Oberflächenstrukturieren mit ultrakurzen Laserpulsen

2.1 Abtragsverfahren 25
gebündelt und erreichen Leistungsdichten von 10 8 bis 10 9 W/cm². Zum Bohren und
Abtragen werden überwiegend gepulste Strahlen verwendet. Die Pulsdauern liegen in
der Größenordnung weniger Millisekunden. Im Gegensatz zum Laser ist die Pulsspitzenleistung
eines gepulsten Elektronen- bzw. Ionenstrahls nicht höher als die Dauerleistung
eines kontinuierlichen Strahls. Im Bereich der Elektronenstrahlerzeugung ist
ein Hochvakuum in der Größenordnung von 1*10 -7 bar notwendig. Der gebündelte
Strahl kann nach der Magnetlinse auch bei höherem Druck geführt werden. Hierzu
wird der Druck zwischen Elektronenstrahlkanone und Arbeitskammer über mehrere
Druckstufen erhöht. Mittlerweile gibt es Elektronenstrahlanlagen, die bei Atmosphärendruck
in der Arbeitskammer betrieben werden können. Die kleinsten erreichbaren
Strukturgrößen liegen in der Größenordnung von etwa 30 µm bei Aspektverhältnissen
von bis zu 1:17 [28].
2.1.6 Laserabtragen
Das Laserabtragen beruht auf dem Prinzip, Material an der Werkstückoberfläche durch
Laserstrahlung lokal zu erwärmen. Beim üblicherweise eingesetzten Schmelz- bzw.
Sublimationsabtragen wird Material aufgeschmolzen, verdampft und durch den
Dampfdruck aus der Wechselwirkungszone getrieben. Teilweise wird zusätzlich ein
koaxial zum Laserstrahl geführter Gasstrahl zur Unterstützung des Materialaustriebs
angewendet. Aufgrund der relativ hohen notwendigen Leistungsdichte kommen ausschließlich
gepulste Lasersysteme zur Anwendung. Beim Abtragen von Metallen wird
die Strukturpräzision durch Ablagerungen in Form von Schmelzschichten und Graten
beeinträchtigt. Bei einigen Keramiken ist aufgrund der nicht vorhandenen Schmelzphase
ein echter Sublimationsabtrag möglich. In industriell eingesetzten Anlagen zum
Laserabtragen werden heute üblicherweise gepulste Nd:YAG-Laser mit Pulsdauern
von wenigen 100 ns und Leistungen von wenigen bis zu einigen 100 W eingesetzt
[29]. Um die Herstellung von genau definierten Strukturkanten zu ermöglichen, wird
der Einfallswinkel des Laserstrahls relativ zur Werkstückoberfläche gezielt verändert.
Mit solchen Anlagen sind Genauigkeiten von 0,01 mm und Oberflächenrauigkeiten
von 1,0 µm erreichbar.
Ein völlig anderer Ansatz liegt dem reaktiven Abtragen, auch als Laserspanen bezeichnet,
zugrunde, mit dem vor allem Eisenwerkstoffe abgetragen werden können.
Hier wird das Material nur bis knapp unterhalb der Schmelztemperatur erwärmt. Oberhalb
der Zündtemperatur reagiert das Material mit Sauerstoff, der entweder aus der
Umgebungsluft stammt oder aber extra zugeführt wird, zu Eisenoxid. Durch die unter-