenden Lichtleiterbürste zum Laserschockstrahlen eines Bauteils, insbesondere mit einem erfindungsgemäßen Verfahren.
- Ein System zum Laserschockstrahlen eines Bauteils, insbesondere mit einem erfindungsgemäßen Verfahren, mit: einer Laserstrahlquelle, welche eine für Laserschockpulse geeignete Energiedichte und Pulslänge bereitstellt; einem flexiblen Lichtleiter, welcher ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist, wobei das erste Ende eine Lichtleiterbürste mit einer Vielzahl von auseinandergehenden Lichtleiterfasern aufweist und das zweite Ende zum Einkoppeln von Laserschockpulsen an die Laserstrahlquelle anschließbar ausgebildet ist, wobei der Lichtleiter mit seinem ersten Ende flexibel an einer mittels Laserschockstrahlen zu behandelnden Stelle des Bauteils positionierbar ist, so dass von der Laserstrahlquelle ausgebbare Laserschockpulse von der Lichtleiterbürste in eine Prozesszone an der zu behandelnden Stelle des Bauteils abgebbar sind.
- Eine mobile Laserschockbehandlungsstation für Reparatur oder Nachrüstungsarbeiten mittels Laserschockstrahlen, insbesondere an Luft-oder Raumfahrzeugen, welche ein mobiles Fahrzeug und ein System nach einem der Ansprüche 10 bis 13 aufweist.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, zum Laserschockstrahlen anstatt eines bisher üblichen rastermäßigen Abfahrens einer Bauteiloberfläche mit einer herkömmlichen Laserstrahloptik eine nach dem Sättigungsprinzip verwendbare Lichtleiterbürste mit einer Vielzahl von auseinandergehenden Lichtleiterfasern einzusetzen. Diese wird in einer völlig neuen Weise, nämlich nicht primär zur Aufnahme von Bildern, sondern zum Ausgeben von Laserschockpulsen verwendet. Ferner ist das Laserschockstrahlen damit erstmals nach dem Sättigungsprinzip verwendbar und wird entsprechend erstmals in dieser Weise verwendet.
Durch den mit der Lichtleiterbürste versehenen flexiblen Lichtleiter, welcher eine kabelartige dünne Ausbildung aufweist, sind vorteilhaft auch schwer zugängliche Stellen einer Bauteils einfach und flexibel erreichbar. Insbesondere kann damit an Stellen vorgedrungen werden, die mit herkömmlichen Laseroptiken nicht erreichbar sind. Beispielsweise sind Engstellen und Hinterschnitte so auf einfache Weise erreichbar und mittels Laserschockstrahlen behandelbar, was mit herkömmlicher Systemtechnik, insbesondere bisher eingesetzten Laserstrahlköpfen aufgrund derer Dimensionen nicht möglich ist. Vorteilhaft wird auf diese Weise einerseits das Anwendungsspektrum für die Laserschocktechnik erweitert. Andererseits wird auch die praktische Anwendung des Laserschocktechnik stark vereinfacht, da für die Behandlung kein hochgenauer Pfad mehr eingehalten werden muss, der bislang eine unterhalb des Fokusdurchmessers des Laserstrahls liegende Genauigkeit aufweisen musste um das vorbestimmte Raster einzuhalten. Stattdessen kann nun mit wesentlich geringerer Positionsgenauigkeit, ähnlich wie bei konventionellen Oberflächenstrahltechniken, aufgrund der zufällig verteilten Fasern eine statistische Sättigung durch eine entsprechende Behandlungsdauer eines vorbestimmten Oberflächenbereichs eingestellt werden.
Als Lichtleiterbürste kann beispielsweise ein geöffnetes Bündel optischer Fasern eines Lichtleiterkabels eingesetzt werden. Die Fasern sind derart ausgelegt, dass sie hochenergetische Laserstrahlpulse übertragen und so für die Anwendung des Laserschockstrahlen geeignet sind. Die Lichtleiterbürste weist einen vorbestimmten Öffnungswinkel der Vielzahl von einzelnen Fasern, beispielsweise zwischen 10 und 180°, vorzugsweise zwischen 20 und 90°, auf sodass vorteilhaft eine im Vergleich zum Faserdurchmesser relativ große Oberfläche des Bauteils gleichzeitig behandelbar ist. Dies ist insbesondere ein Vorteil gegenüber der bisher zumeist eingesetzten Einzelpunktmethode.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens können die Laserschockpulse für eine vorbestimmte Zeitdauer an der zu behandelnden Stelle des Bauteils abgegeben werden, bis ein vorbestimmter Sättigungszustand einer Laserschockbehandlung erreicht ist. Vorteilhaft kann der Prozess so auf einfache Weise gesteuert werden.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens können die Faserenden der Vielzahl von auseinandergehenden Lichtleiterfasern der Lichtleiterbürste eine ungeordnete Verteilung aufweisen Die Laserschockpulse werden daher entsprechend einer solchen ungeordneten Verteilung in die Prozesszone abgegeben werden. Die Abgabe ist somit rasterfrei bzw. statistisch. Vorteilhaft ist die Verteilung der Lichtleiterfasern und damit auch der Einwirkzonen der Laserschockpulse über eine vergleichsweise große Fläche statistisch verteilt, sodass innerhalb des Bereichs einer Standardabweichung zeitabhängig eine statische Behandlung bis zu einem Sättigungszustand vorgenommen werden kann, ohne dass dazu eine besonders hohe Positioniergenauigkeit notwendig wäre. Es können somit größere Flächen mit einem sehr viel einfacher beherrschbaren und über die Behandlungsdauer sehr einfach steuerbaren Prozess bearbeitet werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird der Lichtleiter zumindest abschnittsweise in einem Endoskopschaft geführt und das Zuführen endoskopisch vorgenommen. Besonders vorteilhaft ist das erste Ende des Lichtleiters somit an schwer zugängliche Stellen, insbesondere in Hohlräumen und an hinterschnittenen Bereichen zuführbar, und insbesondere innerhalb dieser schwer zugänglichen Stellen auch noch flexibel ausrichtbar. Der Endoskopschaft umfasst insbesondere Lenkmittel, beispielsweise in Form von Bowdenzügen, welche eine flexible Ausrichtung des Endoskopschaft zumindest im Bereich des ersten Endes erlauben. Alternativ oder zusätzlich zu Bowdenzügen wären auch Lenkmittel in Form von in den Mantel integrierte Aktoren oder dergleichen denkbar.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weisen die einzelnen Lichtleiterfasern jeweils Fokussierungsmittel auf. Vor dem Ausgeben von Laserschockpulsen wird eine Überprüfung der Lage der Prozesszone relativ zu einem Fokus des Laserstrahls vorgenommen. Beispielsweise können unterschiedliche Typen von Mikrolinsen als Fokussierungsmittel vorgesehen sein. Insbesondere ist jede einzelne Lichtfaser mit einem Fokussierungsmittel versehen. Somit kann ggfs. ein Mittelwert der Fokuslage herangezogen werden, um die Lage der Prozesszone zu überprüfen. Vorteilhaft kann somit eine Positionierung des ersten Endes des Lichtleiters vorgenommen werden, in welcher die Prozesszone möglichst nahe an oder in der Fokuslage der einzelnen Lichtleitfasern der Lichtleiterbürste liegt.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst das Zuführen eine Positionierung eines mobilen Fahrzeugs, welches die Laserstrahlquelle transportiert, nahe dem zu behandelnden Bauteil. Ferner ist ein flexibles Zuführen des ersten Endes des Lichtleiters ausgehend der mit dem Fahrzeug transportablen Laserstrahlquelle an die mittels Laserschockstrahlen zu behandelnde Stelle des Bauteils umfasst, insbesondere mittels flexiblem Abrollen des Lichtleiters von einer Lichtleiter-Rolle. Besonders vorteilhaft kann somit von bisher üblichen aufwendigen Apparaturen insbesondere Laserstrahlleitsystemen und -Optiken an der zu behandelnden Stelle abgesehen werden. Dies ermöglicht vorteilhaft einen sehr viel flexibleren Einsatz des Laserschockstrahlens, insbesondere auch zum nachträglichen Behandlung oder Reparatur vor Ort, d. h. im Einbauzustand des zu behandelnden Bauteils.
Bei einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Verwendung wird die Lichtleiterbürste in Verbindung mit einem flexiblen Lichtleiter mit einer mobilen Laserschockbehandlungsstation für Reparatur oder Nachrüstungsarbeiten mittels Laserschockstrahlen, insbesondere an Luft-oder Raumfahrzeugen, verwendet. Insbesondere aufgrund der Dimensionen von Luft-oder Raumfahrzeugen ist dies besonders vorteilhaft, da nicht wie bisher üblich das Bauteil zur Systemtechnik zum Laserschockstrahlen sondern nun die Systemtechnik zu dem Bauteil an seinem Einbauort verbracht werden kann. Dies verhindert oder vermindert maßgeblich ansonsten für den Ein-und Ausbau nötige Montagezeiten und vermeidet auch Transportwege.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Verwendung wird die Lichtleiterbürste in Verbindung mit einem in einem Endoskopschaft geführten flexiblen Lichtleiter zum Laserschockstrahlen von schwierig zugänglichen Bereichen eines dreidimensionalen Bauteils verwendet wird. Insbesondere kann es sich um hinterschnittene Bereiche handeln. Beispielsweise bei Hohlräumen additiv gefertigter Bauteile, welche mittels additiver Fertigung nahezu beliebig geformt bzw. nahezu ohne Rücksicht auf die Herstellbarkeit hinterschnitten ausgebildet sein können, wird das System bevorzugt verwendet. Es bedarf dazu lediglich einer Zugangsöffnung, durch welche der Endoskopschaft hindurch passt. Das Endoskop kann dann angepasst an die Hohlraumform geführt werden. Besonders vorteilhaft ist auf diese Weise eine vollflächige Behandlung komplexer dreidimensionaler Bauteile mittels Laserschockstrahlen ermöglicht. Dies eröffnet neue Wege für die Konstruktion und Auslegung komplex geformt dreidimensionaler Bauteile.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform eines Systems zum Laserschockstrahlen ist der flexible Lichtleiter zumindest abschnittsweise in einem Endoskopschaft geführt. Somit ist das erste Ende des Lichtleiters vorteilhaft an der zu behandelnden Stelle ausrichtbar, insbesondere auch wenn es sich dabei um eine schwierig zugängliche Stelle handelt.
Alternativ oder zusätzlich sind die Lichtleitfasern der Lichtleiterbürste an den einzelnen Faserenden jeweils mit Fokussierungsmitteln, insbesondere je einer innerhalb des Faserdurchmessers ausgebildeten Fokussiereinrichtung, versehen. Beispielsweise kann es sich dabei um eine direkt mit der Lichtleitfasern verbundene Mikrolinse handeln. Vorteilhaft ist somit die Lichtleiterbürste gezielt auf eine Prozesszone ausrichtbar, sodass eine wirkungsvolle Laserschockbehandlung ermöglicht ist.
Bei einer Weiterbildung ist der flexible Lichtleiter in einem Arbeitskanal eines Videoendoskops geführt, welches eine Aufnahmeeinrichtung aufweist. Vorteilhaft kann somit auf einfach verfügbare Systeme zurückgegriffen werden, in welche lediglich der flexible Lichtleiter integriert wird. Neben dem Arbeitskanal weist ein Videoendoskop in der Regel einen Beleuchtungs-Kanal zur Beleuchtung und einen Übertragungskanal zur Bildübertragung mit der Aufnahmeeinrichtung auf. Auf diese Weise ist vorteilhaft die Ausrichtung des ersten Endes des flexiblen Lichtleiters kontrollierbar und beeinflussbar.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist der flexible Lichtleiter sowohl zur Bildübertragung von der Prozesszone zu einer Aufnahmeeinrichtung als auch zur Übertragung von Laserschockpulsen von der Laserstrahlquelle in die Prozesszone ausgebildet. Vorteilhaft wird somit kein zusätzlicher Bildübertragungskanal im Endoskopschaft benötigt. Stattdessen werden, wie bei der Videoendoskopie mit Lichtleiterbürste, die mit den einzelnen zufällig verteilten Fasern aufgezeichneten Bildsegmente mit einem geeigneten Algorithmus analysiert und zu einem Gesamtbild zusammengesetzt. Besonders vorteilhaft kann somit ein Lichtleiter in beiden Richtungen fungieren, wobei er zunächst zur Lagekontrolle und Ausrichtung zur Bildübertragung genutzt wird und anschließend in umgekehrter Richtung zur Übertragung der Laserschockpulse. Zur Bildübertragung an dunklen Stellen können beispielsweise auch ein Teil der Lichtleiterfasern zur Übertragung eines Beleuchtungslichtes und ein anderer Teil der Lichtleiterfasern gleichzeitig zur Bildübertragung genutzt werden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Aufnahmeeinrichtung ausgebildet, ausgehend von dem ersten Ende des Lichtleiters eine Fokuslage der Prozesszone zu erkennen. Im Falle einer Bildübertragung über den flexiblen Lichtleiter kann die Fokuslage beispielsweise von einer Schärfe des aufgenommenen Bildes abgeleitet werden. Im Falle eines Videoendoskops wäre es auch denkbar, zusätzlich einen Abstandssensor oder eine zweite Kamera zur Abstandsbestimmung vorzusehen.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform einer mobilen Laserschockbehandlungsstation ist die Laserstrahlquelle mit dem mobilen Fahrzeug zu dem zu behandelnden Bauteil transportabel ausgebildet. Beispielsweise kann es sich um ein Bodenfahrzeug handeln. Ferner ist das erste Ende des Lichtleiters ausgehend von der mit dem Fahrzeug transportablen Laserstrahlquelle flexibel an eine mittels Laserschockstrahlen zu behandelnde Stelle des Bauteils zuführbar ausgebildet. Eine derartige flexible Zuführbarkeit ist insbesondere für technische Laserstrahlwerkzeuge im Wellenlängenbereich von kleiner als 4 µm mit sogenannten Lichtleiter-Kabeln möglich. Entsprechend liegt die Wellenlänge der Laserstahlquelle ebenfalls im Bereich kleiner als 4 µm, beispielsweise zwischen 500 und 1200 nm, was der typische Wellenlängenbereich von technischen Festkörperlasern ist. Insbesondere kann der Lichtleiter zur flexiblen Zuführung bedarfsgerecht von einer Lichtleiterrolle abwickelbar ausgebildet sein.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:

1 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Systemn zum Laserschockstrahlen;
2 eine Prinzipdarstellung des Laserschock-Prozesses;
3 eine schematische Darstellung eines Rasters zum Laserschockstrahlen;
4 eine schematische Darstellung eines weiteren Rasters zum Laserschockstrahlen;
5 eine schematische Darstellung einer Lichtleiterbürste zu Videoendoskopie;
6 eine schematische Darstellung eines Systems zum Laserschockstrahlen;
7 ein Blockdiagramm eines Verfahrens zum Laserschockstrahlen;
8 eine schematische Darstellung einer Prozesszone;
9 eine schematische Darstellung eines Sättigungsverhaltens;
10 A eine schematische Darstellung eines ersten Stadiums eines Laserschockstrahlprozesses in schwierig zugänglichen Bereichen;
10 B der Laserschockstrahlprozess nach 10 A in einem zweiten Stadium;
10 C der Laserschockstrahlprozess nach 10 A und 10 B in einem finalen Stadium;
11 eine schematische Darstellung der Erreichbarkeit besonders schwierig zugänglicher Bereiche mit einer Lichtleiterbürste;
12 eine Prinzipskizze einer Kugellinse als Fokussierungsmittel;
13 eine schematische Darstellung einer Faserspitze als Fokussierungsmittel;
14 eine schematische Darstellung einer reflexionsbeschichteten Faserspitze;
15 eine schematische Darstellung eines Faserendes mit einer aufgedruckten Mikrolinse als Fokussierungsmittel;
16 eine Lichtleitfaser mit einem Fokussierungsmittel nach 15;
17 ein Faserende mit einer Bündelungslinse als Fokussierungsmittel;
18 eine schematische Darstellung verschiedener Blendenöffnungen an einem Fokussierungsmittel für unterschiedliche Tiefenschärfe;
19 eine Schnittdarstellung eines Videoendoskops;
20 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Systems zum Laserschockstrahlen;
21 eine perspektivische Darstellung eines komplex geformten Bauteils;
22 eine Schnittdarstellung hinterschnittener Bereichen im Hohlraum des Bauteils gemäß 21;
23 die Schnittdarstellung gemäß 22 mit in den Hohlraum eingeführter Lichtleiterbürste;
24 die Lichtleiterbürste gemäß 23 in einem in den hinterschnittenen Bereich geneigten Zustand; und
25 eine schematisch dargestellte Wartungssituation eines Luft oder Raumfahrzeugs mit Einsatz einer mobilen Laserschockbehandlungsstation.

Die beiliegenden Figuren sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
In den Figuren der Zeichnung sind gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten - sofern nichts anderes ausgeführt ist - jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
Laserschockstrahlen, auch Laser-Peening (LP) oder Laserschock-Peening (LSP) genannt, ist ein oberflächentechnisches Verfahren zur Erzeugung von günstigen Eigenspannungen in Werkstoffen. Die durch das Laserschockstrahlen induzierten tiefgehenden Druckeigenspannungen erhöhen die Beständigkeit von Werkstoffen gegen oberflächenbedingte Ausfälle, wie z. B. Ermüdung, Reibschwingungen und Spannungsrisskorrosion. Die Physik des Laserschock -Verfahrens kann auch zur Verstärkung von Dünnschliffen, kaltverfestigten Oberflächen, zum Formen oder Richten von Teilen (sog. Laser-Peen-Forming), zum Zerkleinern harter Materialien, kompakter Pulvermetalle und für andere Anwendungen eingesetzt werden, bei denen hohe Drücke und kurzzeitige Schockwellen wünschenswerte Bearbeitungsergebnisse bieten.
Das in 6 schematisch dargestellte System zum Laserschockstrahlen umfasst einer Laserstrahlquelle 2 und einen flexiblen Lichtleiter 3. Der Lichtleiter 3 weist ein erstes Ende 4 und ein zweites Ende 5 auf, wobei das erste Ende 4 mit eine Lichtleiterbürste 6 versehen ist. Diese Lichtleiterbürste 6 ist mit einer Vielzahl von auseinandergehenden Lichtleiterfasern 7 gebildet. Das zweite Ende 5 des Lichtlieters 3 ist an die Laserstrahlquelle 2 angeschlossen.
Eine Lichtleiterfaser oder optische Faser ist eine flexible, transparente Faser, die durch Ziehen von Glas (Siliziumoxid) oder Kunststoff auf einen Durchmesser hergestellt wird, der etwas dicker ist als der eines menschlichen Haares. Lichtleiter enthalten in der Regel einen Kern mit derartigen Fasern, der von einem transparenten Mantelmaterial umgeben ist, welches einen niedrigeren Brechungsindex aufweist. Das Licht wird in dem Kern durch das Phänomen der Totalreflexion gehalten, wodurch die Faser als Lichtwellenleiter fungiert. Die Funktionsweise eines Lichtleiters ist daher dergestalt, dass das Licht stets an der Grenzfläche zwischen dem optisch dichteren und optisch dünneren Material totalreflektiert wird.
Die Totalreflexion ist wellenlängenabhängig. Fasern, die viele Ausbreitungspfade oder transversale Modi unterstützen, werden daher als Multimode-Fasern (MMF) bezeichnet, während diejenigen, die einen einzelnen Modus unterstützen, als Single- oder Monomode-Fasern bezeichnet werden.
Durch die Flexibilität der Fasern und damit des gesamten Lichtleiters 3 ist dieser mit seinem ersten Ende 4 frei an einer mittels Laserschockstrahlen zu behandelnden Stelle des Bauteils 8 frei positionierbar. So können von der Laserstrahlquelle 2 ausgegebene Laserschockpulse bedarfsgerecht an unterschiedlichen Stellen mittels der Lichtleiterbürste 6 in eine Prozesszone 9 des Bauteils 8 abgegeben werden.
Damit eine Laserschockbehandlung zu den gewünschten verbesserten Materialeigenschaften führt, stellt die Laserstrahlquelle eine für Laserschockpulse geeignete Energiedichte und Pulslänge bereit. Bevorzugt handelt es sich um hochenergetische gepulste Festkörper-Laser im Kilowattbereich. Typische Wellenlängen derartiger Laserquellen liegen zwischen 500 und 1200 nm.
Die Auslegung der Prozessparameter kann sehr stark variieren. Üblicherweise wird als maßgeblicher Parameter eine Leistungsdichte der Laserstrahlquelle 2 benötigt, welche eine ausreichende Intensität des Laserstrahls, beispielsweise im Bereich von 2 bis 4 GW/cm² bereitstellt. Eine hohe Intensität ist nötig, um ein Plasma zu erzeugen, welches zu den erwünschten Druckpulsen führt. Mit den beispielhaft genannten Intensitäten im Bereich von 2 bis 4 GW/cm² können Druckwellen von 1 bis 10 GPa erzeugt werden.
Die tatsächliche Auslegung des Prozesses hängt stark vom Anwendungsbereich ab. Eine Intensität kann durch Leistung und Fläche des Laserstrahls beeinflusst werden eine gewünschte hohe Intensität kann daher sowohl mit größeren Strahldurchmessern bei hohen Laserstrahlleistung, beispielsweise an großen Bauteilen, als auch bei geringeren Strahldurchmessern mit geringerer Laserstrahlleistung, beispielsweise bei filigraneren Bauteilen, erreicht werden. Mögliche Parameterbereiche sind daher sehr weit.
Beispielsweise kann eine geeignere Pulslänge zwischen 1 und 40 ns liegen. Eine benötigte Pulsenergie hängt stark von dem Fokusdurchmesser des Laserstrahls ab. Sie kann beispielsweise zwischen 20 mJ und 100J bei einem Fokusdurchmesser zwischen 30µm und 10mm liegen. Bei einer beispielhaften Dimensionierung liegt eine Pulsenergie zwischen 20 mJ und 70 mJ, ein Strahldurchmesser zwischen 0,3 mm und 0,7 mm und eine Energiedichte des Laserstrahls zwischen 2,3 und 3,5 GW/cm². Bei einer deutlich größeren Dimensionierung sind aber bei ähnlicher Intensität auch 2,8J Pulsenergie bei einem Fokusdurchmesser von 1,5 mm denkbar. Noch größer dimensionierte Pulse können auch in den 2-stelligen Jule-Bereich gehen, beispielsweise bis 25 J bei 25 ns Pulsdauer.
Solange eine ausreichende Strahlintensität bzw. Leistungsdichte und Pulsdauer gewährleistet ist, sind somit verschiedenste Auslegungen des Prozesses möglich.
7 zeigt ein Blockdiagramm eines Verfahrens zum Laserschockstrahlen.
Das Verfahren ist beispielsweise mit einem System gemäß 6 ausführbar.
In einem ersten Schritt S1 wird dazu das erste Ende 4 des flexiblen Lichtleiters 3 mit der Lichtleiterbürste 6 zu der zu behandelnden Stelle des Bauteils 8 geführt. In einem zweiten Schritt werden dann Laserschockpulse mittels der Laserstrahlquelle 2 generiert, welche an dem zweiten Ende des Lichtleiters 3 angekoppelt werden. In einem dritten Schritt S3 werden die Laserschockpulse dann mittels der Lichtleiterbürste in die Prozesszone 9 abgegeben.
8 zeigt eine schematische Darstellung einer Prozesszone 9.
Ausgehend von der Lichtleiterbürste 6 sind die Faserenden 10 der einzelnen Lichtleitfasern 7 über die Prozesszone 9 ungeordnet verteilt, insbesondere etwa normalverteilt, sodass sich auch hinsichtlich der Verteilung I(X, Y) der einzelnen Auftreffpunkte der über die einzelnen Lichtleiterfasern 7 abgegebenen Laserschockpulse P eine rasterfreie ungeordnete Verteilung IX,Y, insbesondere etwa Normalverteilung, annehmen lässt. Je nach Größe der Auffächerung der Lichtleiterbürste und dem Abstand der Lichtleiterbürste zu Prozesszone weist diese größere oder kleinere Abmessungen auf. Innerhalb der Prozesszone 9 existiert eine zu behandelnde Stelle, welche dasjenige Gebiet der Prozesszone 9 umfasst, welches ausgehend von einem Zentrum innerhalb der Standardabweichung σ liegt. Innerhalb dieses Gebiets kann ein vorbestimmtes statistisches Sättigungsverhalten der Laserschockbehandlung angenommen werden.
Beim Laserschockstrahlen wird verdichtetes Material erzeugt. Überlappende Bereiche der betroffenen Zonen sind ein üblicher Teil des Prozesses. Durch die Verwendung der Lichtleiterbürste entstehen diese Überlappungsbereiche zwangsläufig und häufig, was sich aber- ähnlich wie beispielsweise bei der mechanischen Schockverfestigung durch Kugelstrahlen - nicht negativ auswirkt, sondern lediglich die gesamte Behandlungszeit der Überlappungsabschnitte erhöht.
9 zeigt eine schematische Darstellung des Sättigungsverhaltens.
Aufgetragen ist hier qualitativ ein Härtungsgrad H über der Zeit t. Die Kurve des Härtungsgrades H verläuft asymptotisch gegen einen Grenzwert H_G . dieser Grenzwert ist nach einer vorbestimmten Zeitdauer T zu mehr als 80 % erreicht, sodass sich ein Sättigungszustand S_T einstellt. Mit weitere Bestrahlung derselben Stelle kann dieser Sättigungszustand zwar noch leicht erhöht werden, jedoch wird aufgrund der asymptotischen Annäherung an den Grenzwert H_G dabei nur noch eine vergleichsweise geringe Steigerung erreicht. Beispielhaft liegt ein Sättigungszustand S_2T nach der doppelten Zeitdauer lediglich ca. 10 % höher.
Somit reicht eine derartige Laserschockbehandlung über die Zeitdauer T aus, um die erwünschte Verbesserung der Materialeigenschaften im Wesentlichen zu erreichen. Eine längere Behandlung ist hingegen unschädlich. Für das erfindungsgemäße Verfahren bedeutet dies, dass eine zu behandelnde Stelle zumindest über eine vorbestimmte Zeitdauer T zu behandeln ist, wobei eine etwaige längere Behandlung aber möglich ist. Somit können sämtliche zu behandelnden Stellen zeitgesteuert mit der Prozesszone abgefahren werden, wobei jede zu behandelnde Stelle zumindest einmal für die Zeitdauer T innerhalb der Standardabweichung liegen sollte. Etwaige Überlappungen der behandelten Stellen sind unproblematisch, da wie hier dargestellt selbst eine Verdopplung der Behandlungszeit die Materialeigenschaften nicht mehr maßgeblich verändert. In der Anwendung ist das Verfahren somit sehr einfach durchführbar und steuerbar.
10 A zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Stadiums eines Laserschockstrahlprozesses in schwierig zugänglichen Bereichen.
Die Laserschockbehandlung wird vorgenommen, um Ermüdungseigenschaften und Oberflächeneigenschaften innerhalb der schwierig zugänglichen Bereiche zu verbessern, was durch Laserpolieren bzw. Laserablation erreicht wird.
Das erste Ende 4 des Lichtleiters 3 wird hier an das zu behandelnde Bauteil 8 geführt, wobei die Lichtleiterbürste 6 an eine schwierig zugängliche zu behandelnde Stelle 23 geführt wird. Es handelt sich dabei um einen sich im inneren aufteilenden Hohlraum mit einem leichten Hinterschnitt. Die einzelnen Fasern 7 der Lichtleiterbürste werden dazu in den Hohlraum eingeführt. Es erfolgt eine erste Laserschockbehandlung, wobei die Prozesszone 9 noch an den leichter zugänglichen Bereichen des Hohlraums liegt.
Die Lichtleiterbürste wird anschließend in mehreren Schritten inkrementell weiter in den Hohlraum eingeführt.
10 B zeigt den Laserschockstrahlprozess nach 10 A in einem zweiten Stadium.
Hierbei wird das erste Ende 4 in den Hohlraum eingeführt, um so die Prozesszone 9' weiter in den Hohlraum hinein zu verlagern.
10 C zeigt den Laserschockstrahlprozess nach 10 A und 10 B in einem finalen Stadium.
Hier ist das erste Ende 4 nun so weit wie möglich in den Hohlraum eingeführt. Die einzelnen Fasern 7 erstrecken sich dabei bis in die hinterschnittenen Bereiche des Hohlraums sodass sich auch die Prozesszone 9" in diese hinterschnittenen Bereiche erstreckt. Auf diese Weise kann der Hohlraum trotz seiner komplexen Geometrie vollständig einer Laserschockbehandlung unterzogen werden.
In jedem der in den 10 A bis 10 C gezeigten Verfahrensstadien wird zumindest eine Behandlungszeitdauer T nach 9 eingehalten, um überall einen erwünschten Sättigungszustand S_T eines Härtungsprozesses zu erreichen.
11 zeigt eine schematische Darstellung der Erreichbarkeit besonders schwierig zugänglichen Bereiche 23 mit einer Lichtleiterbürste 6.
Diese Darstellung soll die hohe Flexibilität der Lichtleiterbürste illustrieren. Bei den dargestellten Bereich 23 handelt es sich ebenfalls um einen Hohlraum, jedoch hier um einen äußerst zerklüfteten und sogar mit einer mittigen Insel versehenen Hohlraum. Bei entsprechender Auslegung der Lichtleiterbürste 6, hier beispielsweise mit entsprechend langen auseinandergehenden einzelnen Lichtleiterfasern 7, kann diese auch in derart komplexe Geometrien eingeführt werden und über eine zeitabhängige Behandlung sogar dort ein Sättigungzustand der Laserschockbehandlung erreicht werden. Somit wird hier eine Zugänglichkeit von inneren und verborgenen, insbesondere auch von hinterschnittenen Oberflächen wird durch die Flexibilität der einzelnen Fasern 7 erreicht.
Um eine zur Laserschockbehandlung ausreichende Intensität des Laserstrahls in der Prozesszone 9 zu erreichen, sind an den Faserenden 10 der einzelnen Lichtleitfasern 7 Fokussierungsmittel vorgesehen.
Mit Fokussierungsmitteln am Faserende lässt sich vor dem Ausgeben von Laserschockpulsen auch eine Überprüfung der Lage der Prozesszone relativ zu einem Fokus 17 des Laserstrahls vornehmen.
Derartige Fokussierungsmittel können in Form von Faserlinsen bzw. an den Faserenden vorgesehenen Mikrolinsen platziert, generiert oder installiert werden. Dazu existieren verschiedene mögliche Ausführungsformen.
Mikrolinsen sind miniaturisierte Streuungs- oder Bündelungslinsen, deren Durchmesser zwischen einigen Mikrometern und wenigen Millimetern liegt. Funktional werden die Lichtstrahlen in Mikrolinsen den physikalischen Gesetzen entsprechend gebrochen, ebenso wie bei normalen Linsen. Mikrolinsen können beispielsweise aus gereinigtem Siliziumdioxid oder Silizium in Halbleiterprozessen gefertigt werden. Dabei kann mit waferbasierten Herstellungsverfahren das Linsenprofil exakt vorgegeben und eine präzise Positionierung der Mikrolinse vorgenommen werden.
Beispielhaft können Mikrolinsen aus gereinigtem Siliziumdioxid für Wellenlängen zwischen 150 nm und 4 µm eingesetzt werden. In diesem Wellenlängenbereich liegt auch das Spektrum typischer technischer Festkörper-Laserstrahlquellen, welches meist zwischen 500 und 1200 nm liegt.
12 zeigt eine Prinzipskizze einer Kugellinse als Fokussierungsmittel.
Bei dieser Ausführungsform wird der sich ausgehend von der Lichtleitfasern 7 aufweitende Laserstrahl an einer Grenzfläche einer Kugellinse 12 gebrochen und so gebündelt. In der dargestellten Ausführungsform ist die Bündelung derart ausgelegt, dass die einzelnen Lichtstrahlen parallelisiert aus der Kugellinse 12 austreten. Dies hat den besonderen Vorteil, dass hier keine Abstimmung einer Fokuslage der Prozesszone nötig ist. Es kommt somit nicht, zumindest nicht empfindlich, auf einen Abstand zwischen dem Faserende 10 und einer Prozesszone 9 an. Somit kann ein Aufwand zur Lagekontrolle der Faserenden 10 stark reduziert oder sogar obsolet werden. Selbstverständlich ist dabei aber eine entsprechend hohe Ausgangsleistung der Laserstrahlquelle 2 nötig, um auf einem in etwa dem Kugeldurchmesser entsprechenden Strahldurchmesser eine ausreichend hohe Intensität des Laserstrahls aufzubringen.
13 zeigt eine schematische Darstellung einer Faserspitze 13 als Fokussierungsmittel.
Eine Reduzierung des Faserdurchmessers am Faserende 10 führt zu einer konisch zulaufenden Faserspitze 13 der einzelnen Lichtleiterfasern 7, welche den Laserstrahl in den Fokus 17 bündelt.
14 zeigt eine schematische Darstellung einer reflexionsbeschichteten Faserspitze 13.
Die Faserspitze 13 ist hier mit einer Reflexionsbeschichtung 14, vorzugsweise einer Metallbeschichtung, versehen. Die Reflexionsbeschichtung verhindert ein vorzeitiges Auskoppeln des Laserstrahls. Die Herstellung und Verwendung derartiger Linsen ist beispielsweise für Mikroskopieanwendungen beschrieben von Serio, M & Zenobi, Renato & Deckert, Volker. (2003). Looking at the nanoscale: Scanning near-field optical microscopy. TrAC Trends in Analytical Chemistry. 22. 70-77. 10.1016/S0165-9936(03)00201-2.
15 zeigt eine schematische Darstellung eines Faserendes mit einer aufgedruckten Mikrolinse als Fokussierungsmittel. 16 zeigt eine Lichtleitfaser mit einem Fokussierungsmittel nach 15.
Es handelt sich hier beispielhaft um eine komplexe Triplett-linse, die innerhalb des Faserdurchmessers dimensioniert ist. Derartige Mikrolinsen können beispielsweise mittels Femtosekunden-3D-Druck d.h. unter Verwendung eines Femtosekundenlasers, der eine Pulsdauer von weniger als 100 Femtosekunden besitzt, auf eine Monomode-Glasfaser aufgedruckt werden. Selbstverständlich können aber auch einfachere Linsen mittels dieser Technologie hergestellt bzw. aufgedruckt werden. Eine solche Drucktechnologie wurde beispielsweise vom 4. Physikinstitut der Universität Stuttgart entwickelt und veröffentlich von T. Gissibl, S. Thiele, A. Herkommer, and H. Giessen: Two-photon direct laser writing of ultracompact multi-lens objectives, Nature Photonics 10 (2016).DOI: 10.1038/NPHOTON.2016.121 bzw. T. Gissibl, S. Thiele, A. Herkommer, and H. Giessen: Sub-micrometre accurate freeform optics by three-dimensional printing on single-mode fibres, Nature Communications 7, 11763 (2016).
17 zeigt ein Faserende mit Bündelungslinse als Fokussierungsmittel;
Als weiteres innerhalb des Faserdurchmessers dimensionierbares Fokussierungsmittel kann eine Bündelungslinse, beispielsweise eine sogenannte Selfoc® Linse, eingesetzt werden, wie sie von der Go!Foton Group vertrieben wird. Dies ist eine divergierende Lichtstrahlen einer Glasfaser bündelnde Linse, wobei der Brechungsindex innerhalb der Linse unterschiedlich ist. Dazu sind graduelle Dichteunterschiede innerhalb der Linse vorgesehen, welche die Strahlen gleichmäßig und kontinuierlich in ihrer Richtung hin zum Fokuspunkt lenken. Die Änderungen des Brechungsindex werden beispielsweise durch einen Hochtemperaturprozess erreicht, bei dem Ionen in das Material diffundieren.
18 zeigt eine schematische Darstellung verschiedener Blendenöffnungen an einem Fokussierungsmittel für unterschiedliche Tiefenschärfe.
Die Fokussierung am Faserende 10 kann auch mit Hilfe einer Linse und einer hier lediglich schematisch dargestellten verstellbaren Blende 18 vorgesehen werden. Vorteilhaft kann dabei die Tiefenschärfe verändert werden, wie hier anhand der Strahlengänge und der unterschiedlich langen Fokusse 17 bei unterschiedlichen Blendenöffnungen illustriert.
Die Schärfentiefe nimmt mit kleinerer Blende zu, allerdings hängt der genaue Wert von der Größe des Unschärfekreises der Linse ab. Die Schärfentiefe ist abhängig von der Entfernung des zu behandelnden Objekts, d. h. je größer die Entfernung, desto größer sollte die Schärfentiefe gewählt sein.
Mit einer Blende wäre somit eine individuelle Anpassung an den Abstand einzelnen oder gar an jeder einzelnen Faser zu der zu behandelnden Stelle möglich.
19 zeigt eine Schnittdarstellung eines Videoendoskops 25.
Das Videoendoskop 25 weist an einem distalen Ende seines Endoskopschafts 11 einen hier im Schnitt dargestellten distalen Endabschnitt auf. Der Endabschnitt stellt den Teil des Endoskops dar, welcher in den zu untersuchenden Körper eingeführt wird. Um eine größtmögliche Flexibilität bezüglich einer räumlichen Ausrichtung des in der Endabschnitts bei der Behandlung gewährleisten zu können, ist der Endoskopschaft 11 ablenkbar ausgebildet. Durch Ablenken, z.B. Abkrümmen, des Endabschnitts relativ zu dem restlichen Endoskopschaft 11, kann das Endoskop 25 nach Wunsch ausgerichtet werden.
Das Ablenken des Endabschnitts wird typischerweise durch die Verwendung von Bowdenzügen 28 realisiert, wie hier dargestellt. Selbstverständlich wären sind aber auch andere, beispielsweise aktorische, Lenkmittel denkbar.
Der flexible Endoskopschaft 11 bildet bei der dargestellten Ausführungsform zusammen mit den Bowdenzügen 28 ein Feder-Dämpfer-System. Dabei stellt der Bowdenzug 28 ein Federelement dar und die Reibung an den Bowdenzügen 28 sowie die Ablenkung des distalen Endabschnitts stellen die Dämpferwirkung bereit. Beim Aufbringen einer Zugkraft in einer proximalen Richtung an einem proximalen Ende eines Bowdenzuges 28 wird dieser relativ zu dem Endoskopschaft 11 verkürzt, sodass sich der flexible Endoskopschaft 11 krümmt.
Das Videoendoskop 25 weist einen Beleuchtungskanal 29, einen Videoübertragungskanal 30 mit einer Aufnahmeeinrichtung 26 in Form eines Videokabels sowie einen Arbeitskanal 24 auf. Erfindungsgemäß ist in dem Arbeitskanal 24 der Lichtleiter 3 aufgenommen, dessen erstes Ende mit der Lichtleiterbürste 6 aus dem Endabschnitt des Endoskops ragt. Auf diese Weise kann der Lichtleiter 3 in schwer zugängliche Bereiche 23 eingeführt und darin hinsichtlich seiner Ausrichtung gesteuert werden. Das Zuführen des Lichtleiters 3 kann somit endoskopisch vorgenommen.
20 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Systems zum Laserschockstrahlen.
Bei diesem System können einzelne oder alle Lichtleiterfasern nicht nur zum transferieren des Laserstrahls, sondern auch zur Prozesssteuerung und Analyse der behandelten Bereiche genutzt werden. Der flexible Lichtleiter 3 ist dabei sowohl zur Bildübertragung von der Prozesszone 9 zu einer Aufnahmeeinrichtung 27 als auch zur Übertragung von Laserschockpulsen von der Laserstrahlquelle 2 in die Prozesszone 9 ausgebildet.
Entsprechend ist ein Strahlteiler 31 vorgesehen, welcher bedarfsgerecht ein Bildsignal von der Lichtleiterbürste 6 zu der Aufnahmeeinrichtung 27 ableitet und so eine Bildübertragung aus der Prozesszone 9 erlaubt. Auf diese Weise kann der Endoskopmantel 11, welcher in diesem Fall keinen Beleuchtungs- und Videokanal sondern lediglich einen Arbeitskanal aufweist, gezielt ausgerichtet werden.
Die mit einzelnen zufällig verteilten Fasern aufgezeichneten Bildsegmente werden mit speziellen Algorithmen analysiert und zu einem Gesamtbild zusammengesetzt, wie beschrieben in Heshmat, B. et al. Optical brush: Imaging through permuted probes. Sci. Rep. 6, 20217; doi: 10.1038/srep20217 (2016). Auf diese Weise werden einige oder alle der Lichtleiterfasern gleichzeitig als eine Art Videoendoskop verwendet. Dies kann vor und/oder während der Laschschockstrahlbehandlung vorgenommen werden.
Im Unterschied dazu ist die Aufnahmeeinrichtung 27 ferner ausgebildet, ausgehend von dem ersten Ende 4 des Lichtleiters 3 eine Fokuslage der Prozesszone 9 zu erkennen. Beispielsweise kann dies anhand der Schärfe eines aufgenommenen Bildes erkannt werden. Ist das Bild scharf, so liegt die Prozesszone im Fokus.
Ist im Vorfeld einer Behandlung eine Fokuslage zu der gewünschten Prozesszone 9 eingenommen, wird der Strahlteiler,31 sofern beispielsweise zum Schutz der Aufnahmeeinrichtung 27 vor Laserstrahlung nötig, für den Beschuss mit Laserstrahlen umgestellt. Anschließend werden Laserschockpulse von der Laserstrahlquelle 2 generiert, in den flexiblen Lichtleiter 3 eingekoppelt und über die Lichtleiterbürste 6 in die Prozesszone 9 zur Laserschockbehandlung abgegeben.
21 zeigt eine perspektivische Darstellung eines komplex geformten Bauteils.
Es handelt sich rein beispielhaft um einen sogenannten Doorstop eines Luft- oder Raumfahrzeugs, welcher durch additive Fertigung, insbesondere 3-D Druck von Titan, hergestellt ist.
22 zeigt eine Schnittdarstellung hinterschnittener Bereiche im Hohlraum des Bauteils gemäß 21.
Da der Doorstop gemäß einer Topologieoptimierung geformt ist, weist er einen komplex geformten Hohlraum mit einem hinterschnittenen Bereich 23 auf, was mit additiver Fertigung herstellbar ist. Dieser Hohlraum ist mit herkömmlichen Strahlverfahren nicht behandelbar, da es an einer Zugänglichkeit mit herkömmlichen Laseroptiken fehlt.
23 zeigt die Schnittdarstellung gemäß 22 mit in den Hohlraum eingeführter Lichtleiterbürste.
Mit der gemäß 19 oder 20 endoskopisch geführten Lichtleiterbürste 6 kann der Lichtleiter 3 in den Hohlraum eingeführt werden und dort die inneren Wände des Hohlraums gezielt mit Laserschockstrahlen behandeln, bis ein erwünschter Sättigungszustand erreicht ist.
24 zeigt die Lichtleiterbürste gemäß 23 in einem in den hinterschnittenen Bereich geneigten Zustand.
Anschließend kann das erste Ende des in einem Endoskopschaft 11 aufgenommen Lichtleiters 3 mittels Krümmen des Endoskopschafts 11 in einen hinterschnittenen Bereich 23 ausgerichtet und dort ebenfalls eine Laserschockbehandlung vorgenommen werden.
Die Lichtleiterbürste 6 wird so in Verbindung mit einem in einem Endoskopschaft 11 geführten flexiblen Lichtleiter 3 zum Laserschockstrahlen von schwierig zugänglichen und hinterschnittenen Bereichen 23 eines dreidimensionalen Bauteils 8 in Hohlräumen additiv gefertigter Bauteile eingesetzt.
25 zeigt eine schematisch dargestellte Wartungssituation eines Luft oder Raumfahrzeugs mit Einsatz einer mobilen Laserschockbehandlungsstation 20.
Die mobile Laserschockbehandlungsstation 20 ist für Reparatur oder Nachrüstungsarbeiten mittels Laserschockstrahlen an Luft-oder Raumfahrzeugen 21 ausgebildet. Sie weist dazu ein mobiles Fahrzeug 22 auf, mit welchem die Laserstrahlquelle 2 und der Lichtleiter 3 zu dem zu behandelnden Bauteil 8 des Luft-oder Raumfahrzeugs 21 transportabel sind. Das Fahrzeug 22 wird dazu an einer möglichst dem Bauteil 8 nahen Stelle positioniert, hier beispielhaft am Boden unter oder neben dem Luft-oder Raumfahrzeug 21.
Der flexible Lichtleiter 3 ist auf einer Lichtleiter-Rolle 19 aufgerollt und bedarfsgerecht flexibel abrollbar. Somit kann das erste Ende 4 des Lichtleiters 3 ausgehend von der mit dem Fahrzeug 22 transportablen Laserstrahlquelle 2 flexibel an eine mittels Laserschockstrahlen zu behandelnde Stelle des Bauteils 8 zugeführt werden.
Rein beispielhaft zur Illustration ist hier an einem Triebwerk des Luft- oder Raumfahrzeugs 21 ein Wartungsgerüst aufgebaut, welchem der flexible Lichtleiter 3 zugeführt ist. Sodann kann im Bereich des Wartungsgerüsts, welcher vorzugsweise mit Laserschutzmaßnahmen abgedeckt ist, bedarfsgerecht und flexibel eine Laserschockbehandlung vorgenommen werden. Selbstverständlich kann die Behandlung auch an jeder anderen Stelle des Luft- oder Raumfahrzeugs bedarfsgerecht vorgenommen werden.
Alternativ zu einer lokalen Laserschutzabdeckung kann auch der schematisch um das Luft oder Raumfahrzeug 21 herum dargestellte Hangar 32 als Laserschutzzelle ausgelegt sein.
Auf diese Weise kann die Lichtleiterbürste mit einer mobilen Laserschockbehandlungsstation 20 flexibel für Reparatur oder Nachrüstungsarbeiten an Luft-oder Raumfahrzeugen 21 mittels Laserschockstrahlen verwendet werden.
Bezugszeichenliste

1: System
2: Laserstrahlquelle
3: Lichtleiter
4: erstes Ende
5: zweites Ende
6: Lichtleiterbürste
7: Lichtleiterfasern
8: Bauteil
9, 9', 9'': Prozesszone
10: Faserende
11: Endoskopschaft
12: Fokussierungsmittel
13: Fokussierungsmittel
14: Fokussierungsmittel
15: Fokussierungsmittel
16: Fokussierungsmittel
17: Fokus
18: Fokussierungsmittel
19: Lichtleiter-Rolle
20: mobile Laserschockbehandlungsstation
21: Luft-oder Raumfahrzeug
22: Fahrzeug
23: schwierig zugänglicher Bereich
24: Arbeitskanal
25: Videoendoskop
26: Aufnahmeeinrichtung
27: Aufnahmeeinrichtung
28: Bowdenzug
29: Beleuchtungskanal
30: Videoübertragungskanal
31: Strahlteiler
32: Hangar
100: Anordnung
101: Strahlungspulse
102: Laserquelle
103: Bauteil
104: behandelter Abschnitt
105: Plasma
106: Druckschockwelle
107: druckbeanspruchte Schicht
108: Laserstrahl-Einwirkzonen
109: Bewegungspfeil
110: Schutzschicht
111: Lichtleiterbürste
112: Lichtleitfasern
113: Lichtleiterkabel
H: Härtegrad
H_G: Grenzwert
I(X,Y): Verteilung
P: Laserschockpulse
S1-S3: Verfahrensschritte
S_T: Sättigungszustand
T: Zeitdauer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 3850698 A [0002]
US 4401477 A [0002]
WO 2010/063643 [0004]

Claims

Verfahren zum Laserschockstrahlen eines Bauteils (8), insbesondere an schwierig zugänglichen Stellen, mit den Schritten: Zuführen (S1) eines ersten Endes (4)eines flexiblen Lichtleiters (3), welches in Form einer Lichtleiterbürste (6) mit einer Vielzahl von auseinandergehenden Lichtleiterfasern (7) ausgebildet ist, zu einer mittels Laserschockstrahlen zu behandelnden Stelle des Bauteils (8); Generieren (S2) von an einem zweiten Ende (5) des Lichtleiters (3) einkoppelnden Laserschockpulsen mittels einer Laserstrahlquelle (2); und Abgeben (S3) der Laserschockpulse mittels der Lichtleiterbürste (6) in eine Prozesszone (9) an der zu behandelnden Stelle des Bauteils (8).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Laserschockpulse für eine vorbestimmte Zeitdauer (T) an der zu behandelnden Stelle des Bauteils (8) abgegeben werden, bis ein vorbestimmter Sättigungszustand (S_T) einer Laserschockbehandlung erreicht ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Faserenden (10) der Vielzahl von auseinandergehenden Lichtleiterfasern (7) der Lichtleiterbürste eine ungeordnete Verteilung aufweisen und die Laserschockpulse entsprechend einer solchen ungeordneten Verteilung (I(X,Y)), insbesondere rasterfrei, in die Prozesszone (9) abgegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Lichtleiter (3) zumindest abschnittsweise in einem Endoskopschaft (11) geführt wird und das Zuführen endoskopisch vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die einzelnen Lichtleiterfasern (7) jeweils Fokussierungsmittel (12; 13; 14; 15; 16) aufweisen und vor dem Ausgeben von Laserschockpulsen eine Überprüfung der Lage der Prozesszone relativ zu einem Fokus (17) des Laserstrahls vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Zuführen eine Positionierung eines mobilen Fahrzeugs (22), welches die Laserstrahlquelle (2) transportiert, nahe dem zu behandelnden Bauteil (8) und ein flexibles Zuführen des ersten Endes (4) des Lichtleiters (3) ausgehend der mit dem Fahrzeug (22) transportablen Laserstrahlquelle (2) an die mittels Laserschockstrahlen zu behandelnde Stelle des Bauteils (8), insbesondere mittels flexiblem Abrollen von einer Lichtleiter-Rolle (19), umfasst.
Verwendung einer eine Vielzahl von auseinandergehenden Lichtleiterfasern (7) aufweisenden Lichtleiterbürste (6) zum Laserschockstrahlen eines Bauteils (8), insbesondere mit einem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Verwendung nach Anspruch 7, wobei die Lichtleiterbürste (6) in Verbindung mit einem flexiblen Lichtleiter (3) mit einer mobilen Laserschockbehandlungsstation (20) für Reparatur oder Nachrüstungsarbeiten mittels Laserschockstrahlen, insbesondere an Luft-oder Raumfahrzeugen (21), verwendet wird.
Verwendung nach Anspruch 7, wobei die Lichtleiterbürste (6) in Verbindung mit einem in einem Endoskopschaft (11) geführten flexiblen Lichtleiter (3) zum Laserschockstrahlen von schwierig zugänglichen, insbesondere hinterschnittenen, Bereichen (23) eines dreidimensionalen Bauteils (8) verwendet wird.
System (1) zum Laserschockstrahlen eines Bauteils, insbesondere mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit: einer Laserstrahlquelle (2), welche eine für Laserschockpulse geeignete Energiedichte und Pulslänge bereitstellt; einem flexiblen Lichtleiter (3), welcher ein erstes Ende (4) und ein zweites Ende (5) aufweist, wobei das erste Ende (4) eine Lichtleiterbürste (6) mit einer Vielzahl von auseinandergehenden Lichtleiterfasern (7)aufweist und das zweite Ende (5) zum Einkoppeln von Laserschockpulsen an die Laserstrahlquelle (2) anschließbar ausgebildet ist, wobei der Lichtleiter (3) mit seinem ersten Ende (4) flexibel an einer mittels Laserschockstrahlen zu behandelnden Stelle des Bauteils (8) positionierbar ist, so dass von der Laserstrahlquelle (2) ausgebbare Laserschockpulse von der Lichtleiterbürste (6) in eine Prozesszone (9) an der zu behandelnden Stelle des Bauteils (8) abgebbar sind.
System nach Anspruch 10, wobei der flexible Lichtleiter (3) zumindest abschnittsweise in einem Endoskopschaft (11) geführt ist und/oder die Lichtleitfasern (7) der Lichtleiterbürste an den einzelnen Faserenden (10) jeweils mit Fokussierungsmitteln Fokussierungsmittel (12; 13; 14; 15; 16; 18), insbesondere je einer innerhalb des Faserdurchmessers ausgebildeten Fokussiereinrichtung (13; 14; 15; 16), versehen sind.
System nach Anspruch 11, wobei der flexible Lichtleiter (3) in einem Arbeitskanal (24) eines Videoendoskops (25) geführt ist, welches eine Aufnahmeeinrichtung (26) aufweist, oder der flexible Lichtleiter (3) sowohl zur Bildübertragung von der Prozesszone (9) zu einer Aufnahmeeinrichtung (27) als auch zu Übertragung von Laserschockpulsen von der Laserstrahlquelle (2) in die Prozesszone (9) ausgebildet ist.
System nach Anspruch 12, wobei die Aufnahmeeinrichtung (26; 27) ausgebildet ist, ausgehend von dem ersten Ende (4) des Lichtleiters (3) eine Fokuslage der Prozesszone (9) zu erkennen.
Mobile Laserschockbehandlungsstation (20) für Reparatur oder Nachrüstungsarbeiten mittels Laserschockstrahlen, insbesondere an Luft-oder Raumfahrzeugen (21), welche ein mobiles Fahrzeug (22) und ein System (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 13 aufweist.
Mobile Laserschockbehandlungsstation (20) nach Anspruch 14, wobei die Laserstrahlquelle (2) mit dem mobilen Fahrzeug (22) zu dem zu behandelnden Bauteil (8) transportabel ausgebildet ist und das erste Ende (4) des Lichtleiters (3) ausgehend von der mit dem Fahrzeug (22) transportablen Laserstrahlquelle (2) flexibel an eine mittels Laserschockstrahlen zu behandelnde Stelle des Bauteils (8) zuführbar, insbesondere flexibel von einer Lichtleiterrolle (19) abwickelbar, ausgebildet ist.