Kurzpulslaserbearbeitung von monokristallinem CVD-Diamant

von Jan-Patrick Hermani, Michael Emonts, Christian Brecher, Fraunhofer IPT 30. März 2015
Teaserbild Kurzpulslaserbearbeitung von  monokristallinem CVD-Diamant
Diamantwerkstoffe werden wegen ihrer herausragenden Härte- und Verschleißeigenschaften häufig als Schneidstoff für Zerspanungswerkzeuge eingesetzt.

 Zur Bearbeitung von Diamantwerkstoffen werden seit dem 16. Jahrhundert Schleifverfahren angewandt und haben sich seitdem als Bearbeitungsverfahren für Diamanten etabliert. Aufgrund der hohen Härte von Diamantwerkstoffen können zur Schleifbearbeitung jedoch nur Schleifmittel verwendet werden, die ebenfalls mit Diamanten bestückt sind. Die artgleiche Schleifmittel-Werkstoff-Paarung führt zu hohem Werkzeugverschleiß, einer langen Bearbeitungsdauer und hieraus resultierenden hohen Bearbeitungskosten.

Der mechanischen Bearbeitung von Diamantwerkstoffen sind folglich wegen der hohen Härte physikalische Grenzen gesetzt, die einer wirtschaftlichen Bearbeitung entgegenstehen. Die Lasertechnologie bietet hier großes Potenzial, da die Wirkzusammenhänge beim laserinduzierten Materialabtrag weitgehend unabhängig von den Härteeigenschaften des Werkstoffs sind. Der Eintrag hochintensiver Energie in den Diamantwerkstoff erfolgt innerhalb weniger Pikosekunden (Ultrakurzpulsbearbeitung) oder Nanosekunden (Kurzpulsbearbeitung). Die Entwicklung wartungsarmer, leistungsstarker und günstiger Laserstrahlquellen forcierte in den letzten Jahren den Einsatz von Laseranlagen zur Bearbeitung von Diamantwerkzeugen.

Stand der Technik

Nach der Entwicklung der ersten Laserstrahlquelle durch Theodore Maiman 1960 wurden bereits 1965 erste Versuche zur Laserbearbeitung von Diamantwerkstoffen durchgeführt [1]. Seit den späten 1990er Jahren werden Maschinensysteme entwickelt, die zur formgebenden Bearbeitung von Diamantschneidwerkzeugen mittels gepulster Laserstrahlung eingesetzt werden. Als Strahlquellen kommen aktuell sowohl Ultrakurzpuls- als auch Kurzpulslaser zum Einsatz. Die Wechselwirkungseigenschaften zwischen Laserstrahlung und Diamantwerkstoff unterscheiden sich dabei erheblich. Voraussetzung für Absorption von Laserstrahlung in reinem, monokristallinen Diamant, ist eine Anregung von Elektronen aus dem Valenzband, die eine Überbrückung der Bandlücke erfordert (Abbildung 1). Diamant besitzt mit ca. 5,5 eV eine sehr hohe Bandlücke Eb zwischen Valenzband und Leitungsband [2]. Die zur Überbrückung notwendige Energie kann von einzelnen Photonen nur erbracht werden, wenn die Wellenlänge kleiner ca. 225 nm (UV) beträgt. Die zur Materialbearbeitung eingesetzten und industriell etablierten Laserquellen haben hingegen eine Wellenlänge von ca. 1064 nm (NIR). Im idealen, reinen Diamant kann folglich bei Laserstrahlung der Wellenlänge 1064 nm keine Absorption erfolgen.

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