K08: Laserstrahl

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

(Licht Verstärkung durch Erzwungene Aussendung von Strahlung)

• je kleiner die Wellenlänge, desto mehr Energie enthalten (Radioaktivität 0,01nm; Radiowellen bis zu 1km)

• Sichtbarer Bereich für den Menschen 380nm (blau) bis 780 (rot)

• Licht als Welle vs. Licht als Teilchen -> Wellen-Teilchen-Dualismus

• Laserlicht ist räumlich gerichtet, monochromatisch (einfarbig) und räumlich kohärent (divergiert nicht)

Atommodell: Elektronen auf Schalen -> sehr hohe Anziehungskraft zum Kern -> Durch Energie aus aktueller Schale auf höheres Energieniveau gehoben, aber instabiler Zustand

Zurückfallen der Atome in den Grundzustand -> Abgabe der Energie (Energieerhaltung) in Form von Licht oder Wärme

Erreichen einer bestimmten Anzahl angeregter Elektronen durch Pumpen -> Photon mit bestimmten Eigenschaften trifft auf eines dieser Elektronen -> Elektron fällt zurück in den Grundzustand und sendet identisches Photon aus -> Medium zwischen zwei Spiegeln -> Reflektion der Photonen und Auftreffen auf weitere angeregte Elektronen -> Lawinenartige Lichtverstärkung im Resonator

Vorteile:

• hohe Präzision

• hohe Bearbeitungsqualität

• geringe thermische Belastung des Bauteils

• hohe Flexibilität und Vorschubgeschwindigkeit

Nachteile:

• hohe Anschaffungs- und Betriebskosten

• hohe Prozessdynamik (Spritzerbildung, Schutzbrillen, etc.)

Laserbasiertes Fügen = auf Dauer angelegtes Verbinden von zwei oder mehr Werkstücken mit geometrisch bestimmter Form oder das Zusammenbringen von Werkstücken mit formlosem Stoff. Zusammenhalt wird örtlich geschaffen und im Ganzen vermehrt

Laserstrahllöten = thermisches Verfahren zum Fügen und Beschichten metallischer Werkstoffe mittels eines geschmolzenen Zusatzmetalls (Lot)

• bis 450°C -> Weichlöten

• ab 450°C -> Hartlöten

• ab 900°C -> Hochtemperaturlöten

1) Erwärmung der Fügefläche

2) Aktivierung des Flussmittels: Entfernung von Oberflächenoxide

3) Aufschmelzen des Lotes

4) Benetzung der Fügepartner

5) Ausbildung von Mischkristallen

Vorteile:

• direkt lackierbare Naht

• gute Spaltüberbrückung

• lösbare Verbindung

• Verbindung verschiedener Werkstoffe möglich

Nachteile:

• Korrosionsgefahr durch Potentialunterschied von Lot und Grundwerkstoff

• geringere Festigkeiten der Verbindung als das Grundmaterial (gegenüber Schweißprozess)

• Oberflächenvorbereitungen notwendig

1) Absorption der Laserstrahlung

2) Wärmeleitung im Werkstück

3) Aufschmelzen nur an der Werkstückoberfläche

4) Kein Aufschmelzen des Werkstücks im Inneren

1) Absorption der Laserstrahlung

2) Wärmeleitung in das Werkstück

3) Aufschmelzen und Verdampfen des Materials

4) Ausbildung Dampfkapillare (=Keyhole)

5) Vielfachreflexion der Laserstrahlung in der Dampfkapillare

-> Erhöhung der Energieeinkopplung, aber auch Absorption der Laserstrahlung im Metalldampf

• Schmelzbare Polymere/ Thermoplaste benötigt

• Überlappender Schmelztemperaturbereich der Fügepartner

• Transmission der Laserwellenlänge durch den oberen Fügepartner

• Absorption des Laserwellenlänge durch den unteren Fügepartner

• kein Werkzeugverschleiß

• keine Verformung

• schneiden unterschiedlicher Geometrien durch Anpassung der NC-Programmierung möglich

• Sublimierschneiden

• Schmelzschneiden

• Brennschneiden

• Verdampfen des Werkstoffs

• geringe Blechdicke

• sehr geringe Vorschubgeschwindigkeit

• geeignet für Nichtmetalle

• Schutzgas: Argon

• Schmelzen des Werkstoffs

• Abführung des Metalldampfes und der Schmelze durch inertes Schutzgas unter Druck

• geringe Blechdicke

• mittlere Vorschubgeschwindigkeit

• oxidfreie Schnittkante (Schutzgas: Stickstoff)

• Schmelzen und Verbrennen des Werkstoffs

• Aktives Gas: O2

• Schutzgas: Stickstoff

• Schneidbarkeit großer Blechdicken

• hohe Vorschubgeschwindigkeit

• starke Oxidbildung

Vorteile:

• Hohe Schnittkantenqualität

• geeignet für Nichtmetalle

• kleine Wärmeeinflusszone (WEZ)

• oxidfreie Schnittkanten

Nachteile:

• hohe Laserintensitäten benötigt

• geringe Schneidegeschwindigkeit

Vorteile:

• geringere Energie zum Schmelzen als zum Verdampfen benötigt -> höhere Schnittgeschwindigkeit

• oxidfreie Schnittkanten

Nachteile:

• relativ große Wärmeeinflusszone (WEZ)

• hoher Inertgasverbrauch

Vorteile:

• hohe Schneidegeschwindigkeiten

• geeignet für dickere Materialien

Nachteile:

• Oxidation der Schnittkante

• hoher Schneidgasverbrauch

Anlassen:

Erwärmung unterhalb des Schmelzpunktes -> lokale Gefügeänderung -> Anlassfarbe

Abtragen:

Beschichtete Werkstoffe -> Abtragen der Deckschicht

Gravieren (Abtragen):

Teilweise Verdampfung des Materials -> Vertiefung an der Oberfläche

Vorteile:

• berührungs- und verschleißfrei

• dauerhafte Beschriftung

• geeignet für fast alle Werkstoffe

Nachteile:

• hohe Anlagenkosten

• thermische Beeinflussung der Materialoberfläche

• geringe Flexibilität in der Farbgebung

• Schichtgeometrie direkt aus 3D-CAD-Daten

• kein produktspezifisches Werkzeug notwendig

• Erzeugung mechanisch funktioneller Eigenschaften während des Bauprozesses

• Herstellung grundsätzlich in jeder beliebigen Orientierung möglich

• Ansteuerung der Maschinen mit gleichem STL-Datensatz möglich

STL-Datensatz (Surface Tesselation Language)

• Dreiecke aus jeweils 12 Koordinaten (3 Vektoren der Eckpunkte, 1 Normalvektor (zeigt dem Volumen den Weg)

• je kleiner die Dreiecke, desto genauer, aber auch größere Datei

• kann Fehler enthalten

• Stereolithograpie (SLA)

• Fused Deposition Modeling (FDM)

• Selektives Laser Sintern (SLS)

• Laserstrahlschmelzen von Metallen (LSS)

• UV-Polymerisation -> Aushärten

• Aushärten nicht durch Wärme -> geringe Schrumpfung

• z.B. für Prototypen/Werkzeuge für die Produktion

• hohe Komplexität herstellbar

• aushärtbare Kunststoffe = Duroplaste

• Nachbearbeitung: Trennung von der Plattform, Entfernung der Supportstrukturen, Reinigung des Bauteils, UV-Kammer (Nachvernetzung)

• Aufschmelzen des Materials und Auftragen durch eine Düse

• Material: Amorphe Thermoplasten

• Meist verbreitetes AF-Verfahren

• Schichtdicke: 0,13-0,25 mm

• Support für Überhänge notwendig

• kleine präzise Wachsmodelle

• Drop-on-Demand (DOD = Druckkopf -> Tröpfchenweise Auftragung von Hartwachs)

• Beispiele: Haltevorrichtung, Batteriebox, Lüftungskanal

1) Pulverauftrag

2) Vorheizen

3) Aufschmelzen mittels fokussierter Laserstrahlung

4) Absenken der Bauplattform

5) Nochmal

1) Pulverauftrag

2) Aufschmelzen der Pulverschicht mittels fokussierter Laserstrahlung

3) Absenken der Plattform

4) Nochmal

Ablauf:

• Schmelzbad an der Werkstückoberfläche

• Zufuhr eines Zusatzwerkstoffs

• Metallurgischer Verbund

Anwendung:

-> Beschichten

-> Reperatur von kostenintensiven Hochleistungsbauteilen (Turbinenschaufeln, Schiffsschrauben), Wiederherstellung der Oberflächengeometrie