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Mikrostrukturierung von Hartmetallen mit UV-Laserpulsen im Nanosekundenbereich

Heyl, Peter

English Title: Microstructuring of hardmetals with nanosecond uv-laserpulses

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PDF, German
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Abstract

In dieser Dissertation wurde der strukturierte Abtrag von Hartmetallen mit Laserpulsen im Nanosekundenbereich untersucht. Ziel war es über ein Verständnis des Gesamtprozesses von der optischen Absorption über den Einzelpuls- bis hin zum Volumenabtrag, eine Optimierung lasergefertigter Werkzeuge hinsichtlich Oberflächenqualität und geometrischer Genauigkeit vorzunehmen. Zur Beschreibung des Abtragsprozesses wurde eine Erweiterung der Lösung der dreidimensionalen wärmeleitungsgleichung mit Greensfunktion ausgearbeitet, die die Phasengrenzen fest-flüssig sowie flüssig-gasförmig berücksichtigt. Der Abtrag durch Einzelpulse wurde mit den numerischen Ergebnissen einer einfachen Modellrechnung zum Laserabtrag verglichen, um Rückschlüsse auf das optimale Prozessfenster für die Werkzeugbearbeitung ziehen zu können. Schliesslich wurden erste Prägegeometrien und ein Beispielwerkzeug mit einer neu entwickelten Strukturierungsmaschine hergestellt. Als Laserquelle diente ein frequenzverdreifachter, gütegeschalteter Nd:YAG Festkörperlaser mit Pulsenergien bis zu 700µJ bei einer Wiederholrate von 3kHz. Bearbeitet wurden gesinterte Hartmetalle aus Wolframkarbid in einer Kobaltmatrix, ein für die Herstellung von Präge- und Stanzwerkzeugen üblicher Werkstoff.

Translation of abstract (English)

The stuctured ablation of hardmetals with nanosecond laserpulses at 355nm has been investigated. On the basis of a general understanding of the complete ablation process - including phenomena like light absorption, phase transition, vapor expansion or plasma formation - laser processing of microtools has been optimized with regard to surface quality and geometrical accuracy. A more complex solution for the threedimensional heat-equation with greensfunction including the phase transitions solid-liquid and liquid-gas was elaborated. In order to describe the optimum process window for the laser ablation of microtools the geometrie of single pulses in metal was compared to the numerical solution of a simple model of laser ablation. Finally, a number of embossing geometries and a prototype microtool were structured with a newly developed laser ablation machine. The laser source was a frequency tripled, Q-switched Nd:YAG laser with a repetition rate of 3kHz and pulse energies up to 700µJ. The material used in the experiments was tungsten carbide sintered in a cobalt matrix, which is a material typical for embossing- and stamping-tools.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Hunklinger, Prof. Dr. Siegfried
Date of thesis defense: 21. July 2004
Date Deposited: 13. Sep 2004 09:41
Date: 2004
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Kirchhoff Institute for Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Laserbearbeitung, Hartmetall, Hartmetallwerkzeug, Prägen, Neodym-YAG-Laser
Uncontrolled Keywords: Mirkroprägen , Mikroprägewerkzeugelaser-processing , hardmetal , micro-embossing , neodym-YAG-Laser
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