Steuerung der Energiedeposition durch aktive 3D-Strahlformung für die abtragende Lasermikromaterialbearbeitung
Final Report Abstract
Ziel dieses Forschungsvorhabens war die Erarbeitung der wissenschaftlich-technischen Grundlagen zur Steuerung der räumlichen Energiedeposition bei der Lasermikromaterialbearbeitung durch eine aktive 3D-Strahlformung. Zusammenfassend konnte im Projekt der Nachweis erbracht werden, dass die aktive 3D-Strahlformung deutliche Vorteile gegenüber einer Standardfokussierung mit Gaußscher Strahlung liefert. Bei Verwendung der aktiven 3D-Strahlformung mit einer Überlagerung von verschiedenen optischen Feldern hinsichtlich der räumlichen und energetischen Prozessparameter während der Bearbeitung kann eine flexible und kontrollierte, tiefenaufgelöste Formgebung mit deutlich verbesserter Qualität und Toleranz durchgeführt werden. Die aktive 3D-Strahlformung unter Variation der räumlichen und energetischen Parameter wurde simuliert durch numerische Lösung des Rayleigh-Sommerfeld-Begungsintegrals. Das Beugungsintegral wurde dabei ohne die sonst üblichen Vernachlässigungen gelöst, wodurch eine exakte Berechnung der Iso-Intensitätslinien in der Bearbeitungszone ermöglicht wurde. Es konnte dabei nachgewiesen werden, dass schon bei geringen Strahldivergenzen im optischen System Aberrationen auftreten, die maßgeblichen Einfluss auf das Bearbeitungsergebnis haben. Dies konnte experimentell validiert und bezüglich der Bearbeitungsqualität vorteilhaft eingesetzt werden. Durch aktive 3D-Strahlformung wurden Bohrungen mit definierten konischen Einlässen bezüglich der Flankenwinkel (1 bis 50°) und der Flankentiefe (100 bis 400 μm) durch gleichzeitige Variation der Strahldivergenz und der Laserleistung erzeugt. Die erweiterte Bearbeitungsstrategie durch Überlagerung verschiedener optischer Felder führt neben der Formgestaltung zu einer verbesserten und nahezu debrisfreien Bearbeitungsqualität. Zudem ergeben sich deutlich verbesserte Toleranzen bei jedoch etwas größerem Bohrungsdurchmesser. So konnte die Anzahl der Bohrungen die in einem Toleranzbereich von 5 μm liegen um 30% erhöht und die maximale Abweichung im Bohrungsdurchmesser um 50% gegenüber dem Standard-Perkussionsbohren mit diesem System gesenkt werden. Die Methode der Überlagerung eines zweiten optischen Feldes wurde zudem auch auf das Lasererodieren angewandt. So wurde ein Netz aus Stegen mit einer sehr planaren Parallelität und Toleranzen unter 5% in 200 μm dickem Aluminium durch Lasererodieren mit überlagertem zweitem optischem Feld hergestellt. Die Erkenntnisse aus der im Projekt untersuchten Methode der Überlagerung optischer Felder beim Lasererodieren gingen in Kooperation mit der Industrie in eine neu entwickelte Prozesskette zum Tiefziehen laserstrukturierter Netze ein. Innerhalb des Projektes wurde dazu Voruntersuchungen durchgeführt und ein Prototyp erfolgreich gefertigt und getestet.
Publications
- Laser-induced generation of shaped holes by variable beam shaping. Laser Applications in Europe, eds.: W. Gries, T. P. Pearsall. Proc. SPIE 6157 (2006) 26-33
Stephen, A.; Metev, S.; Jüptner, W.; Vollertsen, F.
