Polygonscannerbasierte Hochleistungs-Ultrakurzpuls-Laserstrukturierung

Ultrakurzpulslaser (UKP) werden seit einiger Zeit in der Industrie erfolgreich eingesetzt. Die Strukturierung von Spritzguss- und Prägewerkzeugen sind bereits Stand der Technik, da die Qualität des Bearbeitungsergebnisses zeit- und kostenaufwendige Nachbearbeitungsschritte zur Entfernung von Graten oder Schmelzablagerungen überflüssig macht. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Laserstrukturierungssystem aufgebaut, dass einen Polygon-scanner zur Laserstrahlablenkung verwendet. Bei der Brennweite von 163 mm werden Bearbeitungsgeschwindigkeiten von bis zu 360 m/s erreicht, was deutlich über der üblichen Bearbeitungsgeschwindigkeit von 1 - 5 m/s mit industriell genutzten Galvanometerscannern liegt. Hierdurch kann die Produktivität bzw. Abtragsrate bei gleichbleibender Oberflächen-qualität deutlich gesteigert werden und das verfügbare Potenzial heutiger Hochleistungs-Ultrakurzpulslaser mit mehr als 100 W mittlerer Leistung und Pulsfrequenzen im MHz-Bereich ausgeschöpft werden. Bei der Laserstrukturierung bei diesen Scangeschwindigkeiten und Pulsfrequenzen im MHz-Bereich führen bereits kleinste Toleranzen der Synchronisation aller Teilsysteme und der Fertigung der Komponenten zu Geometrieabweichungen des Strukturierungsergebnisses. Alle relevanten Abweichungsursachen, welche zu einer Abweichung der Strukturierung von der Sollgeometrie beitragen, wurden analysiert und in die drei Kategorien Prozessdatenkonvertierung, systembedingte und prozessbedingte Abweichungsursachen gruppiert. Die systembedingten Ursachen für Geometrieabweichungen sind für die Strukturierung mit vielen Schichten statistisch beschreibbar. Auf Basis der statistischen Einzelfehlerverteilungen der Komponenten und Signalflüsse des Systems kann die Übertragungsfunktion des Bearbeitungssystems in Form einer Punktspreizfunktion berechnet werden. Mit Hilfe dieses statistischen Modells können die erwarteten Geometrieabweichungen des Prozessergebnisses vor dem Prozess mit Methoden der Bildverarbeitung simuliert werden. Die Punktspreizfunktion kann zusätzlich verwendet werden, die statistisch zu erwartenden Abweichungen vor dem Prozess aus den Prozessdaten herauszurechnen. Der direkte Vergleich der Strukturierungen basierend auf originalen und vorverarbeiteten Prozessdaten zeigt, dass die mit dem Laser abgetragene Struktur durch die Vorverarbeitung bildlich scharfgezeichnet wird.

Ultra-short pulse (USP) lasers are already being successfully used in industry for laser structuring of injection-molding and embossing tools. The quality of the structuring result avoids the need for time-consuming and costly post-processing steps for removing burrs or melt deposits. Within the scope of this thesis a laser structuring system was developed that uses a polygon scanner for laser beam deflection. With the focal length of 163 mm, the system reaches scanning speeds of up to 360 m/s, which is clearly above the usual processing speed of 1 - 5 m/s with galvanometer scanners commonly used in the industry. As a result, the productivity and material ablation rate can be significantly increased while maintaining the highest surface quality. At these scanning speeds even laser pulses at pulse frequencies in the MHz range are separated which is essential for low thermal impact and exploiting the potential of today's high-performance USP lasers with more than 100 W average power. Geometrical deviations of the structuring result from the very small tolerances of the synchronization of all subsystems and the production of the components when laser structuring at these high scanning speeds and pulse frequencies in the MHz range. All relevant deviation sources, which contribute to a deviation of the structuring result from the target geometry, were analyzed and grouped into three categories: process data conversion, sys-tem- and process-related sources for deviations. The system-induced causes for geometry deviations can be statistically described for laser structuring with many processing layers. On the basis of the statistical individual error distributions of the components and signal flows of the system, the transfer function of the processing system can be calculated in the form of a point spread function. Using this statistical model, the expected geometry deviations of the processing result can be simulated using image processing methods.In addition, the point spread function can be used to compensate for the statistically expected deviations by preprocessing the process data. The comparison of the laser structuring results based on original and pre-processed process data shows that the laser ablated structure is visually sharpened by the pre-processing.