Neue Technologien für innovative Produkte 3D Lasermaterialbearbeitung Fachhochschule...

Neue Technologien für innovative Produkte3D Lasermaterialbearbeitung

Fachhochschule NordwestschweizHochschule für TechnikDipl.-Ing. Markus C. KrackSteinackerstrase 5CH - 5210 [email protected]

26. September 2008Institut für Produkt- und Produktionsengineering (IPPE) 2

Was möchten ich Ihnen mit diesem Vortrag heute vermitteln?

• Eine kurze Einführung in die Technologie des 3D-Lasermaterialabtrags geben

• Aufzeigen der Einsatzgebiete mit aktuelle Beispielen

• Aufzeigen von zukünftige Entwicklung dieser Technologie


Produktionsvolumen Photonik Standort Schweiz 2007

Optische Komponenten &

Systeme10%

Photovoltaik< 1%

Optische Drucktechnik

2%

Optische Kommunikations-

technik3%

Optische Medizintechnik &

Life Science16%

Lasermaterial-bearbeitung

45%

Bildverarbeitung & Optische

Messtechnik23%

Quelle: Swisslaser.net

Total Schweiz 3.1 Mrd. CHF

~1.4 Mrd. CHF


Einsatzgebiete von Lasern in der Materialbearbeitung

Strukturieren

Kavitäten

Bohren

Abtragen

Trennende Laserbearbeitung

Zerteilen

Schneiden


Definition 3D-Lasermaterialabtrag (Laserengraving)

Geometrisch exakter schichtweiser Materialabtrag mittels eines Laserstrahls

Verfahren

Prinzip

Laserengraving EDM Fräsen


Prozessablauf

yx

z

Abtragstiefe bei Stahl ca. 0.5 m bis 1.0 m / Schicht

Vorschub des Laserstahls ca. 150 - 300 mm/s

Abtragsrate bis ca. 1mm3 / minvf


Anlagenaufbau

Scannerkopf

Ablenkspiegel(2x) X- Y-Achse

Werkstück

Fokusebene

x / y Tisch

Verfahreinheit

Pumpmodul 1

Pumpmodul 2

AkustooptischerModulator (Q-Switch)

Auskoppelspiegel

Endspiegel

Lasereinheit (Diodengepumptes System Nd:Vanadat)

Strahlaufweitung

LaserstabNd:Vanadat

= 950nm

= 950nm

=1064 nm


Anlagenaufbau

Anlage für 3D Laserabtrag ( =1064nm)FOBA GP 9000


Beispiele 3D-Lasermaterialbearbeitung

5 mm

Spritzgusskavität für einen Kugelschreiberklipp (@1064nm)



5 mm

Spritzgusskavität (@1064nm)



0.5 mm

Mikrokavität für Spritzguss (@355nm)



Mikrokavität für Spritzguss (@355nm)



Mikrostruktur für Prägung (@355nm)


Zielsetzung der Mikrobearbeitung mit Laser

Präzise

Fein

Kein Aufwurf

Exakte Positionierung

Kleine Strahldurchmesser

Sehr gute Strahlqualität

Hohe Puls zu Puls Stabilität

Optimale Pulslängen

X

Y

Z


Wellenlänge als Basis für die Feinheiten

Wellenlänge = 1064 nm



Fokusebene

Laserstrahl

ØFokus ~ 0.3 mm

Fokusebene

Laserstrahl

ØFokus ~ 0.005 mm

Fokusebene

Laserstrahl

ØFokus ~ 0.02 mm

Je kleiner die Wellenlänge, desto kleiner ist der erreichbar Fokusdurchmesser!


Zukunft in der 3D-Lasermaterialbearbeitung

s10-6

ns10-9

ps10-12

fs10-15

Pulsdauer

Pu

lsfr

equ

enz

kHz

MHz

Geringer Abtrag

Hohe VerdampfungGuter Abtrag

Kürzere Pulsdauer

Höhere Pulsfrequenz


Zukunft in der 3D-Lasermaterialbearbeitung

Pulslänge im Nanosekundenbereich Pulslänge im Pikosekundenbereich


Zusammenfassung

• 3D-Lasermaterialbearbeitung wird bereits standardmässig zur Herstellung von kleinen

Kavitäten und Strukturen eingesetzt.

• Durch neue Maschinenkonzepte (FOBA & DMG Sauer) wurde das Verfahren industrialisiert.

• Durch den Einsatz von Laserquellen mit einer sehr hohen Strahlqualität und kurzen Wellenlängen

können immer kleinere und filigranere Bearbeitungsaufgaben ausgeführt werden.

• Ultrakurz gepulste Laser öffnen neue Anwendungsgebiete und unterstützten die fortschreitende

Miniaturisierung. Es besteht jedoch noch Forschungs- und Entwicklungsbedarf im Bereich der

Materialbearbeitung mit ultrakurz gepulsten Lasern


Besten Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Formen aus Licht…

…wir machen es!

IPPE der FHNW

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