Clusterbildung bei der Mikro-Materialbearbeitung mit hochbrillanter Laserstrahlung

Aufnahme des Laserabtragsprozesses bei Edelstahl mittels Hochgeschwindigkeitskamera. Der obere Teil der Abbildung zeigt zur Einschätzung des Ortes und der Größenverhältnisse einen größeren Ausschnitt des experimentellen Aufbaus. Um die zeitliche Auflösung der Aufnahmen zu erhöhen, wurde die Größe des betrachteten Ausschnitts reduziert.

Experimentell und theoretisch ermittelter Verlauf der Abtragsgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Abtragstiefe.

Der stetige Fortschritt in der Lasertechnik führt bei Laseranlagen mit bestmöglicher Strahlqualität zu einer Steigerung der Ausgangsleistung und damit zu einer Erhöhung der Intensität am Bearbeitungsort. Bei Materialbearbeitungsprozessen kann dies unter bestimmten Bedingungen einen Anstieg von Prozessgeschwindigkeiten ermöglichen. Es resultieren aber auch Wechselwirkungseffekte (z. B. Absorption im Plasma, Streuung an Partikeln), die bei geringeren Intensitäten vernachlässigt werden können.
Im Rahmen des Projektes wurde die Bildung und Auswirkung der Nanopartikelbildung beim Abtragen von Metallen mittels hochbrillanter Laserstrahlung untersucht. Nanopartikel können sich im Materialdampf bei der Lasermaterialbearbeitung mit hohen Intensitäten (> 1 ∙ 100 MW/cm²) durch Kondensation bilden. Dabei liegt die typische Zeitskala der Bildung stabiler Partikel im Nanosekundenbereich. Somit kann es bei längeren Bestrahlungszeiten (> 100 ns) zu einem signifikanten Einfluss der Wechselwirkung zwischen der einfallenden Strahlung und Nanopartikel durch Absorption und Streuung kommen.

Im Gegensatz zu bisherigen Arbeiten konzentrierte sich der Schwerpunkt auf die Untersuchung des direkten Einflusses der Partikelbildung auf die Lasermaterialbearbeitung im Hinblick auf Prozessgeschwindigkeiten und -qualität. Die Grundlage bildete dabei das Laserabtragen von Edelstahl mittels Faserlaser (Single-Mode, 300 W). Das Forschungsprojekt wurde in ein experimentelles und ein theoretisches Arbeitspaket unterteilt.
Bei der experimentellen Untersuchung wurde die Partikelentwicklung während des Abtragens anhand des Streuverhaltens analysiert. Dafür wurde der Strahl eines Testlasers durch den entstehenden Metalldampf geleitet und die richtungsabhängige Streustrahlung zeitaufgelöst detektiert. Darüber hinaus wurde die mittlere Abtragsgeschwindigkeit für verschiedene Abtragstiefen ermittelt. Abschließend wurde die Partikelgrößenverteilung über Aufnahmen der Partikel mittels Transmissionselektronenmikroskops (TEM) bestimmt. Abschließend wurden Aufnahmen mittels Hochgeschwindigkeitskamera ausgewertet.
Im Rahmen der theoretischen Arbeiten wurde ein Abtragsmodell erstellt. Basierend auf dem Dampfkolbenmodell wurden die Partikelbildung und die Wechselwirkung zwischen der einfallenden Strahlung und Partikeln berücksichtigt.

Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die mittlere Partikelgröße im betrachteten Parameterbereich bei 9 nm liegt. Die Analyse des Streuverhaltens und der Bestimmung der Abtragsgeschwindigkeit verdeutlichen einen signifikanten Einfluss der Partikelbildung auf den Abtragsprozess. Dies wird über besonders zu Beginn des Bearbeitungsprozesses deutlich.
Die Ergebnisse der theoretischen Arbeit bestätigen diesen Verlauf. Sie zeigen die Bildung einer hohen Partikeldichte besonders zu Beginn des Prozesses, was zu einer starken Abschwächung der Intensität am Bearbeitungsort und damit zu geringen Abtragsraten führt. Mit zunehmender Bestrahlungsdauer sinkt die Partikelbildungsrate, der Metalldampf breitet sich aus und der Einfluss nimmt ab. Die Folge ist ein Anstieg der Abtragsgeschwindigkeit.