Lasermaterialbearbeitung

Inhalt

1 Einleitung

2 Grundlagen der Lasertechnik

2.1 Licht als elektromagnetische Welle

2.2 Emission und Absorption

2.3 Grundanordnung eines Lasers

2.3.1 Erzeugung einer Besetzungsinversion

2.3.2 Linienbreite und Linienform

2.3.3 Strahlungsverstärkung

2.4 Optische Resonatoren

2.4.1 Grundformen

2.4.1.1 Stabiler Resonator

2.4.1.2 Instabiler Resonator

2.4.2 Resonatoranforderungen

2.4.3 Eigenschwingungen des Resonators (Moden)

2.4.3.1 Transversale Moden

2.4.3.2 Axiale Moden

2.4.4 Die Gu?te des Resonators

2.4.5 Zeitliche und räumliche Kohärenz

2.4.6 Kopplung von Eigenschwingungen (Modenkopplung)

2.5 Betriebsarten des Lasers

2.5.1 Kontinuierlicher Betrieb

2.5.2 Impulsbetrieb

2.5.2.1 Elektrische Anregung

2.5.2.2 Gu?teschaltung

2.5.2.3 Methoden der Modenkopplung

2.5.2.4 Pulskompressionen

2.5.2.5 Frequenzvervielfachte Lasersysteme

3 Laserstrahlungsquellen

3.1 Gaslaser

3.1.1 CO_2-Laser

3.1.1.1 Geströmte Systeme

3.1.1.2 Quasistationäre Systeme

3.1.1.3 Stationäre Systeme (Sealed-Off)

3.1.2 Excimerlaser

3.2 Halbleiterlaser

3.3 Festkörperlaser

3.3.1 Stablaser

3.3.2 Slablaser

3.3.3 Scheibenlaser

3.3.4 Faserlaser

3.3.5 Oszillator-Verstärker-Anordnungen

3.3.6 Kurzpulslaser

4 Laserstrahleigenschaften und -parameter

4.1 Wellenlänge und Bandbreite

4.2 Laserleistung, Energie und Impulsparameter

4.3 Polarisation

4.4 Strahlausbreitung und -geometrie

4.5 Intensität und Intensitätsverteilung

4.6 Fokussieren von Laserstrahlung

4.7 Strahlqualität

4.8 Laserstrahlstabilität

5 Wechselwirkungsprozesse

5.1 Reflexion, Absorption, Transmission

5.2 Thermische Wechselwirkungsvorgänge

5.2.1 Wärmeeinflusszone

5.2.2 Wärmeleitungsvorgänge

5.2.3 Wärmeleitungsgleichungen

5.2.4 Temperaturmessung

5.3 Athermische Wechselwirkungsvorgänge

5.4 Wechselwirkungsprozess – Energieeinkopplung

5.4.1 Schmelzbaddynamik

5.4.2 Laserinduziertes Plasma

5.4.3 Abtragsmodelle

5.4.4 Geometrieausbildung infolge der Wechselwirkung

5.4.4.1 Ausbilden eines Bohrloches

5.4.4.2 Ausbilden einer Dampfkapillare (Keyhole)

5.4.4.3 Ausbilden eines Schneidspaltes

6 Lasermaterialbearbeitungsanlagen

6.1 Grundaufbau von Lasermaterialbearbeitungsanlagen

6.2 Strahlfu?hrung und Strahlformung

6.2.1 Optische Komponenten

6.2.1.1 Planparallele Platten

6.2.1.2 Linsen

6.2.1.3 Spiegel

6.2.1.4 Diffraktive Elemente

6.2.1.5 Optische Fasern

6.2.1.6 Sonderformen

6.2.2 Opto-mechanische Komponenten

6.2.3 Anordnungen zur Strahlfu?hrung

6.2.3.1 Grundanordnungen

6.2.3.2 Strahlteilung

6.2.4 Anordnungen zur Strahlformung

6.2.4.1 Strahlaufweitung

6.2.4.2 Strahlfokussierung

6.2.4.3 Formung der Intensitätsverteilung

6.2.4.4 Strahlu?berlagerung

6.3 Bearbeitungseinrichtung

6.3.1 Grundanordnungen

6.3.2 Bewegungseinheiten

6.3.2.1 Eindimensionale Bearbeitung

6.3.2.2 Zweidimensionale Bearbeitung

6.3.2.3 Dreidimensionale Bearbeitung

6.4 Gesamtsystemlösungen

7 Verfahren der Lasermaterialbearbeitung

7.1 Abtragen und Strukturieren

7.1.1 Grundverfahren des Abtragens

7.1.2 Ausgewählte Verfahren des Abtragens und Strukturierens

7.1.2.1 Laserstrahlentschichten

7.1.2.2 Laserstrahlflächenabtragen

7.1.2.3 Laserstrahlformabtragen

7.1.2.4 Laserstrahlsublimationsabtragen

7.2 Laserstrahlbohren

7.2.1 Grundlagen des Laserstrahlbohrens

7.2.2 Bohrverfahren

7.2.3 Einflussgrößen auf den Bohrprozess

7.2.4 Anwendungen

7.3 Beschriften

7.3.1 Verfahrensgrundlagen

7.3.2 Beschriftungsverfahren

7.3.3 Beschriftungsanlagen

7.3.4 Lasertypen und Leistungsklassen

7.3.5 Beschriftungsparameter

7.3.6 Ausgewählte Beschriftungsmethoden und Applikationsbeispiele

7.3.6.1 Anlassbeschriften

7.3.6.2 Farbumschlag von Kunststoffen

7.3.6.3 Abtragen von Oberflächenschichten

7.3.6.4 Gravur

7.4 Laserstrahlschneiden

7.4.1 Verfahrensgrundlagen

7.4.2 Schneidverfahren

7.4.2.1 Sublimationsschneiden

7.4.2.2 Schmelzschneiden

7.4.2.3 Brennschneiden

7.4.2.4 Spezielle Schneidverfahren

7.4.2.4.1 Hochgeschwindigkeitsschneiden

7.4.2.4.2 Präzisionsschneiden

7.4.2.4.3 Schneiden mit Scansystemen (Remoteschneiden)

7.4.2.4.4 Wasserstrahlunterstu?tztes Schneiden

7.4.3 Schneidsysteme

7.4.3.1 Laserstrahlungsquellen und -komponenten

7.4.3.2 Schneidanlagen

7.4.3.3 NC-Programmerstellung

7.4.4 Schneidstrategien

7.4.5 Schnittkantendarstellung und -bewertung

7.4.6 Fehlergrößen und -ursachen

7.5 Schweißen

7.5.1 Schweißtechnische Grundlagen

7.5.2 Grundlegende Schweißverfahren

7.5.2.1 Wärmeleitungsschweißen

7.5.2.2 Tiefschweißen

7.5.3 Einflussgrößen der Schweißverfahren

7.5.3.1 Absorption der Laserstrahlung, Intensität und Einschweißtiefe

7.5.3.2 Nahtform und -qualität

7.5.3.3 Prozessgase

7.5.4 Ausgewählte Verfahren

7.5.4.1 Schweißen mit hoher Brillanz

7.5.4.2 Feinschweißen / Mikrobearbeitung

7.5.4.3 Schweißen beschichteter Werkstoffe

7.5.4.4 Schweißen artfremder Materialien

7.5.4.5 Schweißen mit Zusatzwerkstoffen

7.5.4.5.1 Schweißen mit Zusatzdraht

7.5.4.5.2 Schweißen mit Pulver

7.5.4.5.3 Automatisiertes Laserauftragsschweißen

7.5.4.5.4 Handgefu?hrtes und teilautomatisiertes Laserstrahlschweißen

7.5.4.5.5 Mikropulverauftragsschweißen (Micro-Cladding)

7.5.4.6 Hybridschweißen

7.5.5 Ausgewählte Lasersysteme fu?r das Schweißen

7.5.6 Ausgewählte Anwendungen

7.5.7 Schweißnahtqualitäten und -kontrolle

7.6 Löten

7.6.1 Grundlagen des Lötens

7.6.2 Verfahren des Laserstrahllötens

7.6.2.1 Weichlöten

7.6.2.2 Hartlöten

7.6.2.3 Hochtemperaturlöten

7.7 Oberflächenbehandlung mit Laserstrahlung

7.7.1 Laserstrahlhärten

7.7.2 Umschmelzen und Glasieren

7.7.3 Legieren, Beschichten, Dispergieren

7.7.4 Spezielle Verfahren des Funktionalisierens von Bauteiloberflächen

7.7.5 Thermochemische Laserstrahlbehandlung von SiC-Oberflächen

7.8 Lasergestu?tzte generative Fertigungsverfahren

7.8.1 Verfahrensgrundlagen

7.8.2 Laserstrahlungsquellen

7.8.3 Verfahren

7.8.3.1 Generieren aus der flu?ssigen Phase

7.8.3.2 Generieren aus der pulverförmigen Phase

7.8.3.2.1 Direktes Selektives Lasersintern

7.8.3.2.2 Indirektes Lasersintern

7.8.3.3 Selektives Laserschmelzen (SLM)

7.8.3.4 LaserCUSING / Concept Modelling

7.8.3.5 Layer Laminate Manufacturing

8 Bearbeitung von Glaswerkstoffen

8.1 Grundlagen

8.1.1 Werkstoffeigenschaften

8.1.1.1 Transmission, Absorption und Reflexion

8.1.1.2 Ausdehnungskoeffizient

8.1.1.3 Viskosität

8.1.1.4 Wärmeleitfähigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit

8.1.1.5 Festigkeit

8.1.1.6 Spannungszustände

8.1.2 Verfahren und ausgewählte Wechselwirkungsprozesse

8.2 Abtragen und Strukturieren

8.2.1 Direktes Abtragen

8.2.2 Indirektes Abtragen

8.3 Bohren

8.4 Schneiden

8.5 Absprengen und Separieren

8.5.1 Spannungsinduziertes Separieren von Flachgläsern

8.5.2 Absprengen und Separieren rotationssymmetrischer Gläser

8.6 Beschriften

8.6.1 Direkte Laserkennzeichnung

8.6.2 Indirektes Laserstrahlbeschriften

8.7 Laserstrahlpolieren

8.8 Fu?gen

8.8.1 Schweißen von Glaswerkstoffen

8.8.1.1 Schweißen mit angepassten Strahlparametern

8.8.1.2 Bearbeiten mit mehreren Arbeitsstrahlen

8.8.1.3 Hybrides Laserstrahlschweißen

8.8.2 Löten

8.9 Umformen

9 Bearbeitung von Kunst- und Verbundwerkstoffen

9.1 Grundlagen

9.2 Laserstrahlschweißen von Kunststoffen

9.2.1 Verfahrensprinzip

9.2.2 Materialeignung und Auswahl der Farbstoffe und Pigmente

9.2.3 Schweißtechnologien

9.2.4 Laserstrahlungsquellen und Systeme

9.2.5 Prozesskontrolle

9.2.6 Ausgewählte Pru?fverfahren

9.2.7 Anwendungsbeispiele

9.3 Laserstrahltrennen

9.3.1 Grundlagen

9.3.2 Laserstrahlungsquellen und Systeme

9.3.3 Ausgewählte Anwendungen

9.3.4 Trennen von Verbundwerkstoffen

9.3.5 Schadstoffemissionen

9.4 Beschriften

9.5 Abtragen und Strukturieren

10 Lasersicherheit

10.1 Laserklassen und Gefährdungspotenzial

10.2 Schutzmaßnahmen

10.2.1 Technische und bauliche Schutzmaßnahmen

10.2.2 Persönliche Schutzmaßnahmen

10.2.2.1 Schutz der Augen

10.2.2.2 Schutz der Haut

10.2.3 Organisatorische Maßnahmen

10.3 Normen und Richtlinien

10.4 Ausgewählte Laserschutzkomponenten

Literaturverzeichnis

Sachwortverzeichnis