Kavitätenentstehung bei der UKP-Laserbearbeitung
- Degree programme: BSc in Maschinentechnik
- Author: Simon Guggisberg
- Thesis advisor: Prof. Dr. Beat Neuenschwander, Prof. Dr. Annette Kipka
- Expert: Dr. Peter Paul Knobel
- Year: 2020
Bei der Ultrakurzpuls-Laserbearbeitung können sich unter hohen Fluenzen Kavitäten bilden. Vorgängige Untersuchungen haben ergeben, dass diese meist unerwünschte, löcherförmige Oberflächenstruktur von der Kornorientierung des Werkstoffgefüges abhängig ist. Diese Erkenntnis wird in der vorliegenden Arbeit durch weitere Versuche gestützt. Ausserdem wird die Ausbreitungsrate der Kavitäten untersucht.
Ausgangslage
Ultrakurzpuls-Laser (UKP-Laser) bieten neue Möglichkeiten, vor allem in der Mikrobearbeitung z.B. beim Bohren, Gravieren oder Strukturieren von Oberflächen. Empfindliche Werkstoffe können schonend und ohne Schädigung des umliegenden Materials bearbeitet werden. Dabei können jedoch, insbesondere bei hohen Fluenzen, unerwünschte Strukturen in der Oberfläche, sog. Kavitäten, entstehen. Um diese zu vermeiden, muss das Verständnis der Kavitätenbildung verbessert werden. Vorgängige Untersuchungen haben ergeben, dass ein Zusammenhang zwischen der Kavitätenbildung und der Kornorientierung im Werkstoffgefüge besteht.
Ziel
Durch Laserversuche mit Silizium-Einkristallen (Abbildung 1) sollen vorgängige Erkenntnisse zur Abhängigkeit der Kavitätenbildung von der Kornorientierung, untermauert werden. Mit einem Matlab-Programm soll eine faktenbasierte Auswertung ermöglicht werden, indem die Ausbreitungsrate der Kavitäten auf der Oberfläche berechnet wird.
Vorgehen
Der Versuchsaufbau wurde durch den Austausch von Komponenten optimiert. Aufgrund der Erkenntnis, dass die Kavitätenentstehung von der Kornorientierung abhängig ist, wurden ausschliesslich Einkristalle untersucht. Die Daten wurden mit Matlab erfasst und ausgewertet.
Ergebnis
Die Stabilität des Versuchsaufbaus konnte deutlich gesteigert werden. Kavitäten können auf verschiedenen Oberflächen erkannt und ausgewertet werden. Abbildung 2 zeigt die Ausbreitungsrate von Kavitäten in der Oberfläche eines Silizium-Einkristalls, welcher mit einer hohen Fluenz bearbeitet wurde. Der Grafik ist zu entnehmen, dass nach 70 Bildern, was 140 abgetragenen Schichten entspricht, annähernd die gesamte Oberfläche mit Kavitäten bedeckt ist.
