621.366 Laser, Lasertechnologie
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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 Möglichkeiten zur Charakterisierung von laserstrukturierten Oberflächen werden diskutiert. Es werden die Topographie, das Gefüge, die chemische
Zusammensetzung sowie die Korrosionsbeständigkeit vor und nach der Bearbeitung untersucht. Es wird ein Vorgehen zum Versuchsplanung und Auswertung mit Hilfe der Methoden des Design of Experiments vorgestellt. Die statistische Auswertung zeigt keine Effekte des Werkstoffs, der Pulsdauer von 1 MHz bis 20 MHz oder der Pulsfrequenz von 400 fs bis 10 ps auf die resultierenden Strukturen. Der Prozess ist damit in einem weiten Parameterfenster skalierbar. Der Effekt der Oberflächenbeschaffenheit kann statistisch nicht erfasst werden.
Untersuchung der Strukturauflösung beim Lasermikrosintern unter Variation der Pulverkorngröße
(2018)
In dieser Arbeit wird die Verkleinerung von Strukturen auf eine Zielgröße von 15 µm beim Mikrosintern untersucht. Es erfolgt ein Vergleich der Skalierbarkeit der Strukturen durch Verkleinerung des Fokusradius von 11,6 µm auf 7,3 µm. Untersucht wird die Prozesseignung von Edelstahlpulver 316L D80 < 5 µm im Vergleich zu D90 < 10 µm. Die Beurteiung erfolgt durch Vergleich an in bisherigen Untersuchungen festgestellten und aus theoretischen Betrachtungen erwarteten Eigenschaften und den in dieser Versuchsreihe erzielten Ergebnissen. Die 10 µm – 16 µm breiten Strukturen werden auf ihre Oberflächenbeschaffenheit und mit Metallografie der Gefügeaufbau untersucht. Mittels Varianzanalyse (ANOVA) wird der Einfluss der Bearbeitungsstrategien auf signifikante Eigenschaftsänderungen der Strukturen untersucht.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem selektiven rückseitigen Abtrag von dünnen Aluminiumschichten (10 – 50 nm) auf Quarzglas mit ultrakurz gepulster Laserstrahlung der Wellenlänge von 1028 nm und Pulsdauern von 0,2 – 10 ps. Die Einflüsse von Prozess- und Probenparametern auf die Abtragsschwellen und Inkubationskoeffizienten werden bestimmt. Ebenso wird ein Vergleich von Schwellfluenz und Inkubationskoeffizienten zwischen vorder- und rückseitigem
Abtrag gegeben. Hierfür werden die Werte des vorderseitigen Abtrag aus vorhergehenden Untersuchungen verwendet. Neben experimentellen Untersuchungen werden Berechnungen zur Bestimmung der theoretischen Schwellfluenzen durchgeführt. Mithilfe dieser Untersuchungen soll die Qualität der Strukturierung von Aluminiumschichten verbessert werden.
Untersuchungen von Laserphotonen-Wechselwirkung bei der Bestrahlung von Hybrid-Polymer-Materialien
(2017)
Die vorliegende Masterarbeit beschäftigt sich mit den Untersuchungen zum Laserabtragen von Perowskit (CH3NH3PbI3) mittels verschiedenen Lasersystemen. Durch eine Methode von zweistufiger Rotationsbeschichtung werden die Perowskit-Dünnschichten hergestellt. Dazu werden die Einflüsse von Rotationsgeschwindigkeit und Trockentemperatur auf die Dichte der Dünnschicht erläutert. Die optischen Eigenschaften von Perowskit, wie z.B. Reflexionsgrad, Extinktion, Absorptionskoeffizient, Absorptionsgrad werden mittels UV-VIS-Spektrophotometer charakterisiert. Die Perowskit-Dünnschichten der Firma EM-PA werden von der Schicht- und Substratseite durch einen Einzelpuls mit verschiedenen Wellenlängen und Pulsdauern abgetragen. Anschließend werden die Ablations- Delaminations- und Modifikationsschwellfluenzen von Perowskit für unterschiedliche Laserablationsverfahren sowie Laserwellenlänge und Pulsdauer mittels Liu-Kurve-Methode bestimmt.
Das Ziel der vorliegenden Abschlussarbeit ist die Untersuchung der Absorptionsmechanismen ultrakurz gepulster Laserstrahlung auf organischen Materialien, am Beispiel eines PMMA-Dielektrikums. Zu dessen Nachweis muss ein Pump-Probe-Aufbau so erweitert werden, dass in Kombination mit einem abstimmbaren Laser zeitlich, räumlich und spektral aufgelöste Reflektometrie sowie Ellipsometrie realisierbar ist. Dabei soll zum einen der Einfluss linearer (direkte Elektronenionisation und molekulare Resonanzanregung) als auch nichtlinearer Prozesse (Tunnel- und Multiphotonenionisation) nachgewiesen werden. Durch die Ergebnisse wird schließlich eine Realisierbarkeit Resonant-Infraroter Modifikation bzw. Ablation an organischen Materialien, durch ultrakurz gepulste Laserstrahlung im mid-IR-Spektrum, überprüft.