Energy transport mechanisms and their impact on the matrix damage during pulsed laser processing of carbon fiber reinforced plastics
Final Report Abstract
Das Projekt adressierte die physikalischen Prozesse, welche zur Ausbildung einer Matrixschädigung bei der Laserbearbeitung Carbonfaser verstärkter Kunststoffe (CFK) mit gepulsten Lasersystemen führen. Berücksichtigt wurden dabei die Effekte der Wärmeakkumulation bei der Wärmeleitung entlang der Carbonfasern in den Verbund, die Reflektion von Laserstrahlung während der Bearbeitung aufgrund der inhomogenen Materialstruktur, der Wärmetransport aufgrund der Ausbreitung von heißem Dampf/Plasma und die Oxidation des Materials. Zur Beschreibung des Effekts der Wärmeakkumulation wurde ein analytisches Modell entwickelt, welches die durch Wärmeakkumulation verursachte Temperaturerhöhung beschreibt. Dieses Modell kann sowohl auf die Wärmeakkumulation zwischen mehreren aufeinanderfolgenden Laserpulsen als auch auf die Wärmeakkumulation zwischen mehreren aufeinanderfolgenden Überfahrten angewandt werden. Anhand des Modells lassen sich Skalierungsgesetze ableiten, welche für die Auslegung von Bearbeitungsprozessen hilfreich sind. Das Modell wurde zur Bestimmung der Prozessgrenzen für beide Wärmeakkumulationseffekte angewandt und anhand von angepassten Experimenten validiert. Ein wichtiger Eingangsparameter zur Anwendung des Modells ist der Restwärmekoeffizient. Dieser gibt an, wieviel der eingestrahlten Pulsenergie als Wärme im Werkstück verbleibt und zur Schädigung des Materials beiträgt. Der Restwärmekoeffizient wurde im Rahmen des Projekts mittels einem kalorimetrischen Messaufbaus bestimmt. Zusätzlich wurde die Volumenabtragsrate gemessen, um zu überprüfen, ob eine Korrelation zwischen beiden Größen besteht. Der Einfluss der Umverteilung von Laserstrahlung durch Reflektion am runden Carbonfaserquerschnitt wurde ebenfalls mittels eines Modells ermittelt und experimentell untersucht. Hierfür wurde ein Raytracing-Modell entwickelt, womit unter anderem der polarisations- und wellenlängenabhängige Einkoppelgrad ermittelt werden konnte. Der Einkoppelgrad von Strahlung in ein Material ist ein wichtiger Eingangsparameter zur Berechnung der Wärmeakkumulation. Mit Hilfe des Modells wurde untersucht, nach welcher Anzahl an Carbonfaserlagen die durch Mehrfachreflektionen in das Material propagierte Laserstrahlung noch einen wesentlichen Einfluss auf den Bearbeitungsprozess hat. Es stellte sich heraus, dass der Effekt der Energieumverteilung durch Mehrfachreflektion von Laserstrahlung eine maximale Reichweite von zwei Carbonfaserdurchmessern hat. Ein weiterer Energieumverteilungsmechanismus ist die Erwärmung von Material durch Wechselwirkung mit heißen Ablationsprodukten. Um den Einfluss heißen Materialdampfs auf umgebendes Verbundmaterial abzuschätzen, wurde mit Hilfe eines Spektrometers die Temperatur des Materialdampfs bestimmt. Diese beträgt ca. 0,5 mm über der Prozesszone nur noch ungefähr 1600 K (Verdampfungstemperatur Carbonfasern ca. 4000 K). In diesem Abstand wurde keine nennenswerte Beeinflussung umgebenden Materials durch den Materialdampf mehr festgestellt. In direkter Nähe zur Prozesszone (<150 µm) konnte dagegen eine thermische Schädigung, hervorgerufen durch heiße Ablationsprodukte, beobachtet werden. Bis zu 14% der eingestrahlten Pulsenergie wurden so vom heißen Materialdampf wieder im Werkstück deponiert. Die Oxidation des Materials führt dem Prozess zusätzliche Reaktionsenergie zu. Im Rahmen des Projekts wurde gezeigt, dass der Abtragsprozess bei Energiedichten des Laserstrahls oberhalb der Abtragsschwelle hauptsächlich durch die direkte Verdampfung des Materials definiert ist. Erst für Energiedichten unterhalb der Abtragsschwelle trägt die Oxidation signifikant zum Abtragsprozess bei. Hinsichtlich der thermischen Schädigung hat zusätzlich zugeführter Sauerstoff jedoch einen großen Einfluss. So ist die Zone der thermischen Schädigung um bis zu 40% größer bei Verwendung von Sauerstoff als Prozessgas verglichen mit einer Bearbeitung in Luft. Dank des im Rahmen dieses Projekts aufgebauten Prozessverständnisses ist es nun möglich, CFK schädigungsfrei mit dem Laser zu bearbeiten.
Publications
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C. Freitag, L. Pauly, D. J. Förster, M. Wiedenmann, R. Weber, T. V. Kononenko, V. I. Konov, and T. Graf
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