Ergebnisse aus der Lasertechnik

Mikrofluidiken gelangen vermehrt in die alltäglichen Anwendungen der medizinischen Diagnostik. Die hierzu zählenden mikrofluidischen fluoreszenz-aktivierten Zellsortierer (µFACS, engl. fluorescence activated cell sorter) durchmustern und sortieren Zellen in Suspension auf Einzelzellbasis. Anwendung finden diese z.B. in der klinischen Diagnostik, der Lebensmittelüberwachung und der biotechnologischen Forschung. Für eine breite Anwendung von µFACS fehlen bisher kompakte, robuste und kostengünstige Systeme. Der in dieser Arbeit untersuchte opto-kalorische Schalter kann durch den monolithisch aufgebauten Chip und die optischen Schnittstellen hierzu einen Beitrag leisten. Das Wirkprinzip basiert auf der lokalen optischen Erwärmung des Fluids und der damit verbundenen Expansion und Viskositätsänderung. Durch die Gestaltung des mikrofluidischen Kanalsystems und insbesondere des geheizten Kanalabschnitts bewirken diese Änderungen lokal eine Volumenstromerhöhung, welche flussabwärts an einer Y-Verzweigung den zu schaltenden Analytstrom von einem Ausgang zum anderen verschiebt.
In dieser Arbeit wird das auf diese Weise erzielte Schalten mit den in Wissenschaft und Technik etablierten Verfahren untersucht und verglichen. Eine Systematik wird erarbeitet, um den Schaltvorgang zu beschreiben und Zusammenhänge zwischen Widerstandsänderungen, den das System beschreibenden Teilvolumenströmen und der Schaltamplitude herzustellen. Zwei Wirkmechanismen, die thermische Expansion und die gesteuerte Viskosität, werden analysiert und auf ihre zeitlichen Eigenschaften beim Schaltvorgang hin untersucht.
Für die experimentelle Untersuchung des Schalters werden Methoden entwickelt, welche das Schalten und das Sortieren getrennt charakterisieren. Der Schaltvorgang wird durch die maximale Schaltamplitude und die Schaltzeiten beschrieben und in zwei Arbeitsbereiche, den laminaren und den turbulenten Schaltverlauf, eingeteilt. Der Sortierprozess wird auf Einzelereignisbasis untersucht und mit statistischen Methoden werden die Sortierrichtigkeit und Sortiersicherheit ermittelt. Für das Sortieren von Partikeln werden für Einstrahlzeiten der heizenden Laserstrahlung von 7 - 15 ms Sortiersicherheiten von größer 0,9 erreicht. Es wird abgeleitet, dass für ein optimiertes mikrofluidisches Kanalsystem sich dieser Bereich der Einstrahlzeiten auf 5 - 20 ms vergrößert und Sortierfrequenzen von bis zu 100 Hz möglich sind.

Der zunehmende Bedarf an Batteriezellen zur Elektrifizierung von Fortbewegungsmitteln erfordert das automatisierte Fügen elektrisch hochleitender Werkstoffe wie Aluminium und Kupfer. Diese Materialien sind Bestandteil gängiger Lithium-Ionen-Batteriezellen. Die elektrische Verschaltung von Zellen zu Batteriesystemen erfordert folglich das Fügen dieser artungleichen Verbindung. Hauptfunktion ist hierbei das verlustfreie Übertragen des elektrischen Stroms über die gesamte Produktlebensdauer. Aufgrund der guten Automatisierbarkeit und kurzen Prozesszeiten ist das Laserstrahlschweißen ein geeignetes Verfahren für diese Anwendung. Herausforderung beim schmelzebasierten Fügen von Aluminium und Kupfer ist die Bildung von intermetallischen Phasen. Als Ausgangspunkt für Risse können diese Phasen die Verbindung langfristig schädigen. Betriebseinflüsse wie Vibrationen, thermische oder elektrische Belastung verkürzen die Lebensdauer zusätzlich. Ein industrieller Einsatz erfordert deshalb die genaue Kenntnis über die Qualität der Schweißverbindung und ihre Langzeitstabilität.
Als quantitatives Maß für die Schweißnahtqualität bietet sich aufgrund der funktionalen Anforderung der Übergangswiderstand der Verbindung an. Neben den Grundlagen zur Messung elektrischer Widerstände von Schweißverbindungen, wird in dieser Arbeit der Stromfluss durch die Verbindung simulativ betrachtet, um die Auslegung und Schweißnahtpositionierung zu optimieren. Bei der experimentellen Validierung wird der Einfluss einer örtlichen Leistungsmodulation auf elektrische und mechanische Eigenschaften untersucht. Dadurch wird die Anbindungsbreite der Schweißnaht erhöht und Ungleichmäßigkeiten im Nahtquerschnitt des Überlappstoßes aufgrund des unterschiedlichen Schmelzpunkts und Wärmeleitfähigkeit werden ausgeglichen. Die Durchmischung der beiden Materialien wird mittels in-situ Durchstrahlversuchen mit Synchrotronstrahlung sichtbar gemacht. Für die Analyse der Langzeitstabilität werden die Schweißverbindungen dynamisch, elektrisch und thermisch belastet, um die Betriebseinflüsse zu simulieren. Zusätzlich werden in dieser Arbeit Methoden zur prozessbegleitenden Überwachung der Einschweißtiefe mittels optischer Kohärenztomographie und Spektrometrie untersucht. Durch die Kombination einer funktionsorientierten Prozessentwicklung mit einer geeigneten Überwachung, unterstützt diese Arbeit die industrielle Anwendung des Laserstrahlschweißens von Aluminium-Kupfer-Verbindungen.