Breitling Gasphaseneinflüsse beim Abtragen und Bohren mit ultrakurz gepulster Laserstrahlung

1. Auflage 2010
ISBN: 978-3-8316-0960-4
Verlag: Herbert Utz Verlag
Format: PDF
Kopierschutz: Adobe DRM (»Systemvoraussetzungen)

E-Book, Deutsch, 199 Seiten

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem komplexen Wechselspiel von laserinduzierten Materialdampf- und Plasmawolken mit der Umgebungsatmosphäre und dem Werkstück bei der Bearbeitung mit kurzen und ultrakurzen Laserpulsen im Piko- und Femtosekundenbereich. Im Vordergrund steht ein qualitatives Verständnis der Wirkzusammenhänge auf Basis optischer – insbesondere bildgebender – Untersuchungsmethoden, wobei sich die Modellbildung auf den Prozess des Laserbohrens fokussiert. Letztlich ist der Rückschluss auf die Grenzen optimierter Materialbearbeitungsprozesse ebenso das Ziel wie die Erkenntnis, wie sich Prozessfenster durch eine gezielte Beeinflussung der Mechanismen in der Gasphase erweitern lassen.

Autoren/Hrsg.

Breitling, Detlef

Inhaltsverzeichnis

1;Kurzfassung;6
2;Inhalt;8
3;Liste der verwendeten Symbole;12
4;Extended Abstract;18
5;1 Einleitung;22
5.1;1.1 Laser in der Fertigungstechnik;22
5.2;1.2 Abtragende Laserverfahren;23
5.3;1.3 Motivation und Zielsetzung der Arbeit;26
6;2 Grundlagen abtragender Laserverfahren;28
6.1;2.1 Abtragen mit gepulster Laserstrahlung;28
6.2;2.2 Laserinduzierte Plasmen;33
6.3;2.3 Modellvorstellungen zum Laserbohren;45
6.4;2.4 Materialabtrag bei kurzen und ultrakurzen Pulsen;52
7;3 Experimentelle Methoden;61
7.1;3.1 Lasersysteme;61
7.2;3.2 Energietransmission;63
7.3;3.3 Spektroskopie des Strahlprofils;68
7.4;3.4 Bildgebende Verfahren zur Plasmacharakterisierung;70
8;4 Luftdurchbruch und nichtlineare Wechselwirkung;82
8.1;4.1 Gasdurchbruch im Fokus ultrakurzer Laserpulse;82
8.2;4.2 Entstehung des Luftdurchbruchs;85
8.3;4.3 Luftdurchbruch als hochionisiertes Plasma;90
8.4;4.4 Fernfeld-Strahlprofile fokussierter ultrakurzer Pulse;92
8.5;4.5 Wellenlängenkonversion im Luftdurchbruch;95
8.6;4.6 Entstehungsregion der Conical Emission;99
8.7;4.7 Einfluss der Atmosphäre auf dieWechselwirkung;100
8.8;4.8 Ursache der Conical Emission;104
9;5 Dynamik der Materialdampf- und Plasmawolken;106
9.1;5.1 Stoßwellenexpansion und Energieinhalt;106
9.2;5.2 Dampfausbreitung – Verbleib der Ablationsprodukte;109
9.3;5.3 Charakterisierung von Prozessparametern;114
10;6 Einflüsse repetierend gepulster Bearbeitung;119
10.1;6.1 Transmissionsmessungen bei Pulszügen;119
10.2;6.2 Ablationsdynamik für unterschiedliche Pulszahlen;125
10.3;6.3 Einfluss der Repetitionsrate;128
10.4;6.4 Spektroskopie am laserinduzierten Plasma;131
10.5;6.5 Erweiterung des Bohrmodells;134
11;7 Einflüsse der Umgebungsatmosphäre;136
11.1;7.1 Abtragsraten bei reduziertem Atmosphärendruck;136
11.2;7.2 Atmosphäreneinfluss auf die Bohrungsgeometrie;140
11.3;7.3 Effizienzsteigerung beim Laserbohren;143
12;8 Zusammenfassung und Ausblick;149
13;Literatur– und Quellenverzeichnis;154
14;Anhang;182
14.1;A.1 Sedov–Taylor-Modell zur Stoßwellenausbreitung;182
14.2;A.2 Ergänzende experimentelle Daten für repetierend gepulste Bearbeitung;185
15;Danksagung;190

Leseproben

7 Ein?üsse der Umgebungsatmosphäre (S. 135-136)

Angesichts der großen Bedeutung, die das laserinduzierte Plasma für den Prozess des Laserbohrens mit kurzen und ultrakurzen Pulsen spielt, müsste über die Variation der Prozessatmosphäre gezielt Ein?uss auf das Plasma und seine Wechselwirkung mit der Laserstrahlung und mit dem Werkstück zu nehmen sein. Die Auswirkungen verschiedener Atmosphärenbedingungen speziell auf die nichtlineare Wechselwirkung im Atmosphärengas und den Effekt der Conical Emission bei Femtosekundenlaserpulsen sind schon in Kapitel 4.7 dargelegt worden.

Im Folgenden soll die Wirkung der Atmosphäre auf den Abtragsprozess untersucht werden, wobei der Schwerpunkt auf einer Variation (Reduktion) des Umgebungsdrucks bis zu moderatem Vakuum liegt. Einerseits lassen sich damit Atmosphärenein?üsse und -wechselwirkungen für das Prozessverständnis gewissermaßen „zu-“ und „abschalten“, andererseits ist – wie in Abschnitt 7.3 ausgeführt wird – auch eine technische Umsetzung interessant und mit verhältnismäßig einfachen Mitteln möglich.

7.1 Abtragsraten bei reduziertem Atmosphärendruck

Aus prozesstechnischer Sicht ist zunächst einmal eine in vielen Fällen erheblich höhere Abtrags- bzw. Bohrrate bei reduziertem Umgebungsdruck bestechend. In Bild 7.1 ist die gemittelte Abtragsrate in Abhängigkeit vom Umgebungsdruck aufgetragen. Danach ist es möglich, durch eine Druckreduktion die Abtragsrate beim Perkussionsbohren um einen Faktor 50–70 zu steigern. Dies zeigen auch die Darstellungen der Abtragsrate über der Materialstärke (Bild 7.2) und über der Energiedichte.

Während in Luftatmosphäre schon nach den ersten 300 µm Bohrtiefe eine Reduktion der Abtragsrate um zwei Größenordnungen zu verzeichnen ist, ermöglicht moderates Vakuum bei ca. 1 hPa Luftdruck einen Bohrfortschritt mit gleichmäßig hohen Abtragsraten bis in eine Tiefe von mindesten 800 µm. Somit ist insbesondere bei den technisch interessanten Materialstärken jenseits 500 µm bis rund 1mm eine erhebliche Geschwindigkeitssteigerung möglich.

Aus Bild 7.2 kann letztlich nicht mit Sicherheit abgeleitet werden, ob die hohe Abtragsrate zwischen 150 und 800 µm Lochtiefe mit Phase I oder Phase III des Bohrmodells korreliert, da weder für den Beginn des Bohrprozesses noch jenseits des beginnenden Abfalls der Abtragsrate detaillierte Datenwerte verfügbar sind. Gleichermaßen kann nicht entschieden werden, ob der Abfall der Bohrrate jenseits 800 µm Lochtiefe den Phasen II oder IV zugeordnet werden muss.

Die Tatsache, dass im Vakuum tendenziell schlankere Bohrungen erzielt werden als bei Umgebungsdruck spricht jedoch dafür, dass es sich um ein der stabilen Bohrphase III äquivalentes Regime handelt, denn planare Ablation ist bei schlanken und bis zu 800 µm tiefen Bohrungen eher unwahrscheinlich. Der Rückgang der Bohrrate ab 800 µm Tiefe wäre demnach der Beginn des instabilen Bohrregimes IV.