Hoe werkt ultrakorte laserablatie en wat zijn de belangrijkste mechanismen achter dit proces?

Ultrakorte laserpulsen, die bestaan uit lasers met golflengtes in de orde van picoseconden (ps) of femtoseconden (fs), veroorzaken een ablatief proces waarbij het materiaal niet door thermische geleiding wordt beïnvloed. Dit zorgt ervoor dat de energie zich concentreert in een kleiner gebied, wat resulteert in een snellere afstoting van het materiaal. Het ontbreken van thermische effecten leidt ook tot een scherpe vormdefinitie van de geablateerde zone. Doordat er geen warmtegeleiding optreedt, wordt het ablatiediepte nauwkeurig bepaald door het ruimtelijke profiel van de laser en de optische penetratiediepte, terwijl het omringende materiaal onaangetast blijft. Dit beperkt de vorming van een thermisch beïnvloede zone (HAZ). Bovendien vereist de kortere duur van de pulsen minder energie om de noodzakelijke intensiteit voor optische doorbraak te bereiken. Dit verminderde energieverbruik vermindert het risico van onbedoelde schade aan het materiaal.

Er zijn verschillende mechanismen die bijdragen aan het proces van ultrakorte laserablatie, dat zich ongeveer 100 ps na de pulsbestraling afspeelt. De belangrijkste mechanismen omvatten de volgende: spallatie, smelten en verdamping, fase-explosie, kritische fase-separatie en Coulomb-explosie. Deze mechanismen zorgen voor het verwijderen van materiaal door de snelle interactie van de laserstraal met het doelmateriaal. De mate van effectiviteit van deze processen is afhankelijk van de intensiteit en de duur van de laserpulsen.

De verwijdering van materiaal tijdens dit proces gaat gepaard met de afstoting van een sterk gerichte plumeau, die zich snel uitbreidt in de omringende atmosfeer. Als de laserintensiteit hoog genoeg is, kan een deel van de plumeau geïoniseerd raken, wat resulteert in de vorming van plasma. Dit plasma kan worden gecreëerd door optische doorbraak en de ionisatie van atmosferische gassen, waarbij de voorkeur meestal uitgaat naar de doorbraakmethode vanwege de hogere initiële elektrondichtheid.

Plasma-ionisatie kan plaatsvinden door middel van een collisiemethode, genaamd inverse bremsstrahlung (IB), waarbij vrije elektronen met geladen deeltjes botsen en hen energie laten opnemen. Na de laser-excitatie breidt het plasma zich snel uit binnen het laserstraalkanaal en converteert zijn thermische energie naar kinetische energie, wat resulteert in een quasi-adiabatische expansie. Hoge-dichtheid plasmas kunnen zelfs een significant gedeelte van het incident laserlicht reflecteren. Gedurende deze expansie nemen de dichtheid en temperatuur van het plasma snel af.

Het plasma kan eveneens als een schild fungeren, waardoor het doelmateriaal wordt beschermd tegen de laserstraal. Als het plasma een kritische dichtheid bereikt, absorbeert het de meeste laserenergie en verspreidt zich terug naar de lasersource, wat leidt tot de vorming van een laser-ondersteunde absorptiegolf (LSAW). De interactie tussen de laser en het plasma is afhankelijk van verschillende factoren, zoals de intensiteit van de laser, de golflengte, de pulsduur, evenals de dichtheid, temperatuur en expansiesnelheden van het plasma.

Laserbestraling leidt ook tot de generatie van nanodeeltjes, vooral bij lagere intensiteiten. De materialen die aan de laserbestraling worden blootgesteld, bestaan uit een mengsel van atoomionen, ionenclusters en monomeren. De vorming van nanodeeltjes volgt de principes van de botsings-coalescentietheorie. Binnen de ablatieve plumeau komen de deeltjes samen door verhoogde temperaturen, waardoor iets grotere deeltjes ontstaan. Na de afkoeling van de plumeau stopt het coalescentieproces, en botsingen tussen de deeltjes leiden tot de agglomeratie van de deeltjes, wat resulteert in zogenaamde clusters.

Nanodeeltjes kunnen ook worden gevormd in een vloeibaar medium bij lagere intensiteiten. In dit geval is de expansiesnelheid van de ablatieve plumeau relatief traag, waardoor kleine clusters van 2–10 atomen zich in een lokaal gebied dicht bij het oppervlak van het doelmateriaal ophopen. Het is ook mogelijk om nanodeeltjes in een vacuümomgeving te genereren, maar dit vereist hogere intensiteiten voor de vorming van kleinere clusters in droge omstandigheden. Nanodeeltjes kunnen ook worden geproduceerd met behulp van femtosecondebestraling op een siliconendoel, waarbij de productie en verzameling van silicium-nanodeeltjes in een gecontroleerde omgeving succesvol werd gerealiseerd.

Laserablatie wordt veelvuldig beschouwd als een eenvoudige techniek voor het synthetiseren van nanodeeltjes. Door de laserstraal nauwkeurig te focussen op het doelmateriaal, kan het risico op besmetting door externe deeltjes uit andere bronnen aanzienlijk worden verminderd. De samenstelling, grootte en aggregatie van de deeltjes kunnen zorgvuldig worden geregeld door de pulsenergie en frequentie te manipuleren. De ontwikkeling van methoden waarmee de deeltjesgrootte en uniformiteit precies kunnen worden gecontroleerd, is een belangrijk onderwerp in huidig onderzoek, aangezien dit van groot belang is voor verschillende toepassingen.

Hoe Ultrasonisch Elliptisch Vibriërend Snijden (UEVC) en Elektrische Ontlading Assistentie (EDA) Toolverslijtage Beïnvloeden

Bij het onderzoeken van snijtechnieken en de effecten daarvan op gereedschapsverslijtage, zijn de resultaten van het combineren van Ultrasonisch Elliptisch Vibriërend Snijden (UEVC) met Elektrische Ontlading Assistentie (EDA) opmerkelijk. In verschillende configuraties, zoals UEVC en UEVC + EDA, werd geen bewijs van slijtage door schuring of hechting waargenomen. Dit suggereert dat deze methoden effectief bijdragen aan het verminderen van de gereedschapsverslijtage, met name door de vermindering van wrijving tijdens het snijden, wat cruciaal is voor de verbetering van de levensduur van gereedschappen en de efficiëntie van het verspaningsproces.

Op basis van experimenten is gebleken dat de toevoeging van EDA aan UEVC resulteert in een lagere snijkracht, wat kan worden toegeschreven aan de combinatie van actieve gereedschapsvibraties en de extra thermische effecten die door de plasma-ontladingen worden gegenereerd. De gemiddelde snijkrachten in UEVC, in vergelijking met traditionele snijmethoden, waren aanzienlijk lager, vooral bij de toepassing van EDA. Dit werd verder ondersteund door de resultaten van verschillende grafieken die de variaties in snijkracht toonden bij verschillende ontladingsspanningen, afstanden van plasmapulsen en plasmastraalgroottes.

De variaties in snijkrachten waren opmerkelijk, afhankelijk van de instellingen van de plasma-ontlading. Het verkleinen van de afstand tussen de plasmapulsen en het verhogen van de ontladingsspanning resulteerde in een aanzienlijke afname van de snijkracht, vooral de belangrijkste kracht (Fc). Dit suggereert dat de precisie in de afstelling van de EDA-parameters een cruciale rol speelt in het optimaliseren van de prestaties van het snijproces. Anderzijds werd er een ongewone toename van de snijkracht waargenomen bij grotere plasma-gebieden, wat mogelijk wijst op een complexere interactie tussen de verschillende parameters die de prestaties van de snijtechniek beïnvloeden.

Wat betreft de temperatuurontwikkeling van het gereedschap, is aangetoond dat de temperatuur in de UEVC- en UEVC + EDA-configuraties aanzienlijk hoger is dan in de conventionele NC-methoden. Dit verhoogde temperatuurprofiel in combinatie met de verbeterde snijomstandigheden heeft een directe invloed op de materiaalverwijdering en de effectiviteit van het snijproces. In de UEVC + EDA-configuratie werd de temperatuur op het gereedschap opgetild tot 471,32°C, wat een aanzienlijke verbetering betekent ten opzichte van de 160°C gemeten bij conventioneel snijden. Dit resulteert in een efficiëntere verwijdering van materiaal, wat de processtabiliteit en de levensduur van het gereedschap verder bevordert.

De numerieke en experimentele resultaten van de gereedschapstemperatuur waren niet volledig in overeenstemming, maar de algehele trend was consistent: UEVC + EDA verhoogt de temperatuur van het gereedschap, wat het materiaalverwijderingsproces verbetert. De gegevens tonen aan dat de hogere temperaturen direct bijdragen aan de effectiviteit van het snijden, doordat ze de viscositeit van het materiaal verlagen en het snijproces vergemakkelijken.

Een ander essentieel aspect dat moet worden begrepen, is de interactie tussen de verschillende parameters van het snijproces, zoals de snijsnelheid, de vibratiefrequentie van het gereedschap en de instellingen van de plasma-ontlading. Door de juiste afstemming van deze parameters kan een aanzienlijk effect worden bereikt in het verminderen van gereedschapsverslijtage en het verbeteren van de snijkwaliteit. De verhoogde temperatuur, de verlaagde snijkrachten en de verminderde plastische vervorming zorgen ervoor dat de combinatie van UEVC en EDA een veelbelovende technologie is voor geavanceerde verspaningsprocessen.