ukp-laser in der produktion spielzeug oder werkzeug? · unabhängig vom stoff (festkörper,...
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Prof. Dr.-Ing. Michael Schmidt
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UKP-Laser in der Produktion –
Spielzeug oder Werkzeug?
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Theoretische Grundlagen der „kalten“ Bearbeitung
Potenzialanalyse
Mikromaterialabtrag
Glasschweißen
Nanostrukturierung
Zusammenfassung
Gliederung
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[Kaspar et al. J. of Laser Applications Vol. 18, No. 2; 2006]
Bohrung in Glas mittels ns-Pulsen im Vergleich zu Bohrung mit ps-Pulsen
Vorteile ultrakurz gepulster Laser
8 ns 10 ps
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Definition über die Dynamik des Wärmeeintrags
ultrakurz ↔ Optische Eindringtiefe größer als Thermische Diffusionslänge
Optische Eindringtiefe δ der Strahlung ins Material (Lambert-Beersches Gesetz):
δ = α -1 (α – Absorptionskoeffizient)
Thermische Diffusionslänge d (2. Fick‘sches Gesetz):
d = 2 ( D · t ) 0,5 (D – Wärmediffusionskonstante, t – Dauer des Laserpulses)
Definition unklar bei transparenten und teiltransparenten Stoffen!
Definition gilt nur für Einzelpulse
δ d
Optische Eindringtiefe Thermische Diffusionstiefe
Was bedeutet ultrakurz?
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Enorm hohe Intensitäten eines ultrakurzen fokussierten Laserpulses ermöglichen
unabhängig vom Stoff (Festkörper, Flüssigkeit, Gas):
Multiphotonionisation, Tunnelionisation
Quasi instantaner Übergang vom Originalzustand des Stoffes zum Plasma
Plasmaexpansion „entfernt“ Wärme aus dem Werkstück
Plasma in Glas Plasma in Wasser Plasma in Luft
Definition über die nichtlineare Absorption
Was bedeutet ultrakurz?
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Multipulseffekte und Wärmeakkumulation Bei Bearbeitung mit ultrakurzen Laserpulsen Wärmeeinflusszone zwar minimal, aber
dennoch vorhanden
Kalte oder heiße Bearbeitung kann mittels der Repetitionsrate und des räumlichen Puls-
zu-Puls-Abstandes eingestellt werden (bei gleichen Pulsparametern!)
Temperatur
Zeit
Pulse
Abkühlung
Temperatur
Pulse
Zeit
Kalte Bearbeitung: Heiße Bearbeitung:
Wann ist ultrakurz wirklich kalt?
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Prozess-Werkstoff-Matrix
Metalle Kunststoffe Glas & Keramik Halbleiter
Urformen
Umformen
Trennen
Fügen
Beschichten
Stoffeigenschaften
ändern
Industrieeller Einsatz
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UKP-Laser als Bohr- und Schneidwerkzeug
Bohren von Dieseleinspritzdüsen (Bosch)
Einbringung definierter Kerben in das Sensor-Element einer Lambda-Sonde (Bosch)
Trennen von Glaspanels bei der Display-Herstellung
Industrielle Applikation
Quellen: Bosch
Bohrungen Einspritzdüse Sensor-Element einer Lambda-Sonde
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Metalle Kunststoffe Glas & Keramik Halbleiter
Urformen
Umformen
Trennen Mikromaterialabtrag
Fügen
Beschichten
Stoffeigenschaften
ändern
Prozess-Werkstoff-Matrix
Industrieeller Einsatz & weiterführende Forschungsarbeiten
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Mikromaterialabtrag
Forschungsansatz Zielsetzungen beim Mikromaterialabtrag
Maximierung der Abtragseffizienz
Steigerung der Abtragsrate
Konstanz der Strukturqualität, d.h. reproduzierbarer Abtrag hoher Präzision
Realisierung durch Wahl geringer Spitzenfluenzen bei hohen Repetitionsraten
Simulierte Oberflächentemperatur
bei einer Repetitionsrate von 50 MHz
[Hu; Appl. Phys.
A 98-407; 2010] Wärme-
akkumulation
Inkubation
Plasmaab-
schirmung
Multipuls-
effekte
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Laser,
10 ps Galvo-
scanner
Plasma
Experiment
Mikromaterialabtrag
Wolframcarbid-
beschichtete
Stahlprobe
0,1 1,0 J/cm² 10,00
200
400
600
µm²
1000
Sq
ua
red
ab
late
d r
ad
ius r
²
ln(Peak fluence 0)
N = 1
N = 10
N = 100
N = 1000
Material: 1.3343
Wavelength: = 1064 nm
Pulse frequency: fP = 50 Hz
n = 5
Mittlere Ablationsschwellen
Spitzenfluenz
Qu
ad
riert
er A
bla
tionsra
diu
s R
²
Wellenlänge:
Pulsfrequenz: fP = 50 Hz
Stahl 1.3343
Untersuchung der Inkubation anhand der
Pulsabhängigkeit der Abtragsschwelle
Wärmeakkumulation und Plasmaabschirmung
anhand Repetitionsratenvariation
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Abtragsverhalten in Abhängigkeit
der Repetitionsrate:
Änderung der Napfgröße in
Abhängigkeit der Frequenz
Abtragsratenzunahme durch
Wärmeakkumulation
Sinken der Effizienz infolge
Abschirmungseffekten
Temperatur nach dem N-ten
Laserpuls:
REM-Aufnahmen
von Napfstrukturen
Ergebnisse
Mikromaterialabtrag
(a) fP = 0,05 kHz (b) fP = 200 kHz (c) fP= 1 MHz
1
11
N
N TT mit 1
Re
pth
th
ft
t
0,1 1 10 kHz 100050
100
150
200
250
µm²
300
Na
pfu
ers
chn
itts
flae
ch
e A
ab
l
Pulsfrequenz fP
0 = 2,7 J/cm²
0 = 0,7 J/cm²
Napfstruktur
Werkstoff: Stahl 1.3343
Wellenlaenge: = 1064 nm
Pulsanzahl: N = 500
n = 3
Na
pfq
ue
rsch
nitts
flä
ch
e A
Abl
µm²
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Systemauslegung durch Kenntnis der Plasmaabschirmung
Ermittlung erforderlicher Puls-Separation
Systemtechnik zur Strahlführung
Nutzung oder Vermeidung von Wärmeakkumulation
Materialtemperatur gezielt einstellbar
Steigerung der Abtragsrate
Temperatursensitive Materialien: Vermeidung unerwünschter
Materialmodifikationen z.B. Graphitisierung von diamantähnlichen Werkstoffen
Vorteile
Mikromaterialabtrag
Topografieänderung infolge
der Graphitisierung einer
DLC-Schicht
[König; Optics Express 13, 26; 2005]
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Werkzeugfertigung
Tribologische Dünnschichten
Passive elektronische Bauelemente
Sensorik
Diffraktive und refraktive Optiken
Anwendungspotenzial
Mikromaterialabtrag
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Prozess-Werkstoff-Matrix
Metalle Kunststoffe Glas & Keramik Halbleiter
Urformen
Umformen
Trennen
Fügen Glassschweißen
Beschichten
Stoffeigenschaften
ändern
Forschungsarbeiten Industrieeller Einsatz & weiterführende Forschungsarbeiten
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Ultrakurze Pulse zünden Plasma im transparenten Glas
Heißes Plasma verbleibt im Glasinneren
Plasma erwärmt Umgebung
Wahl einer hohen Pulsrepetitionsrate, so dass der Bearbeitungsprozess im heißen
Bereich abläuft
Schmelze um den Fokuspunkt verschweißt Gläser
Glassschweißen
Forschungsansatz
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Laser, 10 ps
Objektiv
Plasma
Glasprobe
x-y-Verschiebetisch
Glassschweißen
Experimenteller Aufbau
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Vorschubgeschwindigkeit: 20 mm/s, Leistung: 2 W, Repetitionsrate 1 MHz, Dauer der
Schweißung: 0,45 s (9 mm)
Glassschweißen
Prozess in Zeitlupe
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Eigenschaften der Schweißverbindung:
Festigkeit im Bereich 100 MPa
Bindungsenergie ca. 2 J/m²
Hermetisch dicht
blz
Schweißnahtfläche
Bin
dungsenerg
ie
Fe
stig
ke
it
Geätzter Querschliff
Glassschweißen
Ergebnisse
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Einfache Implementierung
Prozess durchführbar bei Raumtemperatur
Verzicht auf Vor- und Nachheizen
Kurze Bearbeitungszeit
Keine Zusatzmaterialien (Klebstoffe, Absorber) notwendig
Hohe Qualität der Schweißnaht
Gute mechanische Festigkeit und Stabilität
Robust gegenüber thermischer Belastung oder chem. agressiven Umgebungen
Geringe selbstinduzierte Belastung / keine Defektstellen
Glassschweißen
Vorteile
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Chemie – Glasapparatebau, MEMS – mikro-elektro-mechanische Systeme,
Medizintechnik, Optik, Telekommunikation, Bauwesen, Design
Adams and Chittenden
Scientific Glass Canon National Physical
Laboratory, UK
Anwendungspotenzial
Glassschweißen
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Prozess-Werkstoff-Matrix
Metalle Kunststoffe Glas & Keramik Halbleiter
Urformen
Umformen
Trennen Nanostrukturierung
Fügen
Beschichten
Stoffeigenschaften
ändern
Forschungsarbeiten
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Unterschreitung der Beugungsbegrenzung durch Multiphotonen- und
Nahfeldeffekte
CPLA-Strukturierung
2 ² Lf
L
M fw
d
Nanostrukturierung mit Optischer Pinzette
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Positionierung von Mikrolinsen mit einem fokussierten cw-Laser
Potenzialsenke einer Optischen Pinzette
Prozessprinzip
Nanostrukturierung mit Optischer Pinzette
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Zusammenspiel einer Vielzahl physikalischer Faktoren
Van-der-
Waals-Kräfte Gravitation
Druckwellen
durch
Abtrag
Doppel-
schicht-
Abstoßung
Stokes-
Reibung
Brownsche
Bewegung
Strukturier.-
Laser
Trapping-
Laser
Optische Kräfte
Einfluss d. Mediums Oberflächenkräfte
Nanostrukturierung mit Optischer Pinzette
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Versuchsaufbau
Optical trap
Imaging
Pulsed structuring laser
Nanostrukturierung mit Optischer Pinzette
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Ergebnisse
a) Partikel: SiO2; d = 2 µm; n = 1,458
Laser: = 532 nm; t = 10 ps; F = 8 mJ/cm²
Vorschub: v = 5 µm/s
Substrat: Polyimid
b) Particle: PS; d = 1,7 µm; n = 1,54
Laser: = 800 nm; t = 100 fs
Substrat: Quarzglas
Einzelpulsbohrung
100 nm
b)
Nanostrukturierung mit Optischer Pinzette
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Größenvergleich
Laserbeschriftetes
menschliches Haar
[Laser Zentrum Hannover]
Nanostrukturierung mit Optischer Pinzette
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Ergebnisse
0 25 50 75 100 µW
0
100
200
300
nm
500 SiO2; d=2µm
SiO2; d=1µm
PS; d=1,7µmD
urc
hm
esser
Leistung
Substrat: Polyimid
Pulsdauer t=100 fs;
Wellenlänge =400 nm
nPS = 1,58
nSiO2 = 1,45
Nanostrukturierung mit Optischer Pinzette
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Nanostrukturierung mit Optischer Pinzette
Effiziente Transfektion
durch Nahfeld-Zellchirurgie
Gezielte Bearbeitung von
Zellbestandteilen
Anwendungspotenzial in Forschung und Technik: Biologie / Medizin
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Nanostrukturierung mit Optischer Pinzette
Additive Fertigung:
Mehrphotonenpolymerisation und
lichtinduzierte Metallabscheidung
Kombinierte additive und subtraktive
Herstellung von Metamaterialien
Bild: http://www.materialsviews.com
Particle
Anwendungspotenzial in Forschung und Technik: Additive Fertigung
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Prozess-Werkstoff-Matrix
Metalle Kunststoffe Glas & Keramik Halbleiter
Urformen
Umformen Mikroschockwellen
Umformung
Mikroschockwellen
Umformung
Mikroschockwellen
Umformung
Trennen Abtrag, Oberflächen-
strukturierung
Oberflächen-
strukturierung
Trepanieren, Abtrag,
Oberflächen-
beschriftung
Abtrag (Solarzellen),
Oberflächen-
strukturierung
Fügen Glas-Metall-Fügen Glassschweißen Glas-Halbleiter-
Fügen
Beschichten
Stoffeigenschaften
ändern
Wellenleiter-
erzeugung,
Innenbeschriftung
Forschungsarbeiten Industrieeller Einsatz Zukunftspotenzial
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Immer komplexere Fragestellungen lassen die Disziplinen wieder zusammenwachsen…
… und verändern das Anforderungsprofil an den modernen Ingenieur.
Mechanik,
Elektrotechnik, etc.
Klass. Ing.-wesen
Fluiddynamik,
Thermodynamik,
etc.
Spez. Ing.-wesen
Molekülwechsel-
wirkungen bis
Verfahrenstechnik
Chemie
Optik,
Elektrodynamik,
Quantenmechanik
Physik
Programmierung,
Bildverarbeitung,
Statistik, etc.
Mathematik/
Informatik
Buchhaltung,
Bilanzierung,
Logistik, etc.
BWL Ingenieur
Neue Herausforderungen
Metalle, Polymere
Verbundwerkstoffe
Nanowerksstoffe
Materialwiss.
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.
Prof. Dr.-Ing. Michael Schmidt
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Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Paul-Gordan-Straße 3
91052 Erlangen
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Fax: +49 / (0)9131 / 85 23234
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