Lasermikrostrukturierung von hochlegiertem Stahl – Grundlagenuntersuchungen zum Einsatz hochfrequenter Pulsfolgen ultrakurzer Laserpulse

Daniel Metzner

AutorIn

Daniel Metzner

Titel

Lasermikrostrukturierung von hochlegiertem Stahl – Grundlagenuntersuchungen zum Einsatz hochfrequenter Pulsfolgen ultrakurzer Laserpulse

Zitierfähige Url:

https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:ch1-qucosa2-891116

Schriftenreihe

Schriftenreihe Werkstoffe und werkstofftechnische Anwendungen

Bandnummer

101

Datum der Einreichung

24.10.2023

Datum der Verteidigung

19.12.2023

ISBN

978-3-00-055705-7

ISSN

1439-1597

Abstract (DE)

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Einsatz hochfrequenter Pulsfolgen ultrakurzer Laserpulse zur Lasermikrobearbeitung von hochlegierten Stählen. Dabei wird der Einfluss verschiedener Laserparameter auf die Abtragseffizienz, die erzeugten Oberflächenstrukturen sowie auf physikalische Prozesse während der Lasermikrobearbeitung untersucht. Zu diesem Zweck wurde X90CrV18-Stahl mit ultrakurzen Laserpulsen und extrem hohen Pulswiederholfrequenzen innerhalb einer Pulsfolge von bis zu 2,5 GHz bestrahlt. Die Abtragsvolumina und Strukturdurchmesser pro Laserpuls, die emittierte Sekundärstrahlung innerhalb einer Pulsfolge sowie die resultierende Topographie nach der Bestrahlung wurden empirisch untersucht. Um ein grundlegendes Verständnis der bei der Bestrahlung in der Wechselwirkungszone wirkenden physikalischen Mechanismen zu erlangen, wurden Simulationen der Wechselwirkung von einzelnen ultrakurzen Laserpulsen sowie von Pulsfolgen ultrakurzer Laserpulse mit hochlegiertem Stahl durchgeführt. Erkenntnisse über funktionale Zusammenhänge zwischen den Laserparametern ultrakurzer Laserpulse und der resultierenden Abtragstiefe sowie der Schmelzfilmbildung wurden aus Ergebnissen umfangreicher Simulationen abgeleitet. Darüber hinaus erlauben die Ergebnisse des pro Laserpuls abgetragenen Volumens Rückschlüsse auf Abschirmprozesse innerhalb einer Pulsfolge durch eine vorhandene Ablationswolke bzw. durch ein Plasma. Eine iterative Abschirmung der Laserstrahlung nachfolgender Laserpulse durch die Wechselwirkung mit einer vorhandenen Ablationswolke tritt vor allem bei der Verwendung von Pulsfolgen mit Pulswiederholfrequenzen im MHz-Bereich auf. Ausgehend vom Ablationsvolumen pro Laserpuls bei Pulswiederholfrequenzen im GHz-Bereich wird die Laserstrahlung nachfolgender Laserpulse einer Pulsfolge nahezu vollständig vom Plasma abgeschirmt. Basierend auf den neuen Erkenntnissen dieser Arbeit wurden optimale Prozessparameter für die Erzeugung von 3D-Mikrostrukturen ermittelt, um eine möglichst hohe Effizienz bzw. Produktivität bei gleichzeitig geringer Oberflächenrauheit zu erreichen.

Freie Schlagwörter (DE)

Laser Ablation, hochfrequente Pulsfolgen, hochlegierter Stahl, Puls-zu-Puls Wechsel- wirkung, emittierte Sekundärstrahlung, 3D-Lasermikrostrukturierung

Klassifikation (DDC)

500

Normschlagwörter (GND)

Ultrakurzzeitlaser, Laserstrahlung

GutachterIn