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Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Ausgangssituation und Zielsetzung der Arbeit

Zusammenfassung
Auf Grund schmaler Schnittfugen, kleiner wärmebeeinflußter Zonen, fehlenden Verschleißes des Werkzeugs und eines durch CNC-Bearbeitungsmaschinen flexiblen Einsatzes ist das Lasertrennen in der industriellen Fertigung weit verbreitet. Nachdem 1979 die erste kombinierte Laserschneid- und Stanzanlage auf dem europäischen Markt eingesetzt wurde /1/, sind seit 1984 das Trennen entlang ebener Konturen und seit 1987 das Schneiden dreidimensional geformter Stahlbleche Stand der Technik /2/.
Ursula Mohr

2. Grundlagen des Trennens mit CO2-Lasern

Zusammenfassung
Um die Fragestellung dieser Arbeit nach den geschwindigkeitsbestimmenden Strahleigenschaften und Einkoppelmechanismen beim CO2-Laserschneiden von Metallen in ihrer Bedeutung für die Fertigungstechnik darstellen zu können, wird das Laserschneiden als ein komplexes Zusammenspiel eines fokussierten Laserstrahls und eines gebündelten Gasstrahls mit einem Werkstück gezeigt. Nach Erarbeitung der wesentlichen Grundlagen des Schneidens, zu denen die Laserstrahleinkopplung ins Werkstück während des Prozesses und die Erzeugung eines fokussierten Laser- und Gasstrahls gehören, kann der Stand des Wissens fundiert vorgestellt und auf Lücken überprüft werden. Dies führt dann zur konkreten Aufgabenstellung der Arbeit.
Ursula Mohr

3. Stand des Wissens beim Trennen mit CO2-Lasern

Zusammenfassung
Wie in Kapitel 2 gezeigt wird, reagieren Laserstrahl, Gasstrahl und Werkstück beim CO2- Laserschneiden von Metallen folgerndermaßen: Längs der Schnittfuge wird der Laserstrahl, abhängig vom komplexen Brechungsindex des Metalls, eingekoppelt. Mit der absorbierten Energie des Laserstrahls wird der Werkstoff erwärmt und aufgeschmolzen, um dann durch einen gebündelten Gasstrahl ausgetrieben zu werden.
Ursula Mohr

4. Aufgabenstellung und Vorgehensweise der Arbeit

Zusammenfassung
Wie im ersten Kapitel gefordert, soll in dieser Arbeit eine einheitliche Darstellung des Trennens von Metallen mit CO2-Lasern erarbeitet werden, die einen Vergleich des Schneidens einzelner metallischer Werkstoffe als auch des Einsatzes unterschiedlicher Lasersysteme erlaubt. Im vorangehenden Teil dieser Arbeit wurden die wesentlichen Grundlagen zum CO2-Laserschneiden von Metallen gelegt, so daß der Stand des Wissens herausgearbeitet werden konnte. In diesem Kapitel wird darauf aufbauend gezeigt, wo zur Zeit noch Lücken bestehen, die die Frage nach den geschwindigkeitsbestimmenden Strahleigenschaften und Einkoppelmechanismen provozieren.
Ursula Mohr

5. Der experimentelle Aufbau zum Laserstrahlschneiden

Zusammenfassung
Im folgenden werden die zum Trennen wesentlichen Komponenten der Schneidanlage vorgestellt, mit der die Experimente dieser Arbeit durchgeführt wurden. Der Laserstrahl wird über eine Strahlführung in die Bearbeitungsstationen geleitet. Soll mit zirkularer Polarisation getrennt werden, wird vor die Bearbeitungsoptik ein Polarisationsdreher gefahren, der die lineare Polarisation des aus dem Resonator austretenden Strahls unter vollständiger Beibehaltung seiner anderen optischen Eigenschaften dreht. Bei den Schneidexperimenten dieser Arbeit ist die Polarisation des Laserstrahls linear, parallel zur Vorschubrichtung, wenn keine besondere Spezifizierung vorgenommen wird. In der Bearbeitungsoptik wird der Laserstrahl so fokussiert, daß er die zu trennenden Metalle aufschmelzen kann. Der Gasstrahl, mit dem die Schmelze ausgetrieben werden soll, wird durch eine Düse geformt. Bei der Auswahl der Anlagenkomponenten wurde auf eine Vergleichbarkeit der verschiedenen Schneidexperimente geachtet.
Ursula Mohr

6. Vorversuche zu den Schneidexperimenten

Zusammenfassung
Beim Laserschneiden eines Materials auf einer gegebenen Anlage bestimmen neben der Laserleistung, der Strahlpolarisation und -fokussierung sowie der Gasart die Lage des Strahlfokus relativ zur Werkstückoberseite, die Düsenform gemeinsam mit dem Abstand der Düse zum Werkstück und der Gasdruck das Schneidergebnis.
Ursula Mohr

7. Untersuchungen zur maximalen Schneidgeschwindigkeit

Zusammenfassung
Bei am Werkstück vorgegebener Laserleistung P L kann die maximal mögliche Schneidgeschwindigkeit v max als Grenzwert innerhalb des Prozeßverlaufes durch eine Energiebilanz beschrieben werden, die von optimaler Laserstrahleinkopplung ausgeht. Untersuchungen zur Beeinflussung von v max durch die Schneidparameter eines Trennexperiments können das Verständnis des Prozesses fördern und sollen im folgenden vorgestellt werden. Es wird gezeigt, wie die maximale Schneidgeschwindigkeit von der Laserleistung bei Schmelz- und Brennschnitten, von der Leistungsklasse des Lasers, der Werkstückstärke und vom zu trennenden Werkstoff selbst abhängt.
Ursula Mohr

8. Die reduzierte Darstellung

Zusammenfassung
In Kapitel 7 wird deutlich, daß die maximal erreichbare Schneidgeschwindigkeit v max als Funktion der im Werkstück eingekoppelten Laserleistung E S ּ P L neben den werkstoffspezifischen Größen durch die Dicke des Werkstücks d und die sich im Prozeß einstellende Schnittspaltbreite b, die in der Größenordnung des jeweiligen Fokusdurchmessers des Schneidlasers liegt, bestimmt wird. Die v max (P L )-Kurve wird charakterisiert durch die Schwelleistung P LS und die Steigung ihres geraden Teilbereichs. Da die Bestimmung des Einkoppelgrades eines Werkstoffs bei maximaler Schneidgeschwindigkeit auf Grund des komplexen Zusammenspiels aus Laserstrahl, Schneidgasstrahl und Werkstoffeigenschaften auf analytischem Weg in der Praxis nur schwer möglich ist, können P LS und die Steigung ausschließlich experimentell bestimmt werden. Dies wird in Kapitel 7 durch Vergleich verschiedener Schneidexperimente an einem Werkstoff, unter der Annahme, daß der Einkoppelgrad im untersuchten Werkstückdickenbereich konstant sei, versucht. Während aber die Schwelleistung durch die Gleichung (7.1) grob angenähert werden kann, ist die Bestimmung der Steigung aus den Meßkuryen nicht möglich.
Ursula Mohr

9. Vergleich des Einsatzes instabiler und stabiler Resonatoren

Zusammenfassung
Wie die Darstellung der Schneidgeschwindigkeit multipliziert mit der Schnittspaltbreite als Funktion der auf die Werksttickdicke normierten Laserleistung in Kapitel 8 verdeutlicht, kann um so schneller getrennt werden, je kleiner die Schnittspaltbreite ist oder je mehr Laserleistung am Werkstück zur Verfügung steht. Eine Verkleinerung der Spaltbreite kann durch eine Reduzierung des Fokusdurchmessers des Laserstrahls erreicht werden, solange der Austrieb gewährleistet werden kann. Die Verkleinerung der Fugenbreite ist allerdings keine Alternative zur Vergrößerung der Laserleistung, wenn Werkstücke hoher Schwelleistung, bedingt zum Beispiel durch einen hohen Reflexionsgrad, eine hohe Schmelztemperatur oder auch eine entsprechende Materialstärke, getrennt werden sollen.
Ursula Mohr

10. Tiefergehende Betrachtung des Schneidprozesses

Zusammenfassung
Wie in den vorhergehenden Kapiteln deutlich wird, muß eine durchgehende Schnittfuge gebildet werden, um ein Material zu trennen. Sie entsteht aus dem Zusammenwirken der vom Werkstück absorbierten Energie des Laserstrahls mit den Austriebskräften des Gasstrahls bei einer Relativbewegung zwischen ihnen und dem Werkstück. Während in dem untersuchten Werkstückspektrum der Schmelzaustrieb mit dem gewählten Düsenkonzept gewährleistet werden kann, zeigt die reduzierte Darstellung in Kapitel 8, daß neben den materialspezifischen, thermodynamischen Größen der Einkoppelgrad und die Schnittfugenbreite prozeßbestimmend sind.
Ursula Mohr

11. Experimente zum Polarisationseinfluß auf das Trennen

Zusammenfassung
Die Untersuchung der Eignung des instabilen Resonators zum Trennen in Kapitel 9 zeigt, daß mit so unterschiedlichen räumlichen Intensitätsverteilungen wie der des stabilen und instabilen Resonators gleichermaßen getrennt werden kann. Der Vergleich der jeweils maximal erreichbaren Trenngeschwindigkeiten bei Molybdän, Bild 9.3, gibt aber schon einen Hinweis darauf, daß der Trennprozeß nicht nur durch die über die Schnittfront integrierte, eingekoppelte Energieflußdichte, sondern auch durch deren örtlichen Verlauf bestimmt wird.
Ursula Mohr

12. Simulation des Polarisationseinflusses auf den Trennvorgang

Zusammenfassung
Die Ergebnisse der Schneidexperimente in Kapitel 11 zeigen, daß mit Laserlicht zirkularer Polarisation bei hohen Laserleistungen und damit vergleichsweise großen Schneidgeschwindigkeiten schneller getrennt werden kann als mit Licht einer linearen Polarisation, parallel zur Verfahrrichtung. Dies ist erstaunlich, da nach Energiebetrachtungen, die die Einkopplung an der Schnittfront als Ganzes bestimmen, siehe Kapitel 3, der Einkoppelgrad beim Laserschneiden für linear, parallel zur Verfahrrichtung polarisiertes Licht größer ist als für zirkular polarisiertes. Da trotzdem unter zirkularer Polarisation teilweise schneller geschnitten werden kann, muß eine Energiebetrachtung des Schneidprozesses neu formuliert werden.
Ursula Mohr

13. Zusammenfassung und Schlußfolgerungen

Zusammenfassung
An Hand umfangreicher und vor allem vergleichbarer Schneidexperimente an einem breiten Werkstoffspektrum, zu dem einerseits die zum Stand der Laserschneidtechnik zählenden Stähle, Aluminium- und Titanwerkstoffe gehören, und andererseits auch für diese Fertigungstechnik neue Materialien, wie Molybdän oder Silber, bietet diese Arbeit detaillierte Untersuchungen zum CO2-Laserschneiden von Metallen. Als Schneidlaser bei Schmelzschnitten und Brennschnitten mit Sauerstoff werden zwei handelsübliche Laser mit stabilem Resonator und 1,5 kW beziehungsweise 5 kW Ausgangsleistung und ein am Institut für Strahlwerkzeuge entwickelter 4 kW-Laser mit instabilem Resonator eingesetzt.
Ursula Mohr

14. Literaturverzeichnis

Ohne Zusammenfassung
Ursula Mohr

Nachwort

Zusammenfassung
Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW) der Universität Stuttgart. Sie basiert teilweise auf Ergebnissen, die während meiner Forschungstätigkeit auf dem Projekt 13 N 54330 entstanden sind, das vom Bundesministerium für Forschung und Technologie (BMFT) gefördert wurde.
Ursula Mohr

Backmatter

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