Αφαίρεση Υλικού με Δέσμη Ακτίνων Laser: Πειραματική Μελέτη και Μοντελοποίηση με τη Μέθοδο της Μοριακής Δυναμικής (Material Removal via a Beam of Laser Rays: Experimental Study and Modeling using the Molecular Dynamics Method)

Abstract

Σκοπός της παρούσας Εργασίας, η οποία εκπονήθηκε στα πλαίσια της απόκτησης του Μεταπτυχιακού Διπλώματος Ειδίκευσης (ΜΔΕ) στον κλάδο της Επιστήμης και Τεχνολογίας Υλικών (Σχολή Χημικών Μηχανικών ΕΜΠ), είναι η μελέτη και ανάλυση του μηχανισμού φωτοαποδόμησης μεταλλικών υλικών, λόγω της αλληλεπίδρασής τους με την ακτινοβολία Laser. Η ανάλυση αυτή γίνεται τόσο σε πειραματικό όσο και σε θεωρητικό (υπολογιστικό) επίπεδο, με σκοπό την όσο το δυνατό πληρέστερη και πιο λεπτομερή διερεύνηση διαφόρων πτυχών του υπόψη φαινομένου. Η αφαίρεση υλικού με χρήση ακτινοβολίας Laser είναι μία πολύ σημαντική και ενδιαφέρουσα διεργασία, στην οποία αξίζει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή στα πλαίσια της μελέτης των μικρο- και νανο-κατεργασιών των μεταλλικών υλικών. Πρόκειται για μία διεργασία που, κατά τα τελευταία χρόνια, βρίσκει σπουδαία εφαρμογή σε ένα μεγάλο εύρος από εργαστηριακές και βιομηχανικές εφαρμογές. Πολλές είναι οι κατεργασίες των οποίων η ολοκλήρωση βασίζεται σε σημαντικό βαθμό στην αλληλεπίδραση του υλικού με μία δέσμη Laser και την αποβολή του λόγω της παραπάνω αλληλεπίδρασης, όπως είναι η εγχάραξη (scribing), η μικρο-διάτρηση (micro-drilling) αλλά και η παλμική εναπόθεση με Laser (Pulsed Laser Deposition – PLD). Η αφαίρεση υλικού με Laser έχει τη δυνατότητα να επιτύχει πολύ υψηλή ακρίβεια κοπής και να οδηγήσει σε επιφάνειες με άκρως ικανοποιητικά χαρακτηριστικά όσον αφορά την ποιότητά τους, έχει όμως ως εμφανές μειονέκτημα τη μερική αλλοίωση της δομής και των ιδιοτήτων του υλικού, οδηγώντας με αυτό τον τρόπο σε προϊόντα κατεργασίας με διαφορετικά χαρακτηριστικά από τα επιθυμητά. Η συγκέντρωση μεγάλων ποσών πυκνότητας ενέργειας της ακτινοβολίας Laser πάνω στο υλικό προκαλεί την ταχύτατη θέρμανσή του, με αποτέλεσμα την τήξη και εξάχνωση ατόμων του υλικού, αλλά και τη δημιουργία θερμικά επηρεασμένων ζωνών (Heat-Affected Zones - HAZ), τόσο λόγω της αύξησης της θερμοκρασίας αυτής καθαυτής, όσο και λόγω διάχυσης θερμότητας διαμέσου του υλικού. Με σκοπό την αξιόπιστη και αποτελεσματική μελέτη του φαινομένου της φωτοαποδόμησης πάνω σε μέταλλα, διεξάγεται αρχικά η πειραματική πραγματοποίησή του πάνω σε πραγματικά μεταλλικά δοκίμια, ενώ στη συνέχεια καταστρώνεται ένας υπολογιστικός κώδικας στο λογισμικό προγραμματισμού με Η/Υ MATLAB, ώστε να γίνει εμβάθυνση στο φαινόμενο και σύγκριση, όπου είναι δυνατό, με τα πειραματικά αποτελέσματα. Ο κώδικας που αναπτύχθηκε είναι βασισμένος πάνω στην υπολογιστική μέθοδο της Μοριακής Δυναμικής (Molecular Dynamics – MD). Πρόκειται για μία αιτιοκρατική μέθοδο προσομοίωσης, που στηρίζεται στην επίλυση του δεύτερου νόμου του Νεύτωνα, με σκοπό την παρακολούθηση της κίνησης τον ατόμων ενός συστήματος (π.χ. μίας κρυσταλλικής δομής) μέσα σε αυτό. Τα μοντέλα Μοριακής Δυναμικής έχουν τη δυνατότητα να υπολογίσουν, εκτός από τα κινηματικά χαρακτηριστικά των ατόμων, τις ενέργειες και τις θερμοκρασίες που αυτά αποκτούν, ως αποτέλεσμα των αλληλεπιδράσεων τόσο μεταξύ τους, όσο και με τη δέσμη του Laser, κατά κύριο λόγο. Με λίγα λόγια, ολόκληρη η συμπεριφορά των ακτινοβολούμενων σωματιδίων μπορεί να προσομοιωθεί με ένα επαρκές και προσεκτικά καταστρωμένο μοντέλο MD. Χάρη στην υψηλή ικανότητα εξαγωγής αποτελεσμάτων που παρουσιάζει αυτή η μέθοδος, έχουμε τη δυνατότητα να υπολογίσουμε πολύ σημαντικές ποσότητες που σχετίζονται με το υπό μελέτη φαινόμενο, όπως είναι ο αριθμός των απορροφούμενων φωτονίων από το υλικό, η θερμοκρασία που αυτό αποκτά, η κατανομή αυτής στο χώρο (τόσο στην κυρίως ακτινοβολούμενη περιοχή όσο και στις θερμικά επηρεασμένες ζώνες), αλλά και το βάθος φωτοαποδόμησης που προκαλείται από την προσπίπτουσα ακτινοβολία. Η τρέχουσα ανάλυση δίνει έμφαση στην ακτινοβόληση μεταλλικών υλικών με βραχείς παλμούς Laser, των οποίων η διάρκεια κυμαίνεται στην περιοχή των μερικών nanosecond (ns), ή δισεκατομμυριοστών του δευτερολέπτου. Το βασικότερο συμπέρασμα που εξάγεται μέσα από την παρούσα Εργασία είναι ότι τόσο ο μηχανισμός αφαίρεσης υλικού, όσο και το τελικώς επιτεύξιμο βάθος φωτοαποδόμησης, εξαρτώνται έντονα από την πυκνότητα ενέργειας του παλμού που προσπίπτει πάνω στο υλικό. Μέσα από τα αποτελέσματα που τελικώς λαμβάνονται, μπορούν να προβλεφθούν ορισμένα σημαντικά χαρακτηριστικά του φαινομένου, αλλά και να χρησιμοποιηθούν ως βάση για μελλοντικές προσπάθειες βελτιστοποίησης της διαδικασίας υπολογιστικής μοντελοποίησής του.

The purpose of the present Thesis, which has been written as part of the process of acquiring the Postgraduate Specialization Diploma (MSc Taught) in Materials Science and Technology (NTUA – School of Chemical Engineering), is to study and analyze the mechanism of Laser Ablation in metals, as a result of their interaction with Laser radiation. This analysis is undertaken both experimentally and theoretically (computationally), in an attempt to investigate, in the fullest and most detailed possible manner, various aspects of the phenomenon in discussion. Material removal using Laser radiation is a very important and interesting process, which deserves special attention when it comes to the study of micro- and nano-machining of metallic materials. It is a process that has been greatly applied in a broad spectrum of laboratory and industrial applications. Numerous are the manufacturing processes whose completion is principally based on the interaction of a material with a Laser beam, and its removal due to the aforementioned interaction, including scribing, micro-drilling and pulsed Laser deposition (PLD) just to mention a few. The removal of material using Laser radiation has the possibility of leading to high cutting precision and form surfaces that possess rather satisfactory characteristics with regards to their quality; however, its apparent disadvantage is the partial distortion of the material’s properties and structure, making the manufacturing products possess different features than the ones desired. The concentration of large amounts of Laser radiation on the material causes its extremely fast heating, something that leads to the fusion and sublimation of certain atoms of the material, as well as the formation of heat-affected zones (HAZ), both because of the temperature increase itself and the diffusion of heat across the material. In order to reliably and efficiently study the Laser ablation phenomenon on metals, its experimental realization on actual metallic specimens is initially carried out, followed by the construction of a computational code using the MATLAB computer programming software, so that a deep insight is performed into this phenomenon and a comparison is done with experimental results, where this is possible. The code that has been developed is based on the computational Molecular Dynamics (MD) method. This term refers to a deterministic simulation method, established on Newton’s second law and aiming to monitor the movement of a system’s atoms (e.g. a crystalline structure) inside the system itself. Molecular Dynamics models have the ability to compute, besides the kinematic characteristics of atoms, the energies and temperatures they acquire, as a consequence of both their in-between interactions, but also of their interactions mainly with the Laser beam. In a nutshell, the entire behavior of the irradiated particles can be simulated using a sufficient and carefully planned MD model. Thanks to the method’s high capability of producing results, it is possible for us to calculate very important quantities related to the phenomenon under investigation, such as the number of absorbed photons from the material, the temperature it acquires, its distribution in space (both inside the mainly irradiated area and across the heat-affected zones), and the ablation depth caused by the incident radiation. The present analysis emphasizes on the irradiation of metallic materials with short Laser pulses, whose duration is equal to a few nanoseconds (ns), or billionths of a second. The major conclusion that is drawn from the present paper is that, both the mechanism of material removal and the ablation depth that is finally attained, are strongly dependent on the fluence (energy density) of the incident Laser pulse on the material. Through the results that are finally obtained, various characteristics of the phenomenon can be predicted and used as a basis for future endeavors in optimizing the procedure of its computational modeling.