Jens Bliedtner, Hartmut Müller, Andrea Barz
Lasermaterialbearbeitung
Grundlagen - Verfahren - Anwendungen - Beispiele
Inhalt
11
1 Einleitung
17
2 Grundlagen der Lasertechnik
23
2.1 Licht als elektromagnetische Welle
23
2.2 Emission und Absorption
25
2.3 Grundanordnung eines Lasers
27
2.3.1 Erzeugung einer Besetzungsinversion
29
2.3.2 Linienbreite und Linienform
31
2.3.3 Strahlungsverstärkung
32
2.4 Optische Resonatoren
33
2.4.1 Grundformen
34
2.4.1.1 Stabiler Resonator
35
2.4.1.2 Instabiler Resonator
36
2.4.2 Resonatoranforderungen
36
2.4.3 Eigenschwingungen des Resonators (Moden)
37
2.4.3.1 Transversale Moden
37
2.4.3.2 Axiale Moden
39
2.4.4 Die Gu?te des Resonators
40
2.4.5 Zeitliche und räumliche Kohärenz
41
2.4.6 Kopplung von Eigenschwingungen (Modenkopplung)
42
2.5 Betriebsarten des Lasers
43
2.5.1 Kontinuierlicher Betrieb
43
2.5.2 Impulsbetrieb
44
2.5.2.1 Elektrische Anregung
44
2.5.2.2 Gu?teschaltung
44
2.5.2.3 Methoden der Modenkopplung
47
2.5.2.4 Pulskompressionen
48
2.5.2.5 Frequenzvervielfachte Lasersysteme
48
3 Laserstrahlungsquellen
50
3.1 Gaslaser
50
3.1.1 CO_2-Laser
50
3.1.1.1 Geströmte Systeme
52
3.1.1.2 Quasistationäre Systeme
54
3.1.1.3 Stationäre Systeme (Sealed-Off)
55
3.1.2 Excimerlaser
57
3.2 Halbleiterlaser
60
3.3 Festkörperlaser
65
3.3.1 Stablaser
67
3.3.2 Slablaser
70
3.3.3 Scheibenlaser
71
3.3.4 Faserlaser
73
3.3.5 Oszillator-Verstärker-Anordnungen
77
3.3.6 Kurzpulslaser
79
4 Laserstrahleigenschaften und -parameter
84
4.1 Wellenlänge und Bandbreite
85
4.2 Laserleistung, Energie und Impulsparameter
88
4.3 Polarisation
97
4.4 Strahlausbreitung und -geometrie
99
4.5 Intensität und Intensitätsverteilung
100
4.6 Fokussieren von Laserstrahlung
101
4.7 Strahlqualität
104
4.8 Laserstrahlstabilität
112
5 Wechselwirkungsprozesse
114
5.1 Reflexion, Absorption, Transmission
116
5.2 Thermische Wechselwirkungsvorgänge
125
5.2.1 Wärmeeinflusszone
125
5.2.2 Wärmeleitungsvorgänge
126
5.2.3 Wärmeleitungsgleichungen
127
5.2.4 Temperaturmessung
129
5.3 Athermische Wechselwirkungsvorgänge
132
5.4 Wechselwirkungsprozess – Energieeinkopplung
133
5.4.1 Schmelzbaddynamik
135
5.4.2 Laserinduziertes Plasma
137
5.4.3 Abtragsmodelle
137
5.4.4 Geometrieausbildung infolge der Wechselwirkung
140
5.4.4.1 Ausbilden eines Bohrloches
140
5.4.4.2 Ausbilden einer Dampfkapillare (Keyhole)
141
5.4.4.3 Ausbilden eines Schneidspaltes
142
6 Lasermaterialbearbeitungsanlagen
144
6.1 Grundaufbau von Lasermaterialbearbeitungsanlagen
144
6.2 Strahlfu?hrung und Strahlformung
145
6.2.1 Optische Komponenten
145
6.2.1.1 Planparallele Platten
146
6.2.1.2 Linsen
147
6.2.1.3 Spiegel
149
6.2.1.4 Diffraktive Elemente
150
6.2.1.5 Optische Fasern
151
6.2.1.6 Sonderformen
152
6.2.2 Opto-mechanische Komponenten
153
6.2.3 Anordnungen zur Strahlfu?hrung
155
6.2.3.1 Grundanordnungen
155
6.2.3.2 Strahlteilung
157
6.2.4 Anordnungen zur Strahlformung
158
6.2.4.1 Strahlaufweitung
158
6.2.4.2 Strahlfokussierung
160
6.2.4.3 Formung der Intensitätsverteilung
163
6.2.4.4 Strahlu?berlagerung
165
6.3 Bearbeitungseinrichtung
167
6.3.1 Grundanordnungen
167
6.3.2 Bewegungseinheiten
169
6.3.2.1 Eindimensionale Bearbeitung
169
6.3.2.2 Zweidimensionale Bearbeitung
170
6.3.2.3 Dreidimensionale Bearbeitung
171
6.4 Gesamtsystemlösungen
174
7 Verfahren der Lasermaterialbearbeitung
177
7.1 Abtragen und Strukturieren
177
7.1.1 Grundverfahren des Abtragens
177
7.1.2 Ausgewählte Verfahren des Abtragens und Strukturierens
183
7.1.2.1 Laserstrahlentschichten
184
7.1.2.2 Laserstrahlflächenabtragen
188
7.1.2.3 Laserstrahlformabtragen
191
7.1.2.4 Laserstrahlsublimationsabtragen
192
7.2 Laserstrahlbohren
195
7.2.1 Grundlagen des Laserstrahlbohrens
196
7.2.2 Bohrverfahren
198
7.2.3 Einflussgrößen auf den Bohrprozess
201
7.2.4 Anwendungen
204
7.3 Beschriften
212
7.3.1 Verfahrensgrundlagen
212
7.3.2 Beschriftungsverfahren
215
7.3.3 Beschriftungsanlagen
219
7.3.4 Lasertypen und Leistungsklassen
222
7.3.5 Beschriftungsparameter
223
7.3.6 Ausgewählte Beschriftungsmethoden und Applikationsbeispiele
227
7.3.6.1 Anlassbeschriften
227
7.3.6.2 Farbumschlag von Kunststoffen
229
7.3.6.3 Abtragen von Oberflächenschichten
232
7.3.6.4 Gravur
234
7.4 Laserstrahlschneiden
236
7.4.1 Verfahrensgrundlagen
237
7.4.2 Schneidverfahren
240
7.4.2.1 Sublimationsschneiden
240
7.4.2.2 Schmelzschneiden
243
7.4.2.3 Brennschneiden
247
7.4.2.4 Spezielle Schneidverfahren
251
7.4.2.4.1 Hochgeschwindigkeitsschneiden
251
7.4.2.4.2 Präzisionsschneiden
253
7.4.2.4.3 Schneiden mit Scansystemen (Remoteschneiden)
257
7.4.2.4.4 Wasserstrahlunterstu?tztes Schneiden
260
7.4.3 Schneidsysteme
262
7.4.3.1 Laserstrahlungsquellen und -komponenten
262
7.4.3.2 Schneidanlagen
265
7.4.3.3 NC-Programmerstellung
266
7.4.4 Schneidstrategien
267
7.4.5 Schnittkantendarstellung und -bewertung
272
7.4.6 Fehlergrößen und -ursachen
274
7.5 Schweißen
277
7.5.1 Schweißtechnische Grundlagen
278
7.5.2 Grundlegende Schweißverfahren
280
7.5.2.1 Wärmeleitungsschweißen
281
7.5.2.2 Tiefschweißen
282
7.5.3 Einflussgrößen der Schweißverfahren
284
7.5.3.1 Absorption der Laserstrahlung, Intensität und Einschweißtiefe
284
7.5.3.2 Nahtform und -qualität
286
7.5.3.3 Prozessgase
288
7.5.4 Ausgewählte Verfahren
293
7.5.4.1 Schweißen mit hoher Brillanz
293
7.5.4.2 Feinschweißen / Mikrobearbeitung
295
7.5.4.3 Schweißen beschichteter Werkstoffe
299
7.5.4.4 Schweißen artfremder Materialien
300
7.5.4.5 Schweißen mit Zusatzwerkstoffen
300
7.5.4.5.1 Schweißen mit Zusatzdraht
301
7.5.4.5.2 Schweißen mit Pulver
302
7.5.4.5.3 Automatisiertes Laserauftragsschweißen
304
7.5.4.5.4 Handgefu?hrtes und teilautomatisiertes Laserstrahlschweißen
305
7.5.4.5.5 Mikropulverauftragsschweißen (Micro-Cladding)
308
7.5.4.6 Hybridschweißen
309
7.5.5 Ausgewählte Lasersysteme fu?r das Schweißen
310
7.5.6 Ausgewählte Anwendungen
313
7.5.7 Schweißnahtqualitäten und -kontrolle
315
7.6 Löten
316
7.6.1 Grundlagen des Lötens
317
7.6.2 Verfahren des Laserstrahllötens
318
7.6.2.1 Weichlöten
319
7.6.2.2 Hartlöten
322
7.6.2.3 Hochtemperaturlöten
328
7.7 Oberflächenbehandlung mit Laserstrahlung
331
7.7.1 Laserstrahlhärten
332
7.7.2 Umschmelzen und Glasieren
336
7.7.3 Legieren, Beschichten, Dispergieren
338
7.7.4 Spezielle Verfahren des Funktionalisierens von Bauteiloberflächen
342
7.7.5 Thermochemische Laserstrahlbehandlung von SiC-Oberflächen
344
7.8 Lasergestu?tzte generative Fertigungsverfahren
346
7.8.1 Verfahrensgrundlagen
348
7.8.2 Laserstrahlungsquellen
350
7.8.3 Verfahren
351
7.8.3.1 Generieren aus der flu?ssigen Phase
351
7.8.3.2 Generieren aus der pulverförmigen Phase
357
7.8.3.2.1 Direktes Selektives Lasersintern
359
7.8.3.2.2 Indirektes Lasersintern
368
7.8.3.3 Selektives Laserschmelzen (SLM)
371
7.8.3.4 LaserCUSING / Concept Modelling
374
7.8.3.5 Layer Laminate Manufacturing
377
8 Bearbeitung von Glaswerkstoffen
384
8.1 Grundlagen
384
8.1.1 Werkstoffeigenschaften
384
8.1.1.1 Transmission, Absorption und Reflexion
386
8.1.1.2 Ausdehnungskoeffizient
387
8.1.1.3 Viskosität
387
8.1.1.4 Wärmeleitfähigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit
388
8.1.1.5 Festigkeit
389
8.1.1.6 Spannungszustände
389
8.1.2 Verfahren und ausgewählte Wechselwirkungsprozesse
390
8.2 Abtragen und Strukturieren
392
8.2.1 Direktes Abtragen
392
8.2.2 Indirektes Abtragen
400
8.3 Bohren
402
8.4 Schneiden
405
8.5 Absprengen und Separieren
409
8.5.1 Spannungsinduziertes Separieren von Flachgläsern
409
8.5.2 Absprengen und Separieren rotationssymmetrischer Gläser
414
8.6 Beschriften
419
8.6.1 Direkte Laserkennzeichnung
419
8.6.2 Indirektes Laserstrahlbeschriften
421
8.7 Laserstrahlpolieren
422
8.8 Fu?gen
428
8.8.1 Schweißen von Glaswerkstoffen
428
8.8.1.1 Schweißen mit angepassten Strahlparametern
429
8.8.1.2 Bearbeiten mit mehreren Arbeitsstrahlen
431
8.8.1.3 Hybrides Laserstrahlschweißen
434
8.8.2 Löten
436
8.9 Umformen
441
9 Bearbeitung von Kunst- und Verbundwerkstoffen
449
9.1 Grundlagen
449
9.2 Laserstrahlschweißen von Kunststoffen
454
9.2.1 Verfahrensprinzip
454
9.2.2 Materialeignung und Auswahl der Farbstoffe und Pigmente
456
9.2.3 Schweißtechnologien
458
9.2.4 Laserstrahlungsquellen und Systeme
461
9.2.5 Prozesskontrolle
462
9.2.6 Ausgewählte Pru?fverfahren
464
9.2.7 Anwendungsbeispiele
465
9.3 Laserstrahltrennen
468
9.3.1 Grundlagen
468
9.3.2 Laserstrahlungsquellen und Systeme
469
9.3.3 Ausgewählte Anwendungen
470
9.3.4 Trennen von Verbundwerkstoffen
473
9.3.5 Schadstoffemissionen
479
9.4 Beschriften
480
9.5 Abtragen und Strukturieren
484
10 Lasersicherheit
492
10.1 Laserklassen und Gefährdungspotenzial
493
10.2 Schutzmaßnahmen
493
10.2.1 Technische und bauliche Schutzmaßnahmen
493
10.2.2 Persönliche Schutzmaßnahmen
494
10.2.2.1 Schutz der Augen
494
10.2.2.2 Schutz der Haut
496
10.2.3 Organisatorische Maßnahmen
496
10.3 Normen und Richtlinien
497
10.4 Ausgewählte Laserschutzkomponenten
498
Literaturverzeichnis
500
Sachwortverzeichnis
520
© 2009-2024 ciando GmbH