Puls-zu-Puls-Wechselwirkungen beim Ultrakurzpuls-Laserabtrag mit hohen Repetitionsraten

Finger, Johannes-Thomas; Poprawe, Reinhart; Ostendorf, Andreas

doi:10.18154/RWTH-2017-08668

Puls-zu-Puls-Wechselwirkungen beim Ultrakurzpuls-Laserabtrag mit hohen Repetitionsraten = Pulse to Pulse Interactions during USP LaserAblation Using High Repetition Rates

Finger, Johannes-Thomas

2017

VerantwortlichkeitsangabeJohannes-Thomas Finger

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Apprimus Verlag 2017

Umfang1 Online-Ressource (ii, 153 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-86359-541-8

ReiheErgebnisse aus der Lasertechnik

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Poprawe, Reinhart (Thesis advisor) ; Ostendorf, Andreas (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-07-14

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-08668
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/706468/files/706468.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/706468/files/706468.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Laserabtragen (frei) ; Laserstrukturieren (frei) ; UKP-Laser (frei) ; USP-Laser (frei) ; Wärmeakkumulation (frei) ; heat accumulation (frei) ; laser ablation (frei) ; laser strucutring (frei) ; particle shielding (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Verwendung von ultrakurz gepulster Laserstrahlung mit Pulsdauernim Bereich bis ca. 10 Picosekunden ermöglicht sehr präzise Materialbearbeitungbei vernachlässigbarer thermischer Belastung für die bearbeitetenWerkstücke. Während die Bearbeitungsqualität sehr hohen Ansprüchengenügt, ist die geringe Produktivität das Hauptdefizit, das eine breitereindustrielle Anwendung in vielen Bereichen zurzeit noch verhindert.Gegenstand dieser Dissertation ist die Skalierung der Produktivitätbeim UKP-Laserabtrag durch Verwendung großer mittlerer Laserleistungvon mehreren 100 Watt bei hohen Repetitionsraten im Bereich mehrererMegahertz. Dazu werden zunächst die Faktoren und Effekte identifiziertund untersucht, die die Skalierung auf große Produktivität limitieren. BeiVerwendung hoher Repetitionsraten sind diese limitierenden Effekte vorallem Wärmeakkumulation und Abschirmung durch Plasma oder Partikel.Zu diesen beiden Effekten wird im Rahmen der vorliegenden Arbeit einsemi-empirisches Modell entwickelt, das die Auswirkung von Wärmeakkumulationund Abschirmung auf die erzielte Produktivität beschreibenkann. Experimentelle Untersuchungen bestätigen die hohe Relevanz derbeiden Effekte beim UKP-Laserabtrag mit hohen Repetitionsraten. Soführt Wärmeakkumulation bei kleinem räumlichem Abstand zwischen aufeinanderfolgendenPulsen zur Ausbildung von Schmelze und sehr rauenOberflächenstrukturen, die für die meisten Anwendungen nicht akzeptiertwerden können. Abschirmende Effekte verkleinern die erzielte Produktivitätum bis zu 50 % und müssen bei der Prozessskalierung zwingend berücksichtigtwerden. Durch Abgleich von experimentellen Ergebnissen mit dementwickelten Modell können abschirmende Effekte und Wärmeeintrag durchfundamentale, quantifizierbare Größen beschrieben werden.Auf Grundlage des gewonnenen Prozessverständnisses kann für die Bearbeitungvon dem in dieser Arbeit betrachteten Werkstoff Inconel 718 einedeutliche Steigerung der Produktivität auf eine Abtragrate von mehr als30mm3/min erzielt werden. Neben dem Ansatz schneller Scantechnik zurNutzung der hohen Repetitionsraten, wird ein neuer Ansatz präsentiert.Hierbei wird Wärmeakkumulation gezielt ausgenutzt um auch mit konventionellen,hochflexiblen Galvanometerscannern eine vergleichsweise großeAbtragrate bei guter Oberflächenqualität zu realisieren.

The application of ultrashort pulsed laser sources with pulse durations inthe range of up to 10 picoseconds enables very precise materials processingwith negligible thermal load for the processed work pieces. While themachining quality is excellent, the comparable small productivity in termsof ablation rate is the main shortcoming that inhibits a widespread industrialapplication in many cases.Subject of this dissertation is the upscaling of USP laser ablation tohigher productivity by using average power of several hundred Watts whileincreasing the pulse repetition rates to several megahertz. Initially, theeffects that are limiting the upscaling process are identified and investigated.When using high repetition rates, these limiting effects are heataccumulation on the one hand and shielding by plasma or particle plumeson the other hand. Within the presented dissertation a theoretical model isdeveloped, which is capable of describing the impact of these two effects onthe achievable productivity. The high relevance of the two effects for theUSP laser ablation with high repetition rates is confirmed by experimentalresults. Heat accumulation is leading to the generation of melted and veryrough surfaces, which cannot be accepted for most applications. On theother hand, shielding effects lead to a decrease of the achieved productivityof up to 50 %. Therefore, these effects need to be considered when doingan upscaling by using high repetition rates. By comparing experimentalresults and the developed theoretical description, heat accumulation andshielding effects can be attributed to underlying physical quantities.On the basis of the developed process understanding, a significant increaseof the ablation rate to a value of more than 30 mm3/min is achieved forthe processing of Inconel 718. In addition to the approach of applyingfast scanning technology to use high repetition rates, a new approach ispresented. Based on the specific utilization of heat accumulation, it ispossible to achieve comparable high repetition rates at good surface qualityusing conventional, high flexible galvanometerscanners.

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