621.366 Laser, Lasertechnologie
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In der vorliegenden Arbeit soll mittels Laserablation eine funktionale Mikrostruktur in die Oberfläche von Edelstahl und speziellen Wolframcarbid-Hartmetall-Klemmwerkzeugen zur Erhöhung der Haltekraft eingebracht werden. Damit ein präziser und schneller Materialabtrag realisiert werden kann, wird für die Umsetzung der Arbeitsaufgabe ultrakurzgepulste Laserstrahlung in Verbindung mit hochdynamischer Strahlablenkung verwendet.
Einfluss der Pulswiederholfrequenz auf die Ablation von Dielektrika mittels ultrakurzer Laserpulse
(2023)
In dieser Arbeit wurde der Einfluss der Fluenz, der Pulsanzahl und der Pulswiederholfrequenz bei der Strukturierung von Dielektrika mittels ultrakurzer Laserpulse untersucht. Es stand dabei ein Lasersystem mit einer emittierten Wellenlänge im Infrarot-Bereich und einer Pulsdauer von 200 fs zur Verfügung, um die Abhängigkeiten der Ablationsdurchmesser, der Ablationstiefe und des Ablationsvolumens von der Pulswiederholfrequenzen im kHz-, MHz- und GHz-Regime zu betrachten. Im Rahmen dieser Untersuchung wurde festgestellt, dass diese Größen, einschließlich der daraus ermittelten Ablationsschwellen und der Ablationsvolumina pro Laserpuls, von der Pulswiederholfrequenz abhängig sind. Dabei zeigte sich, dass die Ablationsschwellen mit steigender Pulsanzahl und zunehmender Pulswiederholfrequenz sinken. Zusätzlich konnten bei der Betrachtung der Ablationstiefen und -volumina im MHz- und GHZ-Regime Hinweise für Wechselwirkungen zwischen aufeinander folgenden Laserpulsen gefunden werden.
In dieser Arbeit wird der Einfluss ultrakurzer Laserpulse auf die Dynamik thermodynamischer Zustandsgrößen in dünnen Gold- und Aluminiumschichten numerisch simuliert. Dazu wird zunächst ein Advektions-Diffusions-Modell in Euler-Koordinaten untersucht, welches eine Kopplung der hydrodynamischen Eulergleichungen mit einem Zwei-Temperatur-Modell darstellt. Anschließend wird ein äquivalentes Modell in Lagrange-Koordinaten entwickelt und die daraus berechneten Simulationen mit den Ergebnissen des Modells in Euler-Koordinaten verglichen. Um die thermodynamischen Materialeigenschaften von Aluminium und Gold zu modellieren, werden Zustandsgleichungen für beide Materialien entwickelt und in das Advektions-Diffusion-Modell integriert. Diese Zustandsgleichungen sind für die verschiedenen stabilen und metastabilen Aggregatzustände von Aluminium und Gold gültig.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit einem umfassenden Vergleich der Verwendung von kurz gepulster und kontinuierlicher Laserstrahlung im Mikro-SLM. Nach Charakterisierung der genutzten Bestrahlungsregime werden in Einzelspuruntersuchungen Unterschiede und deren Ursachen hinsichtlich der Schmelzspurbildung zwischen gepulster und kontinuierlicher Bestrahlung betrachtet und diskutiert. Der Bereich geeigneter Prozessparameter wird in Mehrspuruntersuchungen ergänzt. Des Weiteren wird der Einfluss verschiedener Bestrahlungsregime auf die Bauteileigenschaften von Volumenkörpern untersucht.
Im Rahmen dieser Masterarbeit werden umfangreiche Untersuchungen zur Oberflächentexturierung von Kupfer und Aluminium mittels ultrakurz gepulster Laserstrahlung durchgeführt. Auf Basis einer breiten Variation der Laser- und Prozessparameter wird eine detaillierte Analyse und Klassifizierung der realisierbaren Oberflächen-Mikro- und Nanostrukturen durchgeführt. Neben den bekannten Kennwerten der Oberflächenrauheit werden die Oberflächentexturen auf Basis der gemessenen 3D-Höhenprofile durch die fraktalen Kennzahlen Lakunarität und fraktale Dimension charakterisiert. Eine Klassifizierung in unterschiedliche Oberflächentexturkategorien erfolgt sowohl durch manuelle Klassifizierung als auch durch einen automatisierten Klassifizierungsansatz mittels Anwendung des k-Means-Clustering-Algorithmus. Der Einfluss verschiedener Laser- und Prozessparameter auf die Ausbildung der beobachteten Oberflächentexturen wird ausführlich diskutiert. Verschiedene physikalische Zusammenhänge und Entstehungsmechanismen bei der Ausbildung unterschiedlicher Mikro- und Nano-Oberflächenstrukturen werden aufgezeigt und tragen zu einem erweiterten Verständnis der komplexen Wechselwirkungsprozesse zwischen Laserstrahlung und Material bei. Durch die Verwendung von Galvanometer- und Polygonscansystemen zur Hochgeschwindigkeits-Strahlablenkung in Kombination mit einer hochrepetierenden Laserstrahlquelle ist bei vielen Oberflächentexturen eine Skalierung der Flächenrate in den Bereich mehrerer 100 cm²/min möglich, wodurch das Verfahren der Hochrate-Laseroberflächentexturierung zunehmend an Bedeutung bei der industriellen Realisierung großflächig funktionalisierter Oberflächen gewinnt.
Die Masterarbeit behandelt die Laserbearbeitung von 1.4301 Edelstahl unter einer Wasserschicht mit ultrakurzen und ns-Pulsen im NIR. Die Ergebnisse werden in Bezug auf Abtrageffizienz und Qualität mit denen an Normalatmosphäre erreichten Ergebnissen verglichen. Weiterhin enthält die Arbeit ergänzende Untersuchungen, beispielsweise über das Transmissionsverhalten der Laserstrahlung, die Blasenbildung oder den Fokusshift in Wasseratmosphäre zur Erweiterung des Prozessverständnisses über das Laserabtragen in Wasser.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Untersuchungen zur Verifizierung der Laserquellen zum Abtrag von parasitären Schichten. Die Proben waren die mit Inkjet-Technik gedruckte Silberleitbahnen auf PEN-Substrat. Die Untersuchungen wurden mit cw-Laseranlage und ns-Pulslaseranlage mit der Wellenlänge von 1064 nm unter Variierung von Laserparametern durchgeführt und die Ergebnisse wurden und in Kategorien eingeteilt und diskutiert.
Das Ziel der Arbeit besteht in der Untersuchung eines laserbasierten Verfahrens zur ablativen 3D – Mikrostrukturierung unter Verwendung von gepulster Laserstrahlung. Die laterale Strukturabmessung des generierten Abtrages soll wenige Mikrometer betragen. Eine weitere Bedingung ist, dass plane Flächen mit Seitenausdehnungen von mehreren Millimetern bearbeitet werden können (dargestellt in Abbildung 1). Ein zusätzliches Ziel besteht in einer hohen Flexibilität, sodass innerhalb kürzester Zeit von einer Struktur auf eine Andere umgestellt werden kann. Dies soll ohne einen direkten Eingriff in die Anlage bzw. den Aufbau erfolgen, sowie nach jedem Puls des Lasers (insofern erforderlich) möglich sein. Die thermische Belastung des Werkstücks ist dabei so gering wie möglich zu halten.
Eine vorhandene UKP – Laseranlage soll durch optische und elektronische Komponenten so ergänzt werden, dass eine abtragende Strukturierung möglich wird, wobei die Anzahl der verwendeten optischen Bauelemente auf einem Minimum gehalten werden soll.
Im Anschluss soll mit diesem Aufbau die Mikrostrukturierung von verschiedenen Festkörpermaterialien unter Verwendung unterschiedlicher Prozessparamter durchgeführt werden, um die Möglichkeiten des Aufbaus, sowie des Verfahrens genauer zu untersuchen.
In dieser Arbeit wird die Herstellung definiert geneigter Spiegelflächen für mikrooptische Anwendungen mittels Fluorlasermikrostrukturierung im Maskenprojektionsverfahren vor-gestellt. Im Rahmen dessen wurde die zuvor entwickelte Bewegungseinrichtung, die eine Verschiebung der Masken in Nanometerbereich ermöglicht, optimiert. Durch Variation dieser Maskenverschiebung zwischen zwei Abträgen sowie der Laserpulsfluenz kann der Neigungswinkel der Spiegelfläche frei eingestellt werden. Bedingt durch die Intensitäts-verteilung im Laserstrahl ergibt sich eine Ebenheitsabweichung der Struktur, für die ein Korrekturalgorithmus vorgestellt wird. Abhängig vom Soll-Neigungswinkel weisen die Spiegelflächen eine Winkelabweichung von ±0,5° und eine Oberflächenrauheit im Bereich weniger Nanometer auf.
Die Bachelorarbeit befasst sich primär mit dem Abtragverhalten verschiedener CFK und GFK Materialien unter Laserbestrahlung mit UV Nanosekunden und IR Pikosekunden Pulsen. Dafür werden die erzeugten Abträge qualitativ beschrieben und Abtragtiefen sowie Oberflächenrauheiten bestimmt. Die Ergebnisse der beiden Regime werden verglichen. Weiterhin wird das laserbasierte Schneiden und Aufrauen der Oberfläche unter Nutzung von UV Nanosekunden Laserpulsen betrachtet.