Sequentielle Ultrakurzpuls-Laserbearbeitung zur effizienten Oberflächentexturierung

Brenner, Andreas; Bergs, Thomas; Häfner, Constantin

doi:10.18154/RWTH-2021-06602

Sequentielle Ultrakurzpuls-Laserbearbeitung zur effizienten Oberflächentexturierung = Sequential ultrashort pulse laser processing for efficient surface texturing

Brenner, Andreas^RWTH*

2021

VerantwortlichkeitsangabeAndreas Brenner

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Apprimus Verlag 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

ReiheErgebnisse aus der Lasertechnik

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Häfner, Constantin (Thesis advisor)^RWTH* ; Bergs, Thomas (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-05-27

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-06602
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/822218/files/822218.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Lasertechnik (418710)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Mikrostrukturierung (frei) ; Oberflächentexturierung (frei) ; Polieren (frei) ; Produktivität (frei) ; Prozesskette (frei) ; Qualität (frei) ; Reinigen (frei) ; UKP (frei) ; Ultrakurzpuls-Laser (frei) ; Werkzeugbau (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Laserstrukturierung gewinnt im Industriezweig des Werkzeug- und Formenbaus zunehmend an Bedeutung. Neben Designstrukturen (z.B. Ledernarben) stellt die Herstellung von Mikrostrukturen zur Oberflächenfunktionalisierung eine besondere Herausforderung dar. Tragen strukturierte Oberflächen beispielsweise zur Effizienzsteigerung von LED-basierten Beleuchtungssystemen bei, so entwickelt sich die Oberflächenbeschaffenheit im Hinblick auf optische und haptische Eigenschaften immer mehr zum Qualitätsmerkmal von Produkten. Durch die Veränderung der Benetzungseigenschaften können so auch selbstreinigende Oberflächen hergestellt werden. Insbesondere die Automobil- und Konsumgüterindustrie bieten ein breites Anwendungsspektrum für strukturierte Oberflächen, die sich meist 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 dementsprechend die Untersuchung der sequentiellen Nutzung von Ultrakurzpulslaserstrahlquellen 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. Diese Technologie kann ebenso dazu genutzt werden, gezielt und selektiv Glanzeffekte zu erzeugen. Insgesamt wird mit der vorgestellten photonischen UKP-Prozesskette, exemplarisch bestehend aus den vier Einzelprozessen UKP Produktiv, UKP Reinigen, UKP Qualität und UKP Polieren, gegenüber einem industriell etablierten Nanosekundenprozess eine Zeitersparnis von bis zu 59% bei einer gleichzeitig um 92% geringeren Oberflächenrauheit erreicht. Die Bauteilfertigung kann ohne aufwendiges Rüsten oder Umspannen in einer Anlage erfolgen.

Laser structuring is becoming increasingly important in the tool and mold making industry. In addition to design structures (e.g. leather grain), the production of microstructures for surface functionalization represents a particular challenge. For example, structured surfaces contribute to increasing the efficiency of LED-based lighting systems or to modifying the wetting properties to create self-cleaning surfaces. In terms of this surface textures influence the optical and haptic properties that are increasingly becoming a quality feature. The automotive and consumer goods industries in particular offer a wide range of applications for structured surfaces, which can usually be produced by replication. The currently used production processes for tool texturing such as photochemical etching or laser texturing using nanosecond lasers are limited in their precision and flexibility. Ultrashort pulse lasers (USP) with pulse durations in the femtosecond to picosecond range offer the possibility of surface functionalization with highest precision and surface quality. Due to the mainly vaporization-dominated ablation, debris and melt-induced protrusions can be avoided in contrast to nanosecond lasers. The main drawback is the limited productivity with ablation rates of a few mm³/min. Accordingly, this thesis investigates the sequential use of ultrashort pulse laser sources for efficient surface texturing with increased productivity. In a first step, the possibility to increase productivity by using pulse bursts and reducing the pulse duration from 10 ps to 2 ps is investigated. It can be shown that the same efficiency can be achieved as with nanosecond lasers while increasing the surface quality by a factor of 4. In the next step, the process of USP cleaning is investigated, which is used to remove the oxide layer created during the productive laser ablation. The investigation of high quality USP ablation proves that the surface roughness can be reduced during ablation. The final process, USP polishing, enables a final smoothing of the roughness peaks by remelting a thin surface layer. This technology can also be used to selectively create specific gloss effects.The photonic USP process chain presented here, consisting of the four individual processes USP productive, USP cleaning, USP quality and USP polishing, achieves time savings of up to 59% compared to an industrially established nanosecond process, while at the same time reducing surface roughness by 92%. The component production can be carried out in one machinery without time-consuming set-up or reclamping.

OpenAccess:
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