Untersuchung der Entstehung und Auswirkung von Clustern auf die Materialbearbeitung mit hochbrillanter Laserstrahlung am Beispiel des Abtragprozesses mit einem Einmoden-Faserlaser
Final Report Abstract
Bei der Lasermaterialbearbeitung von Metallen können sich Nanopartikel durch Kondensation innerhalb des Dampfes bilden. Dabei hängt die Clusterbildungsrate stark von der verwendeten Intensität und den Materialeigenschaften ab. Basierend auf dem Laserabtragen können effektive Prozesse zur Herstellung von Nanopartikeln mittels Kurz- und Ultra-Kurzpulslasern gestaltet werden. Da die typische Zeitskala der Clusterbildung im Nanosekundenbereich liegt, wird bei der Anwendung von Kurz und Ultra-Kurzpulslasern in den meisten Fällen keine Wechselwirkung zwischen der einfallenden Strahlung und Clustern beobachtet. Allerdings kann es bei sehr hohen Pulsfolgefrequenzen zu einer Wechselwirkung zwischen der einfallenden Strahlung und Clustern, die sich im durch vorhergehende Pulse entstandenen Metalldampf gebildet haben, kommen. Bezieht man sich auf den Abtragsprozess von Metallen bei längeren Bestrahlungszeiten (≥ 100 ns) und Intensitäten ≥ 1 · 10^8 W/cm2 , so kann es ebenfalls zu einer Wechselwirkung zwischen der einfallenden Strahlung und Clustern kommen, die wiederum einen signifikanten Einfluss auf den Prozess ausüben kann. Besonders Entwicklungen von hochbrillanten Strahlquellen führen zu Kombinationen aus Bestrahlungszeiten und Intensitäten, die während des kontinuierlichen Betriebes zu einer starken Partikelbildung im Metalldampf führen. So ist es möglich mit einem Faserlaser (Ausgangsleistung 300 W) im Fokus eine Intensität von 1, 9 · 10^8 W/cm2 zu erreichen. Es ist folglich notwendig, grundlegende Untersuchungen in dem Bereich der Wechselwirkung zwischen Partikel und Strahlung durchzuführen. Die im Rahmen des Forschungsvorhabens durchgeführten Arbeiten beziehen sich auf den Abtragsprozess von Edelstahl mit einem Faserlaser. Sie sind in einen experimentellen und theoretischen Teil unterteilt. Durch die Wechselwirkung zwischen der einfallenden Strahlung und Clustern kann es zu einer Abschwächung der Intensität am Bearbeitungsort kommen. Da es einen direkten Zusammenhang zwischen der Intensität auf der Werkstückoberfläche, den Abtragsraten und der damit verbundenen Abtragsgeschwindigkeit gibt, liegt ein Schwerpunkt dieser Forschungsarbeit auf der Bestimmung der Abtragsgeschwindigkeit. Vorversuche haben gezeigt, dass die Abtragsgeschwindigkeit bei Abtragstiefen zwischen 10 µm und 50 µm ansteigt. Basierend auf diesem Ergebnis und der Tatsache, dass besonders zu Beginn des Abtragsprozesses die Intensität auf der Oberfläche den maximalen Wert erreicht und es damit zu einem erheblichen Abschwächungsmechanismus kommen muss, werden schwerpunktmäßig Abtragstiefen zwischen 10 und 100 µm betrachtet. Da die mit dem im Versuchsteil verwendeten Faserlaser erreichbare Intensität auf der Werkstückoberfläche bei 1, 9 · 10^8 W/cm2 liegt, konzentrieren sich auch die theoretischen Arbeiten auf diese Intensität. Um die Anwendbarkeit der Modellierung zu uberprüfen, werden ebenfalls Berechnungen mit einer Intensität von 1, 3 · 10^8 W/cm2 durchgeführt und mit Ergebnissen der experimentellen Arbeit verglichen. Um darüber hinaus einen Vergleich des Einflusses der Clusterbildung auf das Abtragen von Edelstahl mit hochbrillanten Strahlquellen und mit in der Vergangenheit etablierten Lasersystemen herzustellen, wurden Ergebnisse von Versuchen mit einer für Festkörperlaser typischen Intensität von 0, 6 · 10^8 W/cm2 analysiert. Im Gegensatz zu den Ergebnissen bisher bekannter Arbeiten wird der Einfluss der Clusterbildung auf die Lasermaterialbearbeitung anhand des Abtragsprozesses von Edelstahl unter Anwendung von hochbrillanter Strahlung verifiziert.
Publications
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Influence of high-power cw fibre laser radiation (single-mode) on plasma formation. Pro. of ICALEO, Temecula (USA), 2008
M. Baumeister, T. Scholz, K. Dickmann
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Application of fiber lasers in material processing exemplarily demonstrated for the production of metal micro-sieves. Proc. of the euspen Int. Conf., San Sebastian (Spain), 2009
T. Scholz, M. Baumeister, K. Dickmann
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Einfluss von Metall-Clustern auf den Bearbeitungsprozess mit einem Single-Mode-Faserlaser IWKM - Internationale Wissenschaftliche Konferenz Mittweida, Mittweida, 2009
T. Pohle, T. Scholz, H. Diekamp, K. Dickmann, H. Uphoff
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Modelling of cluster formation during laser ablation process. Proc. of the Int. WLT-Conference on Laser in Manufacturing (LIM), München, 2009
T. Scholz, M. Baumeister, K. Dickmann
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Investigation on cluster formation during laser ablation process with high brilliant radiation Laser Assisted Net Shape Engineering, Proc. of LANE, Erlangen, 2010
T. Scholz, K. Dickmann
