Formidable: Mikrostrukturbildung beim Laserstrahlbohren

Das Laserstrahlbohren ermöglicht die Fertigung kleinster Löcher in nahezu beliebigen Materialien. Die Technologie findet heute hauptsächlich in der Mikromaterialbearbeitung Anwendung, so zum Beispiel zur Fertigung von Einspritzdüsen, Filtern oder zur Erzeugung von Kühlbohrungen in Turbinenschaufeln. Durch die Verwendung von ultrakurzen Laserpulsen (Pulsdauer kleiner 1*10-12s) soll der Wärmeeintrag in den zu bearbeitenden Werkstoff minimiert werden, um so z.B. qualitätsmindernde Schmelzeanhaftungen zu vermeiden. Beim sogenannten Laserstrahl- Perkussionsbohren wird die Bohrung mit vielen, aufeinanderfolgenden Laserpulsen erzeugt, ohne dass dabei der Laserstrahl relativ zum Werkstück bewegt wird. Das Perkussionsbohren mit Ultrakurzpulslaser ist ein hochkomplexer Prozess, bei dem eine Vielzahl von Wechselwirkungsmechanismen zwischen Laserstrahl und Werkstoff auf sehr kleinen zeitlichen und räumlichen Skalen zusammenwirken. Dabei treten insbesondere beim Bohren von Metallen Strukturbildungsphänomene auf, deren Ursachen noch ungeklärt sind. Sie führen z.B. zu unerwünschten Ablagerungen im Inneren des Bohrlochs und am Bohrungseingang. Zudem kann es zur Bildung von Mehrfachlöchern und zu ausgefransten Bohrlochausgängen kommen. Da die Kantenqualität und Formgenauigkeit von Mikrolöchern für die meisten Anwendungen kritisch sind, schränken die genannten Phänomene die Anwendbarkeit des Verfahrens ein. Es wird davon ausgegangen, dass die qualitätsmindernden Nano- und Mikrostrukturen durch Selbstorganisation bei der Wechselwirkung zwischen dem ultrakurzen Laserpuls und dem Material entstehen. Sie entstehen sukzessive während des gesamten Bohrprozesses. Die Ausbildung neuer Strukturen wird dabei maßgeblich durch jeweils zuvor gebildete Strukturen beeinflusst. Ziel dieses Kooperationsprojektes zwischen dem Institut für Fertigungstechnik und Photonische Technologien an der TU Wien und dem Institut für Strahlwerkzeuge an der Universität Stuttgart ist es, die grundlegenden Mechanismen und die entsprechenden Bearbeitungsparameter zu identifizieren, die die Strukturbildung während des Bohrprozesses steuern, und deren Einfluss auf die endgültige Bohrlochqualität zu klären. In Stuttgart wird die Strukturbildung beim Laserstrahl-Perkussionsbohren experimentell diagnostisch untersucht, während in Wien umfangreiche multiphysikalische Simulationen des Prozesses durchgeführt werden. Die experimentellen Daten dienen dabei als Input für die numerische Modellierung, während die Analyse der Simulationsergebnisse dazu beiträgt, den diagnostischen Aufbau so zu verbessern, dass die entscheidenden Effekte gezielt beobachtet werden können. Erst die Kombination von simulativen und experimentellen Arbeiten ermöglicht es, die physikalischen Mechanismen der Strukturbildung und -entwicklung beim Perkussionsbohren mit ultrakurzen Laserpulsen zu verstehen, um so letztendlich Maßnahmen zur Optimierung der Bearbeitungsqualität zu entwickeln und neue Anwendungen zu erschließen.