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E-Book

Lasertechnik für die Fertigung

Grundlagen, Perspektiven und Beispiele für den innovativen Ingenieur

AutorReinhart Poprawe
VerlagSpringer-Verlag
Erscheinungsjahr2006
Seitenanzahl526 Seiten
ISBN9783540264354
FormatPDF
KopierschutzDRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis164,99 EUR
Es gibt viele Bücher über Lasertechnik. Schwerpunktmäßig behandeln sie die Physik des Lasers und haben zum Ziel, Grundlagen zu vermitteln und Theorien zur Beschreibung von Entstehung und Ausbreitung von Laserstrahlung zu dokumentieren. Das vorliegende Buch bezieht sich auf die Anwendung von Lasertechnik. Auch dies ist ein sehr breites Thema, das nicht erschöpfend in einem Werk zusammengefasst sein kann. Aus diesem Grund wird hier der Fokus auf Anwendungen in der Fertigungstechnik gelegt. Dies betrifft insbesondere Bearbeitungsverfahren, wie sie in der heutigen Produktionstechnik eingesetzt werden können.

Das Buch ist in zwei Teile gegliedert. Für den interessierten Fachmann, der ingenieurswissenschaftlich oder physikalisch vorgebildet ist, sind die wesentlichen Phänomene, die bei der Werkstoffbearbeitung mit Laserstrahlung auftreten, formelmäßig quantifiziert und in entsprechenden Modellen beschrieben. Diese Grundlagen ermöglichen eine systematische Einordnung der unterschiedlichen Bearbeitungsverfahren und stellen immer wieder die Möglichkeit dar, die verschiedenen Anwendungen auf eine einheitliche wissenschaftliche Basis abzubilden.

Von praxisbezogener Bedeutung sind die dann in den verschiedenen Kapiteln zu Bearbeitungsverfahren beschriebenen Prozesse, die auf leicht verständlichem Niveau die Grundprinzipien und wesentlichen quantitativen Zusammenhänge von Prozessparametern erläutern. Jeweils angeführt sind zahlreiche Beispiele, die die Phantasie des Lesers anregen und zu neuen Anwendungsideen verhelfen sollen. Das Alleinstellungsmerkmal dieses Buches ist daher die Dokumentation einer Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten und Perspektiven der Lasertechnik in der Fertigung in direkter Abbildung auf systematisch aufgezeigte physikalische und technische Grundlagen. Auf diese Weise soll ein individueller Tiefgang des Lesers im Prozessverständnis für die jeweils interessierende Anwendung ermöglicht werden.

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.

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Leseprobe
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.
Inhaltsverzeichnis
Vorwort5
Inhaltsverzeichnis9
1 Einleitung18
2 Das Verhalten elektromagnetischer Strahlung an Grenzflächen22
2.1 Die Fresnel-Formeln22
2.1.1 Fresnel-Formeln mit Absorption25
2.1.2 Auswertung der Fresnel-Formeln. Brewster-Effekt26
2.1.3 Totalreflektion28
2.2 Anwendungen der Sonderfälle der Fresnel-Formeln in der Lasertechnik29
2.2.1 Brewster-Effekt29
2.2.2 Totalreflexion29
Literatur29
3 Absorption von Laserstrahlung30
3.1 Beschreibung der Phänomene31
3.1.1 Verknüpfungen32
3.1.2 Wellengleichung34
3.1.3 Geometrie desWerkstücks34
3.1.4 Randbedingungen35
3.2 Nichtleiter35
3.2.1 Elektronische Polarisierung36
3.2.2 Ionische Polarisierung38
3.2.3 Zusatzstoffe in Kunststoffen40
3.3 Dielektrische Eigenschaften von Plasmen40
3.3.1 Stroßfreies Plasma41
3.3.2 Stoßbestimmtes Plasma43
3.4 Absorption metallischerWerkstoffe44
3.5 Das Drude-Modell der Absorption46
3.6 Temperaturabhängigkeit der Absorption von Metallen49
3.7 Einfluss des Oberflächenzustandes51
Literatur55
4 Energietransport und Wärmeleitung58
4.1 Energietransportgleichung58
4.2 Wärmeleitungsmechanismen60
4.3 Wärmeleitungsgleichung mit konstanten Koeffizienten und Methode der Green’schen Funktionen61
4.3.1 Punktquelle63
4.3.2 Linienquelle65
4.3.3 Transversal unendlich ausgedehnte Oberflächenquelle67
4.3.4 Transversal unendlich ausgedehnte Volumenquelle70
4.3.5 Gauß’sche Intensitätsverteilung71
4.3.6 Endliche Werkstückdicke72
4.4 Temperaturabhängige thermophysikalische Konstante73
4.5 Wärmeleitung bei kurzen Pulsdauern74
Literatur75
5 Thermomechanik76
5.1 Elastische Verformungen76
5.1.1 Uniaxiale Belastung77
5.1.2 Uniaxiale Verzerrung77
5.2 Thermisch induzierte Spannungen77
5.3 Plastische Verformung78
6 Phasenumwandlungen82
6.1 Eisen-Kohlenstoff-Diagramm82
6.1.1 Reines Eisen82
6.1.2 Eisen-Kohlenstoff-Gemische84
6.2 Härten von perlitischem Gefüge87
6.2.1 Kohlenstoff-Diffusion87
Literatur90
7 Schmelzbadströmung92
7.1 Massen-, Impuls- und Energiebilanz92
7.2 Randbedingungen93
7.3 Ebene Potentialströmung96
7.3.1 Quellströmung und Dipolströmung97
7.3.2 Strömung um einen Zylinder98
7.4 Laminare Grenzschichtströmung100
7.4.1 Reibungsbestimmte Grenzschichtströmung103
7.4.2 Trägheitsbestimmte Grenzschichtströmung104
Literatur105
8 Laserinduziertes Verdampfen106
8.1 Dampfdruck im thermodynamischen Gleichgewicht106
8.2 Verdampfungsrate108
8.3 Teilchen- und Energiebilanz beim laserinduzierten Verdampfen111
8.4 Beschreibung des Verdampfungsprozesses als Verbrennungswelle116
8.5 Kinetische Beschreibung des Verdampfens und der Knudsen- Schicht120
Literatur123
9 Plasmaphysik125
9.1 Debye-Radius und De.nitionen127
9.2 Einige Ergebnisse der Thermodynamik und Statistik eines Plasmas130
9.2.1 Zustandssumme eines idealen Plasmas131
9.2.2 Zustandsgrößen eines idealen Plasmas134
9.2.3 Coulomb-Korrekturen135
9.2.4 Massenwirkungsgesetz und Saha-Gleichung138
9.3 Transporteigenschaften von Plasmen141
9.4 Wechselwirkung elektromagnetischer Wellen mit Plasmen146
9.5 Nichtgleichgewichtsprozesse152
9.6 Plasmastrahlung im LTE-Modell155
9.6.1 Linienstrahlung157
9.6.2 Absorption durch Übergänge zwischen zwei gebundenen Zuständen158
9.6.3 Strahlungsleistung bei Linienstrahlung158
9.6.4 Linienprofile159
9.6.5 Bremsstrahlung160
9.6.6 Rekombinationsstrahlung161
9.6.7 Apparateeinfluss161
Literatur162
10 Laserstrahlquellen164
10.1 CO2- Laser164
10.1.1 Grundlagen164
10.1.2 Bauformen164
10.2 Nd:YAG-Laser166
10.2.1 Grundlagen166
10.2.2 Bauformen167
10.3 Diodenlaser169
10.3.1 Grundlagen169
10.3.2 Bauformen und Eigenschaften171
10.4 Excimerlaser174
10.4.1 Grundlagen174
10.4.2 Aufbau175
Literatur176
11 Obeflächentechnik178
11.1 Umwandlungshärten1178
11.1.1 Motivation178
11.1.2 Verfahrensbeschreibung179
11.1.3 Physikalische Grundlagen182
11.1.4 Anwendungsergebnisse183
11.1.5 Industriell relevante Anwendungsbeispiele187
11.2 Umschmelzen192
11.2.1 Physikalische Grundlagen192
11.2.2 Verfahrensbeschreibung197
11.2.3 Anwendungsergebnisse199
11.2.4 Anwendungsbeispiel201
11.3 Laserstrahlpolieren202
11.3.1 Motivation202
11.3.2 Verfahrensbeschreibung202
11.3.3 Anlagentechnik205
11.3.4 Anwendungsbeispiele205
11.4 Beschichten208
11.4.1 Motivation208
11.4.2 Verfahrensbeschreibung208
11.4.3 Werkstofftechnik212
11.4.4 Anwendungen212
11.5 Legieren und Dispergieren215
11.5.1 Motivation215
11.5.2 Physikalische Grundlagen216
11.5.3 Verfahrensbeschreibung217
11.5.4 Anwendungsergebnisse219
11.5.5 Anwendungsbeispiel222
11.6 Pulsed Laser Deposition222
11.6.1 Physikalische Grundlagen224
Literatur228
12 Umformen230
12.1 Biegen230
12.1.1 Einleitung230
12.1.2 Prozessmodelle231
12.1.3 Umformergebnisse236
12.1.4 Anwendungen des Laserstrahlmikroumformens in Aktuatoren236
Literatur240
13 Rapid Prototyping, Rapid Tooling242
13.1 Selektives Laser Sintern (SLS)242
13.1.1 Einleitung242
13.1.2 Selektives Laser Sintern von Kunststoffpulver243
13.1.3 Indirektes Selektives Laser Sintern von Metallen243
13.1.4 Direktes Selektives Laser Sintern von Metallen244
13.1.5 Selective Laser Melting (SLM)246
13.2 Laserstrahlgenerieren248
13.2.1 Einführung248
13.2.2 Eigenschaften generierter Bauteile251
13.2.3 CAD/NC-Kopplung253
13.2.4 Anwendungsgebiete254
13.2.5 Instandhaltung und Reparatur256
13.3 Stereolithographie257
13.3.1 Verfahrensbeschreibung257
13.4 Layer Laminate Manufacturing (LLM)259
13.4.1 Laminated Object Manufacturing (LOM)259
13.5 Nicht lasergestützte Rapid Prototyping Verfahren261
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
Literatur266
14 Fügen268
14.1 Schweißen von Metallen268
14.1.1 Wärmeleitungsschweißen268
14.1.2 Tiefschweißen274
14.1.3 Laser-Hybridschweißen279
14.2 Laserstrahlschweißen von thermoplastischen Kunststoffen284
14.2.1 Motivation284
14.2.2 Verfahrensgrundlagen und -beschreibung285
Fügegeometrie.286
Bestrahlungsarten.288
14.2.3 Anwendungsergebnisse289
14.2.4 Anwendungsbeispiele290
Elektronisches Fahrberechtigungssystem.290
Automatisierte Laserstrahl-Schweißanlage.291
14.2.5 Ausblick292
14.3 Löten293
14.3.1 Physikalisch-technische Grundlagen294
14.3.2 Verfahrensbeschreibung296
14.3.3 Anwendungsbeispiel298
14.4 Mikroschweißen299
14.4.1 Einführung299
14.4.2 Verfahrenstechnik und Ergebnisse300
Literatur305
15 Abtragen und Bohren308
15.1 Einzelpulsbohren308
15.1.1 Physikalische Grundlagen309
15.1.2 Verfahrensbeschreibung312
15.1.3 Anwendungen313
15.1.4 Anwendungsbeispiele316
15.2 Perkussionsbohren317
15.2.1 Physikalische Grundlagen317
15.2.2 Verfahrensbeschreibung319
15.2.3 Anwendungen320
15.2.4 Beispiel321
15.3 Trepanierbohren322
15.3.1 Verfahrensbeschreibung323
15.3.2 Anwendungen323
15.3.3 Anwendungsbeispiele325
15.4 Mikrostrukturieren326
15.4.1 Einleitung326
15.4.2 Strahlformung für die Mikrostrukturierung326
15.4.3 Absorption der Laserstrahlung328
15.4.4 Beispiele330
15.5 Reinigen331
15.5.1 Verfahrensbeschreibung331
15.5.2 Anwendungsbeispiele333
Literatur336
16 Schneiden338
16.1 Laserstrahlbrennschneiden338
16.1.1 Einleitung338
16.1.2 Leistungsbedarf und Leistungsangebot beim Brennschneiden338
16.1.3 Autogenes Brennschneiden339
16.1.4 Verfahrensprinzip341
16.1.5 Abbrandstabilisiertes Laserstrahlbrennschneiden344
16.2 Schmelzschneiden346
16.2.1 Grundlagen346
16.2.2 Verfahrensparameter347
16.2.3 Schmelzschneiden mit Spiegeloptiken und Autonomer Düse350
16.2.4 Anwendungsbeispiele352
16.3 Hochgeschwindigkeitsschneiden352
16.3.1 Grundlagen352
16.3.2 Verfahrensbeschreibung354
16.3.3 Bearbeitungsbeispiele356
16.4 Sublimationsschneiden357
16.4.1 Einleitung357
16.4.2 Leistungsbilanz beim Laserstrahl-Sublimationsschneiden358
16.4.3 Anwendungsbeispiele für das Sublimationsschneiden von Nichtmetallen360
16.5 Laserstrahlfeinschneiden361
16.5.1 Einführung und Anwendungsgebiete361
16.5.2 Verfahrensgrundlagen362
16.5.3 Verwendete Laserstrahlquellen364
16.5.4 Applikationsbeispiele365
Schneiden von Stents.365
Schneiden von Spinndüsen.366
Schneiden von Flex-Boards mit UV-Laserstrahlung.366
Literatur368
17 Systemtechnik370
17.1 Prozessüberwachung370
17.1.1 Motivation370
17.1.2 Einordnung der Verfahren370
17.1.3 Vor- und nachlaufende Prozessüberwachung371
17.1.4 Prozessüberwachung am Bearbeitungsort372
17.1.5 Prozessüberwachung mit räumlich integral messenden Detektoren377
17.1.6 Prozessüberwachung mit bildgebenden Sensoren378
17.2 Numerisch gesteuerteWerkzeugmaschinen zur Materialbearbeitung mit Laserstrahlung384
17.2.1 Werkzeugmaschinen-Modelle384
17.2.2 Komponenten des Grundmodells387
17.2.3 Funktionserweiterungen von numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen für die Materialbearbeitung mit Laserstrahlung395
Literatur403
18 Lasermesstechnik406
18.1 Lasertriangulation406
18.1.1 Einführung406
18.1.2 Messung geometrischer Größen407
18.1.3 Scheimpflug-Bedingung und Kennlinie eines Triangulationssensors408
18.1.4 Anwendungsbeispiele411
18.1.5 Wirtschaftliche Bedeutung416
18.2 Interferometrie416
18.2.1 Michelson-Interferometer419
18.2.2 Mach-Zehnder-Interferometer421
18.2.3 Fizeau-Interferometer422
18.2.4 Speckle-Interferometrie423
18.2.5 Weißlicht-Interferometer425
18.3 Laserinduzierte Fluoreszenz428
18.3.1 Grundlagen der Fluoreszenz428
18.3.2 Fluoreszenzmarker in den Biowissenschaften432
18.3.3 Wirtschaftliche Bedeutung der laserinduzierten Fluoreszenz436
18.4 Konfokale Mikroskopie437
18.4.1 Motivation437
18.4.2 Grundlagen438
18.4.3 Auflösungsvermögen439
18.4.4 Anwendungsbeispiele440
18.4.5 Konfokale 2-Photonenmikroskopie441
18.5 Abtastsysteme für optische Speichermedien441
18.5.1 Motivation441
18.5.2 Physikalische Grundlagen442
18.5.3 Technische Realisierungen des Abtastsystems (Pick-Up)443
18.5.4 Weiterentwicklung der DVD445
18.6 Laser-Emissionsspektrometrie446
18.6.1 Motivation und Zielsetzung des Verfahrens446
18.6.2 Grundlagen447
18.6.3 Verfahrensbeschreibung451
18.6.4 Zeitaufgelöste Spektroskopie453
18.6.5 Datenauswertung454
18.6.6 Messbereich456
18.6.7 Anwendungsbeispiele457
Literatur459
A Ergänzungen: Optik464
A.1 Herleitung der Fresnel-Formeln464
A.2 Dielektrische Eigenschaften von Plasmen466
A.3 Beschreibung elektromagnetischer Felder durch komplexe Größen469
Literatur470
B Ergänzungen: Kontinuumsmechanik472
B.1 Koordinatensysteme und Deformationsgradient472
B.2 Deformation474
B.2.1 Physikalische Bedeutung der Komponenten des Green’schen Verzerrungstensors475
B.3 Ableitungen nach der Zeit476
B.4 Reynolds’sches Transporttheorem477
B.5 Massenbilanz479
B.6 Impulsbilanz480
B.7 Materialgleichungen481
B.7.1 Elastische Festkörper482
B.7.2 Newton’sche Fluide483
B.8 Energiegleichung484
B.9 Zusammenstellung einiger wichtiger mathematischer Formeln für die Berechnung des Energietransports487
B.9.1 Integration über den Raum488
B.9.2 Integration über die Zeit490
B.9.3 Errorfunktionen491
B.9.4 Exponentialintegral492
B.10 Diffusion in Metallen492
Literatur494
C Ergänzungen: Laserinduziertes Verdampfen496
C.1 Gleichung von Clausius-Clapeyron496
C.2 Temperaturabhängigkeit der Verdampfungsenthalpie497
C.3 Geschwindigkeitsmomente498
Literatur499
D Ergänzungen: Plasmaphysik500
D.1 Einige Ergebnisse der Thermodynamik500
D.2 Verallgemeinerungen bei mehrfach geladenen Ionen502
Literatur503
E Bedeutung der verwendeten Symbole und Konstanten504
E.1 Verwendete Formelzeichen506
E.2 Konstanten514
E.3 Kennzahlen515
E.4 Referenzzustand515
E.5 Materialkonstanten 1516
E.6 Materialkonstanten 2517
Literatur519
Sachverzeichnis538

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