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- 9.5 Tribologie und Verschleißschutz (6)
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- 4 Material und Umwelt (2)
- 4.1 Biologische Materialschädigung und Referenzorganismen (2)
- 6.6 Physik und chemische Analytik der Polymere (1)
Ultrashort laser pulse micromachining features a high precision. By increasing the repetition rate of the applied laser to several 100 kHz, laser processing becomes quick and cost-effective and make
this method attractive for industrial applications. Upon exceeding a critical laser intensity, hard X-ray radiation is generated as a side effect. Even if the emitted X-ray dose per pulse is low, the accumulated X-ray dose becomes significant for high-repetition-rate laser systems so that radiation
safety must be considered.
Ultrashort laser pulse micromachining features a high precision. By increasing the repetition rate of the applied laser to several 100 kHz, laser processing becomes quick and cost-effective and make this method attractive for industrial applications. Upon exceeding a critical laser intensity, hard X-ray radiation is generated as a side effect. Even if the emitted X-ray dose per pulse is low, the accumulated X-ray dose becomes significant for high-repetition-rate laser systems so that radiation safety must be considered.
Die Reduktion von Reibung und Verschleiß in technischen Systemen bietet ein großes Potenzial zur Reduktion von CO2-Emissionen. Dieser Beitrag diskutiert die Erzeugung und tribologische Charakterisierung von Ultrakurzpuls-generierten Nano- und Mikrostrukturen auf Metallen (Stahl, Titan). Besonderes Augenmerk wird dabei auf die Rolle der laserinduzierten Oxidschicht im Zusammenspiel mit verschleißreduzierenden Additiven in ölbasierten Schmiermitteln gerichtet.
Lasermaterialbearbeitung ist eine sich schnell entwickelnde Technologie, um eine Vielzahl von Oberflächenfunktionalitäten auf Basis optischer, mechanischer oder chemischer Eigenschaften zu realisieren. Die Verwendung ultrakurzer Laserimpulse mit Dauern im Femtosekundenbereich ermöglicht dabei neben einer herausragenden Bearbeitungs-präzision auch die selbstorganisierte Erzeugung verschiedener charakteristischer Ober-flächenstrukturen mit Größenskalen im Mikrometer- bis hinunter in den sub-100-nm-Bereich, z.B. sogenannte Ripples („Laser-Induced Periodic Surface Structures“, LIPSS), Grooves, oder Spikes.
In dem Vortrag wird ein Überblick über die in den vergangenen Jahren in Zusammenarbeit mit dem BAM Fachbereich 6.3 durchgeführten tribologischen Experimente gegeben. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf den tribologischen Eigenschaften (Reibung und Verschleiß) der unterschiedlichen Femtosekunden-Laser-generierten Oberflächen-morphologien auf gängigen Metallen (z.B. Stahl, Titan). Einflüsse durch die Veränderungen der Härte des Werkstoffs infolge Laser-induzierter Oxidation, der Dicke und Struktur der Oxidschicht, und die Wirksamkeit unterschiedlicher Schmiermittel (z.B. additiviertes Motoröl) werden diskutiert.
The role of electromagnetic scattering in the formation of laser-induced periodic surface structures
(2021)
Laser-induced periodic surface structures (LIPSS) are a universal phenomenon that is accompanying laser materials processing. These surface nanostructures pave a simple way for surface functionalization with numerous applications in optics, fluidics, tribology, medicine, etc. During the last decade remarkable experimental and theoretical improvements in understanding of their formation mechanisms were obtained - all pointing toward polarization-dependent energy deposition by absorption of optical radiation that is scattered at the surface roughness and interfering with the laser beam. This contribution reviews the current state-of-the-art on the role of electromagnetic scattering in the formation of LIPSS by ultrashort laser pulses. Special attention is drawn to recent finite-difference time-domain (FDTD) calculations that allow to visualize the radiation patterns formed in the vicinity of the sample surface and to the impact of a thin superficial laser-induced oxidation layer.
Different types of laser-generated surface structures, i.e., Laser-induced Periodic Surface Structures (LIPSS, ripples), Grooves, and Spikes are generated on titanium and Ti6Al4V surfaces by means of femtosecond (fs) laser scan processing (790 nm, 30 fs, 1 kHz) in ambient air. Morphological, chemical and structural properties of the different surface structures are characterized by various surface analytical techniques, including scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), Glow discharge optical emission spectroscopy (GD-OES), and depth-profiling Auger electron spectroscopy (AES). It is revealed that the formation of near-wavelength sized LIPSS is accompanied by the formation of a graded oxide extending several tens to a few hundreds of nanometers into depth. GD-OES performed on other superficial fs-laser generated structures produced at higher fluences and effective number of pulses per spot area such as periodic Grooves and irregular Spikes indicate even thicker graded oxide layers. These graded layers may be suitable for applications in prosthetics or tribology.
The presentation reviews the BAM activities in the field of surface processing by ultrashort laser pulses. A focus is laid on the generation of laser-induced periodic surface structures (LIPSS) which allow various surface functionalizations for applications in optics, tribology, liquid management, and medicine.