Die Laserablation ist ein modernes, verschleißfreies Abtragsverfahren, mit dem auch winzige Strukturen präzise bearbeitet werden können. Am Karlsruher Institut für Technologie wurde eine Versuchsanlage zur Mikrolaserablation entwickelt. In dieser ist ein Pikosekundenlaser für Forschungszwecke integriert.
Die Anlage wird in dieser Arbeit experimentell untersucht. Dabei wird ermittelt, welche Einflussgrößen in welcher Art und in welchem Ausmaß das Bearbeitungsergebnis beeinflussen. Hauptaugenmerk ist dabei die Ovalität der Näpfchen, die bei der Bearbeitung entstehen. Es ist zu erwarten, dass ein Näpfchen umso ovaler ist, je flacher der Einstrahlwinkel ist, also je weiter sich die Bearbeitungsstelle von der Mitte weg bewegt.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Motivation und Zielsetzung
1.2 Aufbau der Arbeit
2 Grundlagen
2.1 Ursprung des Lasers
2.2 Elektromagnetische Wellen
2.3 Atome und Strahlung
2.4 Entstehung von Laserstrahlen
2.5 Fokussierung des Laserstrahls
3 Stand der Technik
3.1 Einordnung der Laser
3.1.1 Lasertypen nach Signalform
3.1.2 Lasermedien
3.2 Strahlführung und -formung
3.2.1 Strahlführung
3.2.2 Strahlformung
3.3 Anwendungen
3.3.1 Laserablation
3.3.2 Weitere Anwendungen
3.4 Ultrakurzpulstechnik
4 Eigener Ansatz
4.1 Untersuchte Einflussgrößen
4.2 Versuchsplanung
4.3 Aufbau der Versuchsanlage
4.3.1 Laseranlage
4.3.2 Mikroskopanlage
5 Ergebnisse
5.1 Temperatureinflüsse
5.2 Beschleunigung
5.3 Vorschub
5.4 Einstrahlwinkel
5.5 Zufallsschwankungen und Aussetzer
6 Bewertung
7 Zusammenfassung und Ausblick
7.1 Zusammenfassung
7.2 Ausblick
Zielsetzung & Themen
Ziel dieser Arbeit ist die experimentelle Untersuchung der Genauigkeit einer am Karlsruher Institut für Technologie entwickelten Versuchsanlage zur Mikrolaserablation mittels eines Pikosekundenlasers. Dabei wird analysiert, welche Einflussgrößen das Bearbeitungsergebnis beeinflussen und inwieweit insbesondere der Einstrahlwinkel die Ovalität der entstehenden Näpfchen verändert.
- Analyse der Einflussgrößen bei der Laserablation
- Untersuchung der Ovalität von Näpfchen in Abhängigkeit vom Einstrahlwinkel
- Experimentelle Evaluierung der Versuchsanlage
- Charakterisierung von Zufallsschwankungen und Aussetzern
- Bewertung der Leistungsfähigkeit unter verschiedenen Prozessparametern
Auszug aus dem Buch
3.3.1 Laserablation
Um den Begriff besser verstehen zu können, ist zunächst das Verständnis der Fertigungsverfahren notwendig. Nach [DIN 8580] sind Fertigungsverfahren Prozesse der Produktionstechnik, in denen Produkte aus anderen Gütern hergestellt werden. Folgendes Diagramm zeigt die sechs Hauptgruppen der Fertigungsverfahren und exemplarisch einige Untergruppen:
Die sechs Hauptgruppen sind Urformen, Umformen, Trennen, Fügen, Beschichten und Änderung der Stoffeigenschaften. Die für diese Arbeit relevante Hauptgruppe ist das Verfahren „Trennen“. Bei diesem Verfahren wird der Werkstoffzusammenhalt an der Bearbeitungsstelle aufgehoben.
Ein sehr einfaches Verfahren, das jeder aus dem Alltag kennt, ist zum Beispiel das „Messerschneiden“, was zur Untergruppe „Zerteilen“ gehört. Eine scharfe Schneide zerteilt ein Werkstück, das auf einer Unterlage liegt, mithilfe von Druck und einer Schneidbewegung.
Weitere Gruppen sind: Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden, Spanen mit geometrisch unbestimmten Schneiden, Abtragen, Zerlegen und Reinigen.
Das hier relevante Trennverfahren jedoch ist das „Abtragen“, was durch [DIN 8590] definiert wird. Beim Abtragen werden im Gegensatz zum Spanen auf nichtmechanischem Wege Stoffteilchen von einem festen Körper entfernt. Untergruppen sind „Thermisches Abtragen“, „Chemisches Abtragen“ und „Elektrochemisches Abtragen“. Das „Thermische Abtragen“ wiederum lässt sich unterteilen in „durch Gas“, „durch elektrische Gasentladung“, wozu auch die Funkenerosion gehört und „durch energiereiche Strahlung“. Energieträger der „energiereichen Strahlung“ können sein: Laserstrahl, Elektronenstrahl und Wasserstrahl. Folgendes Schema veranschaulicht dies:
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung stellt die Motivation für das Thema Laserablation dar und erläutert die Zielsetzung der experimentellen Untersuchung der Versuchsanlage sowie den Aufbau der Arbeit.
2 Grundlagen: Das Kapitel bietet eine Einführung in die physikalischen Grundlagen der Laserstrahlung, einschließlich der Entstehung von Laserstrahlen und deren Fokussierung.
3 Stand der Technik: Hier werden verschiedene Lasertypen, Methoden der Strahlführung und -formung sowie ein Überblick über Fertigungsverfahren mit Fokus auf die Laserablation und Ultrakurzpulstechnik gegeben.
4 Eigener Ansatz: Dieses Kapitel beschreibt das methodische Vorgehen bei den Experimenten, die untersuchten Einflussgrößen sowie den technischen Aufbau der verwendeten Laser- und Mikroskopanlage.
5 Ergebnisse: Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen zu Temperatureinflüssen, Beschleunigung, Vorschub, Einstrahlwinkel sowie Zufallsschwankungen werden hier präsentiert.
6 Bewertung: In diesem Kapitel werden die in den Experimenten gewonnenen Ergebnisse im Hinblick auf die untersuchten Einflussfaktoren interpretiert.
7 Zusammenfassung und Ausblick: Die Arbeit schließt mit einer Zusammenfassung der Erkenntnisse zur Fehlerquellenuntersuchung und einem Ausblick auf zukünftige Forschungsmöglichkeiten.
Schlüsselwörter
Laserablation, Mikrolaserablation, Pikosekundenlaser, Einstrahlwinkel, Ovalität, Laserbearbeitung, Fertigungstechnik, Strahlführung, Ultrakurzpulstechnik, Sublimationsabtragen, Stahlplatten, Genauigkeitsuntersuchung
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Bachelorarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der experimentellen Untersuchung einer Versuchsanlage zur Mikrolaserablation und deren Genauigkeit bei der Bearbeitung von Stahlplatten.
Was sind die zentralen Themenfelder der Untersuchung?
Zentrale Themen sind die Laserablation als Trennverfahren, der Aufbau von Lasersystemen, die Strahlführung, die Ultrakurzpulstechnik sowie die Analyse der Bearbeitungsergebnisse.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das Hauptziel ist es zu ermitteln, welche Einflussgrößen die Laserablation beeinflussen, mit besonderem Fokus auf den Einstrahlwinkel und dessen Auswirkungen auf die Ovalität der erzeugten Mikro-Näpfchen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es handelt sich um eine experimentelle Arbeit, bei der Stahlplatten unter variierenden Bedingungen in einer Laseranlage strukturiert und anschließend mittels eines 3D-Konfokalmikroskops vermessen wurden.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in theoretische Grundlagen, den aktuellen Stand der Technik, die Beschreibung des eigenen experimentellen Ansatzes inklusive des Anlagenaufbaus sowie die detaillierte Präsentation und Bewertung der Ergebnisse.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Laserablation, Mikrolaserablation, Pikosekundenlaser, Einstrahlwinkel, Ovalität, Strahlführung und Sublimationsabtragen.
Welche Bedeutung hat die Verkippung der Spiegel für das Ergebnis?
Die Verkippung der Spiegel in der Laseranlage wurde als signifikante Fehlerquelle identifiziert, insbesondere bei hohen Vorschüben, was zu unerwünschten Ovalitäten oder sogar zu ausbleibendem Abtrag führen kann.
Wie wurden die Mikrostrukturen in der Arbeit vermessen?
Die Vermessung der abgetragenen Näpfchen erfolgte mit einem konfokalen 3D-Messsystem, das eine präzise Bestimmung von Tiefe, Breite und Volumen ermöglichte.
Warum spielt die Beschleunigung des Lasers eine Rolle?
Es wurde beobachtet, dass der Abstand der abgetragenen Näpfchen zu Beginn einer Linie geringer ist, was auf den Beschleunigungsvorgang des Lasers zurückzuführen ist.
Welchen Einfluss hat die Umgebungstemperatur auf das Ergebnis?
Innerhalb des untersuchten Temperaturbereichs von 22,0 °C bis 23,8 °C konnten keine signifikanten Auswirkungen auf das Abtragsergebnis festgestellt werden.
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- Anonym (Author), 2013, Untersuchung der Genauigkeit bei der Mikrolaserablation, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/298533
