Untersuchung und Entwicklung eines Herstellungsverfahrens für Mikrofiltations- Membranen aus Edelstahl durch Kombination von Laser- und Umformtechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
2.1 Darstellung der wesentlichen Ergebnisse 2.1.1 Experiment Die Ziele der experimentellen Arbeiten dieses DFG-Projektes bestanden in der Entwicklung der Laser-Mikroperforation "on-the-fly" und der Kombination dieses Verfahrens mit einem anschließenden Walzen der laser-bearbeiteten Folien, um eine weitere Verringerung der Bohrungsdurchmesser zu erzielen: Im Vergleich mit dem Stand der Forschung zum Zeitpunkt der Antragstellung konnten die Prozessgrenzen der Laser-Mikroperforation "on-the-fly" deutlich erweitert werden. Zu Projektbeginn wurden Perfora t i on s rate n von 1000 Bohrungen/Sekunde erreicht - dieser Wert gilt auch heute als Standard für viele Anwendungen [1-3]. Dieser Wert konnte durch die Arbeiten dieses. Vorhabens auf 50.000 Bohrungen/Sekunde erweitert werden. Es zeigte sich, dass zu diesem Zweck die Verwendung eines hoch-brillanten Faserlasers optimal geeignet ist. Gleichzeitig wurden Bohrungsdurchmesser < 10 ^m realisiert, wie es im Rahmen des Antrages geplant war. Zur Validierung des theoretischen Ansatzes, wurde die Abtragsgeschwindigkeit bestimmt. Abb. 2.1 zeigt dies exemplarisch für verschiedene Intensitäten von bis zu 1,92 x 108 W/cm2 als Funktion der Materialstärke. Es ist zu erkennen, dass nach einem Maximum bei geringer Materialstärke die Abtragsgeschwindigkeit zunächst sinkt und anschließend zu einem zweiten Maximum ansteigt. Mit weiter ansteigender Materialstärke nimmt sie wieder ab. Zur Ermittlung der Ursachen, wurden u. a. Schmelze und Metalldampf, die bei der Laser-Mikroperforation "on-the-fly" ausgetrieben werden, mit einem Glassubstrat "aufgefangen". REM-Aufnahmen (Abb. 2.2) dieser Substrate zeigen Metallcluster. Ihre Größe im Bereich der verwendeten Laserwellenlänge (A = 1075 nm) ist ein qualitativer Beweis für den Einfluss der Mie-Streuung auf den Perforationsprozess. Das Kaltwalzen der l a se r- m i kro perforierten Edelstahlfolien ist geeignet, um eine Verkleinerung der mit dem Laser eingebrachten Bohrungen (senkrecht zur Walzrichtung) zu erzielen. Minimale Bohrungsweiten (in einer Dimension senkrecht zur Walzrichtung) von weniger als 5 ^m wurden erzielt. Zu diesem Zweck wurde ein Anfangsdurchmesser der zuvor kreisrunden Bohrungen von ca. 20 /im gewählt. Die Sequenz von REM-Bildern in Abb. 2.3 zeigt die Bohrungsweitenreduktion und die anfänglich kreisrunde mit dem Laser eingebrachte Bohrungsgeometrie. Im mittleren REM-Bild ist eine am rechten Ende der Öffnung entstehende Rissbildung zu erkennen. Dieser Effekt kann auf die geringere Festigkeit der Korngrenzen zurückgeführt werden. Die unregelmäßig, wieder verschlossene Bohrung im untersten Bild kann ebenfalls mit Inhomogenitäten der Kornorientierung erklärt werden. Bei den geringsten verwendeten Materialstärken (< 50 p,m) zeigten sich zusätzliche "Skalierungseffekte", da die Korngröße in derselben Größenordnung wie die Materialstärke lag. Der Graph in Abb. 2.4 zeigt die Bohrungsweiten und -längenänderung als Funktion der Materialstärke bei einer anfänglich 100 //m starken Edelstahlfolie. Die zu Anfang starke Reduktion der Weite geht in Abhängigkeit des anfänlichen Bohrungsdurchmessers und Materiaistärke in einen stationären Endzustand über. 2.1.2 Theorie Die Laser-Mikroperforation "on-the-fly" wurde mit einem während dieses DFG-Projektes entwickelten analytischen Modellierungsansatz erforscht. Das Ziel war die Bestimmung der maximal möglichen Perforationsrate/Abtragsgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Haupt-Einflussfaktoren Intensität, Materialstärke und Vorschub. Neben Wärmeleitungsverlusten, Verlusten in der strömenden Schmelze und der Berücksichtigung des Reflexionsgrads wird Mie-Streuung und -absorption an kondensierenden Metallclustern berücksichtigt, da in den experimentellen Arbeiten die Entstehung von Metallclustern nachgewiesen wurde. Da der Modellansatz für einen weiten Anwendungsbereichbereich gültig sein muss, ist die Rayleigh-Näherung in diesem Fall nicht zulässig. Die berechneten Clusterdurchmesser sind ebenfalls so groß, dass das Rayleigh-Kriterium nicht erfüllt wird. Der Modeltansatz wurde mit den experimentell bestimmten Abtragsgeschwindigkeit verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass das Modell eine gute Übereinstimmung bei Intensitäten oberhalb von l x 108 W/cm2 besitzt. Durch den Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit Modellansätzen, die nur einzelne Verluste berücksichtigen, wurde nachgewiesen, dass Mie-Streuung und Absorption einen signifikanten Verlustmechanismus des Gesamt p rozesses darstellt. Der große Einfluss im Vergleich zu den anderen Verlusten ist auf die experimentellen Randbedingungen zurückzuführen: hochbrillante Laserquelle (300 Watt Laserausgangsleistung, M2 < 1,1, 14 (j,m Fokusdurchmesser, rechteckige Pulsform). Es ist anzunehmen, dass Mie- Streuung auch andere, vergleichbare Prozesse beeinflusst. Einflüsse der Bohrungsgeometrie der vorangehenden Laser-Mikroperforation "on-the-fly" (z. B. Konizität, Gratbildung) auf das Kaltwalzen der Edelstahlfolien wurden mit Hilfe der Finiten- Elemente Methode analysiert: Das Umformen von Bohrungen mit/ohne Konizität und Grat wurde simuliert. Es zeigte sich, dass die Konizität zu keinen negativen Einflüssen auf die umgeformte Bohrungsgeometrie führt: Der Winkel der Wandung bleibt während des Umformens annähernd konstant und ist wegen der Vorteile in der Separationstechnik wünschenswert. Ein Grat wird beim Umformen in das Material gedrückt, das die Bohrung umgibt. Hierdurch werden Bohrungsweite und -länge stärker reduziert, als dies ohne den Grat der Fall wäre. In den experimentellen Arbeiten war der Effekt aufgrund des unregelmäßigen realen Grates aber starken Schwankungen unterworfen und muss bei der Herstellung von Edelstahl-Mikrosieben für die Separationstechnik vermieden werden. 2.2 Ausblick auf künftige Arbeiten und Beschreibung möglicher Anwendungen Zur Zeit wird zusammen mit der Firma Pro-Net Verfahrenstechnik daran gearbeitet, die erzielten Ergebnisse in die Filtrationspraxis zu übertragen. Die Firma behandelt bei der Bio-Gas-Produktion entstehende Schlämme so, dass einleitfähiges Wasser und Dünger entstehen. Bei diesem Verfahren werden keine zusätzlichen Chemikalien eingesetzt (z. B. Flockungsmittel). Hierdurch lassen sich Kosteneinsparungen und eine Reduzierung der Umweltbelastung erzielen. Der im Rahmen dieses Forschungsprojektes entwickelte Modellansatz, beweist, dass die Laser- Mikroperforation "on-the-fly" durch Gusterbildung und Mie-Streuung/-Absorption beeinflusst wird. Bei anderen Arten der Laser-Materialbearbeitung mit hoch-brillanten Laserquellen ist es wahrscheinlich, dass diese Prozesse (z. B. Tiefschweißen) ebenfalls von diesem Effekt beeinflusst werden. Vorarbeiten zu diesem Thema werden durchgeführt, und ein Forschungsantrag zur Einreichung bei der DFG im Normalverfahren, ist in Vorbereitung.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- K. Dickmann, M. Baumeister; Laser micro-perforation "on-the-fly" as an essential step of a novel process combination for micro-sieve production, Proc. Of LPM 2007 - 8th Intern. Symp. On Laser Precision Microfabrication (2007)
- M. Baumeister, D. Hemker, K. Dickmann, F. Vollertsen; Faserlaser-Mikroperforation "onthe- fly" und Kaltwalzen. Laser Technik Journal LTJ (2007)
- M. Baumeister, K. Dickmann, A. P. Hoult; Combining high-speed laser perforation and cold roll forming for the production of bio-medical micro-filtration membranes, Journal of Laser Applications (2006)
- M. Baumeister, K. Dickmann, A. P. Hoult; Combining high-speed laser perforation and cold roll forming for the production of bio-medical micro-filtration membranes, Proceedings of ICALEO, Laser Materials Processing Conference, Miami (2005) Paper #504 S. 249-253
- M. Baumeister, K. Dickmann, F. Vollertsen; Combination of laser micro-perforation and subsequent cold-roll forming for the production of stainless steel micro-sieves. Proceedings of the 7th euspen Intern. Conf./Bremen (2007) 461-464
- M. Baumeister, K. Dickmann, F. Vollertsen; FEM modelling of high-speed laser microperforation "on-the-fly". Proc. 4th Intern. WLT-Conf on Lasers in Manufacturing, München (2007)
- M. Baumeister, K. Dickmann, F. Vollertsen; Laser-Microperforation "on-the-fly" äs an essential step of a novel process combination for micro-sieve production; Proc. of ICALEO (2007) , Paper M302
- M. Baumeister, K. Dickmann, F.Vollertsen; Cold roll forming of laser perforated metal sheets for micro sieve production. 2nd Intern. Conf. on new forming technology, Bremen (2007)
- M. Baumeister, K. Dickmann, M. Duka, T. Hoult; Microfiltration Membranes with Straight Pore Channels Formed by High-speed Fiberlaser Perforation of Stainless Steel Foils, Filtration - the International Journal for Filtration and Separation, The Filtration Society, ISSN 1479-0602 (2006) 216-219
- M. Baumeister, K. Dickmann, T. Hoult; Fiber laser micro-cutting of stainless steel sheets, Appl. Phys. A (2006) (Siehe online unter: doi: 10.1007/s00339-006-3687-9)
- M. Baumeister, K. Dickmann; Größeneinfluss der Materialstärke auf die Geometrie von Laser-Mikrobohrungen in Edelstahl durch nachfolgenden Walzprozess, Tagungsband 2. Kolloquium Prozessskalierung, Bremen (2005), S. 51-60
- M. Baumeister, K. Dickmann; High-speed laser micro-perforation and cold-roll forming - process combination for micro-sieve production, LIM, Proceedings of the Third International WLT-Conference on Lasers in Manufacturing, München (2005) S. 465-468
- M. Baumeister, K. Dickmann; High-speed laser processing of micro-filtration sieves, Proceedings of EMChlE - Conference of 5th European Meeting on Chemical Industry and Environment, Wien (2006) Paper M. Baumeister, K. Dickmann, Simulation der "on-the-fly" Laser-Mikroperforation mit der FEM-Software Comsol, IWKM - Internationale Wissenschaftliche Konferenz Mittweida, Nr. 5, ISSN 1437-7624 (2006), S. 87-91
- M. Baumeister, K. Dickmann; Width reduction of laser microdrillings by subsequent mechanically induced plastic deformation, Appl. Phys. A (2005) Vol. 81, S. 261-263
- M. Baumeister; Micro-filtration membranes with straight pore channels performed by highspeed laser perforation of stainless steel foils. Machinery & Materials: Latest in filtration and separation technologies, 3 (2006) 100-101, in Chinese
- Marc Baumeister, Klaus Dickmann, Michael Duka, Tony Hoult; Micro-filtration membranes with straight pore channels performed by high-speed fiberlaser perforation of stainless steel foils, Proceedings of FILTECH - the International Conference for Filtration and Separation Technology, Wiesbaden (2005) Vol. 2, S. 443-448
