Selbstorganisierende Strukturen in der Ultrakurzpuls-Bearbeitung

Momentan ist es in der Lasermaterialbearbeitung mit ultrakurzen Pulsen (UKP) weder möglich vor der Bearbeitung quantitative Vorhersagen über die Prozessergebnisse zu treffen noch möglicherweise dabei auftretende Effekte wie die Entstehung von selbstorganisierenden Strukturen zu kontrollieren. Die gezielte Erzeugung sowie Vermeidung dieser Strukturen ist von großem produktionstechnischen Interesse. Einerseits verursachen sie eine verringerte Strukturauflösung und ungewünschte Oberflächenrauheiten, andererseits können Änderungen der Oberflächenstruktur zu nutzbaren Eigenschaften wie einer ausgeprägten Hydrophobie führen.

In diesem Vorhaben soll daher ein multiphysikalisches Prozessmodell zur Simulation der UKP-Bearbeitung von Metallen entwickelt und angewandt werden. Als Zwischenziel soll anhand von Einzelpulsen untersucht werden, ob eine vollständige Bestimmung von Temperatur, Druck und Dichte durch eine transiente Beschreibung der Materialwärmeströme und der Zustandsgleichung möglich ist. Zudem soll analysiert werden, ob sich Spallation und Phasenexplosion durch einen fluiddynamischen Ansatz vollständig beschreiben lassen. Als Projektziel soll mittels Multipulsen die Entstehung komplexer, selbstorganisierender Strukturen wie Cone-Like Protrusions (CLP) und Laser-Induced Periodic Surface Structures (LIPSS) untersucht werden. Dabei soll der Einfluss von durch Oberflächenrauigkeiten verursachten Intensitätsveränderungen und der Fluiddynamik auf die Entstehung ermittelt werden.

Das geplante Projekt gliedert sich in drei Phasen. In der ersten, der Modellentwicklung, soll das bereits am Lehrstuhl für Photonische Technologien bestehende multiphysikalische UKP-Prozessmodell mit einem am Laserzentrum der Hochschule München bestehenden Modell zu Absorption und Wärmeeintrag gekoppelt werden. Zudem werden die Zustandsgleichung und die elektronischen Materialparameter modelliert. Ein Modell zur Berechnung der lokalen Intensität durch Lösen der Maxwell-Gleichungen wird entwickelt und eingebunden. Zum Abgleich und zur iterativen Modellverbesserung wird die Modellentwicklung kontinuierlich von Experimenten begleitet. Daraus ergibt sich eine sehr breite und genaue Betrachtung der Thermo- und Prozessdynamik, die die Basis des Projekts darstellt.

Die zweite Phase widmet sich Einzelpulsen. Mittels Simulation, Pump-Probe-Ellipsometrie und High-Speed-Videographie wird die Konsistenz der Modellbeschreibungen überprüft und eine Verbesserung des empirischen Prozessverständnisses erwartet. In der dritten Phase werden Multipulse adressiert. Durch Simulation, in-situ Pump-Probe-Mikroskopie und REM-, LSM-Analysen soll das empirische Prozessverständnis zur Multipulsbearbeitung verbessert werden. Dabei liegt der Fokus auf dem Einfluss fluiddynamischer Effekte auf die CLP- und LIPSS-Entstehung und der zusätzlichen Beeinflussung durch den inhomogenen, periodischen Energieeintrag, verursacht durch Interferenzeffekte der Oberflächenrauheit und plasmonische Effekte.