Modifiziertes lasergestütztes elektrochemisches Jet-Verfahren zur 3D-Mikrostrukturierung von Metallen und Legierungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel dieses Forschungsvorhabens war die Erarbeitung der wissenschaftlich-technischen Grundlagen für ein lasergestütztes elektrochemisches Jet-Verfahren zur Mikrostrukturierung von metallischen Werkstoffen. Neue technologische Entwicklungen fordern immer stärker nach kleinen, multifunktionalen Bauteilen, die teilweise nicht mehr durch konventionelle Standardverfahren gefertigt werden können. Hierzu sollten in diesem Forschungsvorhaben mit Hilfe eines reaktiven Flüssigkeitsstrahls in Kombination mit einem Laserstrahl eine massive Erhöhung der chemischen Abtragsraten bei hoher Bearbeitungsqualität erzielt werden. Der chemisch reaktive Jet-Strahl, durch den der Laserstrahl in die Bearbeitungszone eingekoppelt wird, ermöglicht dort einen effizienten Austausch und Transport der Reaktionsteilnehmer bei gleichzeitiger lokaler Kühlung. Unter optimierten Prozessbedingungen wurde ausschließlich im Bereich der Lasereinwirkungszone ein effizienter chemischer Abtrag mit einer Steigerung der Abtragsraten um das 10 fache auf 10-2 mm3/min, des Aspektverhältnisses bei einfachen Überfahren um das 6 fache auf über 3:1 und einer Abnahme der minimalen Strukturgröße auf 3 pm mit Hilfe des lasergestützten Jet-Prozesses erreicht. Auf Basis einer Korrelation der Prozessparameter mit dem Bearbeitungsergebnis konnte zudem durch Messung des elektrochemischen Potentials eine Kontrolle des Prozesses ermöglicht werden. Die prozesstechnischen Untersuchungen haben gezeigt, dass das Abtragsverhalten beim Laser-Jet Verfahren neben der intrinsischen Kinetik, d.h. der temperaturabhängigen chemischen Reaktion selbst, maßgeblich auch von den Transport limitierenden Diffusionsprozessen bestimmt wird. Aufbauend auf einer formalen Modellbildung unter Berücksichtigung der chemischen Kinetik und der Dynamik des Laser-Jets (Mikro- und Makrokinetik) konnten die wesentlichen Mechanismen des Prozesses geklärt werden und damit die den Prozess treibenden und die den Prozess limitierenden Faktoren identifiziert werden, um so die Grenzen des Verfahrens aufzuzeigen. Prozesstechnische Grenzen liegen dabei in einer Formtreue von ca. 1-2 pm und einer Rauheit von ca. 0,2 pm für den Werkstoff Nickel-Titan. Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse dienen als Basis für die weitere Entwicklung des Laser-Jet Verfahrens im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 747 „Mikrokaltumformen“ zu einem industrietauglichen Verfahren mit integrierter Regelungs- und Messtechnik für die direkte 3D-Mikrostrukturierung metallischer Werkstoffe in einer Aufspannung. Durch die derzeit bearbeitbare Werkstoffpalette ist dabei ein hohes Anwendungspotential gegeben. In diesem Zusammenhang wurden in Kooperation mit der Industrie bereits maßgeschneiderte Mikrogreifer mit dem Laser-Jet Verfahren als Prototypen gefertigt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Fertigung von Mikrowerkzeugen durch Laserätzen. INNO 22 (2002) 18-19
Stephen, A.; Tahhan, I.
- Principles and Applications of Laser-Induced Liquid-Phase Jet-Chemical Etching. Proc. of the 4th Int. Symp. on Laser Precision Microfabrication (LPM 2003), eds.: I. Miyamoto, A. Ostendorf, K. Sugioka, H. Helvajian. Proc. SPIE 5063 (2003) 227-232
Stephen, A.; Metev, S.; Vollertsen, F.
- Laser-induced liquid-phase jet-chemical etching of metals. J. Mater. Process. Technol. 149 (2004) 536-540
Stephen, A.; Sepold, G.; Metev, S.; Vollertsen, F.
- 3D Microstructuring of Mold Inserts by Laser-based Removal. In: Advanced Micro and Nanosystems Vol. 3. Microengineering of Metals and Ceramics. Eds.: H. Baltes, O. Brand, G. K. Fedder, C. Hierold, J.G. Korvink, O. Tabata, D. Löhe, J. Haußelt, Wiley-VCH Weinheim (2005) 131-160
Stephen, A.; Vollertsen, F.
- Enhancement of aspect ratio and precision in laser thermochemical etching of metallic microparts. Proc. of the 4th Int. WLT-Conf. on Lasers in Manufacturing (LIM 2007), eds.: F. Vollertsen, C. Emmelmann, M. Schmidt, A. Otto. AT-Fachverlag Stuttgart (2007) 777-782
Stephen, A.; Vollertsen, F.
- Laser-electrochemical machining of metallic microparts. Proc. of the Int. Symp. on ElectroChemical Machining Technology (INSECT 2007), ed.: A. Schubert. Chemnitz University of Technology, Chair Microproduction Engineering (2007) 135-140
Stephen, A.; Vollertsen, F.
- Control of the removal rate in laser chemical machining. Proc. of the 27th Int. Conf. on Applications of Lasers & Electro-Optics (ICALEO 2008), Temecula, CA USA, CD-ROM (2008) 385-391
Stephen, A.; Walther, R.; Vollertsen, F.
- Structuring of nanoporous nickel-based superalloy membranes via laser etching. J. Mater. Process. Technol. (2008)
Näth, O.; Stephen, A.; Rösler, J.; Vollertsen, F.
