Oberflächenstrukturieren mit ultrakurzen Laserpulsen

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Als Dissertation genehmigt von der Fakultät für Maschinenbau der Universität Stuttgart Hauptberichter: Prof. Dr. rer. nat. habil. Friedrich Dausinger Mitberichter: Prof. Dr. rer. nat. Heinz Kück Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar. Zugleich: Dissertation, Stuttgart, Univ., 2005 D 93 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, der Entnahme von Abbildungen, der Wiedergabe auf photomechanischem oder ähnlichem Wege und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen bleiben – auch bei nur auszugsweiser Verwendung – vorbehalten. Copyright © Herbert Utz Verlag GmbH 2006 ISBN 3-8316-0573-4 Printed in Germany Herbert Utz Verlag GmbH, München Tel.: 089-277791-00 · www.utzverlag.de
Kurzfassung In jüngerer Zeit steigt das industrielle Interesse an der Mikrostrukturierung von Oberflächen, beispielsweise zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften. Das Abtragen mit Laserstrahlung stellt eine flexible Möglichkeit zur Herstellung solcher Strukturen dar, beispielsweise beim so genannten Laserhonen von Zylinderlaufbahnen in Verbrennungsmotoren. Bei dieser Anwendung werden Ölförderstrukturen in die Zylinderwand eingebracht, wodurch Ölverbrauch und Partikelemission deutlich reduziert werden können. Die heute üblicherweise eingesetzten Laserstrahlquellen arbeiten mit Pulsdauern im Nanosekundenbereich, was zur Bildung von Schmelzschichten und Graten führt. Zahlreiche Veröffentlichungen zeigen, dass die Entstehung von Schmelze durch Verkürzung der Pulsdauer in den Femtosekundenbereich vermieden werden kann. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss grundlegender Prozessparameter beim Oberflächenstrukturieren mit ultrakurzen Laserpulsen untersucht. Das Ziel war ein erweitertes Prozessverständnis im Hinblick auf eine mögliche industrielle Umsetzung. Die Experimente zeigten, dass eine weitgehend schmelzfreie Bearbeitung bei Pulsdauern unterhalb von 10 ps möglich ist, wenn eine Energiedichte knapp oberhalb der Abtragschwelle gewählt wird. Eine höhere Pulsenergie führt auch bei Femtosekundenpulsen zur Bildung von Schmelze, während die Pulsdauer unterhalb von etwa 10 ps einen eher geringen Einfluss auf die Entstehung von Schmelze hat. Aufgrund der geringen Energiedichte ist die Abtragsrate sehr gering. Eine Möglichkeit, die Abtragsrate bei gleich bleibender Qualität zu steigern, ist die Verwendung von Strahlquellen mit hoher Repetitionsrate. Mit verfügbaren Laserstrahlquellen lassen sich Muster und Prototypen in kurzer Zeit herstellen, die Anwendung in der Serienfertigung wird jedoch von der Entwicklung industrietauglicher Laserstrahlquellen abhängig sein. Aus den Untersuchungen der vorliegenden Arbeit lässt sich ableiten, dass für eine wirtschaftliche Anwendung Strahlquellen mit einer Repetitionsrate von einigen 100 kHz bei einer Pulsenergie von mehr als 20 µJ notwendig sind.
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