Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3020
Main Title: Entwicklung einer rotierenden Bearbeitungsoptik zur Lasermikrobearbeitung
Translated Title: Development of a rotating optical processing system for Laser Micromachining
Author(s): Müller, Norbert
Advisor(s): Lehr, Heinz
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Kommerziell erhältliche sowie in der Literatur beschriebene Lasermaterialbearbeitungssysteme unterscheiden sich deutlich in Größe, Gewicht, Flexibilität und optischem Aufbau von der hier vorgestellten Bearbeitungsoptik. Die bisherigen Bearbeitungsmodule lassen sich nur schwer in die standardmäßige Anlagentechnik integrieren. Aufgrund ihrer Größe und ihrem Gewicht müssen sie speziell angepasst werden. Mit der vorliegenden Arbeit wird ein System beschrieben, welches mit Blick auf einen großen Anwenderkreis konzipiert wurde. Die geometrischen Abmessungen sowie das Gewicht können in die Dimensionen heutiger Scannersysteme eingeordnet werden. Somit ist das Einwechseln in standardmäßige Bearbeitungsmaschinen problemlos möglich. Die Flexibilität der Fokussieroptik überspannt ein weites Parameterfeld und lässt ein breites Applikationsspektrum zu. Bei der Bearbeitung transparenter Werkstoffe konnten unter der Verwendung der hier vorgestellten Bearbeitungsoptik neue schonende Verfahren vorgestellt werden. Durch die gleich-mäßige Verteilung der Einzelpulse ist es möglich, nahezu beliebige Aspektverhältnisse bei Durchmessern von über 300 µm in transparente Werkstoffe einzubringen. Ebenso wird ge-zeigt, dass dieses Verfahren die Bearbeitung von Freiformkonturen in Werkstücke nahezu jeder Stärke gestattet. Zylindrische Bohrungen mit Durchmessern von ca. 100 µm werden mit einem Aspektverhältnis von 1:10 in bisher nicht gekannter Qualität hergestellt. Ein- und Austrittsseite sind frei von Ausmuschelung und Rissbildung. Der Bohrkanal selbst weist eine glatte und homogene Wandstruktur auf. Das Wendelbohren erhöht die Qualität der Bohrung deutlich, was für keramische Materialien ebenso zutrifft wie für die metallischen Werkstoffe. Der Schmelzanteil keramischer Werkstoffe ist deutlich kleiner, führt jedoch ebenso wie bei den metallischen Werkstoffen zu einer Qualitätserhöhung im Bohrwandbereich. Gerade dem Temperaturschock bei empfindlichen glasartigen, kristallinen und keramischen Werkstoffen kommt diese Art der Bearbeitung entgegen, da der Wärmeeintrag nicht wie beim Perkussionsbohren auf eine Stelle konzentriert, sondern über die Bearbeitungsbahn verteilt wird. Präzision und Geometrie der Strukturen keramischer Werkstoffe unterscheiden sich nicht von dem bei metallischen Werkstoffen. Im Vergleich zum Perkussionsbohren ist die Wärmeeinflusszone deutlich geringer und der Materialauswurf im Ein- und Austrittsbereich vernachlässigbar klein. Die hier vorgestellte Technologie bietet für die Fertigung eine Reihe von unschlagbaren Vor-teilen, was Bearbeitungszyklen, Qualität und Formgebung angeht, die mit konventionellen Verfahren, nur sehr schwer oder gar nicht realisiert werden können. Technisch eröffnet dies bei der Entwicklung von Produkten neue Möglichkeiten, die sowohl die Gestaltungsfreiheit wie auch Effizienz erhöhen und dadurch letztendlich auch zur Einsparung von Kosten führt.
Both commercially available machining systems and those described in the literature differ markedly in size, weight, flexibility and optical set-up when compared to the processing op-tics described in this work. As a consequence, it is not easy to incorporate older processing modules into standard installations because their dimensions and weight require special adap-tation of the module. The system presented here was developed with a larger user-group in mind. As the geometri-cal dimensions and weight are comparable to modern scanner systems, the installation of the-se innovative systems into standard sized processing machines is not a problem. The flexibili-ty of the focusing optics covers a broad range of parameters and allows a wide range of appli-cations. A new low impact method for processing transparent materials is presented which makes use of the machining optics introduced here. Due to the even distribution of the single pulses, it is possible to generate user-defined aspect ratios for diameters >300µm in transparent materials. The method allows objects to be processed with freeform contours for virtually every thickness of material. Cylindrical drill holes of approx. 100µm diameter can be produced with an aspect ratio of 1:10, demonstrating a hitherto unknown quality standard. The entry and exit sides are free from shelling or cracking, and the drill hole has a smooth and homogenous wall structure. Spiral drilling raises the quality of the drill hole both in ceramic and metallic materials. Less molten material is produced during the processing of ceramic materials, which like metallic materials, results in a higher quality of the drill wall area. This type of machining is particu-larly suitable for temperature-sensitive glass-like, crystalline and ceramic materials because the heat input is not concentrated at any one point, being distributed over the entire processing path. Ceramic materials processed in this way show the same degree of precision and geo-metry as metals. Compared to percussion drilling, the heat affected zone is considerably smal-ler and the amount of material expelled in the entry and exit area is negligible. This technology offers a series of significant advantages for the production process with re-spect to machining cycles, quality and design, which using conventional methods could only be realized with difficulty, if at all. Technically this opens up new possibilities with regard to design flexibility and efficiency, and ultimately in cutting costs.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-33204
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3317
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3020
Exam Date: 27-Oct-2011
Issue Date: 15-Nov-2011
Date Available: 15-Nov-2011
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Laserbohren
Lasermikrobearbeitung
Laser drilling
Laser Micromachining
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