Untersuchung kumulativer Effekte bei der Femtosekunden-Lasermaterialbearbeitung mit mittleren Leistungen im Multi-100W-Bereich
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In dem durchgeführten Vorhaben wurde die Auswirkung von Wärmeakkumulation und Abschirmung beim Abtrag mit ultrakurz gepulster Laserstrahlung mit hohen Repetitionsraten untersucht. Diese Effekte sind die wesentlichen Limitierungen bei einer Leistungsskalierung und einer damit verbundenen Produktivitätssteigerung bei der UKP-Bearbeitung. Wärmeakkumulation kann zum einen durch Vorheizung des Werkstücks zu einer Steigerung der Abtragrate und zum anderen zu Bildung von Schmelze führen. Moderate Wärmeakkumulation führt dabei jedoch nicht zwangsläufig zu starken Einbußen in Präzision und Oberflächenqualität. Im Rahmen dieses Vorhabens wurde gezeigt, dass durch moderate Wärmeakkumulation ein homogener Schmelzfilm induziert werden kann, durch den die Ausbildung von rauen Mikrostrukturen verhindert werden kann. Dadurch ist es möglich mit konventioneller, hochflexibler Systemtechnik eine vergleichsweise hohe Abtragrate bei guter Bearbeitungsqualität zu realisieren. Durch Abgleich eines entwickelten Modells mit experimentellen Daten konnte der in dem Werkstück verbleibende Energieanteil auf 30 % – 40 % der eingestrahlten Energie bestimmt werden. Dies wurde auch in In-Situ-Thermographie bestätigt. Die In-Situ-Untersuchen zeigen jedoch, dass sich der Wärmeeintrag während des Prozesses ändern kann. Dies ist auf eine verstärke Absorption zurückzuführen, die durch sich ausbildende Mikrostrukturen an der Oberfläche bedingt wird. Somit treten diese Effekte nicht im Prozessfenster für hochpräzise UKP-Bearbeitung auf und das entwickelte Modell mit konstantem Wärmeeintrag ist hier zutreffend. Abschirmung der eingestrahlten Leistung durch Abtragsprodukte wie Plasma und Partikel sind vor allem bei Prozessen mit Repetitionsraten im Megahertzbereich sehr relevant und können eine Reduktion der Abtragseffizienz von bis zu 40 % verursachen. Diese Auswirkung der geringen zeitlichen Abstände kann, durch hinreichend großen räumlichen Vorschub bzw. kleinen Pulsüberlapp, aber vollständig kompensiert werden. So können selbst Prozesse im zweistelligen Megahertzbereich ohne signifikante Auswirkungen der Abschirmung entwickelt werden, solange ein ausreichend großer Vorschub gewährleistet und der zeitliche Abstand der Prozessüberfahrten groß genug ist. Auch Abschirmeffekte wirken sich auf die erzielbare Oberflächenqualität aus, allerdings sind die Auswirkungen deutlich geringer als im Fall von Wärmeakkumulation. Durch den Zusammenhang zwischen Abtragseffizienz und räumlicher Pulstrennung konnte dieser Effekt im Rahmen des in dieses Vorhabens entwickelten Modells quantitativ erfasst werden. Dazu wird die Extinktion der einfallenden Laserstrahlung durch Puls-Partikel-Wechselwirkungen in Abhängigkeit von zeitlichem und räumlichem Pulsabstand durch semi-empirische Faktoren beschrieben. Die gewonnenen Erkenntnisse helfen bei der Skalierung von UKP Prozessen und bilden somit die Grundlage um ein breiteres Anwendungsfeld für ultrakurz gepulsten Präzessionsabtrag zu erschließen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Puls-zu-Puls-Wechselwirkung beim Ultrakurzpuls-Laserabtrag mit hohen Repetitionsraten; Publikationsserver der RWTH Aachen University, ID: RWTH-2017-08668; (2017)
Finger, J.
(Siehe online unter https://doi.org/10.18154/RWTH-2017-08668) - Digital photonic production along the lines of industry 4.0, SPIE LASE Proceedings, Volume 10519; (2018)
Poprawe, R., Hinke, C., Meiners, W., Eibl, F., Zarei, O., Voshage, M., Ziegler, S., Schleifenbaum, J. H., Gasser, A., Schopphoven, T., Willenborg, E., Flemmer, J., Weingarten, C., Finger, J. and Reininghaus, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1117/12.2292316) - Heat input and accumulation for ultrashort pulse processing with high average power, Advanced Optical Technologies, Volume 7, Issue 3; (2018)
Finger, J., Bornschlegel, B., Reininghaus, M., Dohrn, A., Nießen, M., Gillner, A. and Poprawe, R
(Siehe online unter https://doi.org/10.1515/aot-2018-0008) - In-situ analysis of ultrashort pulsed laser ablation with pulse bursts; JLMN-Journal of Laser Micro/Nanoengineering, Volume 14, No. 1; (2019)
Bornschlegel, B. and Finger, J.
(Siehe online unter https://doi.org/10.2961/jlmn.2019.01.0015) - Investigation of heat accumulation effects during deep hole percussion drilling by high power ultrashort pulsed laser radiation; Journal of Laser Applications, Volume 31, Issue 2; (2019)
Haasler, D. and Finger, J.
(Siehe online unter https://doi.org/10.2351/1.5096084)
