Oberflächenstrukturierung

 

3D-Oberflächenbearbeitung

UKP-Burstbearbeitung von Kupfer mit 300 W mittlerer Leistung. Urheberrecht: © Lehrstuhl für Lasertechnik LLT. UKP-Burstbearbeitung von Kupfer mit 300 W mittlerer Leistung.

Im Vergleich zu Abtragprozessen mit nanosekunden- oder länger gepulster Laserstrahlung ist die Verwendung von ultrakurzgepulster (UKP) Laserstrahlung hinsichtlich der erreichbaren Präzision und Qualität überlegen. Aufgrund der geringen Produktivität dieser Verfahren ist die UKP-Bearbeitung jedoch nur für industrielle Anwendungen mit höchsten Anforderungen etabliert. Daher ist die Entwicklung und Anwendung von Hochleistungsstrahlquellen seit einigen Jahren ein Hauptthema der UKP-Forschung. Aufgrund der in der Regel vorliegenden, materialbedingten optimalen Fluenz für die UKP-Materialablation ist die effizient nutzbare Pulsenergie begrenzt. Um dieses Hindernis zu überwinden, werden drei Ansätze verfolgt:

  1. Die Verwendung hoher Repetitionsraten in Kombination mit schnelleren Ablenkungssystemen, um eine Pulstrennung auf der Materialoberfläche zu gewährleisten.
  2. Eine Parallelisierung von Einzelprozessen durch die Erzeugung mehrerer Laserstrahlen.
  3. Die Anwendung von sogenannten Pulsbursts, wobei die von konventionellen Strahlquellen emittierten Einzelpulse durch Pulsgruppen mit einer hohen internen Repetitionsfrequenz ersetzt werden.

Mit diesen Ansätzen ist die Umsetzung höherer mittlerer Leistungen möglich, aber die geringen zeitlichen und räumlichen Abstände zwischen aufeinanderfolgenden Pulsen verstärken Abschirmungs- sowie Wärmeakkumulationseffekte. Deshalb sind diese Ansätze zur Leistungsskalierung, sowie die daraus resultierenden Verstärkung der genannten Sekundäreffekte seit einigen Jahren Forschungsgegenstand der Gruppe Mikro- und Nanostrukturierung am Lehrstuhl für Lasertechnik.

  Pump-Probe-Aufnahme eines 2er-Bursts zum Zeitpunkt des zweiten Pulses. Urheberrecht: © Lehrstuhl für Lasertechnik LLT. Pump-Probe-Aufnahme eines 2er-Bursts zum Zeitpunkt des zweiten Pulses.

Im Rahmen des Forschungscampus DPP (Digital Photonic Production) werden die Multistrahlbearbeitung und die Burstbearbeitung mit Hochleistungsstrahlquellen hinsichtlich der Materialwechselwirkung und Abtragdynamik untersucht.

Auf Seiten der Burstbearbeitung ist primär die Interpulswechselwirkung Forschungsgegenstand, da die Pulse, mit ca. 10 – 25 ns, sehr schnell aufeinander folgen. Hierfür wird mit Hilfe von Transmissionsaufnahmen eines einzigartigen Pump-Probe-Systems die Abtragdynamik von Metallen in situ analysiert. Durch die einstellbare Anzahl an Pulsen pro Burst, eine variable Pulsdauer und einer zeitlich flexiblen Burstgestaltung steht ein großer Parameterraum zur Verfügung, um die grundlegenden Wechselwirkungen zu untersuchen. Die zeitliche Auflösung beträgt hierbei 300 Femtosekunden. Die in-situ Analysen werden durch Abtragversuche an verschiedenen Hochleistungsstrahlquellen ergänzt, die äquienergetische, sowie zeitlich- und energetisch flexible Burstkonfigurationen (Flexbursts) bereitstellen.

  UKP-Parallelbearbeitung mit mehreren Teilstrahlen. Urheberrecht: © Lehrstuhl für Lasertechnik LLT UKP-Parallelbearbeitung mit mehreren Teilstrahlen.

Bei den Untersuchungen zur parallelisierten Bearbeitung mit Multistrahlen wird hingegen der Schwerpunkt auf Wärmeakkumulation und erzielte Abtragqualität gelegt. Da durch die zeitgleiche Wärmedeposition mit kleinen räumlichen Abständen schnell eine für die Oberflächenbearbeitung kritische Temperatur erreicht werden kann, die zu Qualitätsverlust oder der Bauteilzerstörung führt. Diese Wärmeeinbringung wird in situ Experimenten mit Hilfe von Wärmebildkameras sichtbar gemacht und mit Simulationen abgeglichen, um ein belastbares Modell der Temperaturdynamik während Multistrahlprozesses zu erstellen. Zeitgleich wird die erreichbare Abtragqualität und -effizienz als Prozesszielgrößen herangezogen und ex-situ analysiert.

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Benedikt Bornschlegel, M.Sc.

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