Lasertechnik für die Fertigung (eBook)

Prof. Dr. Reinhart Poprawe studierte Physik an der Universität Mainz, an der California State University in Fresno und an der Technischen Hochschule Darmstadt, wo er 1984 auch promovierte. Er war Abteilungsleiter im neu gegründeten Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (Aachen) und Geschäftsführer der Thyssen Laser-Technik GmbH (Aachen). Nach dem Ruf an die RWTH übernahm er sowohl die Leitung des Lehrstuhls für Lasertechnik als auch die des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik. Er gilt national und international als ausgewiesener Experte auf diesem Gebiet.

Vorwort 5
Inhaltsverzeichnis 9
1 Einleitung 18
2 Das Verhalten elektromagnetischer Strahlung an Grenzflächen 22
2.1 Die Fresnel-Formeln 22
2.1.1 Fresnel-Formeln mit Absorption 25
2.1.2 Auswertung der Fresnel-Formeln. Brewster-Effekt 26
2.1.3 Totalreflektion 28
2.2 Anwendungen der Sonderfälle der Fresnel-Formeln in der Lasertechnik 29
2.2.1 Brewster-Effekt 29
2.2.2 Totalreflexion 29
Literatur 29
3 Absorption von Laserstrahlung 30
3.1 Beschreibung der Phänomene 31
3.1.1 Verknüpfungen 32
3.1.2 Wellengleichung 34
3.1.3 Geometrie desWerkstücks 34
3.1.4 Randbedingungen 35
3.2 Nichtleiter 35
3.2.1 Elektronische Polarisierung 36
3.2.2 Ionische Polarisierung 38
3.2.3 Zusatzstoffe in Kunststoffen 40
3.3 Dielektrische Eigenschaften von Plasmen 40
3.3.1 Stroßfreies Plasma 41
3.3.2 Stoßbestimmtes Plasma 43
3.4 Absorption metallischerWerkstoffe 44
3.5 Das Drude-Modell der Absorption 46
3.6 Temperaturabhängigkeit der Absorption von Metallen 49
3.7 Einfluss des Oberflächenzustandes 51
Literatur 55
4 Energietransport und Wärmeleitung 58
4.1 Energietransportgleichung 58
4.2 Wärmeleitungsmechanismen 60
4.3 Wärmeleitungsgleichung mit konstanten Koeffizienten und Methode der Green’schen Funktionen 61
4.3.1 Punktquelle 63
4.3.2 Linienquelle 65
4.3.3 Transversal unendlich ausgedehnte Oberflächenquelle 67
4.3.4 Transversal unendlich ausgedehnte Volumenquelle 70
4.3.5 Gauß’sche Intensitätsverteilung 71
4.3.6 Endliche Werkstückdicke 72
4.4 Temperaturabhängige thermophysikalische Konstante 73
4.5 Wärmeleitung bei kurzen Pulsdauern 74
Literatur 75
5 Thermomechanik 76
5.1 Elastische Verformungen 76
5.1.1 Uniaxiale Belastung 77
5.1.2 Uniaxiale Verzerrung 77
5.2 Thermisch induzierte Spannungen 77
5.3 Plastische Verformung 78
6 Phasenumwandlungen 82
6.1 Eisen-Kohlenstoff-Diagramm 82
6.1.1 Reines Eisen 82
6.1.2 Eisen-Kohlenstoff-Gemische 84
6.2 Härten von perlitischem Gefüge 87
6.2.1 Kohlenstoff-Diffusion 87
Literatur 90
7 Schmelzbadströmung 92
7.1 Massen-, Impuls- und Energiebilanz 92
7.2 Randbedingungen 93
7.3 Ebene Potentialströmung 96
7.3.1 Quellströmung und Dipolströmung 97
7.3.2 Strömung um einen Zylinder 98
7.4 Laminare Grenzschichtströmung 100
7.4.1 Reibungsbestimmte Grenzschichtströmung 103
7.4.2 Trägheitsbestimmte Grenzschichtströmung 104
Literatur 105
8 Laserinduziertes Verdampfen 106
8.1 Dampfdruck im thermodynamischen Gleichgewicht 106
8.2 Verdampfungsrate 108
8.3 Teilchen- und Energiebilanz beim laserinduzierten Verdampfen 111
8.4 Beschreibung des Verdampfungsprozesses als Verbrennungswelle 116
8.5 Kinetische Beschreibung des Verdampfens und der Knudsen- Schicht 120
Literatur 123
9 Plasmaphysik 125
9.1 Debye-Radius und De.nitionen 127
9.2 Einige Ergebnisse der Thermodynamik und Statistik eines Plasmas 130
9.2.1 Zustandssumme eines idealen Plasmas 131
9.2.2 Zustandsgrößen eines idealen Plasmas 134
9.2.3 Coulomb-Korrekturen 135
9.2.4 Massenwirkungsgesetz und Saha-Gleichung 138
9.3 Transporteigenschaften von Plasmen 141
9.4 Wechselwirkung elektromagnetischer Wellen mit Plasmen 146
9.5 Nichtgleichgewichtsprozesse 152
9.6 Plasmastrahlung im LTE-Modell 155
9.6.1 Linienstrahlung 157
9.6.2 Absorption durch Übergänge zwischen zwei gebundenen Zuständen 158
9.6.3 Strahlungsleistung bei Linienstrahlung 158
9.6.4 Linienprofile 159
9.6.5 Bremsstrahlung 160
9.6.6 Rekombinationsstrahlung 161
9.6.7 Apparateeinfluss 161
Literatur 162
10 Laserstrahlquellen 164
10.1 CO2- Laser 164
10.1.1 Grundlagen 164
10.1.2 Bauformen 164
10.2 Nd:YAG-Laser 166
10.2.1 Grundlagen 166
10.2.2 Bauformen 167
10.3 Diodenlaser 169
10.3.1 Grundlagen 169
10.3.2 Bauformen und Eigenschaften 171
10.4 Excimerlaser 174
10.4.1 Grundlagen 174
10.4.2 Aufbau 175
Literatur 176
11 Obeflächentechnik 178
11.1 Umwandlungshärten1 178
11.1.1 Motivation 178
11.1.2 Verfahrensbeschreibung 179
11.1.3 Physikalische Grundlagen 182
11.1.4 Anwendungsergebnisse 183
11.1.5 Industriell relevante Anwendungsbeispiele 187
11.2 Umschmelzen 192
11.2.1 Physikalische Grundlagen 192
11.2.2 Verfahrensbeschreibung 197
11.2.3 Anwendungsergebnisse 199
11.2.4 Anwendungsbeispiel 201
11.3 Laserstrahlpolieren 202
11.3.1 Motivation 202
11.3.2 Verfahrensbeschreibung 202
11.3.3 Anlagentechnik 205
11.3.4 Anwendungsbeispiele 205
11.4 Beschichten 208
11.4.1 Motivation 208
11.4.2 Verfahrensbeschreibung 208
11.4.3 Werkstofftechnik 212
11.4.4 Anwendungen 212
11.5 Legieren und Dispergieren 215
11.5.1 Motivation 215
11.5.2 Physikalische Grundlagen 216
11.5.3 Verfahrensbeschreibung 217
11.5.4 Anwendungsergebnisse 219
11.5.5 Anwendungsbeispiel 222
11.6 Pulsed Laser Deposition 222
11.6.1 Physikalische Grundlagen 224
Literatur 228
12 Umformen 230
12.1 Biegen 230
12.1.1 Einleitung 230
12.1.2 Prozessmodelle 231
12.1.3 Umformergebnisse 236
12.1.4 Anwendungen des Laserstrahlmikroumformens in Aktuatoren 236
Literatur 240
13 Rapid Prototyping, Rapid Tooling 242
13.1 Selektives Laser Sintern (SLS) 242
13.1.1 Einleitung 242
13.1.2 Selektives Laser Sintern von Kunststoffpulver 243
13.1.3 Indirektes Selektives Laser Sintern von Metallen 243
13.1.4 Direktes Selektives Laser Sintern von Metallen 244
13.1.5 Selective Laser Melting (SLM) 246
13.2 Laserstrahlgenerieren 248
13.2.1 Einführung 248
13.2.2 Eigenschaften generierter Bauteile 251
13.2.3 CAD/NC-Kopplung 253
13.2.4 Anwendungsgebiete 254
13.2.5 Instandhaltung und Reparatur 256
13.3 Stereolithographie 257
13.3.1 Verfahrensbeschreibung 257
13.4 Layer Laminate Manufacturing (LLM) 259
13.4.1 Laminated Object Manufacturing (LOM) 259
13.5 Nicht lasergestützte Rapid Prototyping Verfahren 261
13.5.1 Solid Ground Curing (SGC) 261
13.5.2 Fused Deposition Modeling (FDM) 261
13.5.3 Three Dimensional Printing (3DP) 264
13.5.4 Layer Milling Process (LMP) 264
Literatur 266
14 Fügen 268
14.1 Schweißen von Metallen 268
14.1.1 Wärmeleitungsschweißen 268
14.1.2 Tiefschweißen 274
14.1.3 Laser-Hybridschweißen 279
14.2 Laserstrahlschweißen von thermoplastischen Kunststoffen 284
14.2.1 Motivation 284
14.2.2 Verfahrensgrundlagen und -beschreibung 285
Fügegeometrie. 286
Bestrahlungsarten. 288
14.2.3 Anwendungsergebnisse 289
14.2.4 Anwendungsbeispiele 290
Elektronisches Fahrberechtigungssystem. 290
Automatisierte Laserstrahl-Schweißanlage. 291
14.2.5 Ausblick 292
14.3 Löten 293
14.3.1 Physikalisch-technische Grundlagen 294
14.3.2 Verfahrensbeschreibung 296
14.3.3 Anwendungsbeispiel 298
14.4 Mikroschweißen 299
14.4.1 Einführung 299
14.4.2 Verfahrenstechnik und Ergebnisse 300
Literatur 305
15 Abtragen und Bohren 308
15.1 Einzelpulsbohren 308
15.1.1 Physikalische Grundlagen 309
15.1.2 Verfahrensbeschreibung 312
15.1.3 Anwendungen 313
15.1.4 Anwendungsbeispiele 316
15.2 Perkussionsbohren 317
15.2.1 Physikalische Grundlagen 317
15.2.2 Verfahrensbeschreibung 319
15.2.3 Anwendungen 320
15.2.4 Beispiel 321
15.3 Trepanierbohren 322
15.3.1 Verfahrensbeschreibung 323
15.3.2 Anwendungen 323
15.3.3 Anwendungsbeispiele 325
15.4 Mikrostrukturieren 326
15.4.1 Einleitung 326
15.4.2 Strahlformung für die Mikrostrukturierung 326
15.4.3 Absorption der Laserstrahlung 328
15.4.4 Beispiele 330
15.5 Reinigen 331
15.5.1 Verfahrensbeschreibung 331
15.5.2 Anwendungsbeispiele 333
Literatur 336
16 Schneiden 338
16.1 Laserstrahlbrennschneiden 338
16.1.1 Einleitung 338
16.1.2 Leistungsbedarf und Leistungsangebot beim Brennschneiden 338
16.1.3 Autogenes Brennschneiden 339
16.1.4 Verfahrensprinzip 341
16.1.5 Abbrandstabilisiertes Laserstrahlbrennschneiden 344
16.2 Schmelzschneiden 346
16.2.1 Grundlagen 346
16.2.2 Verfahrensparameter 347
16.2.3 Schmelzschneiden mit Spiegeloptiken und Autonomer Düse 350
16.2.4 Anwendungsbeispiele 352
16.3 Hochgeschwindigkeitsschneiden 352
16.3.1 Grundlagen 352
16.3.2 Verfahrensbeschreibung 354
16.3.3 Bearbeitungsbeispiele 356
16.4 Sublimationsschneiden 357
16.4.1 Einleitung 357
16.4.2 Leistungsbilanz beim Laserstrahl-Sublimationsschneiden 358
16.4.3 Anwendungsbeispiele für das Sublimationsschneiden von Nichtmetallen 360
16.5 Laserstrahlfeinschneiden 361
16.5.1 Einführung und Anwendungsgebiete 361
16.5.2 Verfahrensgrundlagen 362
16.5.3 Verwendete Laserstrahlquellen 364
16.5.4 Applikationsbeispiele 365
Schneiden von Stents. 365
Schneiden von Spinndüsen. 366
Schneiden von Flex-Boards mit UV-Laserstrahlung. 366
Literatur 368
17 Systemtechnik 370
17.1 Prozessüberwachung 370
17.1.1 Motivation 370
17.1.2 Einordnung der Verfahren 370
17.1.3 Vor- und nachlaufende Prozessüberwachung 371
17.1.4 Prozessüberwachung am Bearbeitungsort 372
17.1.5 Prozessüberwachung mit räumlich integral messenden Detektoren 377
17.1.6 Prozessüberwachung mit bildgebenden Sensoren 378
17.2 Numerisch gesteuerteWerkzeugmaschinen zur Materialbearbeitung mit Laserstrahlung 384
17.2.1 Werkzeugmaschinen-Modelle 384
17.2.2 Komponenten des Grundmodells 387
17.2.3 Funktionserweiterungen von numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen für die Materialbearbeitung mit Laserstrahlung 395
Literatur 403
18 Lasermesstechnik 406
18.1 Lasertriangulation 406
18.1.1 Einführung 406
18.1.2 Messung geometrischer Größen 407
18.1.3 Scheimpflug-Bedingung und Kennlinie eines Triangulationssensors 408
18.1.4 Anwendungsbeispiele 411
18.1.5 Wirtschaftliche Bedeutung 416
18.2 Interferometrie 416
18.2.1 Michelson-Interferometer 419
18.2.2 Mach-Zehnder-Interferometer 421
18.2.3 Fizeau-Interferometer 422
18.2.4 Speckle-Interferometrie 423
18.2.5 Weißlicht-Interferometer 425
18.3 Laserinduzierte Fluoreszenz 428
18.3.1 Grundlagen der Fluoreszenz 428
18.3.2 Fluoreszenzmarker in den Biowissenschaften 432
18.3.3 Wirtschaftliche Bedeutung der laserinduzierten Fluoreszenz 436
18.4 Konfokale Mikroskopie 437
18.4.1 Motivation 437
18.4.2 Grundlagen 438
18.4.3 Auflösungsvermögen 439
18.4.4 Anwendungsbeispiele 440
18.4.5 Konfokale 2-Photonenmikroskopie 441
18.5 Abtastsysteme für optische Speichermedien 441
18.5.1 Motivation 441
18.5.2 Physikalische Grundlagen 442
18.5.3 Technische Realisierungen des Abtastsystems (Pick-Up) 443
18.5.4 Weiterentwicklung der DVD 445
18.6 Laser-Emissionsspektrometrie 446
18.6.1 Motivation und Zielsetzung des Verfahrens 446
18.6.2 Grundlagen 447
18.6.3 Verfahrensbeschreibung 451
18.6.4 Zeitaufgelöste Spektroskopie 453
18.6.5 Datenauswertung 454
18.6.6 Messbereich 456
18.6.7 Anwendungsbeispiele 457
Literatur 459
A Ergänzungen: Optik 464
A.1 Herleitung der Fresnel-Formeln 464
A.2 Dielektrische Eigenschaften von Plasmen 466
A.3 Beschreibung elektromagnetischer Felder durch komplexe Größen 469
Literatur 470
B Ergänzungen: Kontinuumsmechanik 472
B.1 Koordinatensysteme und Deformationsgradient 472
B.2 Deformation 474
B.2.1 Physikalische Bedeutung der Komponenten des Green’schen Verzerrungstensors 475
B.3 Ableitungen nach der Zeit 476
B.4 Reynolds’sches Transporttheorem 477
B.5 Massenbilanz 479
B.6 Impulsbilanz 480
B.7 Materialgleichungen 481
B.7.1 Elastische Festkörper 482
B.7.2 Newton’sche Fluide 483
B.8 Energiegleichung 484
B.9 Zusammenstellung einiger wichtiger mathematischer Formeln für die Berechnung des Energietransports 487
B.9.1 Integration über den Raum 488
B.9.2 Integration über die Zeit 490
B.9.3 Errorfunktionen 491
B.9.4 Exponentialintegral 492
B.10 Diffusion in Metallen 492
Literatur 494
C Ergänzungen: Laserinduziertes Verdampfen 496
C.1 Gleichung von Clausius-Clapeyron 496
C.2 Temperaturabhängigkeit der Verdampfungsenthalpie 497
C.3 Geschwindigkeitsmomente 498
Literatur 499
D Ergänzungen: Plasmaphysik 500
D.1 Einige Ergebnisse der Thermodynamik 500
D.2 Verallgemeinerungen bei mehrfach geladenen Ionen 502
Literatur 503
E Bedeutung der verwendeten Symbole und Konstanten 504
E.1 Verwendete Formelzeichen 506
E.2 Konstanten 514
E.3 Kennzahlen 515
E.4 Referenzzustand 515
E.5 Materialkonstanten 1 516
E.6 Materialkonstanten 2 517
Literatur 519
Sachverzeichnis 538

6 Phasenumwandlungen (S. 55-56)

Viele neue Metalllegierungen, Keramiken und Kunststoffe halten Einzug in die Produktion. Dennoch sind Werkstoffe auf Eisenbasis wegen ihrer vielfältigen Eigenschaften nach wie vor eine der gebräuchlichsten. Reines Eisen selbst ist wegen seiner unzureichenden Festigkeit zwar nicht sehr bedeutsam, Eisen-Kohlenstoff- Legierungen erlauben es jedoch, Stähle und Gusseisensorten in einer großenVielfalt von gewünschten Eigenschaften zu erzeugen. Darüber hinaus werden neben den stets durch den Herstellungsprozess enthaltenen Begleitelementen Si, Mn, P und S noch weitere Legierungselemente, wie Cr,Ni, Mo, V,W, etc. bewusst zur Erzielung bestimmter Eigenschaften beigegeben. Berücksichtigt man noch die Möglichkeiten, durch Wärmebehandlung vor allem die mechanischen Eigenschaften in weiten Grenzen zu verändern, so ergibt sich eine reiche Palette von Anwendungsbereichen. Es gibt Eisenwerkstoffe von niedrigen bis höchsten Festigkeiten (340– 2000 N/mm2 Zugfestigkeit), mit ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit, guter Zunderbeständigkeit, erhöhter Warmfestigkeit, gutem Verformungsvermögen auch bei tiefsten Temperaturen, hoherVerschleißbeständigkeit, gutem Gießverhalten, mit Warm- und Kaltverformbarkeit, Schweißbarkeit, usw. Alle diese günstigen Eigenschaften lassen sich nicht in einem einzigen Werkstoff vereinigen, meist sind eine oder einige wenige davon jeweils in einemWerkstoff besonders ausgeprägt. Grundsätzlich ist zu unterscheiden zwischen:

• Stahl oder Stahlguss, das sind ohne Nachbehandlung schmiedbare Fe-CLegierungen mit weniger als 2.06% C.

• Gusseisen, das sind Fe-C-Legierungen mit mehr als 2.06%C, (praktisch zwischen 2.5 und 5% C). Sie können nicht geschmiedet, sondern nur durch Gießen in die gewünschte Form gebracht werden.

6.1 Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

6.1.1 Reines Eisen

Eisenatome bilden unterhalb der Schmelztemperatur Kristalle. Allerdings werden im makroskopischen Bereich keine Einkristalle gebildet, sondern kleine Kristallite, die an den Korngrenzen zusammenstoßen. Eisen kann in zwei unterschiedlichen Kristallformationen vorliegen. Unterhalb 911.C bildet Eisen ein kubisch raumzentriertes Gitter (krz-Gitter) (Abb. 6.1). Hierbei be.nden sich an den vier Ecken eines gleichseitigen Kubus Fe-Atome und ein weiteres im Mittelpunkt des Kubus.

Diese Form des Eisens wird α-Eisen oder Ferrit genannt. Unterhalb 769.C, der Curie-Temperatur, ist Eisen ferromagnetisch, oberhalb paramagnetisch, die Kristallstruktur ändert sich an dieser Temperaturgrenze allerdings nicht. Oberhalb 911.C formen sich die Fe-Kistallite zu einem kubisch .ächenzentrierten Gitter (kfz-Gitter) um (Abb. 6.2). Hierbei sitzen außer an den vier Ecken des Kubus je ein Atom auf den acht Flächen des Kubus. Diese Gitterform besitzt eine geringere Dichte als das krz-Gitter und wird γ -Eisen oder Austenit genannt. Bei einer Temperatur von 1392. wird das kfz-Gitter wieder in ein krz-Gitter umgewandelt, dem δ-Eisen oder δ-Ferrit. Der Grund für die Phasenumwandlungen bei 911.C bzw. 1392. ist, dass die jeweilige Gitterform bei der gegebenen Temperatur energetisch günstiger ist. Die Umwandlung durch Änderung der Kristallstruktur wird allotrope Umwandlung genannt (Abb. 6.3). Die Umwandlung erfolgt nicht gleichzeitig im ganzen Material, sondern es liegt im Übergangsbereich ein Gemisch beider Phasen vor. Bei 1536.C lösen sich die Kristallite auf und gehen in die .üssige Phase über.