Abstract
Fortschreitende Entwicklungen in der Mikroelektronik und -systemtechnik verlangen kontinuierlich nach neuen präziseren Fertigungsverfahren. Daraus ergibt sich die Forderung, metallische Werkstoffe präzise zu strukturieren. Deshalb befasst sich diese Arbeit mit dem Verfahren des Laser-Mikrospanens, um insbesondere die Strukturpräzision zu erhöhen. Bei diesem Prozess wird der Werkstoff auf Zündtemperatur erhitzt und unter Sauerstoffumgebung oxidiert. Dadurch kann erreicht werden, dass das Material nicht über die schmelzflüssige Phase abgetragen wird. Der entstehende Oxidspan kann dadurch in fester Form von der Materialoberfläche entfernt werden. Dabei kommen Festkörperlaser zum Einsatz, die bei hoher Strahlqualität eine gute Fokussierbarkeit ermöglichen. In der vorliegenden Arbeit wird das Prozessverständnis des Laserspanens erweitert. Dies erfolgt insbesondere durch die Betrachtung der ablaufenden Vorgänge in der Wechselwirkungszone sowie durch umfangreiche experimentelle Untersuchungen. Dabei hat sich gezeigt, dass sich eine in Abhängigkeit von den Prozessparametern mehr oder weniger stark ausgeprägte Dampfkapillare (Keyhole) ausbildet, wie sie vom Laserschweißen bekannt ist. Dadurch wird die Oxidschicht dünn gehalten, welche die Reaktionspartner Fe und O2 voneinander trennt, und es sind relativ hohe Strukturtiefen erreichbar. Auf das Abtragsergebnis haben verfahrenstechnische und materialspezifische Einflussfaktoren starke Auswirkungen. Um einen flächigen Abtrag zu erzeugen, werden die einzelnen Bearbeitungsspuren mit einem bestimmten Überlapp aneinander gereiht. Dabei hat sich gezeigt, dass der optimale Bahnversatz, um eine geringe Oberflächenrauheit zu erzielen, in einem Bereich zwischen 1/4 und 1/5 des Fokusdurchmessers liegt. Bei unlegierten und legierten Stählen ohne das Legierungselement Nickel war mit zunehmender Leistung eine lineare Zunahme der Strukturtiefe zu beobachten. Dabei nimmt die Abtragsrate mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt des Werkstoffs zu. Die Legierungselemente zeigen einen starken Einfluss auf die Spanbildung. Hochlegierte Werkstoffe bilden zusammenhängende, flächige Oxidspäne aus, wohingegen der Span bei unlegierten Werkstoffen relativ schnell zerfällt. Tiefe und dreidimensionale Strukturen mit geringer Rauheit des Strukturgrunds können über eine Mehrfachbearbeitung erzielt werden. Mit dem Verfahren des reaktiven Abtragens ist es somit möglich, sehr präzise Strukturen unter Vermeidung eines Nachbearbeitungsverfahrens herzustellen. Anwendungsfelder sind insbesondere dort zu sehen, wo im Prototypenstadium häufig die Struktur geändert wird und somit eine hohe Flexibilität gefordert ist.
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