Materialbearbeitung mit Laser

Inhaltsverzeichnis

1. Frontmatter

2. Kapitel 1. Einführung: Strahlwerkzeug Laser

   Helmut Hügel, Thomas Graf

   Zusammenfassung

   Das Wort LASER, ein Akronym für Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, beschreibt streng genommen einen physikalischen Vorgang, nämlich die Lichtverstärkung durch stimulierte (gebräuchlich auch: induzierte, d. h. erzwungene) Aussendung von Strahlung. Unmittelbar im Zusammenhang mit seiner erstmaligen Realisierung (Maiman, 1960) hat sich jedoch im allgemeinen Sprachgebrauch eingebürgert, das dafür genutzte Gerät so zu bezeichnen. Entsprechend dessen technischer Gestaltung lässt sich elektromagnetische Strahlung mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften erzeugen und in einer großen Vielfalt von Anwendungsfeldern nutzen, beispielsweise in der Informations- und Messtechnik, der Biophysik sowie der Medizin, der Materialbearbeitung und der Fusionsforschung.

3. Das Werkzeug

   1. Frontmatter

   2. Kapitel 2. Der Laserstrahl

      Helmut Hügel, Thomas Graf

      Zusammenfassung

      Wie eingangs erwähnt, ist das eigentliche Werkzeug, um dessen Erzeugung und Nutzung in der Fertigungstechnik es im Folgenden geht, der Laserstrahl. Seine Eigenschaften sind von Bedeutung nicht nur für die am Werkstück erfolgende Energieumsetzung, sondern auch für die Möglichkeiten, den Strahl auf seinem Weg vom Ort seiner Entstehung dorthin zu formen und zu führen. Da dieses für die Auslegung fertigungstechnischer Anlagen ein entscheidender Aspekt ist, wird hier als erstes die Ausbreitung und Charakterisierung von Laserstrahlen behandelt.

   3. Kapitel 3. Die Systemtechnik

      Helmut Hügel, Thomas Graf

      Zusammenfassung

      Zur Realisierung eines laserbasierten Fertigungsprozesses bedarf es einer „Werkzeugma-schine“, in welcher neben dem eigentlichen „optischen Werkzeug“ Laserstrahl sämtliche für die Werkzeug- und die Werkstückhandhabung sowie für den Prozessablauf erforderlichen Komponenten integriert sind. Die Konzeption dieser auch „Bearbeitungsstation“ oder „Bearbeitungsanlage“ genannten Einrichtung hat sich am durchzuführenden Prozess und vor allem an der Aufgabenstellung zu orientieren. So wird ein Versuchs- oder Vorserienbetrieb anderen Kriterien zu genügen haben als beispielsweise eine Serienfertigung und das Schweißen von Karosserien anderen wie das Einbringen hochpräziser Bohrungen.

4. Die Grundlagen der Wechselwirkung Laserstrahl-Werkstück

   1. Frontmatter

   2. Kapitel 4. Energieeinkopplung

      Helmut Hügel, Thomas Graf

      Zusammenfassung

      Wie in Kapitel 1 bereits einleitend dargelegt wurde, beruhen die mit Lasern durchführbaren Fertigungsprozesse auf der Umwandlung von auf das Werkstück treffender elektromagnetischer Energie in Wärme. Die Effizienz der Lasermaterialbearbeitung wird deshalb entscheidend davon abhängen, welcher prozentuale Anteil der Strahlenergie diesen Weg nimmt. Denn allein die in der Wechselwirkungszone (WWZ) Laserstrahl/Werkstück freigesetzte Wärmemenge steht bestenfalls (bei Vernachlässigung von Wärmeleitungsverlusten) zur Verfügung, um den gewünschten Bereich des Werkstücks auf die für den Prozess erforderliche Temperatur zu bringen.

   3. Kapitel 5. Wärmewirkungen im Werkstück

      Helmut Hügel, Thomas Graf

      Zusammenfassung

      In Abschnitt 4.2 ist der physikalische Mechanismus der Wärmeerzeugung während der Energieeinkopplung kurz dargelegt worden. Infolge ihrer Beschleunigung im elektrischen Feld der Laserstrahlung erfahren die Elektronen eine nahezu instantane Energiezufuhr, während die Atome noch „kalt“ sind. Denn wie jeder durch Stöße erfolgende Energie- und Impulsaustausch zwischen Teilchen unterschiedlicher Masse benötigt auch die Energieübertragung von den leichten, beweglichen Elektronen an die Gitteratome eine gewisse Zeitdauer.

   4. Kapitel 6. Modifikation des einfallenden Laserstrahls

      Helmut Hügel, Thomas Graf

      Zusammenfassung

      Bei realen Bearbeitungsprozessen kann im Allgemeinen nicht vorausgesetzt werden, dass der Laserstrahl exakt mit den Eigenschaften auf das zu bearbeitende Werkstück gelangt, wie sie bei seiner Erzeugung und durch die Strahlformung angestrebt werden. In der Regel findet die Bearbeitung in einer Atmosphäre statt, deren Eigenschaften geprägt sind vom Zusammenspiel von prozessspezifischen Phänomenen, z. B. Plasma- oder Metalldampfströmungen, und Einflüssen der Prozessgestaltung wie Art des Schutzgases, seiner Zufuhr und Absaugungs- oder Wegblas-. Auf dem Weg von der Bearbeitungsoptik zur Wirkzone am Werkstück propagiert der Laserstrahl also durch eine Atmosphäre, deren Zustand in Raum und Zeit keinesfalls homogen oder konstant ist.

   5. Kapitel 7. Abschätzung erzielbarer Prozessergebnisse aus der Leistungsbilanz

      Helmut Hügel, Thomas Graf

      Zusammenfassung

      Die im Folgenden hergeleiteten Beziehungen beruhen alleine auf Betrachtungen der Leistungsbilanz. Die entsprechenden grafischen Darstellungen veranschaulichen in übersichtlicher Weise generelle physikalische Zusammenhänge zwischen Prozessergebnissen und Prozessparametern und liefern für die Praxis brauchbare Orientierungen. Prozessspezifische Aspekte werden in den Kapiteln 8, 9, 10 und 12 diskutiert.

5. Die Verfahren

   1. Frontmatter

   2. Kapitel 8. Schneiden

      Helmut Hügel, Thomas Graf

      Zusammenfassung

      Das Laserstrahlschneiden ist bis heute das in der Industrie am weitesten verbreitete laserbasierte Fertigungsverfahren. Ein Grund dafür mag in seiner relativ einfachen technischen Realisierung liegen; vor allem jedoch ist es die ihm eigene außenordentliche Flexibilität, die es Eingang in so viele Branchen hat finden lassen: Mit dem denkbar einfachsten Schneidwerkzeug, wie es ein fokussierter Laserstrahl darstellt, lässt sich in nahezu jedem Material praktisch jede beliebige Kontur erzeugen. Der Informationsgehalt der herzustellenden Form ist also nicht im Werkzeug, sondern in dessen Bahnführung bzw. Steuerung enthalten, während die verschiedenen Varianten des Verfahrens eine Adaption an die Stoffeigenschaften bei gleichzeitiger Berücksichtigung von Wirtschaftlichkeits- und Qualitätsmerkmalen erlauben.

   3. Kapitel 9. Schweißen

      Helmut Hügel, Thomas Graf

      Zusammenfassung

      Das Laserstrahlschweißen zählt zu den Fügetechnologien, bei denen die Verbindung der zu fügenden Teile in schmelzflüssigem Zustand erfolgt. Bauteile aus Werkstoffen, welche die Laserstrahlung so absorbieren, wie es in den Abschnitten 4.2 und 4.3 beschrieben ist, werden meist mittels cw Laserstrahlung gefügt, bei kurzen Nähten oder Schweißpunkten kommen auch Laserpulse zur Anwendung. Durch Nutzung nichtlinearer Absorptionsmechanismen, welche beim Einsatz ultrakurzer Laserpulse eintreten, können auch Werkstücke gefügt werden, die sonst bei der Wellenlänge der verwendeten Laserstrahlung transparent sind.

   4. Kapitel 10. Oberflächenmodifikationen – Härten

      Helmut Hügel, Thomas Graf

      Zusammenfassung

      In ihrer Funktionserfüllung stehen Bauteile des gesamten Maschinen- und Aggregatebaus über ihre Oberflächen miteinander in Wechselwirkung. Die dabei auftretenden Beanspruchungen können unterschieden werden in solche, die im Volumen und solche, die an der Oberfläche wirksam werden. Um ihnen im Sinne bester Funktion und langer Lebensdauer gerecht zu werden, sind unterschiedliche Werkstoffeigenschaften erforderlich, die zumeist mit ein und demselben Material jedoch nicht gleichzeitig realisierbar sind.

   5. Kapitel 11. Additive Verfahren

      Helmut Hügel, Thomas Graf

      Zusammenfassung

      Als generative oder additive Verfahren werden Fertigungstechniken bezeichnet, mittels derer ein Werkstück durch Hinzufügen von Material seine Gestalt erhält. Ihre Entwicklung geht auf Impulse zurück, die – angesichts der wirtschaftlichen Erfordernisse einer tunlichst kurzen Produktentwicklungszeit – Ende der 1980er und Anfang der 1990er Jahre zu zahlreichen Technologien führte, mit denen Prototypen eines Bauteils rasch herstellbar wurden. Unter dem Begriff „Rapid-Prototyping“ fanden einige der auf zum Teil sehr unterschiedlichen Verfahrensprinzipien beruhenden Ansätze Eingang in die industrielle Praxis.

   6. Kapitel 12. Abtragende Verfahren

      Helmut Hügel, Thomas Graf

      Zusammenfassung

      Die laserbasierten Fertigungsverfahren zum Strukturieren von Oberflächen, zum lokalen Materialabtrag oder zum Bohren sind entsprechend der Klassifizierung nach DIN 8580 der Hauptgruppe „Trennen“ zugeordnet. Darunter sind Vorgänge zu verstehen, die durch Abtrennen bzw. Entfernen von Material vom Werkstück an diesem definierte geometrische Strukturen hinterlassen. In Anlehnung an klassische Definitionen wird im Folgenden unter Bohren das Herstellen kreiszylindrischer oder kegelförmiger Innenflächen verstanden, bei denen die Tiefe des Bohrlochs ungefähr gleich oder größer ist als dessen Durchmesser.

6. Backmatter