Transiente Multi-Phasen-Modellierung der Prozessdynamik in der Ultrakurzpulslaserablation von Metallen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 245510492

Vor dem Hintergrund des zunehmenden Einsatzes ultrakurz gepulster Lasersysteme in der industriellen Produktion sowie jüngster Fortschritte in der Prozesssimulation laserbasierter Fertigungsverfahren soll im Rahmen des Forschungsvorhabens ein numerisches Multi-Phasen-Simulationsmodell für die Ultrakurzpulslaserablation von Metallen entwickelt werden, welches die transiente Dynamik von Abtrags- und Strukturierungsprozessen mit Nano-, Piko- und Femtosekundenlaserpulsen abbildet. Das Forschungsvorhaben untergliedert sich in vier aufeinander aufbauende Arbeitspunkte, in denen zunächst numerische Beschreibungen für die bei der Interaktion ultrakurzer Laserpulse mit Metallen auftretenden Absorptions-, Wärmeleitungs- und Ablationsprozesse entwickelt werden, um aufbauend hierauf komplette Strukturierungsprozesse zu betrachten. Bei der Beschreibung der Absorption ultrakurzer Laserpulse an der Werkstückoberfläche, im Materialvolumen und im entstehenden Plasma soll neben einer Berücksichtigung der Änderung der optischen Eigenschaften mit der Temperatur ein besonderer Fokus auf die Abbildung nichtlinearer Absorptionsprozesse gelegt werden. Für die Modellierung der thermischen Prozesse bei der Interaktion ultrakurzer Laserpulse mit Metallen soll eine Wärmeleitungssimulation basierend auf dem Zwei-Temperatur-Modell entwickelt werden, welche latente Wärmen und Temperaturabhängigkeiten in den thermischen Kennwerten berücksichtigt. Bei der Modellierung des Materialabtrags liegt der Fokus auf einer quantitativ korrekten Abbildung der Abtragsmengen in den unterschiedlichen Pulsdauer- und Fluenzbereichen. Ausgehend von einer inkompressiblen Beschreibung des Ablationsprozesses soll eine gekoppelt kompressible-inkompressible Mehr-Phasen-Beschreibung der Verdampfung und Plasmabildung in das Modell implementiert werden. Schließlich sollen auf Basis des entwickelten Modells komplexe Strukturierungsprozesse mit Pulsfolgen betrachtet werden, um den Einfluss der Prozessparameter (Pulsdauer, Fluenz, Wellenlänge, Pulswiederholrate) auf den Prozess und das Bearbeitungsergebnis abzubilden. Begleitet werden diese Arbeiten von umfangreichen experimentellen Analysen, die einerseits die für die Modellentwicklung notwendige Datenbasis und Prozesskenntnis liefern, andererseits dazu dienen, die entwickelten Modelle zu verifizieren.Das Simulationsmodell soll dazu eingesetzt werden Ablationsprozesse von Eisen und Kupfer mit unterschiedlichen Pulsdauern und Laserwellenlängen hinsichtlich erreichbarer Strukturqualität und Abtragseffizienz zu charakterisieren. Aufbauend auf einer grundlegenden Untersuchung der Strahl-Stoff-Wechselwirkungsprozesse sollen optimale Bearbeitungsparameter und Bearbeitungsstrategien für die Strukturierung mit ultrakurzen Laserpulsen identifiziert werden. Mit dem Simulationsmodell soll der Grundstein für eine zukünftige simulationsbasierte Prozessauslegung und -planung in der industriellen Ultrakurzpulslaserstrukturierung gelegt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen