Arc-based ultra-short laser pulse assisted workpiece machining
Final Report Abstract
Das Ziel dieses Projektes war, die Vorteile einer Laser-Remote-Bearbeitung in Bezug auf Geschwindigkeit und Einfachheit des Zugangs zum Werkstück mit den Leistungsvorteilen und Energieeffizienz von Lichtbogenprozessen zu kombinieren. Dabei werden mittels ultrakurzer Laserpulse elektrisch leitende Laserfilamente in Luft erzeugt, die mit Hilfe von z.B. Spiegeln in ihrer Richtung abgelenkt werden können und werden genutzt, um elektrische Entladungen hoher Leistung präzise und über längere Strecken im Freiraum zu führen. Obwohl es anfangs Schwierigkeiten gab, Laserfilamente mit einem gemeinsamen Kreuzungspunkt im Pivot-Punkt der Hochspannungselektrode und ausgedehnter Filamentlänge dahinter zu erzeugen, wurde eine Lösung gefunden, bei der Filamente in unterschiedliche Richtungen bei maximaler Pulsrepetitionsrate des Lasers von direkt aufeinanderfolgenden Laserpulsen mit gemeinsamen Pivot-Punkt erzeugt werden konnten. Dies erfolgte durch eine Limitierung auf feste Richtungen der Filamente statt der ursprünglich geplanten flexiblen Richtungen. Dennoch wurde im Rahmen des Projektes eine Möglichkeit aufgezeigt, wie bei Verwendung einer Vakuumkammer die geforderte Funktionalität, d.h. die Filamentansatzposition und -länge sowie Flexibilität der Filamentrichtungen im Prinzip erreicht werden kann. Die Form der Elektrode hat einen sehr großen Einfluss auf die Reproduzierbarkeit der Kanalisierbarkeit filamentgeführter Entladungen und die dafür mindestens notwendige elektrische Feldstärke. Eine geeignete Form der Elektrode besitzt demnach eine Form, die eine Feldüberhöhung um den Pivot-Punkt in Richtung der Werkstückelektrode erzeugt, dabei allerdings unterhalb der elektrischen Feldstärke für Glimmentladungen liegt. Zusätzlich ist entscheidend, dass das Laserfilament, insbesondere der Teil des Filaments mit hoher Dichte freier Ladungsträger und damit hoher Leitfähigkeit, die Hochspannungselektrode mit der Werkstückelektrode hinreichend gut elektrisch verbindet. Überraschenderweise zeigte sich, dass bei Verwendung von ultrakurzen Laserpulsen mit einer Dauer von 35 fs, eine geeignete Kontrolle und Einstellung der Gruppenlaufzeitdispersion (GDD) der Pulse voraussetzt, um mit atmosphärenbedingten Schwankungen der GDD in der Freistrahlstrecke der Strahlen umgehen zu können. Die Lebensdauer des Plasmas des Laserfilaments liegt in der Größenordnung von ca. 1 ns, während das Nachleuchten von entladungserzeugtem Plasma, hervorgerufen durch die Rekombination der freien Ladungen der elektrischen Entladungen bis zu 2 ms beträgt. Obwohl dies nahelegt, dass nachfolgende Entladungen durch den vorhergehenden Plasmakanal einer Entladung statt eines lasergenerierten Plasmafilaments kanalisiert werden könnten, wird dies aufgrund der um Größenordnungen längeren Aufladungszeit eines Walton-Cockroft- Generators, der bei der Standardfrequenz des Stromnetzes betrieben wird, verhindert. Weiterhin wurde gezeigt, dass die bestehende Aufladungsspannung der toroidalen Elektrode definitiv mit einem Laserfilament im Grunde komplett entladen wird, wodurch ungeleitete oder falsch geleitete Entladungen ausgeschlossen werden können. Die Position und Größe der elektrischen Entladungen auf dem Werkstück entspricht der Position und Größe des Filaments. Beim Abtrag durch die elektrischen Entladungen zeigt sich ein signifikanter Anstieg des Abtragsvolumens im Vergleich zum Abtrag der durch Pulse erzielt wird, die lediglich Filamente ohne Entladungen erzeugen. Auch im Vergleich zu einer Veränderung der GDD der Laserpulse, so dass keine Filamente erzeugt werden, und somit keine Pulsenergie durch die Filamentbildung verloren geht, führen die Entladungen zu einer signifikanten Erhöhung des Abtrags. Zudem zeigte sich eine Art Inkubationseffekt auch für die Entladungen, wo bei zunehmender Anzahl an Entladungen das Ablationsvolumen zunimmt. Obwohl die Entladungen zu einem insgesamt höheren Abtragsvolumen führen, bleibt fraglich, ob eine industrielle Anwendung lohnend ist: Dadurch, dass der Bearbeitungsradius der Entladung durch den Radius des Laserfilamentes vorgegeben ist, lässt sich der Bearbeitungsdurchmesser, anders als beim Laserstrahl, nicht variieren. Für eine flexible Ablenkung der Filamente wäre ein optischer Aufbau im Vakuum notwendig, während die maximale Bearbeitungsfrequenz durch die relativ lange Aufladungszeit des Generators begrenzt ist und somit z.B. Schweißprozesse nicht durchgeführt werden können. Dazu kommen noch Sicherheitsaspekte der Gleichstrom-Hochspannungsquelle sowie die Problematik des elektromagnetischen Impulses bei jeder Entladung.
Publications
- “Process Properties of Electronic High Voltage Discharges Triggered by Ultra-short Pulsed Laser Filaments,“ Physics Procedia, Vol. 83, 2016, pp. 587-596
K. Cvecek, B. Gröschel, M. Schmidt
(See online at https://doi.org/10.1016/j.phpro.2016.08.061)
