Lasertechnik – Bionik – 3D Druck

Industrielle Anwendungen und Forschungskooperation

mit China

Prof. Dr.-Ing. CME Harald Kohn

ITC International Technology Consulting

康海德 Kang Hai De

Shanghai Jiao Tong University

College of Materials Science and Engineering

Hamburg, 11th of October 2018

My first visit in Shanghai 1960

Bausubstanz

Pudong

Haustechnik

Hutons

Deng Xiaoping

Zhou Enlai

Oriental Pearl Tower Shanghai Tower

Shanghai W. Financial Center

Jin Mao Tower

Uferpromenade Bund

Jin Mao TowerAtrium Grand Hyatt

Shanghai World Financial Center (Flaschenöffner)

1997 HTDF Hochtechnologie Dialogforum China – Germany

START of Discussion in 2002 about God and the World

From Einstein to Automation in Shipbuilding by Laser Technology

im Rahmen von 2+2 Projekten

Prof. Wu et al, Shanghai J.T.U. & Prof. Kohn et al, Bremen University

45.000 Students 2.000 Profs

Government

PR China

Government

FR Germany

Scientific Steering Committee Laser Technology

MOST- China/Germany - BMBF

1 Industrial Partners

Hudong Shipyard

SAIC Automotive

Shanghai Tractor

City of Shanghai

2 Research & Development – Shanghai

Jiaotong University

School of Material Science & Engineering

Key Laser Processing Lab

1 Industrial Partners

IPG Photonics • Laser source

Linde AG • Process Gases

Held • Systems

Elisental • Filler Material

Dinse • Wire feeder systems

DNV-GL • Classification Society

2 Research & Development – BIAS , IWS

FhG Institute of Material & Beam Techn. Dresden

Chairman of German

Consortion

Chairman of Chinese

Consortium

Financial Frame Projects Chinlas Sinodilas & Sigefilas

German side

Industry 1.800 kEUR

Government BMBF 1.900 kEUR

Total 3.700 kEUR

Chinese side

Industry 1.900 kEUR

Government MoST 5.800 kEUR

Total 7.700 kEUR (incl. Lab Building+Equipment)

Projects cost total 11.400 kEUR

Time schedule -

Duration of project 3 x 36 months

Start of project March 2004 – May 2017

Sign of MOA in Berlin - May 2004 –

Chancellor G. Schröder – Premier Wen – Chairmen Shen & Kohn

Min Hang Campus Lab Ground Zero2004

Stone Ceremony for Shanghai Laser Lab2005

River Delta Soft soil,

28 m columns

Laser Lab

2006

Laboratory

Hall

15 kW CO2 Laser System with Clamping device

(45 tons) Project Chinlas

Opening Ceremony Shanghai Laser Lab 2006

22

Chairmen of Chinese & German Consortium

Shen & Kohn

2+2 Project CHINLAS - Medal from Mint Munich 2006

Official Certificate of Shanghai Laser Lab from German Lloyd hand over to Director Prof. Wu Yixiong

2007

Minister Schavan and Embassador Schäfer visitingLaser Lab

2008

Minister Schavan and Delegation 2008

Minister J. Wanka & Minister Wan Gang visiting10th anniversary LPL in 2016

Ministers & Delegats on Lab tour

CHINLAS项目

2004 - 2007

SinoDiLas项目

2009 - 2012

SiGeFiLas项目

2014 - 2017

IPG Fiber laserTrumpf CO2 laser Rofin Diode laser

Financial Frame Projects Chinlas Sinodilas & Sigefilas

German side

Industry 1.800 kEUR

Government BMBF 1.900 kEUR

Total 3.700 kEUR

Chinese side

Industry 1.900 kEUR

Government MoST 5.800 kEUR

Total 7.700 kEUR (incl. Lab Building+Equipment)

Projects cost total 11.400 kEUR

Time schedule -

Duration of project 3 x 36 months

Start of project March 2004 – May 2017

Supports from German Side

Supports from Chinese side

Konfizius Tempel in Nanjing

Laotse Tempel Kanton

Teehaus im Yu

Garden Shanghai

35

36

Laserstrahlung ist Licht – aber Licht mit besonderen Eigenschaften

Eigenschaften von Laserstrahlung

Alltägliches Licht (Sonne, Glühbirne) besteht aus einer

Überlagerung un-zähliger Lichtwellen verschiedener Farben und Richtungen.

Laserlicht hingegen ist•ein gerichteter Strahl•monochrom (einfarbig)•zeitlich und räumlich

kohärent

Jeder Laser besteht aus vier Komponenten:

Resonator mit aktivem Medium, Pumpquelle, Kühlung

Der Laser

Verlustenergiesenke(Kühlung)

Pumpenergiequelle

Blitzlampen, Dioden

Spiegel Spiegel

(teildurchlässig)

Laseraktives Medium

z.B. Nd:YAG

Angeregte Moleküle

Induzierte Emission

Spontane Emission

Energieform der höchsten physikalischen Qualität

900 Terawatt/femtosekunden

z.B. 1063 nm

Ultrakurze Laserpulse –wie kurz?

1 Sekunde (s) = 10-0 s = 1 s

1 Millisekunde (ms) = 10-3 s = 0.001 s

1 Mikrosekunde (µs) = 10-6 s = 0.000 001 s

1 Nanosekunde (ns) = 10-9 s = 0.000 000 001 s

1 Pikosekunde (ps) = 10-12 s = 0.000 000 000 001 s

Ein Vergleich mit der Lichtgeschwindigkeit

Planckzeit 10 - 43

Urknall bis zurZeit Null am

Schwarzschild

Radius(Grenzlinie eines

Black Hole)

1 Femtosekunde = 10-15 s = 0, 000 000 000 000 001

Nobelpreis 2018

Verstärkung von Femtosekunden

Laserimpulsen bis zu

900 Terawatt/cm2

(Gerard Mourou/Donna Strickland)

Laserpinzette für Viren Einzelatome Moleküle

(Arthur Ashkin)

Optische Falle

DESY

Röntgenlaser im DESY HH3,4 km 99,999999 %c Undulators

Mrd. intensiver Laser Röntgenphotonen 27.000 Blitze/s zur Analyse von z.B. Eiweissmolekülen und Viren

0,1 nm Wellenlänge (Atomdurchmesser) Noch kleiner LHC Large Hadron Collider Genf

42

ALBERT EINSTEINOn the Quantum Theory of Radiation

1917

1954 Towes, Basov, Prohorov - QT Laser

(Nobel Price 1964, next Laser Nobel 2018)

1960

70th

Ted Maiman - First Rubin LASER

First industrial Application in generalMaritime: MAN Cylinder Liner mico cracks

1985 First maritime Laser Cladding Applicationfor piston grooves, DSR Rostock

90th Welding in Shipbuilding, Denmark,Blohm & Voss, Meyer Werft

1997 HTDF Hochtechnologie Dialogforum China - Germany

Laser portal

Stiffened deck element

Blohm & Voss

44

T- Joint Welder Meyer Shipyard

X

1

4

3

2

U

Panel Width 20.2 m

Implementations at European Automotive OEMs

Mercedes-Benz S-class:Aluminum rear subframelaser hybrid welding

Volvo XC60: Welding A-/B-/D-pillar, front/rear header, roof, sill (4x4kW)

Audi Q5: Aluminum tailgatewelding with diode laser

6-axis robot

4kW diode

400µm fiber

filler wire

Renault Megane: Flexible roof brazing with diode laser

6-axis robots

8x6kW diode lasers in France and Spain

(including 2 for back up)

Modular geo-tooling for 4 models

Ford Mondeo: Roofbrazing with diode laser

Replacement of roof

ditch spot welds

by laser brazed joint

6-axis robot

4kW diode

BMW 7-series: Aluminum door welding with disk laser

4 doors

15m fillet welds

6 robots

4X4kW lasers

filler wire

With courtesy of

Aerosalon Le Bourget 2005

47

optic head

alternative structures

Micro structuring of engine cylinder wall

Advantages:

reduction of

• oil consumption by a

factor 3 to 7

• particle emission

• friction and wear

Objective

Piston Type Cast Iron

Bore size 210 mm

Groove height 4.5 mm

Groove depth 8.5 mm

Material GGG60

Reconditioning of 4-stroke PistonWear of upper groove

48

4,5

mm

8,5 mm

R=0,5

49

Piston Rod

Regeneration of a piston

rod for large diesel

engines, which was

damaged by a defective

cutting tool.

Base material: 42 CrMo 4

Filler material: 10 Cr 4

50

Cross-head Pin of a two-stroke EngineRepair coating on the

functional surface of a

cross-head pin

Mass: 4.2 tons

Bulk material: Ck45, forged

Filler material: Stellite 21

laser cladded laser annealed

HAZ

Base materialCladdingmaterial

Distance of the surface [mm]

0 0,5 1 1,5 2 2,5-0,5-1

200

400

600

800

1000

0

Har

dnes

s H

V0,3

Hardness profile

51

Exhaust Valve Discs

Base material:

Nimonic 80A

Area 1 and 3:

NiCrW alloy

Area 2 and 4:

NiCrAlY2 alloy

Area 5:

NiCrAlY1 alloy

52

Drilling of Diesel injection nozzles

nozzle:

Ø: 40 – 150 µm

cylindrical or conical

Øin: 70 µm

H: 15 ns

: 1.06 µm

Øout: 70 µm

trepaning optic

fleetmon.com

Engine blocks with corrosion defects

within upper cylinder liner seats

Standard repair method: Placing of rings

Reference: 2 Ferry-Vessels – Grete and Saaremaa

Rescue of Wartsila L20 Engine blocksJoint project of Carl Baguhn and LaserCladding Gemany

fleetmon.com

Issue

After machining to maximal ring size

severe corrosion remains

Measures

Local grinding of defect to clean

material

Additional: Accessibility for Laser

Rescue of Wartsila L20 Engine blocks

Robot of

MoRU- Plant placed of Engine Block

Pre turning of ring area

Local Laser-Powder-Cladding based

on DNVGL certified Process

Rescue of Wartsila L20 Engine blocks

Extended Ship Life time by

In-situ Laser-Powder-Cladding on Crank Shaft

First in-situ LaserCladding

Inside Engine

Konstruktionsbeispiele der Natur

Image source: sciencefoto.de, Nachtigall, Hill, Matheck, bambus.de

Kieselalgen

Vielfalt von Ausführungsformen

Bereits im Jahr 1870 erkannte der Ingenieur K. Cullmann, dass die Knochenbälkchen genau dem Verlauf der theoretischen Druck- und Zuglinien folgen. Dieses Leichtbauprinzip wurde unter anderem beim Bau des Eiffelturms durchGustave Eiffel im Jahr 1889 angewandt.

Der Londoner Kristallpalast von 1851

Nach dem das Blatt der

Victoria amazonica

Radiolarien

USA-Pavillon – Expo ’67Buckminster Fuller

Architeckturbionik

Große Klette (Arcticum lappa)

Patent für einen technischen Klettverschluss 1951

George de Mestral (1907-1990

Velcro® („velours“ und „crochet“ )

Mikro-Optik

des

Mottenauges

130 x

420 x

1050 x

4120 x

Mikro-Noppen100 nm Ø

Geprägte Nanostruktur

mit 200 nm

Noppenabstand

Eine Mottenaugen-

Glasscheibe Mit Struktur

licht<

λLicht 380-780 nm

Gecko-Tape

Technik Biologie

Temporäre

Haftung

ohne

Klebereste

Geben Sie hier eine Formel ein.

2 kg auf idealer Fläche

500000 Mikrohaare

Geckos haften über atomare Kräfte

(Van-der-Waals-Kräfte) an der Wand

Unterwassertransport der Zukunft

Elastisch dämpfende Haut (Vorbild Delfin)

Mikro-Längsrillen (Vorbild Haifisch)

Mikro-Blasenschleier (Vorbild Pinguin)

Die „Stars & Stripes“ gewinnt den Americas Cup 1987 mit einer

Haifisch-Rillen-Oberfläche

Technische Nachbildung der Delfinhaut

0,5 mm

1,5 mm

1,0 mm

0,5 mm

Außenhaut

Innenhaut

Mittelschicht

Dämpfungs-Flüssigkeit

1,8 mm

1,0 2,0

Nach M. O. Kramer

Anwendung des Pinguin-Effekts

Oberfächeneffekte

Lotoseffekt

Superhydrophobe

Blattstrukturen der

Lotusblume mit

wasserabweisenden

Wachskristallen

Salvina EffektSuperhydrophobe Schneebesenhaare mit Hydrophilen Spitzen können eine

stabile Luftschicht unter Wasser haltenAnwendungg im Unterwasserschiff 10% Treibstoffeinsparung (FhG HH)

Wasser

Rotierende

Luft-ZellenWasser-

Tropfen

Der Salvinia -

Effect

Nach W. Barthlott

Mit dem

bionischen Bootslack

ausgestattete Schiffe

könnten dann in Zukunft in

einer Hülle aus Luft durch

das Wasser gleiten

Salvinia -Effect

Das Salvinia-Blatt umgibt

sich mit einer dauerhaft

haltenden Lufthülle

®

Zum Salvinia-Effekt

Prinzip des selektiven Laserstrahlschmelzens

Einkomponentige Werkstoffe

Edelstahl; hochfester, temperatur-beständiger Edelstahl; Werkzeugstahl

Aluminium-Legierungen

Reintitan und Titan-Legierungen (TiAl6Nb7,TiAl6V4)

Nickelbasislegierungen

Kobalt-Chrom-Legierungen

Polymere

nach: Leistner

Computertomographie

EOS M 400-4: Vier Laser für höhere Produktivität

Ruduzierung der HerstellungskostenA380 Fuel Connector

Reduction of quantity of parts from 14 to 1

Reduction of processing steps from 18 to 5

Reduction of manufacturing cost of 50%

Conventional Design Integral AM-Design

Offene Gitterstruktur für osseointegrative und isoelastische Knochen Implantate

Anfertigung während der Operation möglich

digital model for datapreparation andnetwork application

fabricated implant with surface modificationLAM process

79

Hydraulik Schaltblock

weight reduction of 80%

reduction of pressure losses of 50%

additional functionalities: sensors,

cooling, …

Schalthebel für Airbus Helicopter

1

2

bird bone

avoid supports

bionic structures

Weight saving: 38%

Messe

Formnext

Frankfurt

September

2017

Status Quo der Prozesskette beim 3D-Druck

EntfernungSupport-struktur

ReinigungWärmebe-handlung

Ober-flächenbe-handlung

1 2 3

Spanende Be-arbeitung

4 5

Fertigteil

6

Manuelle Bearbeitung und Handling

Micromaschine mit UPK Laser

Positioniergenauigkeit

1 micrometer

Gewicht 12 t

Trumpf Ultrakurzpulslaser

Pulsdauer 10 picosekunden

Wiederholungsrate 400 kHz

85

Material wird so schnell verdampft, dass das umliegende Material keine Zeit hat sich zu erwärmen. Man spricht von einer kalten Bearbeitung.

Was ist das besondere dieser extrem kurzen Pulse?

Es gibt Leute die

versuchen Frauen zu

verstehen, ich

beschäftige mich mit

einfacheren Dingen wie

der Relativitätstheorie

(Albert Einstein)

感谢各位的到来向在座的各位及家人至以问候和祝福

愿我们的合作更上一层楼

Thanks for AttentionAll the best to You and Your Family

For good Succes of our Cooperation