Sequentielle Ultrakurzpuls-Laserbearbeitung zur effizienten Oberflächentexturierung

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2-3 Tage
Autor:
Brenner, Andreas
ISBN
978-3-86359-984-3
39,00 €
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Quick Overview

Die Fertigungsverfahren zur Oberflächentexturierung im Werkzeugbau, wie das photochemische Ätzen oder die Nanosekunden-Lasertexturierung, sind in ihrer Präzision und Flexibilität begrenzt. Mit der sequentiellen Nutzung von UKP-Lasern kann die Fertigungszeit gegenüber einem industriell etablierten Nanosekundenprozess um etwa 59% verkürzt werden bei einer gleichzeitig um 92% geringeren Oberflächenrauheit. Die Bauteilfertigung kann automatisiert ohne Rüsten oder Umspannen in einer Anlage erfolgen.
Die Laserstrukturierung gewinnt im Industriezweig des Werkzeug- und Formenbaus zunehmend an Bedeutung. Neben Designstrukturen (z.B. Ledernarben) stellt die Herstellung von Mikrostrukturen zur Oberflächenfunktionalisierung (z.B. Veränderung der Benetzungseigenschaften) eine besondere Herausforderung dar. Insbesondere die Automobil- und Konsumgüterindustrie bieten ein breites Anwendungsspektrum für strukturierte Oberflächen, die sich replizierend herstellen lassen. Die derzeit eingesetzten Fertigungsverfahren für die Werkzeugtexturierung, wie das photochemische Ätzen oder die Lasertexturierung unter Verwendung von Nanosekundenlasern, sind in ihrer Präzision und Flexibilität begrenzt. Ultrakurzpulslaser (UKP) mit Pulsdauern im Femto- bis Picosekundenbereich bieten die Möglichkeit zur Oberflächenfunktionalisierung unter höchster Präzision und Oberflächenqualität. Aufgrund des überwiegend verdampfungsdominierten Abtrags können im Gegensatz zu Nanosekundenlasern Schmelzablagerungen und schmelzinduzierte Aufwürfe vermieden werden. Nachteilig ist bislang die begrenzte Produktivität mit Abtragsraten von wenigen mm³/min. Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung der sequentiellen Nutzung von Ultrakurzpulslasern zur effizienten Oberflächentexturierung mit erhöhter Produktivität. In einem ersten Schritt wird zunächst die Möglichkeit zur Produktivitätssteigerung unter dem Einsatz von Pulsbursts und der Reduzierung der Pulsdauer von 10 ps hin zu 2 ps eruiert. Dabei kann gezeigt werden, dass die gleiche Effizienz wie beim Nanosekundenabtrag unter Steigerung der Oberflächenqualität um einen Faktor 4 erzielt werden kann. Im nächsten Schritt wird der Prozess des UKP-Reinigens untersucht, mithilfe dessen die beim produktiven Laserabtrag entstandene Oxidschicht abgetragen wird. Die Untersuchung zur qualitativ hochwertigen UKP-Laserablation belegt, dass mit einer geeigneten Parameterwahl die Oberflächenrauheit während des Abtrags gesenkt wird. Der abschließende Prozess des UKP-Polierens ermöglicht durch das Umschmelzen einer dünnen Randschicht eine finale Glättung der Rauheitsspitzen und die Erzeugung selektiver Glanzeffekte. Insgesamt wird mit der vorgestellten photonischen UKP-Prozesskette gegenüber einem industriell etablierten Nanosekundenprozess die Fertigungszeit um bis zu 59% verkürzt bei einer gleichzeitig um 92% geringeren Oberflächenrauheit. Die Bauteilfertigung kann automatisiert ohne aufwendiges Rüsten oder Umspannen in einer Anlage erfolgen.
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Autor Brenner, Andreas
Gewicht 0.272 kg
Erscheinungsdatum 22.07.2021
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Die Laserstrukturierung gewinnt im Industriezweig des Werkzeug- und Formenbaus zunehmend an Bedeutung. Neben Designstrukturen (z.B. Ledernarben) stellt die Herstellung von Mikrostrukturen zur Oberflächenfunktionalisierung (z.B. Veränderung der Benetzungseigenschaften) eine besondere Herausforderung dar. Insbesondere die Automobil- und Konsumgüterindustrie bieten ein breites Anwendungsspektrum für strukturierte Oberflächen, die sich replizierend herstellen lassen. Die derzeit eingesetzten Fertigungsverfahren für die Werkzeugtexturierung, wie das photochemische Ätzen oder die Lasertexturierung unter Verwendung von Nanosekundenlasern, sind in ihrer Präzision und Flexibilität begrenzt. Ultrakurzpulslaser (UKP) mit Pulsdauern im Femto- bis Picosekundenbereich bieten die Möglichkeit zur Oberflächenfunktionalisierung unter höchster Präzision und Oberflächenqualität. Aufgrund des überwiegend verdampfungsdominierten Abtrags können im Gegensatz zu Nanosekundenlasern Schmelzablagerungen und schmelzinduzierte Aufwürfe vermieden werden. Nachteilig ist bislang die begrenzte Produktivität mit Abtragsraten von wenigen mm³/min. Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung der sequentiellen Nutzung von Ultrakurzpulslasern zur effizienten Oberflächentexturierung mit erhöhter Produktivität. In einem ersten Schritt wird zunächst die Möglichkeit zur Produktivitätssteigerung unter dem Einsatz von Pulsbursts und der Reduzierung der Pulsdauer von 10 ps hin zu 2 ps eruiert. Dabei kann gezeigt werden, dass die gleiche Effizienz wie beim Nanosekundenabtrag unter Steigerung der Oberflächenqualität um einen Faktor 4 erzielt werden kann. Im nächsten Schritt wird der Prozess des UKP-Reinigens untersucht, mithilfe dessen die beim produktiven Laserabtrag entstandene Oxidschicht abgetragen wird. Die Untersuchung zur qualitativ hochwertigen UKP-Laserablation belegt, dass mit einer geeigneten Parameterwahl die Oberflächenrauheit während des Abtrags gesenkt wird. Der abschließende Prozess des UKP-Polierens ermöglicht durch das Umschmelzen einer dünnen Randschicht eine finale Glättung der Rauheitsspitzen und die Erzeugung selektiver Glanzeffekte. Insgesamt wird mit der vorgestellten photonischen UKP-Prozesskette gegenüber einem industriell etablierten Nanosekundenprozess die Fertigungszeit um bis zu 59% verkürzt bei einer gleichzeitig um 92% geringeren Oberflächenrauheit. Die Bauteilfertigung kann automatisiert ohne aufwendiges Rüsten oder Umspannen in einer Anlage erfolgen.
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