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Fertigungstechnisches Seminar
„Ultrafast Lasers - Technologies
and Applications”
21. März 2013
Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigung
ETH Zürich
Prof. Dr. Konrad Wegener
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Programm für heute Nachmittag
13:30-13:45 Begrüssung
Prof. K. Wegener, Institutsvorsteher IWF ETH Zürich
13:45-14:30 Digital Photonic Production
Prof. Dr. Reinhart Poprawe, Fraunhofer ILT, Aachen
14:30-15:15 High average power ultrafast lasers
Prof. Dr. Ursula Keller, Institute of Quantum Electronics, ETH Zürich
15:15-15:45 Networking Break, sponsored by Swissphotonics
15:45-16:30 UKP Laser in der Produktion – Spielzeug oder Werkzeug
Dr. Prof. Dr. Michael Schmidt, Lehrstuhl für Photonische
Technologien, Universität Erlangen
16:30-17:15 Laser based processes for thin film deposition
Prof. Dr. Thomas Lippert, Paul Scherrer Institut, Villigen
17:15-17:20 Update Swissphotonics as the Swiss national technology
network (NTN) for photonics
Dr. Christoph Harder, Präsident Swissphotonics
17:30-18:30 Apéro
Gesponsert durch Swissphotonics
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Applikationen, Verfahren, Trends
Laseranwendungen heute in allen Verfahrenshauptgruppen der
Fertigungstechnik
© CRMA
Fertigungsverfahren
DIN 8580
Urformen
Umformen
Trennen
Fügen
Beschichten
Eigenschaft
ändern
• Härten
• Anlassen
• Aufschäumen
• Schmelzen/
Umschmelzen
• Oberfläche
Amorphisierung
• Oberfläche
Legieren
• Pulverauftrag-
schweissen/
Beschichten
• Strukturieren
• Unterstützte
Reinigung
• Schweissen/
Löten
• Auftrag-
schweissen
(Reperatur)
• Schneiden/
Bohren
• Laser-
spektrometrie
• Markieren/
Abtragen/
Gravieren
• Biegen/
Richten
• Generative
Verfahren
Laser Material
Bearbeitung
Mit Phasen- und Zustandsänderung Ohne Phasenumwandlung
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Laser-Mikrobearbeitung – Spannungsfeld der Anforderungen
Nach K.Sugioka et al.
„Laser Processing and
Chemistry“ 2010
Kurven sind nur qualitativ.
Kurze Pulsbreiten für präzisen / schädigungs-
freien Materialabtrag
vs.
Hohe Pulsenergien / mittlere Leistungen für
wirtschaftliche Prozesse
Wo fängt «Ultrakurzpuls» an?
«Kalte Ablation»!, tatsächlich?
Was ist noch «Makro», was bereits
«Mikro»?
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Ultrakurzpuls- Industrieller Durchbruch 201x?
Forschung in der Ultrakurzpuls-
Lasermikrobearbeitung:
«Die Suche nach Parametern»
– Industrieller Durchbruch
braucht:
– Leistungsfähigere und
wirtschaftlichere
Prozesse/Laserquellen
– Industrietaugliche turn-key
Lasermikrobearbeitungssysteme
– Anwendungsspezifische
Prozessparameter «auf der
Maschine» (vgl. CO2-
Laserblechbearbeitung)
Ultrakurzpulslaser
hoher Leistung (Quelle:
Amphos, Edgewave)
3D-Lasermikrobearbeitungs-
workstations (Quelle: GFH,
Kugler)
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Trends in Laserforschung
↑ mittlere Leistung und ↓ Pulsbreite (Faser vs. Scheibe)
Schnelle Laserbearbeitung von Halbleitern (PV, Mikrochip):
– Dünne Schichten
Nanostrukturieren
Bearbeitung von schwer bearbeitbaren Werkstoffen:
– Werkzeuge (z.B. PKD, cBN)
– Glas (z.B. Quarz, Borosilikat, Saphir)
Quellen: Rofin, LMT/Kieninger, Laser Focus World , B.K. Nayak et al.
Faserbauweise
Pyrex
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Trends in der Laserforschung
Wissenschaftliche und industrielle Anwendungen verlangen nach
Lasern mit ultrakurzen Laserpulsen und hohen Leistungen.
– «High average power ultrafast lasers» Prof. Dr. Keller
Vermehrte Kooperation in Forschung zwischen Hochschule &
Industrie mit Ziel der schnelleren Umsetzung.
– «Digital Photonic Production» Prof. Dr. Poprawe
Entwicklung von effizienteren und präzisen Bearbeitungsprozessen.
– «UKP Laser in der Produktion – Spielzeug oder Werkzeug»
Prof. Dr. Schmidt
Bearbeitung dünner Strukturen.
– «Laser based processes for thin film deposition» Prof. Dr. Lippert
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Lasermikrobearbeitungsforschung am IWF
Lasertouchieren von Abrichtrollen
– Abrichtzeit >2x schneller zu mech. Abrichten
– Keine signifikante Graphitisierung
– Entfernen unerwünschter Flanken auf Diamantkorn
– Prozesskräfte geringer
– Weniger Energieeintrag auf WS bei SiC
Abrichtvorgang durch bessere Oberfläche
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Lasermikrobearbeitungsforschung am IWF
Laserabrichten hybridgebundener CBN-Schleifscheiben
Erzeugen der Schleifscheiben Topographie:
1 mm
Laserabrichten
Tangential Radial
Vorschub
Schärfen Profilieren
Laser Vorschub
Schleifergebnisse:
Tangential- und Normalkräfte (Ft, Fn) signifikant
tiefer bei Bearbeitung mit gelasertem Werkzeug
Gleichbleibender Abstand zu konventioneller
Kraftkurve selbst bei hohen Materialabtragsraten
Leicht höherer Verschleiss durch grösseren
Kornüberstand
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Lasermikrobearbeitungsforschung am IWF
Profilieren von Schleifstiften:
Radius
< 20 µm
Radius
1 mm
Werkstück
Werkzeug
1 mm
Werkzeug
Resultate
– Schleifbedingungen stabil nach
Einlaufen
– Kompakte Oberfläche durch
tangentiales Laserprofilieren
– Kornbeschädigung durch Lasereinfluss
vernachlässigbar
– Beim Einlaufen erfolgt Selbstschärfung
& teilweise Kornausbrüche
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Lasermikrobearbeitungsforschung am IWF
Enabling advanced functionalities of Diamond and other ultra-
hard materials by Integrated Pulsed Laser Ablation Technologies
FP7-2012-NMP-ICT-FoF
FoF.NMP.2012-7 - New technologies for casting,
material removing and forming processes
www.fp7-diplat.eu
Coordinator contact: IWF / ETH Zurich
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Simulation Ablenkeinheiten und Strahlformung
Verhaltenverständnis und neues Design von Ablenkeinheiten
Prozesseffizienz, Fehlerquellen und Genauigkeit optimieren
Strahlformung unterschiedliche Abtragsergebnisse:
Entsprechende Verteilung für bestimmte Anwendung
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Simulation kurzer und ultrakurzer Laserpulse
Heute: Ermittlung optimaler Bearbeitungsparameter erfolgt meist experimentell
Ziel: Vorhersage des Bearbeitungsergebnisses mittels Simulation.
Grenze zwischen «warmer»
und «kalter» Ablation ist
materialspezifisch und hängt
massgeblich von der
Elektronen-Phononen Kopplung
ab
Die Grenze kann grob bei etwa
10 ps Pulsdauer angesetzt
werden
In den thermischen und
athermischen Regimen werden
unterschiedliche mathema-
tische Modelle zur Beschrei-
bung herangezogen
Zwei-Temperatur
Modell
Klassische
Wärmeleitungs-
gleichung
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Simulation kurzer und ultrakurzer Laserpulse
Tp = 100 fs
Tp = 10 ps
Tp = 100 ps Tp = 20 ns
Zeitliche Temperaturentwicklung an der Oberfläche einer Kupferprobe:
TGitter
TElektronengas
TWärmeleitungstheorie
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Simulation kurzer und ultrakurzer Laserpulse
Herausforderungen:
Absorption der Laserenergie
material- und temperaturabhängig
Ermittlung der Zustands- & Trans-
portgrössen in einem grossen
Temperaturbereich
Modellierung der Ablations-
mechanismen
Geometrie des Ablations-
ergebnisses modellieren