Makrobearbeitung

Moderne Hochleistungslaser erreichen problemlos mehrere Kilowatt an emittierter Strahlleistung. Wird diese Strahlung fokussiert, so können im Brennpunkt Intensitäten von mehr als 10¹⁰ W/m² erreicht werden. Zusammen mit mehrachsigen Verfahranlagen können damit unterschiedlichste Werkstoffe geschnitten, verschweißt, abgetragen, oder deren Eigenschaften verändert werden. Zurzeit stehen uns verschiedene Festkörperlaser, Faserlaser sowie CO2-Laser zur Verfügung. 

In den letzten Jahren haben wir vor allem das Fügen unterschiedlicher Werkstoffe mit Hilfe der Lasertechnik untersucht. Die Kombination unterschiedlicher Werkstoffe zu Bauteilen mit maßgeschneiderten Eigenschaften stellen vor allem für die Luft- und Raumfahrtindustrie sowie der Automobilproduktion eine interessante Möglichkeit der Optimierung von Komponenten dar. Unterschiedliche Werkstoffe, beispielsweise Stahl, Aluminium, Hartmetalle, u.a. unterscheiden sich aber durch ihre Dichte, Schmelzpunkt, Wärmeausdehnung, u.a. voneinander. Zusätzlich kann es beim thermischen Fügen aber auch noch zur Ausbildung spröder intermetallischer Phasen kommen, die temperatur- und zeitabhängig wachsen und bei zu großer Dicke leicht zum Versagen der Verbindung führen können. 

Fügen von Hartmetallen mit Stahl

An Sägeblätter aus Stahl wurden mit Hilfe eines Diodenlasers Hartmetallzähne geschweißt. Gezieltes Vor- und Nachwärmen mit definiertem Wärmeeintrag führte zu riß- und porenfreien Schweißungen. Das Verfahren wurde gemeinsam mit unserem Industriepartner patentiert.

Fügen von Aluminium und Stahl

Das übermäßige Wachstum spröder intermetallischer Fe_xAl_y-Phasen stellt beim thermischen Fügen dieser beiden Werkstoffe zusammen mit den sehr unterschiedlichen Eigenschaften eine große Herausforderung dar. In Zusammenarbeit mit mit mehreren Industriepartnern und einigen Diplom-bzw. Bachelorarbeiten ist es uns gelungen, Stahl und Aluminium reproduzierbar und mit ausgezeichneter Qualität zu verbinden. Eine Diplomarbeit, die im Rahmen dieser Aktivitäten entstanden ist, wurde mit dem Böhler Uddeholm Precision Strip Forschungspreis ausgezeichnet.

Simulationen des Fügeprozesses

Mikro- und Nanobearbeitung 

Mit kurzen und ultrakurzen Laserpulsen können unterschiedlichste Werkstoffe nahezu ohne thermische Veränderungen des Grundwerkstoffs mit sehr hoher Präzision bearbeitet werden. Zur Mikrobearbeitung stehen uns Laserquellen, die Pulse im ns-Bereich, als auch Laser, welche Pulse im fs-Bereich emittieren, zur Verfügung.

Laserpulse, welche nur wenige Femtosekunden dauern, sind bereits lange zu Ende, bevor die Atome im beleuchteten Werkstück zum Schwingen gebracht werden konnten. Einer unserer Ultrakurzpulslaser erzeugt Pulse, welche lediglich ca. 30 fs dauern. In dieser extrem kurzen Zeit bewegt sich das Licht lediglich etwa 10 µm weit. Um diese extrem kurze Zeitspanne richtig einordnen zu können, ist ein Vergleich mit der Ausbreitung eines Lichtstrahls im Weltraum hilfreich: In einer Sekunde legt das Licht eine Entfernung, welche ungefähr 3/4 der Entfernung von der Erde zum Mond entspricht (ca. 384.000 km), zurück. In 100 fs hingegen legt ein kurzer Lichtpuls lediglich eine Strecke, welche kürzer ist als der halbe Durchmesser eines menschlichen Haars, zurück.

Mit kurzen und ultrakurzen Laserpulsen können nahezu alle Werkstoffe im Mikro- und Nanobereich strukturiert und damit auch ihre Oberflächeneigenschaften verändert werden. Probenoberflächen können damit hydrophil oder auch hydrophob gemacht werden.

Messung dünner Schichten

Hier handelt es sich um ein Verfahren zur Oberflächen-Charakterisierung.

Das hier erforschte Messprinzip benutzt einen Polarisations-modulierten Lichtstrahl, erzeugt durch einen SCPEM (Single-Crystal Photo-Elastic Modulator, ein piezo-elektrischer Kristall, welcher resonant angeregt wird). Die Analyse des von der Oberfläche refektierten Signals ergibt die gesuchten ellipsometrischen Parameter ψ und Δ (in °).

Als Vorteil gegenüber konventionellen Ellipsometern ist die enorm hohe Samplingrate von bis zu 40 kHz zu nennen. Im Falle von Bild gebender Ellipsometrie (auch Imaging-Ellipsometrie, ψ und Δ werden innerhalb einer Fläche von ~1mm² ermittelt und bildlich dargestellt.) ist mit Samplingraten von ~10Hz zu rechnen (~0.1Hz bei konventioneller Imaging-Ellipsometrie).