Im Rahmen dieser Dissertation wurde eine Methode zur anwendungsorientierten Modellierung des makroskopischen Strahlengangs bei Laserstrahlbearbeitungsprozessen entwickelt und verifiziert. Durch die Modellierung wird eine effizientere Auslegung laserintegrierter Werkzeugmaschinen im Hinblick auf das thermische Verhalten und die Lasersicherheit ermöglicht. Die Modellierung des Strahlengangs unterstützt den Konstrukteur einerseits bei der Untersuchung der Auswirkungen der Laserbearbeitung in einer hochpräzisen Werkzeugmaschine in einem frühen Stadium des Auslegungsprozesses. Andererseits kann durch den modellierten Strahlengang in einer doppelwandigen Laserschutzumhausung die optimale Positionierung von Sensorik sowie die Realisierbarkeit von Designwünschen für die Umhausung bereits in der Auslegungsphase bestimmt werden. Insgesamt konnte in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, dass die Methode für die beiden beschriebenen Anwendungsfälle valide ist und somit den Konstrukteur im Auslegungsprozess effizient unterstützen kann.
Dabei erfolgt die systematische und sukzessive Entwicklung der Simulationsmethode sowie die Validierung durch empirische Daten. Nach der Charakterisierung der relevanten Eigenschaften der Laserstrahlung und der technischen Oberflächen unterschiedlicher Materialien werden zunächst die Einfachreflexion der Laserstrahlung und die resultierende Intensitätsverteilung auf einer Sphäre in Abhängigkeit materialspezifischer Parameter modelliert. Anschließend werden die bei der Einfachreflexion verwendeten Mechanismen für die Modellierung einer Mehrfachreflexion in Reihe gekoppelt und analog zur Einfachreflexion durchgeführt. Die für die Modellierung verwendeten Parameter werden dann für die empirische Untersuchung genutzt. Abschließend erfolgte ein Abgleich zwischen Modellierung und Empirie zur Verifikation der Methode.
Aufbauend auf den Ergebnissen wird anhand zweier Anwendungsfälle, dem thermischen Verhalten laserintegrierter Werkzeugmaschinen und der aktiven Laserschutzumhausung, die Methode demonstriert. Bei der Vorhersage des thermischen Verhaltens werden die Verlagerungen der zentralen Maschinenkomponente Dreh-Schwenk-Tisch mit Hilfe der Methode ausreichend genau ermittelt. Im Fall der aktiven Laserschutzumhausung wird gezeigt, dass durch die Methode eine Strahlungsintensität an einer beliebigen Stelle in der Umhausung vorhergesagt werden kann.