Laser in der industriellen Fertigung - igp.fraunhofer.de · Laser-Doppler-Spektrometer Medizin /...

58
Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH Laser in der industriellen Fertigung Dipl.-Phys. Jan Hoffmann Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern Alter Hafen Süd 4 18069 Rostock Tel.: 0381 811 5010 Fax: 0381 811 5099 E-Mail: [email protected]

Transcript of Laser in der industriellen Fertigung - igp.fraunhofer.de · Laser-Doppler-Spektrometer Medizin /...

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt

Mecklenburg-Vorpommern GmbH

Laser in der industriellen FertigungDipl.-Phys. Jan Hoffmann

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern

Alter Hafen Süd 4

18069 Rostock

Tel.: 0381 811 5010

Fax: 0381 811 5099

E-Mail: [email protected]

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 2

Gliederung der Vorlesung

1. Einführung

2. Physikalische Grundlagen des Lasers

3. Lasertypen

4. Strahlführung/ -formung

5. Ausgewählte Bearbeitungsverfahren

5.1 Lasertrennen

5.2 Laserfügen

5.3 Oberflächenbehandlung

5.4 Lasermikrostrukturierung

5.5 Generative Laserverfahren / Rapid Prototyping

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 3

Gliederung der Vorlesung

1. Einführung

2. Physikalische Grundlagen des Lasers

3. Lasertypen

4. Strahlführung/ -formung

5. Ausgewählte Bearbeitungsverfahren

5.1 Lasertrennen

5.2 Laserfügen

5.3 Oberflächenbehandlung

5.4 Lasermikrostrukturierung

5.5 Generative Laserverfahren / Rapid Prototyping

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 4

Anwendungsbereiche des Lasers

Lasertechnik

Fertigungstechnik

Schneiden, Fügen, Abtragen, Bohren,

Beschriften, Oberflächenveredeln

Informations- und

Kommunikationstechnik

Optoelektronik, Signalübertragung,

Datenverarbeitung, Laserscanner,

Laserdrucker, CD-Player

Verkehrstechnik

Fahrleitsysteme,

Orientierungssysteme,

Warnsysteme

Messtechnik

Winkelmessung,

Längenmessung, Laser-

Anemometrie,

Laser-Doppler-Spektrometer

Medizin / Medizintechnik

Laserchirurgie, Tumorbehandlung,

Steinzertrümmerung,

Netzhautbefestigung

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 5

Anwendungen des Lasers in der

Fertigung

Laser-

Materialbearbeitung

Schweißen

Schneiden

Oberflächenbehandeln

Rapid Prototyping

Beschriften Markieren

Bohren

Abtragen

Löten

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 6

hohe Energiedichte

geringe Wärmeeinflusszone

geringe Wärmebelastung (minimaler Verzug)

hohe Prozessgeschwindigkeit

berührungslose Bearbeitung

trägheitsfrei

nichtleitende Werkstoffe bearbeitbar

kein Werkzeugverschleiß

große Flexibilität

gut automatisierbar

LSB 1.ppt

Vorteile der Lasermaterialbearbeitung

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 7

Industrieller Einsatz in der

Automobilindustrie

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 8

Laserstrahlschweißen im Schiffbau

Thermische Strahltechnik

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 9

Meyer Werft, Papenburg

12 kW CO2 Laser

4 Laseranlagen mit Abmessungen

bis zu 20 m x 20 m

Thermische Strahltechnik

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 10

Laserschweißen von Leitscheiben für

stationäre Gasturbinen

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 11

Laser in der Solarzellenfertigung

Dünnschichtsolarzellen

Bsp.: Strukturierung von Molybdän

(CIS P1, 45µm Spurbreite)

Kristalline Solarzellen

Bsp.: Schneiden, Strukturieren,

Kantenisolieren, Bohren

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 12

Rapid Prototyping

Selektives Laser Sintern

Bsp.: Herstellung von Spritzgußwerkzeugen

Stereolithografie

Bsp.: Motorblock

• Verifikation der CAD-Konstruktion

• Funktionsprüfung der Öl- und

Kühlkanäle

• Gießereimodell mit Aufmaß

Bauzeit: 50 Stunden

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 13

Laserstrahlreinigen von Gemälden

Laserstrahlreinigen einer Ikone aus dem 17. Jahrhundert (KrF-Excimerlaser)

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 14

Laser in der Fertigungstechnik

zu teuer ?

zu schwierig ?

zu gefährlich ?

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 15

Laser in der industriellen Fertigung –

eine Einführung I

• Seit mehr als 45 Jahren stehen technisch brauchbare

Laserstrahlquellen zur Verfügung

• 1960: Bau des ersten Festkörperlasers (Rubinlaser),

• 1961: Bau des ersten Gaslasers (Helium - Neon - Laser)

• in Folgejahren rasante Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet

der Lasertechnik

• neben Laserstrahlquellen auch rasche Entwicklung der peripheren

Komponenten ( z.B. optische Elemente zur Strahlführung und

-formung, Handhabungssysteme, Sensor- und Regelungssysteme für

die Prozesskontrolle und –regelung)

• Resultate der angewandten Forschung finden ihre Anwendung bei

Gerätesystemen und neuen Technologien

• gegenwärtig existieren etwa 150 verschiedene Laserstrahlquellen

(unterscheiden sich in ihren Leistungsparametern und folglich für

unterschiedlichsten Applikationen geeignet)

• Lasertechnik gehört zu den Hochtechnologien

• Bemerkenswert vor allem Universalität des Lasers hinsichtlich der

Anwendungsbereiche

• Markt Lasertechnik von Sättigungsphase noch weit entfernt

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 16

1917 Albert Einstein -

Grundlagen Laserprinzip

1928 R. Ladenburg und

H. Kopfermann (Berlin)

erstes Experiment

Nachweis der „stimulierten

Emission“

1957 Gould erstellte Formeln und

Zeichnung für Laser-

Apparatur, als Lasererfinder

nachträglich anerkannt

1958 Townes und Schawlow

Veröffentlichung über

gebündeltes Licht im

sichtbaren Bereich

1960 Maiman (amerik.Phys.) techn.

Realisierung Rubin-Laser

1960 Siemens in München baut

Rubin-Laser

1960 Ende Javan (iran. Phys.) baut

Laser mit kontinuierlicher

Strahlung (He-Ne-Gasgemisch)

Entwicklung der Lasertechnologie

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 17

1960 Rubin-Laser

1961 Nd:YAG-Laser

1962 Halbleiter-Laser

1964 CO2-Laser

1965 Bohren von Diamant

1969 Bohren von Lager und

Uhrensteinen

1970 Trimmen von Widerständen

1978 1. industrielle Laserschneid-

anlage

1980 Laser-Schweißanwendungen

1982 Laserdioden

1984 Laser-Schneiden für 2DBauteile

1985 1. industrielle

Schweißanwendung

(Tassenstößel)

1988 Laserdiodengepumpter Festkörperlaser

1990 Laserschneiden in KMU

1992 Nd:YAG-Laser im kW- Bereich

1994 Entwicklung Scheibenlaser

2002 erster 1 kW Faserlaser

2004 erster 10 kW Faserlaser (SLV)

2007 erster 8 kW Scheibenlaser

2010: 16kW Scheibenlaser, 50kW Faserlaser

Weitere Meilensteine

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 18

Wirtschaftliche Bedeutung der Optische Technologien (OT)

für Deutschland:

Optische Technologien (OT) sind „Wachstum und wirtschaftlicher Erfolg

Made in Germany [Dr. Anette Schavan, MdB]

2008 in Deutschland Produkte der OT im Wert von 23,1 Mrd.€ hergestellt,

Exportquote durchschnittlich 65%

Gesamt: >120.000 Beschäftigte (21% Akademiker)

OT Impulsgeber für Fertigungstechnik sowie Medizin-& Biotechnologie

Wachstumserwartung der Branche bis 2015:

Produktionsvolumen Zuwachs von 8,5% p.a. in Deutschland,

Beschäftigtenzahl 142.900 im Jahr 2015

Überdurchschnittliches F&E – Aufkommen: 9,7% des Jahresumsatzes

Marktinformationen

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 19

Optischen Technologien –

Produktionsvolumen

Produktionsvolumen

Optische Technologien nach Ländern Europas

Übrige Regionen

19%

Frankreich

12%

GB

12%

Italien

8%

Niederlande

10%

Deutschland

39%

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 20

Relevant für die Region M-V

Weltmarkt - Produktionsvolumen der OT 2007: 270 Mrd. EUR

Optischen Technologien –

Wachstumserwartung

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 21

OT - Produktionstechnik Deutschland (Stand 2005)

> 13.000 Beschäftigte (33% Akademiker)

85% Exportquote

13 - 14% F&E - Quote in der Produktionstechnik

Deutsche Laserquellenhersteller

40% Weltmarktanteil

hochwertige Arbeitsplätze und Wertschöpfung in Deutschland (Firmen:

Trumpf, Rofin-Sinar, Jenoptik etc.)

Laserquellen

CO2- und Festkörperlaser (derzeitiger Technologiewechsel zu

diodengepumpten Systemen; Ausführung vorrangig Scheiben- oder

Faserlaser), Excimer- und Diodenlaser

Lasersysteme zur Materialbearbeitung

Schweißen, Schneiden und Beschriften, Strukturieren Laserverfahren

Optischen Technologien –

Produktionstechnik

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 23

Lasermaterialbearbeitung

Zur Materialbearbeitung wendet man gegenwärtig Stationen an, deren Aufbau

schematisch auf der folgenden Folie dargestellt ist.

Wesentliche Bestandteile einer Laserbearbeitungsanlage sind:

• die Laserstrahlquelle, in welcher der Rohstrahl erzeugt wird,

• die Strahlführung und -formung,

• die Handhabungseinrichtung, welche die Relativbewegung zwischen dem

Laserstrahl und dem Werkstück gewährleistet,

• die Prozesskontrolle und -regelung, die der Gewährleistung der

Fertigungsqualität dient,

• die Versorgungseinheiten, welche für den Betrieb der Station notwendig sind

(elektrische Energieversorgung, Kühlung der Strahlquelle und der Optiken,

Arbeits- und Schutzgase ).

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 24

Aufbau einer Station zur

Lasermaterialbearbeitung

LaserstrahlquelleStrahlführung

Strahlformung

Bearbeitung

QualitätssicherungHandhabung

Sicherheit

Prozeßkontrolle

Rahmenbedingungen

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 25

Lasermaterialbearbeitung - Heute

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 26

Mobiles schlüsselfertiges System mit

200 W Laser (pw)

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 27

1. Einführung

2. Physikalische Grundlagen des Lasers

3. Lasertypen

4. Strahlführung/ -formung

5. Ausgewählte Bearbeitungsverfahren

5.1 Lasertrennen

5.2 Laserfügen

5.3 Oberflächenbehandlung

5.4 Lasermikrostrukturierung

5.5 Generative Laserverfahren / Rapid Prototyping

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 28

Light

Amplification by

Stimulated

Emission of

Radiation

Laser = Kunstwort

(Akronym)

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 29

Eigenschaften der Laserstrahlung

Das Licht einer natürlichen Lichtquelle setzt sich aus verschieden

langen Wellenzügen unterschiedlicher Frequenzen zusammen. Sie

werden völlig regellos von der Lichtquelle ausgesandt.

Die Laserstrahlung besitzt im Vergleich zu einer natürlichen

Lichtquelle eine Reihe charakteristischer Eigenschaften, v.a.:

• Monochromasie

• Kohärenz (zeitlich und räumlich)

• hohe Fokussierbarkeit

• kurze Impulsdauer

Laser:

Emission in einer Richtung mit einer

Frequenz.

Glühbirne, Taschenlampe:

Emission in alle Richtungen mit

unterschiedlichen Frequenzen.

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 30

12 EEh

angeregter

Zustand E2

Grundzustand E1

Bohr´sches Atommodell

Kern

Energiedifferenz beim

Elektronenübergang:

chhE

Frequenz

Wellenlänge

h Plancksches Wirkungsquantum

(6,6256*10-34 Js)

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 31

Absorption und Emission

Angeregtes Ion emittiert

ohne äußere Ursache ein

Photon.

Dabei keine

Vorzugsrichtung der

• Ausbreitungsrichtung

• Polarisation

und keine Phasen-

korrelation.

Absorption möglich, wenn

Lichtquant (Photon) in

Resonanzfrequenz des

atomaren Übergangs

schwingt, d.h. die Energie

des Photons der Energie-

differenz zweier Zustände

entspricht.

Emission eines Photons

wird durch eine äußere

Ursache angeregt

(stimuliert). Dabei stimmen

• Ausbreitungsrichtung

• Polarisation

• Phase

des anregenden und

emittierten Photons

überein.

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 32

Stimulierte Emission

Lichtverstärkung durch stimulierte Emission Laser

Voraussetzung: Besetzungsinversion,

d.h. mehr Ionen im angeregten Zustand als im Grundzustand!

Problem: Im Normalfall ist der Grundzustand aufgrund der

thermischen Besetzung immer am stärksten besetzt!

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 33

Besetzungsinversion

Lösung: Schaffen einer stärkeren Besetzung des oberen

Laserniveaus durch Zuführen von Energie.

Thermodynamisches

GleichgewichtInvertierter Zustand

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 34

Energietermschema des laseraktiven

Mediums

3-Niveau-System 4-Niveau-System

Zum Erreichen einer Besetzungsinversion sind mindestens drei

verschiedene Energieniveaus erforderlich!

Bsp.: Rubin-Laser (Cr:YAG)

• E3 zerfällt schnell nach E2

• E2 lange Lebensdauer, d.h.

kann Besetzung ansammeln

Bsp.: Neodym-Laser (Nd:YAG)

• E4 zerfällt schnell nach E3 und

• E2 zerfällt schnell nach E1

• dadurch kaum Besetzung in E1

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 35

3

1

2

5

4

6

1. Aktives Medium

2. teildurchlässiger

Auskoppelspiegel

3. hochreflektierender

Endspiegel

4. Anregung

5. Stimulierte Emission

6. Laserstrahl

Der Resonator besteht aus mehreren Spiegeln und erzeugt eine

optische Rückkopplung der Photonen auf der Resonatorachse, so

dass ein darauf umlaufender Strahl immer weiter im aktiven

Medium verstärkt wird.

Anordnung, Krümmungsradien und Abstand der Spiegel

bestimmen den elektromagnetische. Eigenschwingungszustand

(Schwingungsmode) des Strahls.

Laserresonator

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 36

Laserresonator

Jeder Resonator lässt sich durch ein Wertepaar {g1,g2} charakterisieren:

1

1 1R

Lg

2

2 1R

Lg

Stabiler Resonator Instabiler Resonator

10 21gg0

1

21

21

gg

gg

L = Resonatorlänge und

R = Krümmungsradius des Spiegels

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 37

Laserresonator

1

1

2

1

g

g

1

1

2

1

g

g

2

1

1

2

1

g

g

Stabilitätsdiagramm für

optische Resonatoren

Resonatorgeometrien

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 38

1. Einführung

2. Physikalische Grundlagen des Lasers

3. Lasertypen

4. Strahlführung/ -formung

5. Ausgewählte Bearbeitungsverfahren

5.1 Lasertrennen

5.2 Laserfügen

5.3 Oberflächenbehandlung

5.4 Lasermikrostrukturierung

5.5 Generative Laserverfahren / Rapid Prototyping

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 39

Gaslaser

CO2-Laser: 10,6 µm (fern-IR)

HeNe-Laser: 633 nm (rot)

Excimer-Laser: 175 - 483 nm (UV)

FestkörperlaserRubin-Laser: 694 nm (rot)

Nd:YAG Laser: 1064 nm (nah-IR)

Yb:Glas Faserlaser: 1070 nm

Yb:YAG Scheibenlaser: 1030 nm

Farbstofflaserje nach Farbstoff

ca. 300 nm - 1,2 µm

HalbleiterlaserGalnP 670 - 680 nm,

GaAlAs 780 - 880 nm

Hochleistungsdiodenlaser

808, 940, 980 nm

1 nm

10 nm

100 nm

1 µm

10 µm

100 µm

1 mm

Röntgen-

Strahlung

Ultraviolett

sichtbares

Licht

Infrarot-

StrahlungHalb

leit

erl

as

er

Farb

sto

ff

-la

se

r

Excimerlaser

Argon

Gaslaser

Helium-Neon

Gaslaser

Rubinlaser

Neodymlaser

chem. Laser

CO, CO2 Gaslaser

optisch angeregte

Gaslaser

Lasertypen

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 40

ROFIN DF Series

ROFIN DC SeriesROFIN SC Series ROFIN HF Series

RSY Series Combi-Line Series

ROFIN SR Series

ROFIN DY Series

ROFIN DL Series

BLAZER FlexScan®

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 41

CO2-Laser - Prinzip

• Anregung des „Pumpgases“ (Stickstoff) durch

Elektronen

• Anregung des Lasergases (CO2) durch

Stoßionisation vom angeregten Stickstoff

• Laserübergang zwischen E2 und E1 im CO2

• Übergang in den Grundzustand durch Energieabgabe

an He

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 42

CO2-Laser - Aufbau

Laserstrahl

Spiegel

(teildurchlässig)Spiegel

Energiezufuhr

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 43

CO2-Laser - Eigenschaften

Steigerung der Laserleistung durch:

• Erhöhung der Anzahl von Entladungs-

rohren (Grenze: maximale Resonator-

länge)

• Steigerung des Betriebsdrucks ( )

(Grenze: Entladungsstabilität)

• Steigerung der Querschnittsfläche (A)

(Grenzen: Fresnelzahl, Strahlqualität,

Entladungsstabilität)

Vorteile:

• hohe kontinuierliche

Ausgangsleistung (50 kW)

• gute Strahlqualität

(3,75 mm*mrad bei 8 kW)

• gute Effizienz (10%)

Axial schnell geströmter CO2-Laser

mit 4-fach gefaltetem Resonator

Nachteile:

• Strahlführung nur mit Spiegeln

möglich

• schlechtere Fokussierbarkeit

wegen Wellenlänge um 10,6 µm

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 44

Hochleistungs-Diodenlaser –

Prinzip

• Verstärkungsmedium besteht aus einem

p- und einem n-dotierten Halbleiter

• bei genügend hoher Spannung wird das

Fermi-Niveau im n-dotierten Bereich

soweit angehoben, dass die Elektronen in

den intrinsischen Bereich fließen können

• dort Übergang in energetisch niedrigeren

Zustand möglich

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 45

Hochleistungs-Diodenlaser –

Eigenschaften

Steigerung der Laserleistung durch

Anordnung der einzelnen Emitter in

Streifen und Barrenform

Vorteile:

• als Barren hohe kontinuierliche

Ausgangsleistung (> 10 kW)

• sehr hohe Effizienz (bis zu 60%)

• sehr kompakt, (Bsp.: 3000 W-

Barren ca. 80x50x30 mm³)

• wartungsfrei

• sehr günstig

Nachteile:

• relativ schlechte Strahlqualität

(60 mm*mrad bei 8 kW)

verschiedene Diodenbarren

fasergekoppeltes Diodenmodul

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 46

Festkörperlaser - Prinzip

Art des Mediums

dotierte Isolatoren:

• Ionen seltener Erden (Nd, Yb, Er) oder Übergangmetalle (Cr, Ti) in

• nichtleitenden Wirtskristallen (YAG, Saphir, Glas)

Anregung

optisches Pumpen mit

• breitbandigen Edelgas- oder Halogenlampen (200-1000 nm) oder

• schmalbandigen Halbleiterlasern (808, 940, 980 nm)

Konstruktiver Aufbau

• aktives Medium in Form eines Stabs, Scheibe, Faser, Platte

• Pumplichtreflektor, Faserkopplung

Spezifische Eigenschaften im Vergleich zu Gas-, Flüssigkeits- und Halbleiterlasern:

• hohe Leistungen

• kurze Pulse

• effiziente Frequenzverdopplung

• flexible Strahlführung durch Faseroptiken

• teils starke thermische Linse

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 47

Festkörperlaser - Bauarten

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 48

1. Aktives Medium 5. Pumplicht

2. Auskoppelspiegel 6. Kühlwasser

3. HR-Spiegel 7. Reflektor

4. Anregung 8. Laserstrahl

(Pumplampen)

Blitzlampen-gepumpter Nd:YAG

Stablaser - Aufbau

Nd:YAG Laserstab

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 49

Blitzlampen-gepumpter Nd:YAG

Stablaser - Eigenschaften

Steigerung der Laserleistung durch:

• Serienschaltung mehrerer Stäbe

nacheinander

Vorteile:

• relativ hohe kontinuierliche und

gepulste Ausgangsleistung

(4,4 kW) bei guter Strahlqualität

• Strahlführung über Faser

möglich

• effiziente Frequenzkonversion

möglich

Nachteile:

• starke thermische Linse

• mäßige Strahlqualität bei hohen

Ausgangsleistungen

(25 mm*mrad ab 1 kW)

• geringe Effizienz (< 5%)

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 50

Dioden-gepumpter Yb:Glas

Faserlaser - Aufbau

• Faser besteht aus dotiertem

Kern und undotiertem Mantel

(Cladding)

• Einkopplung der Pumpleistung

in Mantel

• Absorption und Verstärkung im

Kern

• Auskopplung der Leistung über

Spiegelbeschichtungen auf den

Faserendflächen

• effiziente Kühlung über Mantelfläche

• geringe thermische Linse

• hohe Stabilität

• Leistungsskalierung erfolgt über

Modendurchmesser

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 51

Dioden-gepumpter Yb:Glas

Faserlaser - Eigenschaften

Vorteile:

• gute Skalierbarkeit

• hohe Ausgangsleistung

(50 kW)

• hohe Strahlqualität

(4 mm*mrad bei 20 kW)

• hohe Effizienz (25%)

• Strahlführung direkt über

Laser- oder Transportfaser

• günstig

• kompakte Bauweise

Nachteile:

• hohe Empfindlichkeit gegen-

über Rückreflexen

• gepulster Betrieb wegen hohen

Leistungsdichten nur einge-

schränkt möglich

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 52

Dioden-gepumpter Yb:YAG

Scheibenlaser - Prinzip

• Scheibe fest mit Wärmesenke

verbunden (z.B. AuSn-Lot)

• Rückseite hochreflektiv (HR)

verspiegelt (Endspiegel)

• Vorderseite hochtransmissiv

(HT) verspiegelt

• Scheibendicke 150-200 µm, Ø 15-20 mm

• 1D-Temperaturgradienten

• geringe thermische Linse

• effiziente Kühlung über Rückseite

• Leistungsskalierung über Strahldurchmesser

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 53

Dioden-gepumpter Yb:YAG

Scheibenlaser - Aufbau

Hohe Absorptionseffizienz (>95%) durch bis zu 32 Pumplichtdurchgänge auf der Scheibe!

• Leistung pro Scheibe max. 5,5 kW

• durch Reihenschaltung mehrerer

Scheiben Ausgangsleistungen von

mehr als 16 kW möglich

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 54

Dioden-gepumpter Yb:YAG

Scheibenlaser - Eigenschaften

Bearbeitung an mehreren Stationen

durch flexible Faserführung.

Vorteile:

• einfache Skalierbarkeit

• hohe Ausgangsleistung

(16 kW)

• hohe Strahlqualität

(8-12 mm*mrad)

• hohe Effizienz (20%)

• Strahlführung über Faser

möglich

• effiziente Frequenzkonversion

möglich

Nachteile:

• Komplexität, Preis

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 55

Gepulste Laser

Kurz- und Ultrakurzpulslaser stellen eine besondere Betriebsart

der unterschiedlichen Laserstrahlquellen dar. Im Gegensatz

zum kontinuierlichen Laserbetrieb werden dabei kurze Laser-

pulse emittiert.

Je nach Pulsdauer unterscheidet man zwischen:

Kurzpulslaser

• Pulsdauer: µs, ns

• Erzeugung der Pulse durch

Modulation der Resonator-

verluste (Güte)

(Speicherung der Pumpenergie

im aktiven Medium;

anschließend schlagartiges Ab-

rufen der Energie in einem Puls)

Ultrakurzpulslaser

• Pulsdauer: ps, fs

• Erzeugung der Pulse durch

Überlagerung mehrerer Moden

im Resonator

(durch konstruktive und

destruktive Interferenz bilden

sich einzelne scharfe Pulse aus,

die im Resonator umlaufen)

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 56

Ultrakurzpulslaser

Insbesondere Ultrakurzpulslaser ermöglichen eine völlig

neuartige Materialbearbeitung im Mikrometerbereich, da die

Werkstoffe nahezu ohne Einbringung von Wärme bearbeitet

werden können.

Durch die kurze Pulsdauer wird die

Energie zunächst nur in den

Elektronen deponiert, was zu einem

extrem schnellen Aufheizen bis in die

Gas- und Plasmaphase führt.

Für die meisten Metalle liegt die

optimale Pulsdauer bei wenigen

Pikosekunden.

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 57

Strahlquelle Wellenlänge

[µm]

Strahlleistung

[kW]

Wirkungsgrad

[%]

CO2 – Gaserlaser 10,6 50 5 - 10

Excimer-Gaslaser 0,16 – 0,48 1 (gepulst) 1 - 2

HL – Diodenlaser 0,8 – 0,98 10 30 – 60

Nd:YAG Stablaser 1,06 5 2 – 5

Yb:Glas Faserlaser 1,07 50 25 – 30

Yb:YAG Scheibenlaser 1,03 16 20 – 25

Die Wellenlänge bestimmt Fokussierbarkeit und Absorptionsgrad des

Laserstrahls an der Materialoberfläche.

Geringe Wellenlängen sind dabei vorteilhaft, da sich mit abnehmender

Wellenlänge die Fokussierbarkeit und der Absorptionsgrad erhöhen.

Übersicht Laserstrahlquellen

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 58

Fazit Laserstrahlquellen

• CO2 - Laser sind (noch) die Arbeitspferde unter den Strahlquellen

(hohe Strahlleistung, sehr gute Strahlqualität)

→ Bearbeitung von Halbzeugen + Bauteilen mit größerer Wanddicke

• Festkörperlaser (Faser, Scheibe) erobern zunehmend den CO2 - Laser

Markt durch Vorteile in den Anwendungen, höhere Wirkungsgrade und

flexible Strahlführungsmöglichkeiten

• Hochleistungs-Diodenlaser mit ihren hohen Wirkungsgraden und der

kompakten Bauweise finden ebenfalls zunehmend Verbreitung, vor

allem in Anwendungen bei denen keine hohe Strahlqualität erforderlich

ist (z.B. Härten, Umformen, Kunststoffschweißen, Drucktechnik)

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH 59

Schweißtechnische

Lehr- und Versuchsanstalt

Mecklenburg-Vorpommern GmbH

Alter Hafen Süd 4

18069 Rostock

GERMANY

Tel.: +49 381 811-5010

Fax: +49 381 811-5099

Ihr Ansprechpartner: Herr Hoffmann

E-mail: [email protected]

Kontakt