Ultrakurzpulslaser inkl. Frequenzkonverter
Final Report Abstract
Im Rahmen zweier öffentlich geförderter Forschungsvorhaben wurden mittels des beschafften Lasersystems Forschungsergebnisse generiert, auf welche im Folgenden näher eingegangen wird. Im Rahmen des BMBF-Forschungsprojekts „FunkProMikro“ und darüber hinaus wurde unter anderem der Einfluss von Oberflächenstrukturen und deren Gestaltvariationen auf die tribologischen Eigenschaften untersucht. Ziel der Arbeiten am Institut war die Qualifizierung einer effizienten Abtragsstrategie für die Applizierung von Mikrostrukturen. Das bis dahin verwendete Lasersystem war hierfür nicht geeignet, da aufgrund der Pulsdauer von 13 ps kein schmelzfreier Materialabtrag bei Metallen möglich war. Durch die geringe Pulsenergie waren eine defokussierte Bearbeitung sowie die Verwendung von diffraktiven optischen Strahlteilern zur Erhöhung der Prozesseffizienz ausgeschlossen. Die Spezifikationen des neu beschafften Lasersystems erlaubten hingegen die effiziente Applizierung von Mikrostrukturen ohne signifikanten Wärmeeintrag in das Werkstück auf Grund einer im Vergleich zum alten Lasersystem kürzeren Pulsdauer von 6 ps. Zudem ermöglicht die hohe Pulsfrequenz eine um Faktor 800 schnellere Bearbeitung als das veraltete Lasersystem. Durch die Verwendung des neuen Ultrakurzpuls-Lasersystems konnten im Zuge des Projektes „FunkProMikro“ anspruchsvolle und komplexe Oberflächenstrukturen hochpräzise und ohne nennenswerte Gratbildung oder Schmelzaufwürfe hergestellt werden. In der Folge konnte besonders bei niedrigen Gleitgeschwindigkeiten eine signifikante Verbesserung des Reibungsverhaltens mechanischer Komponenten durch applizierte Mikrostrukturen nachgewiesen werden. Aufgrund der hohen Flexibilität des Lasersystems und der niedrigen Prozesskosten verglichen mit anderen Strukturierungsverfahren stellte sich die Laserablation mittels UKP-Laser als potentiell bestes Verfahren dar. In weiterführenden Veröffentlichungen wurden verschiedene Abtragsstrategien im Hinblick auf ihre Effizienz und Qualität untersucht. Durch die Ausnutzung der Pulsmodulation sowie der schnellen Geschwindigkeit des Scanners konnte eine Strukturierung mittels negativer Pulsüberlappung untersucht werden. Im Zuge mehrerer Bachelor-, Master-, und Diplomarbeiten wurden zudem für verschiedene Materialien wie Stahl, Aluminiumlegierungen und faserverstärkte Kunststoffe Prozessparametersätze qualifiziert, welche die effiziente Fertigung einer qualitativ hochwertigen Mikrostruktur ermöglichen. Ziel dieser Arbeiten war vor allem eine Maximierung der Abtragsraten sowie eine Minimierung des Aufschmelzvolumens unter Ausnutzung der hohen Pulsfrequenz des Lasersystems. Im Rahmen des DFG-Projekts „Metallische Gläser durch selektives Laserstrahlschmelzen (SLM): Strukturierung, Oberflächenbehandlung und mechanische Eigenschaften“ wurde am Institut unter anderem die Bearbeitung von Fe- und Zr-basierten metallischen Gläsern mittels Mikrolaserabtragen untersucht. Ziel der Untersuchungen war es, komplexe Geometrien, kleinste Mikrostrukturen und Funktionsflächen mit engen Toleranzen unter Beibehaltung der geforderten amorphen Eigenschaften herzustellen. Zudem sollte eine Quantifizierung der erzielbaren Abtragsraten durchgeführt werden. In mehreren Versuchen wurde das Mikrolaserabtragen von metallischen Gläsern mit weiteren Bearbeitungsverfahren verglichen und passende Prozessparameter qualifiziert. Durch die kurze Pulsdauer von 6 ps war mit dem neu beschafften Lasersystem ein präziser Sublimationsabtrag ohne die Bildung einer Wärmeinflusszone möglich. Durch die Untersuchung von Punkt-, Linien, und Flächenabtrag konnten für beide Werkstoffe passende Energiedichten, Repetitionsraten und Verfahrgeschwindigkeiten qualifiziert werden, welche mit dem alten Lasersystem nicht zu realisieren waren.
Publications
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Efficient ablation strategies and quality assurance for structuring big surfaces by an ultrashort-pulse laser, Proceedings of the 14th euspen International Conference – Dubrovnik – June 2014
M. Chlipala, S. Stockey, M. Hirtler, V. Schulze, G. Lanza
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Experimental Analysis of Microstructured Steel Surfaces for Wet Tribological Applications in the Low Velocity Regime, European Symposium on Friction,Wear, and Wear Protection, 2014
Mateusz Chlipala, Johannes Schneider Volker Schulze
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Bearbeitung metallischer Gläser auf Fe- und Zr-Basis mittels Mikrofräsen, Mikrofunkenerosion und Mikrolaserabtragen, Kolloquium Mikroproduktion 16.11.2015
Philipp Hoppen, Andreas Kacaras, Boris Matuschka, Volker Schulze
