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BayWISS-Kolleg Ressource Efficiency and Materials www.baywiss.de

Projekte im Verbundkolleg Ressourceneffizienz und Werkstoffe

© Nathan Anderson / unsplash.com

Einfluss der Pulsdauer auf den Laserinduzierten Abtrag bei der Lasermaterialbearbeitung von Metallen

Lasermaterialbearbeitung ist eine innovative Produktionsmethode mit vielen Vorteilen und spielt deshalb eine wichtige Rolle für die zukünftige digitale Gesellschaft und die Digitalisierung 4.0. Mit Lasern können sowohl subtraktive (abtragende) wie auch additive (aufbauende) Herstellungsverfahren vollautomatisiert und computergesteuert realisiert werden. Die Lasermaterialbearbeitung umfasst die Bearbeitung von dicksten Metallen für den Maschinen- und Anlagenbau (Makrobearbeitung) bis hin zur Erzeugung von Nanostrukturen und Nanomaterialien für die Raumfahrt, Elektronik und Medizin.
Ein wichtiger Gesichtspunkt bei Fertigungsverfahren im Sinne der Ressourceneffizienz ist deren Energieverbrauch. Im Gegensatz zu konventionellen mechanischen und thermischen Umform- und Bearbeitungsverfahren (Bohren, Fräsen, Schneiden, etc.) arbeitet die Lasermaterialbearbeitung energetisch im Bereich von Verflüssigung und Verdampfung. Folglich ist der Energieeinsatz bei der Laserbearbeitung wesentlich höher als bei konventionellen Herstellungsverfahren.
Die Wechselwirkung der ultrakurzen Lichtimpulse mit Materie, führt bei Intensitäten in der Nähe der Ablationsschwelle zu einem lokal begrenzten Energieeintrag in eine nur wenige  Zehn nm dünne Schicht unterhalb der Oberfläche. Als Folge wird ein räumlich begrenztes Volumenelement mit hoher Energieeffizienz abgetragen. Die Präzision des Materialabtrags liegt dabei im Bereich der effektiven Eindringtiefe von einigen Zehn nm. Eine thermische Schädigung des umgebenden Materials wird weitestgehend vermieden.
Die Abtragseffizienz wird nach empirischer Beobachtung bei Fluenzen von e² mal der Ablationsschwelle maximal und zeigt zusätzlich eine Pulsdauerabhängigkeit. Zu längeren Pulsdauern könnten sich neben der thermischen Diffusion von Elektronen und Gitter, auch die optischen Eigenschaften (Absorption und Reflexion) während der Bestrahlung ändern und damit ebenfalls die Energieeinkopplung und den Energietransport im Material beeinflussen. Um den Einfluss der Pulsdauer auf die Abtragseffizienz verstehen zu können, müssen somit Fragen nach der Änderung von optischen und thermischen Eigenschaften der Probe während der Bestrahlung mit verschiedenen Pulsdauern beantwortet werden.

Jan Winter

Jan Winter

Hochschule für angewandte Wissenschaften München

Master of Science

 

  • Bachelor-Studium „Physikalische Technik“ an der Hochschule für angewandte Wissenschaften München

         Titel „Investigation of the wavelength dependency of the laser ablation with
         nanosecond pulses on CIS thin-film solar cells”

  • Master-Studium “Photonik” an der Hochschule für angewandte Wissenschaften München

         Titel „Modeling from optical and thermal properties for a numerical simulation of
         laser ablation from copper with femtosecond and picosecond laser pulses”

  • Promotionsprojekt zum Thema Einfluss der Pulsdauer auf den Laserinduzierten Abtrag bei der Lasermaterialbearbeitung von Metallen an der Hochschule für angewandte Wissenschaften München in Kooperation mit der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

 

Hochschule für angewandte Wissenschaften München

Lothstr. 34, 80335 München

jan.winter@hm.edu

Coordination

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Christian Gadelmeier

Christian Gadelmeier

Koordinator BayWISS-Verbundkolleg Ressourceneffizienz und Werkstoffe

Universität Bayreuth
Lehrstuhl Metallische Werkstoffe

Prof.-Rüdiger-Bormann-Str. 1

95447 Bayreuth

Telephone: +49 92155 6612
ressourceneffizienz-werkstoffe.vk@baywiss.de