Grenzen der Lochdichte beim Perkussionsbohren mit Ultrakurzpulslasern

Aachen (2018) [Doktorarbeit]

Seite(n): 1 Online-Ressource (VIII, 137 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Kurzfassung

Viele Aufgabenstellungen im Bereich des Umweltschutzes aber auch aus der Lebensmittel- und Kosmetikindustrie, der Medizintechnik- und Bioanalytik haben hohe Anforderungen an Mikrosiebe. Speziell im Gesundheits- und Umweltschutz stellen Feinstaub (Partikel < 60μm in der Luft) und Mikroplastikpartikel (Fasern und Partikel sowohl in der Luft als auch im Wasser < 500μm) eine große Gefahr dar. Verschärfte gesetzliche Vorgaben haben in den letzten Jahren die Entwicklung von feinstaubzurückhaltenden Filteranlagen begünstigt, jedoch ist der Entwicklungsbedarf noch enorm im Bereich von temperaturbeständigen, reinigbaren, feinporösen (Porengröße< 10μm) und hochtransparenten (geöffnete Fläche > 25%) Mikrosieben. Im Bereich Mikroplastik im Wasser sind die gesetzlichen Vorgaben noch nicht so strikt, dass die Industrie Handlungsbedarf sieht. Nichtsdestotrotz ist die Weiterentwicklung von feinporigen (d < 10μm) Mikrosieben mit großer geöffneter Fläche von erheblicher Bedeutung. Im Bereich der Feinstaubabscheidung sind vielfältige Anwendungsfelder denkbar, wie z.B. Abgase von Dieselmotoren, Laserdrucker, Holzfeuerung usw. Für die Mikrosiebherstellung eröffnet sich eine bis dato nie dagewesene Möglichkeit kleine und hochpräzise Löcher in metallische Folien einzubringen und diese eng aneinander zu setzen. Diese stabilen metallischen Oberflächenfilter mit geringer Dicke sind für die Mikrofiltration von Vorteil, da der Druckabfall über die einzelnen Poren des Filters minimiert wird und ein hoher Durchfluss ermöglicht wird. Derartige Oberflächenfilter sind heutzutage nicht herstellbar. UKP Lasertrahlquellen stellen einen neuen Ansatz dar, dieses Problem zu lösen. Mit kurzwelligem Laserlicht sind Lochdurchmesser von weniger als 10μm erzielbar. Durch die Verwendung ultrakurz gepulster Laserquellen werden die thermischen Einflüsse reduziert und damit die Maximierung der geöffneten Fläche ermöglicht. Das Thema dieser Arbeit ist somit eine systematische Untersuchung der physikalischen Effekte bei der Herstellung von hochtransparenten Filterfolien, sodass eine Lochgröße von < 10μm bei gleichzeitiger Steigerung der geöffneten Fläche auf über 20% erzielt werden soll. Um das Ziel zu erreichen wird die Arbeit in vier Teile unterteilt. Im ersten Schritt wird eine theoretische Betrachtung der Temperaturentwicklung im Material untersucht. Ein mathematisches Modell soll dabei eine schnelle Abschätzung der Machbarkeit eines Rasters in einem Werkstoff mit einem bestimmten Durchmesser und Lochmittenabstand (Pitch) liefern. Es werden vier Werkstoffe ausgewählt, die sich deutlich in ihren thermischen Eigenschaften unterscheiden, sodass eine Einschätzung des Einflusses dieser Werkstoffeigenschaften auf die Stabilität des Bohrprozesses getroffen werden kann. Im nächsten Schritt wird der Bohrprozess in Abhängigkeit der Repetitionsrate, der Anzahl der Pulse und der Pulsenergie anhand von Einzellöchern untersucht. Anschließend werden Lochraster in Abhängigkeit der Repetitionsrate und des Pitchs in den unterschiedlichen Werkstoffen charakterisiert. Um die thermischen Effekte genauer zu untersuchen werden Raster mit einer Wartezeit zwischen den Löchern gebohrt. Ergebnisse beider Untersuchungen werden mit dem Modell verglichen, um mögliche Effekte und Einflüsse zu identifizieren.

Autorinnen und Autoren

Autorinnen und Autoren

Hambach, Nelli

Gutachterinnen und Gutachter

Poprawe, Reinhart
Ostendorf, Andreas

Identifikationsnummern

  • REPORT NUMBER: RWTH-2018-226271

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