Lade Inhalt...

Funktion und Anwendung von Laserschneidverfahren

von Jan Blaszkowski (Autor) Dennis Johnsen (Autor)

Hausarbeit 2016 37 Seiten

Ingenieurwissenschaften - Wirtschaftsingenieurwesen

Leseprobe

Inhalt

Abbildungsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Vorwort

1. Einleitung
1.1 Definition
1.2. Laserlicht
1.2.1. Erzeugung von Laserstrahlen
1.2.2. Eigenschaften des Laserlichts
1.3 Geschichtlicher Hintergrund
1.4 Anwendungen
1.4.1 Anwendungsgebiete
1.4.2 Lasermaterialbearbeitung
1.4.3 Laserstrahlführungen
1.4.4 Unterschied zwischen CO2- und Nd:YAG-Laser

2. Laserschneiden
2.1 Prinzip des Laserschneidens
2.2 Aufbau Laserschneidkopf
2.3 Laserschneidverfahren
2.3.1 Laser-Brennschneiden
2.3.2 Laser-Schmelzschneiden
2.3.3 Laser-Sublimierschneiden
2.4 Zusammenfassung

3. Laserschneidanlagen
3.1 1D-Lasermaschinen
3.2 2D-Lasermaschinen
3.3 3D-Lasermaschinen
3.4 Rohrschneidanlagen
3.5 Roboter

4. Schneidfehler
4.1Gratbildung
4.2 Rau tiefe
4.3 Kolkungen

5. Alternative Trennverfahren
5.1 Wasserstrahlschneiden
5.1.1 Vor- und Nachteile
5.2 Plasmaschneiden
5.2.1 Vor- und Nachteile

Fazit

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1 : Unterschied Glühlampe und Laser

Abbildung 2 Spontane und induzierte Emission

Abbildung 3 : Aufbau einer Materialbearbeitungsanlage

Abbildung 4 : Spiegelsysteme

Abbildung 5 : Lichtleitfaser

Abbildung 6 : Beispiele für das Laserschneiden

Abbildung 7 : Schneidparameter für verschiedene Stähle und Aluminium

Abbildung 8 : Prinzip des Laserschneidens

Abbildung 9 : Aufbau Linsenschneidkopf

Abbildung 10 : Aufbau eines Spiegelschneidkopfes

Abbildung 11 : Unterschiedliche Laserschneidverfahren

Abbildung 12 : Oxidationsschicht Brennschneiden

Abbildung 13 : Maximale Schnittgeschwindigkeiten beim Laserstrahlbrennschneiden

Abbildung 14 : Unterschied Laserstrahlbrennschneiden und autogenen Brennschneiden

Abbildung 15 : Abbildung der Schnittkanten

Abbildung 16 : Abbildung einer oxidfreien Schnittkannte

Abbildung 17 : Lasern einer Holzplatte

Abbildung 18 : Prozess des Laser-Sublimierschneiden

Abbildung 19 : 3D-Laseranlage

Abbildung 20 : Rohrschneidanalge

Abbildung 21 : Roboterarm

Abbildung 22 : Schneidfehler

Abbildung 23 : Bestimmung der Gratbildung

Abbildung 24 : Kolkung

Abbildung 25 : Auswaschung

Abbildung 26 : Varianten von Wasserstrahlen

Abbildung 27 : Plasmaschneiden

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Vorwort

Die optische Technologie gehört mit zu den Zukunftstechnologien der nächsten Jahrzehnte. Die Entwicklung auf diesem Gebiet schreitet rasend voran und wird ganz entscheidend durch den Laser sowie seine Anwendungen geprägt. Nachdem der erste Rubin-Laser im Jahre 1960 von dem Erfin­der Theodore H. Maimann vorgestellt wurde, wurde die Entwicklung des Lasers in den nächsten Jahren durch viele weitere Innovationen vorangetrieben und ist in der heutigen Zeit kaum noch wegzudenken. Die Lasertechnik hat sich in vielen Anwendungsgebieten etabliert. Weitere Anwen­dungsgebiete kommen laufend hinzu. So wird die Lasertechnik Beispielsweise in der Medizintech­nik für die Augenheilkunde sowie in der Fertigungsindustrie zum Schneiden, Schweißen und Här­ten von Werkstoffen verwendet. Die Branchen, in denen die Lasertechnologie angewendet wird, sind aufgrund der vielseitigen Anwendbarkeit des Laserstrahls breit gefächert. Die Grundlage für alle Anwendungen sind die Eigenschaften der Laserstrahlungen, die sich mit herkömmlichen Ener­giequellen nicht erreichen lassen. Deshalb ist für Ingenieure und Forscher das Verständnis für die Funktionen eines Lasers und dessen Eigenschaften enorm wichtig, um die Möglichkeiten und Grenzen beim Einsatz eines Lasergeräts ausreizen zu können.

Aufgrund der immer wichtiger werdenden Lasertechnologie wird diese Hausarbeit verstärkt auf die Funktionen und Anwendungen des Laserschneidverfahrens in der Materialbearbeitung eingehen. Zur Einleitung werden sie die Themenfelder Definition des Lasers, Erzeugung und Eigenschaften eines Laserstrahls, den Geschichtlichen Hintergrund sowie den schematischen Aufbau einer Mate­rialbearbeitungslaseranlage, um das physikalische Verständnis für die Lasertechnologie vermittlet bekommen.

Im Anschluss wird auf das wesentliche dieser Hausarbeit, das Laserschneiden eingegangen. Die Kapitel umfassen das Prinzip des Laserschneidens, den Aufbau eines Laserschneidkopfs und die Beschreibung der unterschiedlichen Möglichkeiten des Laserschneidverfahrens.

Für die Materialbearbeitung mit einem Laserschneidverfahren werden Laserschneidanlagen benö­tigt. Für jedes Anwendungsgebiet gibt es verschiedene Arten von Anlagen, die in den darauffol­genden Kapiteln erläutert werden. Zudem wird in dieser Hausarbeit aufgezeigt, welche Fehler beim Schneiden entstehen können, falls die Laserschneidanlagen nicht korrekt angewendet werden. Zu Letzt werden Ihnen alternative Trennverfahren zum Laserschneidverfahren sowie deren Vor- und Nachteile vorgestellt.

Die vorliegende Hausarbeit baut auf eine Reihe von Vorlesungen und Recherchen in Literaturen sowie im Internet auf. Die Quellen hierzu befinden sich im Quellenverzeichnis.

1. Einleitung

Der Laser ist mittlerweile in vielen Branchen ein unverzichtbares Werkzeug. In der Forschung und Technik sowie in der Medizin ist die Anwendung elektromagnetischen Wellen eines Laserstrahls nicht mehr wegzudenken. Obwohl der weltweite Marktanteil des Lasers in der Materialbearbei­tung nur einen Volumen von ca. vier Milliarden Dollar besitzt, spielt der Laser in vielen Technolo­gien die entscheidende Schlüsselrolle, wie zum Beispiel in der Mess- und Fertigungstechnik1.

1.1 Definition

Der Begriff „Laser“ stammt aus der Physik und wird aus den Anfangsbuchstaben der englischen Wörter „light amplification by stimulated emission of radiation“ abgeleitet, welchesübersetzt auf Deutsch „Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlungen“ bedeutet. Anders als bei einer Glühbirne haben die abgeworfenen Wellenlängen eines Lasers eine korrekte Anordnung. Während beispielsweise bei einer Taschenlampe die Wellenlängen unterschiedlich lang und in alle Richtungen ausgerichtet sind, sind sie bei einem Laser verstärkt, verlaufen parallel und gleich. Dies führt dazu, dass die Wellenlängen der Strahlungen einheitlich zueinander sind und die Hoch- und Tiefpunkte immer die Selben X/Y-Werte besitzen. Zudem wird der Laserstrahl auch als kohä­rentes Licht bezeichnet, da dessen Phasenlängen und Schwingungsebenen wie in der Abbildung 1 dargestellt konstant zueinander sind

Abbildung 1: Unterschied Glühlampe und Laser

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: http://download.e-bookshelf.de/download/0000/6041/82/L-X-0000604182-0001351050.XHTML/images/ch01_image006.jpg (Zugriff 08.09.2016)

1.2. Laserlicht

1.2.1. Erzeugung von Laserstrahlen

Bei der Erzeugung einer Laserstrahlung werden Atome eines Stoffes durch Energiezufuhr angeregt, sodass die Außenelektronen ein höheres Energieniveau erreichen. Nach etwa zehn Milliardstel Sekunden kehren die Atome unter Energieabgabe in ihren Grundzustand zurück. Die Energieabga­be erzeugt Licht. Den Vorgang der spontanen Emission, wie der beschriebene Prozess genannt wird, kann man auch in Glühlampen beobachten. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass es bei Atomen mit mehreren Elektronen angeregte Zustände gibt, dieüber einen längeren Zeitraum bestehen können.2

Werden Atome auf ein Energieniveau E2 angeregt so fallen die Elektronen ohne die Abgabe von Strahlungen auf ein Energieniveau E1 zurück. Anschließend wird mit einemäußeren Strahlungs­feld Licht erzeugt, welches auf die angeregten Atome die sich im E1 Niveau befinden, ausgerichtet wird. Nachdem das von außen erzeugte Licht auf die angeregten Atome trifft, gehen die Atome im Anschluss in ihren Grundzustand zurück. Hierbei wird eine induzierte Emission erzeugt. Die indu­zierte Emission ist die Grundvoraussetzung für das Funktionsprinzip des Lasers.3

Abbildung 2 Spontane und induzierte Emission

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/Dhysik/artikel/laserlicht (Zugriff: 14.09.2016)

Die induzierte oder auch stimuliert genannte Emission wird in einer Laseranlage zu einem Laser­strahl umgewandelt. Atome werden in der Laseranlage durch eine Energiequelle angeregt und in einem Energiespeicher aufbewahrt. Spiegelvorrichtungen sorgen dafür, dass das Licht sich hin und her bewegt und sich dadurch die induzierte Emission verstärkt. Die Spiegel sind halbdurchlässig und sorgen ständig dafür, dass ein Teil des Lichtes den Laser in Form eines Laserstrahls verlässt.

1.2.2. Eigenschaften des Laserlichts

Eine Laserstrahlung ist vom physikalischen Charakter eine elektromagnetische Welle. Wie bei herkömmlichen Licht breitet es sich in einem Stoff mit Lichtgeschwindigkeit aus. Die Strahlen können reflektiert oder auch gebrochen werden. Anders als bei herkömmlichen Licht, bei denen unterschiedliche Wellenlängen verschiedene Farben reflektieren, die zusammen die weiß-gelbliche Farbe ergeben, ist bei kontinuierlichen Lasern Schluss mit dieser Vielfalt. Ein Laser erzeugt in der Regel nur eine bestimmte Wellenlänge - somit wird auch nur eine Farbe ausgegeben. Bei einem Laserlicht können die Wellenzüge sehr lang sein und die nebeneinander liegenden Züge im glei­chen Takt schwingen. Diese Eigenschaft des Laserlichts nennt sich Kohärenz.4 Die extrem dünnen Laserstrahlen sind auf eine kleine Fläche konzentriert, sodass sie sehr intensive sowie starke Kräfte erzeugen können, die für die Bearbeitung von Materialien in der Industrie genutzt wird.

Eine weitere Eigenschaft des Lasers ist die Emittanz. Die Emittanz beschreibt, wie stark sich ein Laser auffächert. Es gibt an wie breit ein Laserstrahl ist und wie stark er sichöffnet. Hierbei gilt, desto kleiner die Emittanz, umso fokussierter ist auch der Strahl.

Die Strahlenergie wiederum wird in Form der Brillanz wiedergegeben. Die Energie des Laser­strahls ist umso größer, je größer die Energie ist und je kleiner die Emittanz ausfällt. In der Ferti­gungstechnik ist eine starke Strahlenergie gefordert, da die Ansprüche der Materialbearbeitung sehr hoch ausfallen. Hierzu muss die Emittanz sehr klein und die Energie des ausgegebenen Laserstrahls sehr hoch ausfallen, damit die Brillanz sehr hoch ausfällt.

1.3 Geschichtlicher Hintergrund

In der Materialbearbeitung ist die Lasertechnologie im Gegensatz zu anderen Trennverfahren eine sehr junge Methode. Der erste Laser wurde erst im Jahre 1960 entwickelt. Dies war der Anstoßfür eine Reihe von weiteren Innovationen, bis im Jahre 1978 der erste Laser für die industrielle Materi­altrennung eingesetzt wurde. An der Weiterentwicklung des Lasers wird heute noch gearbeitet, da die Forscher ständig neue Meilensteine und Potenziale aufdecken. In dem folgenden Zeitstrahl werden die einzelnen Entwicklungsschritte des Lasers chronologisch ab dem Jahre 1960 bis zum Jahre 2002 aufgezeigt. Hierbei ist gut zu erkennen, in welchen rasanten Schritten der Laser weiter­entwickelt wurde und heute noch wird.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle:http://www.hro.ipa.fraunhofer.de/content/dam/agp/de/documents/Lehre/Skripte/ausgew%C3%A4hlte%20Fertigungsverfahren/Laser- Fertigungstechnik-2010_Teil_I_tcm101-168833.pdf (Zugriff: 09.09.2016)

Zur Vervollständigung des oben aufgeführten Zeitstrahls muss erwähnt werden, dass die Grundla­gen der Laserstrahlentwicklung bereits im Jahre 1917 durch Albert Einsteins Prinzip der stimulier­ten Emission gelegt worden sind. Danach haben die Wissenschaftler vier Jahrzehnte versucht Einsteins Theorie in die Praxis umzusetzen. Lange blieben Sie erfolglos.

1.4 Anwendungen

Im Laufe der letzten fünf Jahrzenten wurde der Laser stets weiterentwickelt, sodass die Anwen­dung für das kohärente Licht weitaus mehr als nur ein einfacher roter Punkt aus einem Präsenter ist. In der Fertigungstechnik beispielsweise ist der Laser kaum noch wegzudenken. Es wird in der Fertigung hauptsächlich fürs Schneiden, Schweißen, Markieren, Gravieren, Ritzen, Bohren, Perfo­rieren, Beschichten, Härten und Abtragen verwendet. Die neuesten Entwicklungen zeigen, dass Forscher und Entwickler an kompakteren Lasergeräten mit mehr Funktionen arbeiten, sodass an­genommen werden kann, dass die Lasertechnologie auch in absehbarer Zukunft neue Innovationen aufweisen wird.

1.4.1 Anwendungsgebiete

In der Fertigungstechnik werden mit Hilfe von Lasern Profile, Rohre sowie flache Werkstücke mit unterschiedlichen Querschnitten bearbeitet. Am häufigsten werden die Werkstücke aus den Werk­stoffen Baustahl, Werkzeugstahl, Aluminium, Chrom-Nickel-Stähle und sonstigen Aluminiumle­gierungen bearbeitet. Für jeden Anwendungsfall werden die Lasermaterialbearbeitungsanlagen gesondert eingerichtet.

1.4.2 Lasermaterialbearbeitung

Für die Bearbeitung eines Materials mit einem Laser ist die Laserbearbeitungsanlage immer nach dem folgenden Schema aufgebaut.

Abbildung 3 : Aufbau einer Materialbearbeitungsanlage

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle:

http://www.hro.ipa.fraunhofer.de/content/dam/agp/de/documents/Lehre/Skripte/ausgew%C3%A4hlte%20Fertigungsverfahren/Laser- Fertigungstechnik-2010_Teil_I_tcm101-168833.pdf (Zugriff: 12.09.2016)

Das oben abgebildete Schema stellt die wesentlichen Bestandteile einer Lasermaterialbearbeitungsanlage dar. Die Laserstrahlquelle erzeugt die Laserstrahlung und leitet sie durch die Strahlführung direkt in die Strahl­formung, wo die Laserstrahlen mit Hilfe dieser Komponenten von einem linear polarisiertem in zirkular polarisiertem Licht umgewandelt werden.5 Darunter befindet sich die Handhabungseinrichtung, die das Werkstück je nach Zeichnung in die gewünschten Positionen bringt, damit das Material nach den Vorgaben bearbeitet wird. Durch Prozesskontroll- und Qualitätssicherungsvorrichtungen wird die Qualität der Ferti­gung sichergestellt.

1.4.3 Laserstrahlführungen

Die erzeugten Laserstrahlen in einer Lasermaterialbearbeitungsanlage müssen von der Quelle zum Schneid­kopf geführt werden. Hierzu gibt es zwei gängige Laserstrahlführungen, die in der Industrie am häufigsten eingesetzt werden.

Abbildung 4 : Spiegelsysteme

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: http://www.lzh.de/sites/default/files/vorlesungen/Lasermaterialbearbeitung/Handhabungssysteme.pdf (Zugriff: 15.09.2016)

Bei kurzen Distanzen und Anwendungen, bei denen große Leistungen benötigt werden, werden Spiegelsys­teme in Verbindung mit Rohrleitungen eingesetzt. Hierbei wird der Laserstrahl mit 90° Umlenkspiegeln von der Quelle zum Bearbeitungskopf weitergeleitet. Stark pulsierende Laser könnten Lichtleitkabel-Systeme beschädigen. Spiegelsysteme finden ihren Einsatz bei der Anwendung von CO2-Lasern.

Abbildung 5 : Lichtleitfaser

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: http://www.lzh.de/sites/default/files/vorlesungen/Lasermaterialbearbeitung/Handhabungssysteme.pdf (Zugriff: 15.09.2016)

Wenn die Lichtquellen nicht mit der Laseranlage verbunden sind, verwendet man Laserlichtkabel. Das Laser­lichtkabel besteht aus einem Quarzfaser, in der das Licht eingekoppelt in einem Kanal geführt wird. Der Vorteil des Laserlichtkabels im Gegensatz zum Spiegelsystem ist nicht nur die flexiblere Anwendungsmög­lichkeit, sondern auch die hohe Distanz von bis zu 100m zwischen der Lichtquelle und dem Einsatzgebiet des Lasers. Aufgrund der hohen Reichweite und der biegsamen Laserführung, findet die Anwendung des Lasers oft bei Robotern die mit einem Nd:YAG-Laser ausgestattet sind statt.

1.4.4 Unterschied zwischen CO2- und Nd:YAG-Laser

Der CO2-Laser ist ein Gaslaser, welcher auf einem Kohlendioxid-Gasgemisch basiert. Dieses Gasgemisch wird elektrisch angeregt. Es werden Wellenlängen von 10,6 Mikrometern erzeugt, die zur Bearbeitung von dünnen sowie dickeren Blechen geeignet sind. Die Leistung des Lasers erreicht maximal einen Wert von 20kW. Die Führung eines CO2-Lasers ist nur mit Spiegeln möglich, sodass die Konzentration des Lasers relativ ungenau zum Nd:YAG-Laser ist.6

Nd:YAG-Laser ist ein Kürzel für den Begriff Neodym-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat und ist wiede­rum ein Festkörperlaser, welcher seinen Einsatz beim Schneiden von dickeren Blechen findet. Im Gegensatz zum CO2-Laser sind die Wellenlängen des Nd:YAG-Lasers deutlich geringer, sodass die Strahlen durch Glasfaserkabel geleitet werden können. Ursprünglich wurde das Nd:YAG-Laser für feine Bohrarbeiten ein­gesetzt. Mittlerweile ist die Effizienz dieser Laser-Art deutlich gestiegen, sodass sie auch für höherwertigere Ansprüche eingesetzt werden kann. Die hohe Fokussierung des Lasers auf einen Punkt ermöglicht Feinstar­beiten bei denen eine große Präzision gefordert ist.7

[...]


1 Vgl. Mayer, A. , Marktübersicht, 2004 S. 4

2 Vgl. Lernhelfer, Erzeugung von Laserlicht

3 Vgl. Lernhelfer, Erzeugung von Laserlicht

4 Vgl. Welt der Physik, Die besonderen Eigenschaften des Laserlichts

5 Vgl. Lasercomponents, Strahlführungskomponenten zur Strahlformung

6 Hoffmann, J. , Laser in der industriellen Fertigung

7 Scholz. M. , Nd:YAG-Laser, S. 5.

Details

Seiten
37
Jahr
2016
ISBN (eBook)
9783668733541
ISBN (Buch)
9783668733558
Dateigröße
1.5 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v426710
Institution / Hochschule
Fachhochschule Münster – ITB
Note
2,0
Schlagworte
Laser Laserschneid Lasertechnik Fertigungsverfahren CO2 Nd:YAG Laserlicht Laserschneiden Brennschneiden Schmelzschneiden Sublimierschneiden Lasermaschine Rohrschneiden Rautiefe Kolkung Plasmaschneiden

Autoren

Teilen

Zurück

Titel: Funktion und Anwendung von Laserschneidverfahren