Implementation of femtosecond laser processing for materials testing and research

Titel in Übersetzung: Implementierung eines Femtosekundenlasers zur Materialbearbeitung in der Werkstoffprüfung

Manuel Pfeifenberger

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Die einzigartigen Eigenschaften eines Femtosekundenlasers, welcher hohe Abtragsraten bei gleichzeitiger minimaler Materialveränderung aufweist, förderte speziell in den letzten beiden Jahrzehnten die Erforschung neuer Einsatzgebiete. Speziell auf dem Gebiet der Mikrobearbeitung eröffnet ein Femtosekundenlaser neue Möglichkeiten. Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines neuartigen Systems, welches ein Rasterelektronen- und Rasterionenmikroskop sowie einen Femtosekundenlaser kombiniert. Das System basiert auf dem Zeiss Auriga Laser System, welches ab Werk mit einem Nanosekundenlaser ausgestattet ist. Nach der erfolgreichen Adaptierung des Femtosekundenlasers wurde dessen Potential für die Herstellung von Proben in der Werkstoffprüfung, im Speziellen für die Fabrikation von Proben für mechanische Experimente auf der Meso-Skala erprobt. Als erstes wurde die Bearbeitbarkeit von verschiedenen Materialien, wie Metallen, Polymeren und biologischen Materialien evaluiert. Relevante Parameter für die Herstellung von mikromechanischen Proben im Hinblick auf strukturelle Qualität, Präzision und Bearbeitungsgeschwindigkeit wurden bestimmt und eine Optimierung dieser Parameter durchgeführt. Die im Folgenden beschriebenen Studien zu aktuellen Fragestellungen der Werkstoffforschung wurden mit dem neuen System durchgeführt. Anhand von Biegebalken, die in dünne Wolframfolien geschnittenen wurden, konnte die Qualität der Bearbeitung des Femtosekundenlasers mit jener eines Nanosekundenlasers verglichen werden. Die Femtosekundenlaser Herstellung ergab eine höhere Oberflächenqualität und zeigte kein Kornwachstum unter der bearbeiteten Oberfläche, was im Gegensatz dazu beim Abtrag mit dem Nanosekundenlaser beobachtet wurde. Speziell bei der Fabrikation von mechanischen Proben mit Abmessungen von einigen hundert Mikrometer ist dieser geringe Einfluss auf das Material von entscheidendem Vorteil. Zusätzlich wurde eine Optimierung der Prozessparameter für eine effiziente Präparation der Biegebalken durchgeführt. Die Herstellung einer Anordnung von 100 Biegebalken mit Abmessungen von 420x60x25 µm3 in etwa einer halben Stunde demonstrierte den Vorteil des Femtosekundenlasers gegenüber eines Rasterionenmikroskops in Bezug auf die hohe Materialabtragsrate, womit die Leistung eines konventionellen Rasterionenmikroskops um mehrere Größenordnungen übertroffen wurde. Die Präparation von Zugproben auf der Meso-Skala aus hitzeempfindlichen Materialien mittels des Femtosekundenlasers sowie die mechanische Untersuchung dieser Proben wurden in zwei weiteren Studien gezeigt. Zum einen belegten Experimente an Fichtenholz das Potential der Lasertechnologie zur Erzeugung unverfälschter Proben aus biologischen Materialien um damit lokale mechanische Eigenschaften zu bestimmen. Zum zweiten erlaubten Zugproben aus drei verschiedenen Polymerfolien die lokale Bestimmung von Festigkeit und Duktilität sowie die Ermittlung des Einflusses der Laserbearbeitung auf diese Eigenschaften. Darüber hinaus wurde mit diesen Experimenten der Effekt von Elektronenbestrahlung auf die Zugeigenschaften dieser Polymerfolien untersucht. Abschließend wurde ein möglicher Ansatz für eine tiefenaufgelöste Bestimmung der mechanischen Eigenschaften präsentiert. Mittels Femtosekundenlaser hergestellten Single-Leg-Bending Proben konnte die Bruchzähigkeit für intergranulares Risswachstum in ultra-feinkörnigem Wolfram untersucht werden. Mit diesen Experimenten wurde der Risswachstumswiderstand entlang der langgezogenen Mikrostruktur von kaltgewalzten Folien mit einer Dicke von 100 µm und kaltgezogenen Drähten mit einem Durchmesser von 150 µm bestimmt. Die Bruchzähigkeit für die Drähte ergab 5.3 MPa√m. Die Folien zeigten einen signifikant niedrigeren Wert von 2.4 MPa√m. Der Unterschied konnte mittels der deutlich unterschiedlichen Rauigkeit der Bruchflächen erklärt werden.
Titel in ÜbersetzungImplementierung eines Femtosekundenlasers zur Materialbearbeitung in der Werkstoffprüfung
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Clemens, Helmut, Beurteiler B (intern)
  • Pippan, Reinhard, Beurteiler A (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2019

Bibliographische Notiz

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Schlagwörter

  • Femtosekundenlaser
  • Mikrobearbeitung
  • Mikromechanik
  • Probenpräparation
  • Kunststoffe
  • Biologische Materialien
  • Wolfram

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