Effizienzsteigerung beim Mikroabtrag mit Festkörperlasern durch tailored pulse trains - TPT
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Aufbauend auf den Ergebnissen der vorangegangenen Projektzeiträume können in der hier vorgestellten Phase die Erkenntnisse bzgl. der einzelnen dynamischen Vorgänge während des Mikromaterialabtrags vertieft und der Abtragsprozess weiter optimiert werden. So wird im Bereich der Laser-Emissionsanalyse die Detektionsmethode dahingehend erweitert, dass durch die zeitlich und ortsaufgelöste Detektion dynamische Prozesse innerhalb des Plasma genauer untersucht werden können. Durch eine innerhalb des Projektes entwickelte Methodik der Linienauswahl kann die charakteristische Größe Te,c genauer bestimmt werden, um Unterschiede zwischen den verschiedenen Burstmodi beschreiben zu können. Als charakteristische Größe für die Unterscheidung von Einzel- und Doppelpulsen kann dabei die Elektronendichte Ne,c ermittelt werden, die eine Unterscheidung der einzelnen Burstmodi und somit eine Abschätzung des Abtragsergebnisses ermöglicht. Die ortsaufgelöste Detektion des Plasmas bietet die Möglichkeit Zonen innerhalb des Plasmas zu untersuchen, welche durch eine Wechselwirkung mit der Laserstrahlung einen Einfluss auf das Abtragsergebnis bzw. die Effizienz des Prozesses haben. Dadurch kann die zeitliche und räumliche Form eines idealen Bursts in erster Stufe beschrieben werden, der aufgrund einer reduzierten Wechelswirkung zwischen Laserpuls und Plasma einen optimierten Energieeintrag in das zu bearbeitende Material erlaubt. Als Ergebnis zeigte sich in der Laserbearbeitung, dass durch die Vergrößerung der Anzahl der Pulse im Burst die Abtragsrate im Vergleich zu Einzelpulsen gleicher Gesamtburstenergie um bis zu 90 % gesteigert werden kann. Zusätzlich wird durch die Verwendung von Laserpulsen im ps-Bereich ein Rauigkeitswert von Ra ≤ 0.7 μm erzielt, was gegenüber dem Stand der Technik eine Verbesserung um 30 % darstellt. Mittels der Ergebnisse aus den Bereichen der Laser-Emissionsspektroskopie und der Laserstrukturierung kann der Abtragsprozess von mehreren Seiten durch verschiedene Modelle beschrieben werden. Diese decken den Teil des Abtragsergebnisses bzw. der Interaktion zwischen Laserpuls und entstehendem Plasma, bzw. die Plasmaemission ab. Das Verständnis der Grundlagen dieses Prozesses wird durch den Vergleich zwischen Experiment und Simulation erweitert. Dadurch kann eine geeignete Konstellation von Einzelpulsen innerhalb eines Bursts für verschiedene Anwendungen beschrieben werden. Diese werden bereits in der Materialbearbeitung verwendet bzw. können in die Entwicklung neuer Lasersysteme einfließen, welche eine beliebige Pulsformung innerhalb geeigneter Parameterbereiche ermöglichen, wodurch die vorhandenen Prozessgrenzen großflächig erweitert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Investigation on laser micro ablation of metals using ns-multipulses. Proceedings der Eighth International Conference on Laser Ablation 11.9. - 16.9.2005 Banff, Canada, 2007, S. 440-444
C. Hartmann, A. Gillner, Ü. Aydin, R. Noll, T. Fehr, C. Gehlen, R. Poprawe
- Investigaion on laser micro ablation of steel using ps-IR pulse bursts. Proceedings der 26th International Congress on Applications of Lasers and Electro-Optics 2007, 29.10.-1.11.2007, Orlando, USA, 2007, S. 38-44
C. Hartmann, A. Gillner
- Investigation on laser micro ablation of steel using ps-IR pulse bursts. Proceedings der 26th International Congress on Applications of Lasers and Electro-Optics
C. Hartmann, A. Gillner
- Investigation on Laser Micro Ablation of Steel Using Short and Ultrashort IR Multipulses. JLMN-Journal of Laser Micro/Nanoengineering 2 (1), 2007, S. 44-48
C. Hartmann, T. Fehr, M. Brajdic, A. Gillner
- Material ablation and plasma state for single and collinear double pulses interacting with iron samples at ambient gas pressures below 1 bar. Appl. Phys. B, 86, 2007, 159-167
L. Peter, R. Noll
