Schmidt, Michael

Prof. Dr.-Ing. Michael Schmidt

Department Maschinenbau (MB)
Lehrstuhl für Photonische Technologien (LPT, Prof. Schmidt)

Raum: Raum 02.045
Konrad-Zuse-Straße 3/5
91052 Erlangen

Mitarbeiterprofil

Projekte

  • Laser-Pulverauftragsschweißen von PEEK zur flexiblen Herstellung funktioneller und funktionsintegrierter Schichten und Strukturen für die rekonstruktive Medizin

    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

    In diesem Vorhaben soll ein neuartiges additives Beschichtungsverfahren zur flexiblen Herstellung funktioneller Schichten und Strukturen auf metallischen Implantaten oder Knochen bzw. knochenähnlichen Materialien für die rekonstruktive Medizin wissenschaftlich qualifiziert werden. Für das neuartige Verfahren wird mittels des additiven Fertigungsverfahrens Laser-Pulverauftragsschweißens der Hochleistungskunststoff Polyetheretherketon (PEEK), welcher sich aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften und Biokompatibilität hervorragend für den Einsatz in der rekonstruktiven Medizintechnik eignet, verarbeitet.Aufbauend auf Vorarbeiten wird zunächst die Beschichtung von unterschiedlichen Subs-traten mit PEEK und anschließend der Aufbau von Strukturen aus PEEK auf den aufgebrachten PEEK-Schichten untersucht. Hierfür wird ein Versuchstand in Hinblick auf hohe Flexibilität im Prozess aufgebaut. Die Prozessbewertung wird einerseits an Hand der Charakteristika der Beschichtungsresultate (Haftfestigkeit, Homogenität, Dicke, Porosität, Morphologie) und andererseits durch die Online-Analyse des Prozesses durch Hochgeschwindigkeits- und Thermokameras realisiert. Durch diese Herangehensweise entsteht eine Datenbasis, welche für eine qualitative und auch quantitative Analyse der Prozessdynamik und der zu Grunde liegenden Wechselwirkungs- und Fügemechanismen herangezogen werden kann. Darüber hinaus ist die Materialoptimierung zur Prozessverbesserung (z. B. Haftfestigkeit der Schichten, Pulverzufuhr, etc.) aber auch zur Verbesserung der Funktionalität (z. B. Bioaktivität, mechanische Eigenschaften, etc.) der Pulver- und Substratwerkstoffe ein wesentlicher Gegenstand der experimentellen Untersuchungen. Methoden hierfür sind zum einen die Beimengung von Pulverzusatzstoffen (z. B. Graphit, Aerosil®, Bioglas, etc.) und zum anderen verschiedene Vorbehandlungsmethoden (z. B. Ätzen, Strukturieren, thermische Vorbehandlung etc.). Diese werden durch den direkten Einsatz im Prozess sowie durch diverse Charakterisierungsmethoden (dynamische Differenzkalometrie, Ulbricht-Kugel-Aufbau, Laser-Scanning-Mikroskop, etc.) für das Verfahren qualifiziert.Die Kombination des Laser-Pulverauftragsschweißens mit dem Hochleistungskunststoff PEEK zur Herstellung von Beschichtungen und Strukturen eröffnet im Vergleich zu typischen Beschichtungsverfahren, einzigartige Vorteile und Potentiale in der rekonstruktiven Medizin. Diese liegen im Wesentlichen in der Flexibilität des Verfahrens begründet, welche die Realisierung von partiellen Beschichtungen, selektiv variablen Schichtdicken oder Strukturbreiten, komplexen dreidimensionalen Strukturen, gradierten Schichten sowie Multi-Material-Strukturen ermöglicht. Da das Verfahren unter Atmosphärenbedingungen einsetzbar ist und dazu ein mehrachsiges Positionierungssystem eine flexible Führung des Bearbeitungskopfes erlaubt, können nahezu beliebige Substrate oder Objekte, unabhängig von Oberflächenform, Größe und Standort, bearbeitet werden.
  • 3D diffraktive Elemente durch direktes Femtosekunden-Laserschreiben

    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

    Diffraktive Optische Elemente (DOEs) sind Werkzeuge, um Licht praktisch beliebig zu formen. Sie finden zunehmend Anwendung in vielen Bereichen der Optik, zum Beispiel in der Laser-Materialbearbeitung oder der Bildgebung, wo Prozesse durch DOE-gestützte Parallelisierung um ein Vielfaches beschleunigt werden können.DOEs sind üblicherweise zweidimensional und werden durch Ätzen Mikrometer-großer Strukturen in die Oberfläche von Glasplättchen hergestellt. Für viele Anwendungen wären jedoch auch dreidimensionale DOEs interessant. Solche 3D DOEs könnten aus „Voxeln“ bestehen, die man direkt in das Volumen von Glas einschreibt. Es ist bekannt, dass 3D DOEs eine äußerst hohe Sensitivität gegenüber der Licht-Einfallsrichtung und Wellenlänge aufweisen. Diese herausragende Empfindlichkeit könnte es ermöglichen, eine neue Klasse optischer Elemente zu erzeugen. So wäre es zum Beispiel denkbar, ein miniaturisiertes 3D DOE auf einen in der Mikroskopie üblichen Glas-Objektträger einzuschreiben, wo es die Unterscheidung verschiedener Zell-Typen nur auf Grund einer Analyse von reflektiertem Licht ermöglicht.Zurzeit unterliegt die praktische Realisierbarkeit von 3D DOEs einigen Limitierungen. Zum einen erfordert deren Design ab einem gewissen Komplexitätsgrad enormen rechnerischen Aufwand. Zum anderen fehlen adäquate Fabrikationstechniken, welche die Herstellung der erforderlichen Mirkometer-Strukturen in größeren Glastiefen mit einer ausreichenden Geschwindigkeit erlauben. Durch unsere Forschungsarbeit wollen wir signifikante Schritte in Richtung der praktischen Realisierbarkeit von 3D DOEs unternehmen. Wir planen die Entwicklung neuer Design-Algorithmen sowie einer neuen Fertigungsstrategie, die den hohen Anforderungen gerecht wird. Unser Ansatz basiert auf parallelisiertem direktem Femtosekunden-Laserschreiben, bei dem viele Voxel gleichzeitig in einem Glasvolumen durch Belichtung mittels Ultrakurzpuls-Laserfokusse erzeugt werden. Im Laufe des Forschungsprojektes wollen wir schrittweise DOEs steigender Komplexität in Form von 2D, vielschichtigen und schließlich 3D designen und herstellen.
  • Optikdesign und Implementierung der Kombination aus hyperspektraler und topographischer Bildgebung
    Schmidt

    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)

  • Qualifizierung und Weiterentwicklung des FMP-Prozesses zur Herstellung von endkonturnahen Halbzeugen in komplexen Geometrien für den Werkzeug- und Formenbau

    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)

  • Räumlich aufgelöste Messung des Streukoeffizienten und des Kapillarnetzwerks von Gewebe mit Hilfe eines Random Lasers

    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

  • Entwicklung eines innovativen Metallpulversystems für die additive Fertigung; Teilprojekt: Wissenschaftliche Untersuchung der Verarbeitbarkeit modifizierter, wasserverdüster Metallpulversysteme beim Laserstrahlschmelzen im Pulverbett

    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

  • Im Rahmen des Projektes soll eine nicht-invasive Methodik zur Früherkennung von Plattenepithelkarzinomem (PEC) des oberen Aerodigestivtraktes entwickelt werden.

    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

  • Intelligent-geregelte additive Prozesskette mittels simulativ und experimentell ermittelten Bauteil-, Werkstoff- und Prozessdaten

    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

  • Schmelzedynamik in der Remote-Laserstrahlmaterialbearbeitung

    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

  • Erzeugung angepasster Intensitätsverteilungen bei der Lasermaterialbearbeitung mit ultrakurzen Laserpulsen

    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

  • Dispersions-kontrollierte Nanokomposite zur Optimierung des Schmelz- und Rekristallisationsverhaltens beim SLS mit CO2- und Diodenlasern

    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

  • Eutektische Al Legierungen mit angepassten Erstarrungspfaden zur Untersuchung fundamentaler Aspekte der Erstarrung in der laserbasierten additiven Fertigung

    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

  • Hochpräzise Pulverbeschichtungsanlage (HPB) - Entwicklung einer neuartigen Inlinefähigen Messmethode zur optischen Charakterisierung der Oberflächengüte in einer hochautomatisierten Pulverbeschichtungsanlage

    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

  • Intelligente Scannerbasierte Fokusführung beim Laserstrahlschweißen

    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

  • Hyperspektrale Prozessbeobachtung und Simulation zur Erweiterung des Prozessverständnisses beim Laserstrahlschmelzen

    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

  • Additive Fertigung einer neuen Gruppe von hochtemperaturbeständigen Legierungen

    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

  • Tomographie von mittels ultrakurzer Laserpulse induzierten Glasmodifikation

    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

  • Dreidimensionale Abbildung trüber Medien mittels hyperspektraler Bildgebung

    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

  • Innovative Prozesstechnik zur fehlerminimierenden, von physischem Bauteilstress befreite Handhabung von Halbleiterbauteilen im Back End Testprozess

    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

  • Histologische und spektroskopische Untersuchung der frühen Knorpelveränderungen bei femoroazetabulärem Impingement vom Cam Typ

    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

  • Untersuchungen zum Laserstrahlschmelzen bei Bosch

    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

  • Trockenumformung mit lokal angepassten tribologischen Bedingungen

    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)

    Der zunehmende Bedarf nach umweltfreundlichen undwirtschaftlichen Prozessen motiviert die Erforschung des schmierstofffreienTiefziehens. Hierdurch wird die Prozesskette durch den Wegfall desSchmierstoffauftrags sowie der Bauteilreinigung verkürzt. ZentraleHerausforderungen beim schmierstofffreien Umformen sind ein deutlicher Anstiegder Reibung und des Werkzeugverschleißes aufgrund des direktenWerkstück-Werkzeugkontaktes. Vor diesem Hintergrund wird die Zielsetzungverfolgt, durch werkzeugseitige Schichten den Verschleiß und die Reibung zureduzieren. Auf einem neu entwickelten Prüfstand wurde nachgewiesen, dass dieseModifikationen zur verschleißfreien Herstellung von über 3.000 Bauteilengeeignet sind und somit die Standmenge im Vergleich zu unbeschichtetenWerkzeugen deutlich erhöhen.

  • Nutzung und Einführung von Additiver Fertigung mit Metall-Laserstrahlschmelzen in KMU der Mit freundlichen Grüßen+E-Industrie

    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

  • Advanced Optical Laser Technologies for Life Sciences and personalized Medicine (ADVENDO-LIFE)

    (FAU Funds)

    The identification of specific tissue and organ diseases, in particular tumours and inflammation, at an earliest possible stage, is one of the most challenging tasks in modern medicine to provide an adequate personalized and minimally invasive therapy. The specific and highly resolved visualization of diseased cells and tissue components requires the development of novel optical technologies at the edge of optical resolution to reveal structures that would be otherwise invisible to the naked eye. Laser applications already are capable today to endoscopically visualize tumours, e.g. of the gastro-intestinal tract. However, those techniques are still limited by their specificity and additionally require the use of external labels to mark pathological processes. Multiphoton excitation of specific marker molecules within the tissue can circumvent the need for such dyes. The central goal of the ADVENDO-LIFE project is the miniaturization of state-of-the-art multiphoton imaging into a novel generation of optical endoscopes that will be suitable to visualize diseased individual cells in tissues and tissue architecture in vivo. This will be first attempted in animal models and later translated into clinical practice. To achieve this goal, our multidisciplinary project team, consisting of laser physicists, optical engineers, biotechnologists and physicians will develop and validate a suitable prototype of a multiphoton-laser-endoscope. The image information resulting from this technology will be the grounds to build a morphometrical database of ‚Ultrastructure in Diseases‘ as a novel diagnostic tool for clinicians in early diagnosis and monitoring of, e.g., tumours and chronic inflammatory diseases.
  • Trockenumformung mit lokal angepassten tribologischen Bedingungen

    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)

    Bei der Trockenumformung erfolgt aufgrund des fehlenden Schmierstoffes eine intensive Wechselwirkung zwischen Werkstück- und Werkzeugoberfläche. Ziel des vorliegenden Forschungsvorhabens ist die Realisierung trockener Umformprozesse durch die Entwicklung und den Einsatz neuartiger tribologischer Systeme. Den Herausforderungen der Trockenumformung, wie erhöhter Reibung in Verbindung mit gesteigertem Verschleiß, wird durch maßgeschneiderte, werkzeugseitige Oberflächenmodifikationen begegnet. In der ersten Projektphase wird das schmierstofffreie Tiefziehen einer industrieüblichen Stahlsorte untersucht. Zur Prüfung der übertragbarkeit ermittelter Zusammenhänge auf weitere Werkstoffklassen wird eine Aluminiumlegierung gegenübergestellt. In Referenzversuchen unter Laborbedingungen wird durch die Analyse und Beschreibung der tribologischen Effekte das grundlegende Prozessverständnis für trockene Umformbedingungen geschaffen. Die Versuchsergebnisse dienen gleichzeitig als Eingangswerte für die simulationsbasierte Auslegung des segmentierten Werkzeugs zur Herstellung eines Rechtecknapfes. Ausgehend von der FE-basierten Identifizierung tribologisch relevanter Werkzeugbereiche werden in einem inversen Ansatz Anforderungsprofile für die einzelnen Segmente des Tailored Tool abgeleitet. Die Anforderungen bilden die Zielgrößen für die Entwicklung maßgeschneiderter werkzeugseitiger Oberflächenmodifikationen. Zur Reibungsreduzierung sowie zur Gewährleistung eines ausreichenden Verschleißschutzes im schmierstofffreien Tiefziehprozess wird die Eignung amorpher Kohlenstoffschichtsysteme evaluiert. Da Trockenumformprozesse extreme Verschleißanforderungen an Werkzeugbeschichtungen stellen, wird zur lokalen Erhöhung der Verschleißfestigkeit die laserinduzierte Wärmebehandlung amorpher Kohlenstoffschichten untersucht. Zur gezielten Einstellung des Stoffflusses werden darüber hinaus lokale werkzeugseitige Oberflächenstrukturen entwickelt und mittels Laserablation appliziert. In Laborversuchen erfolgt eine systematische Analyse des resultierenden Reib- und Verschleißverhaltens. Insbesondere werden der Einfluss der Faktoren Werkzeugwerkstoff, Oberflächenbeschichtung und -strukturierung auf das Werkzeugeinsatzverhalten untersucht. Zur Ermittlung der Prozessgrenzen wird zudem die Abhängigkeit des Werkzeugeinsatzverhaltens von den auftretenden Prozessbeanspruchungen quantifiziert. Die abgeleiteten Zusammenhänge zwischen den Prozessbeanspruchungen, den Oberflächenmodifikationen und dem resultierenden Werkzeugeinsatzverhalten werden für die gezielte lokale Anpassung der tribologischen Bedingungen im Napfzugprozess genutzt. Zur Validierung der ermittelten Zusammenhänge wird in dem Tiefziehmodellprozess das Reib- und Verschleißverhalten des segmentierten Werkzeugs für die untersuchten Stahl- und Aluminiumhalbzeuge ermittelt. Die Ergebnisse der ersten Projektphase bilden die Grundlage zur Qualifizierung maßgeschneiderter tribologischer Systeme für Trockenumformprozesse.
  • Additive und umformtechnische Fertigung hybrider Bauteile mit lokal angepassten Eigenschaften (B5)

    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)

    Ziel des Teilprojekts B5 ist es, die Kombination aus additiver Fertigung und Umformtechnik zur Herstellung maßgeschneiderter, funktionalisierter und individualisierter Titan-Hybridbauteile grundlegend zu erforschen. Neben dem Blechgrundkörper sollen die additiv gefertigten Elemente der Hybridbauteile umgeformt werden, um den Werkstoff gezielt zu verfestigen und lokal unterschiedliche Eigenschaften einzustellen. Durch den ortsselektiven Eintrag von Zusatzstoffen in Kombination mit einer in situ Legierungsbildung während des Laserstrahlschmelzens (LSS-M) wird zusätzlich eine lokale Werkstoffmodifikation in den LSS-Elementen angestrebt, die sowohl auf die Anforderungen der Umformung als auch auf die Anforderungen des Bauteileinsatzes abstimmbar ist.
  • Selektives Laserstrahlschmelzen von Verbundwerkstoffsystemen zur Herstellung metallischer Leichtbaustrukturen (A5)

    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)

    In diesem Projekt wird die Verarbeitung von Legierungen der EN AW-6xxx Gruppe im Laserstrahlschmelzprozess zu Bauteilen untersucht. Dazu ist das Verständnis der Erstarrungsbedingungen und darauf aufbauend deren Beherrschen von grundlegender Bedeutung. Hierzu werden durch Spektroskopie und hyperspektrale Bildgebung die wahren Temperaturen zeitlich und räumlich aufgelöst erfasst und dann durch mittels diffraktiver Strahlformung angepasste Intensitätsprofile des Laserstrahls beeinflusst. Weiterhin sollen der Einfluss von Keimbildnern untersucht und die Mikrostruktur definiert eingestellt werden.
  • Prozessangepasste Werkstoffcharakterisierung für das Laserstrahlschmelzen (A3)

    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)

    Gegenstand dieses Teilprojektes ist die wissenschaftliche Erfassung, die quantitative Bestimmung und der Aufbau eines grundlegenden Verständnisses wesentlicher werkstofflicher Prozessgrößen, welche einerseits das Erstarrungsverhalten und andererseits den Energieeintrag im Laserstrahlschmelzprozess von Kunststoffen (LSS-K) explizit beschreiben. Für die Herstellung eigenspannungsarmer, mechanisch belastbarer Bauteile bedarf es optimierter Prozessparameter, welche aus der durchzuführenden prozessnahen Charakterisierung der LSS-K-Pulverwerkstoffe hinsichtlich ihrer thermo-mechanischen und optischen Eigenschaften abgeleitet werden.

Veröffentlichungen

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