Lasertechnik für die Fertigung: Grundlagen, Perspektiven und Beispiele für den innovativen Ingenieur

527 Pages·2005·27.128 MB·German

by  Prof. Dr. Reinhart Poprawe (auth.)

Reinhart Poprawe
Lasertechnik fffu¨r die Fertigung
Reinhart Poprawe
Lasertechnik
fu(cid:1) r die
Fertigung
Grundlagen, Perspektiven und Beispiele
fu(cid:1)r den innovativen Ingenieur
Mit 353 Abbildungen und 26 Tabellen
Prof. Dr. Reinhart Poprawe
Fraunhofer Institut fu¨r Lasertechnik
Steinbachstr. 15
52074 Aachen
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Vorwort
LASER – wahrscheinlich seit dem Tag der Erfindung des Akronyms für „Light
Amplification by Stimulated Emission of Radiation“ ein faszinierendesWort. Das
LichtderbesonderenArt,einfarbigundgebündeltbegeistertenachseinerErfindung
zunächstdieWissenschaft.SeiteinigenJahrentrifftdiesnunauchfürangewandte
ForschungundindustrielleNutzungzu.
DasParadigma,dassderLasermiteinemGerätassoziiertwird,ändertsichgrund-
legend. Laserstrahlung ist Energie, eher vergleichbar mit elektrischem Strom. Nur
ist sie wegen der größeren Zahl der Freiheitsgrade noch effizienter und effektiver
andenProzessihrerNutzungadaptierbar.InsbesonderedieextremenModulations-
möglichkeiteninZeit,RaumundFrequenzermöglichendieexakteAnpassungandie
BedarfederjeweiligenBearbeitungsverfahren.AlsFolgekannLasertechnikinvielen
Bearbeitungsverfahren eingesetzt werden, beispielsweise zum Schneiden, Bohren,
Schweißen,Abtragen, Löten, Härten, Legieren,Auftragsschweißen, Polieren, Ge-
nerierenundBeschriften.DaherwirdderLasertechnologieauchdasAttributeiner
Schlüsseltechnologiezugesprochen.
LasertechnikistpraktischinallenBranchenwirtschaftlicherRelevanzeinsetzbar.
DeraktuelleTrendzeigt,dassimmermehrneueLaserfürimmermehrAnwendun-
genentstehen.Einezukunftsweisende,wachsendeTechnologie,dieunsererZeitdie
nötigen Impulse für Innovationen verleiht: Maßgeschneiderte optische Energie für
eingroßesSpektrumvonAnwendungen.
Das vorliegende Buch entstand aus einer Neubearbeitung des Skriptes zum
zweitenTeil des zweisemestrigenVorlesungszyklus „Lasertechnik“ an der RWTH
Aachen.DieserumfasstdieReihenLasertechnikI„Laserstrahlquellen“undLaser-
technikII„Laseranwendungen“.
DiehierzusammengefasstenInhaltebasierenaufdemTeilII„Laseranwendun-
gen“ und wurden ergänzt mit aktuellen Erläuterungen und Beispielen, die für den
innovativenIngenieurvonBedeutungsind.„LasertechnikinderFertigung“gliedert
sich dabei in zwei Teile: Im Teil 1 „Grundlagen der Materialbearbeitung“ werden
die wesentlichen physikalischen Phänomene dargestellt, die der Materialbearbei-
tungmitLaserstrahlungzugrundeliegen.Teil2„AnwendungenderLasertechnik“
beginnt mit einer Charakterisierung der wichtigsten Laserstrahlquellen der Ferti-
gungstechnik. Die Kap. 10 bis 17 beinhalten Laseranwendungen aus dem Bereich
derFertigungstechnik.HierfindensichsowohlbereitsindiebreiteindustriellePra-
xiseingeführteAnwendungen,alsauchneuePerspektivenwiedasLaser-Generieren
oderdasReinigenmitLaserstrahlung.ErgänzendgibtKap.18einenÜberblicküber
wichtigeVerfahrender Lasermesstechnik.
VI Vorwort
DasBuchistzusammengesetztausBeiträgenvielerwissenschaftlicherMitarbei-
terdesFrauhofer-InstitutesfürLasertechnik(ILT)unddesLehrstuhlsfürLasertech-
nikderRWTHAachen(LLT).DieallgemeingültigenErgebnissevonArbeitenund
Erfahrungen aus Industrie- und Forschungsprojekten sind in die vorgestelltenAn-
wendungsbeispieleeingeflossenundsollendenBogenderanwendungsorientierten
GrundlagenbishinzurindustriellenPraxisschlagen.
BesondererDankgiltHerrnDr.rer.nat.RolfWester,deringewohntpräziserund
umfassenderDarstellungdenTeil1„GrundlagenderMaterialbearbeitung“zusam-
mengestelltundgeschriebenhat.AuchHerrnTorstenMansseibesondersgedankt,
derdieKoordinationundEditierungdes2.Teilsübernommenhat.DieAutorender
einzelnenKapitelverdienenhohe,außerordentlicheAnerkennung.HierIhreNamen
inalphabetischerReihenfolge:
Dipl.-Phys.ÜmitAydin(ILT)
Dr.rer.nat.HerbertBalzer(ILT)
Dipl.-Ing.ChristianBenter(ILT)
Dipl.-Ing.LuedgerBosse(ILT)
Dr.rer.nat.KonstantinBoucke(ILT)
Dipl.-Ing.ChristianFuhrmann(ILT)
Dr.-Ing.AndresGasser(ILT)
Dr.-Ing.ArnoldGillner(ILT)
Dr.rer.nat.JensGottmann(LLT)
Dr.rer.nat.AlexanderHorn(LLT)
Dr.rer.nat.ChristophJanzen(ILT)
Dipl.-Phys.CarstenJohnigk(ILT)
Dr.-Ing.StefanKaierle(ILT)
Dipl.-Ing.KilianKlages(ILT)
Dr.-Ing.ChristianKratzsch(ILT)
Dr.rer.nat.JoachimMakowe(ILT)
Dipl.-Phys.TorstenMans(LLT)
Dr.-Ing.WilhelmMeiners(ILT)
Dr.rer.nat.ReinhardNoll(ILT)
Dr.-Ing.AlexanderOlowinsky(ILT)
Dr.-Ing.ChristophOver(ILT)
Dipl.-Phys.,Dipl.-Ing.Ulrich-AndreasRussek(ILT)
Dipl.-Phys.FrankSchneider(ILT)
Dipl.-Phys.BerndSeme(ILT)
Dr.rer.nat.OliverSteffens(ILT)
LenaTrippe(LLT)
Dr.-Ing.AndreasWeisheit(ILT)
Dipl.-Ing.EdgarWillenborg(ILT)
Dipl.-Ing.TobiasWirtz(ILT)
Dr.rer.nat.KonradWissenbach(ILT)
Dipl.-Ing.NorbertWolf(ILT)
Vorwort VII
SolltederLeserbeiderLektüreBedarfoderWunschverspürensichintensivermit
einzelnenThemenbeschäftigenzuwollen,soistderKontaktmitdenobengenannten
Institutenzuempfehlen.SowohlbezüglichgrundlegenderFragenundVertiefungen
als auch zu weiteren Möglichkeiten von Anwendungen und Verfahren stehen die
InstitutezurVerfügung.AufdieseWeisewollenwirbeitragendieInnovationbeider
AnwendungvonLasertechnikweitervoranzutreibenundeffektiverzugestalten.
Aachen,Juli2004 Prof.Dr.rer.nat.R.PopraweM.A.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
Literatur ...................................................... 3
2 DasVerhaltenelektromagnetischerStrahlunganGrenzflächen 5
2.1 DieFresnel-Formeln ...................................... 5
2.1.1 Fresnel-FormelnmitAbsorption ..................... 8
2.1.2 AuswertungderFresnel-Formeln.Brewster-Effekt ...... 9
2.1.3 Totalreflektion .................................... 11
2.2 AnwendungenderSonderfällederFresnel-Formeln
inderLasertechnik........................................ 12
2.2.1 Brewster-Effekt ................................... 12
2.2.2 Totalreflexion..................................... 12
Literatur ...................................................... 12
3 AbsorptionvonLaserstrahlung 13
3.1 BeschreibungderPhänomene............................... 14
3.1.1 Verknüpfungen.................................... 16
3.1.2 Wellengleichung .................................. 18
3.1.3 GeometriedesWerkstücks .......................... 18
3.1.4 Randbedingungen ................................. 19
3.2 Nichtleiter............................................... 19
3.2.1 ElektronischePolarisierung ......................... 20
3.2.2 IonischePolarisierung.............................. 22
3.2.3 ZusatzstoffeinKunststoffen......................... 24
3.3 DielektrischeEigenschaftenvonPlasmen..................... 24
3.3.1 StroßfreiesPlasma ................................ 25
3.3.2 StoßbestimmtesPlasma ............................ 27
3.4 AbsorptionmetallischerWerkstoffe.......................... 28
3.5 DasDrude-ModellderAbsorption........................... 30
3.6 TemperaturabhängigkeitderAbsorptionvonMetallen .......... 33
3.7 EinflussdesOberflächenzustandes........................... 35
Literatur ...................................................... 39
4 EnergietransportundWärmeleitung 41
4.1 Energietransportgleichung ................................. 41
X Inhaltsverzeichnis
4.2 Wärmeleitungsmechanismen ............................... 43
4.3 Wärmeleitungsgleichung mit konstanten Koeffizienten und Me-
thodederGreen’schenFunktionen........................... 44
4.3.1 Punktquelle....................................... 46
4.3.2 Linienquelle ...................................... 48
4.3.3 TransversalunendlichausgedehnteOberflächenquelle ... 50
4.3.4 TransversalunendlichausgedehnteVolumenquelle...... 53
4.3.5 Gauß’scheIntensitätsverteilung...................... 54
4.3.6 EndlicheWerkstückdicke ........................... 55
4.4 TemperaturabhängigethermophysikalischeKonstante .......... 56
4.5 WärmeleitungbeikurzenPulsdauern ........................ 57
Literatur ...................................................... 58
5 Thermomechanik 59
5.1 ElastischeVerformungen................................... 59
5.1.1 UniaxialeBelastung ............................... 60
5.1.2 UniaxialeVerzerrung............................... 60
5.2 ThermischinduzierteSpannungen........................... 60
5.3 PlastischeVerformung..................................... 61
5.3.1 BeispieleplastischerVerformungen................... 63
Literatur ...................................................... 63
6 Phasenumwandlungen 65
6.1 Eisen-Kohlenstoff-Diagramm............................... 65
6.1.1 ReinesEisen...................................... 65
6.1.2 Eisen-Kohlenstoff-Gemische ........................ 67
6.2 HärtenvonperlitischemGefüge............................. 70
6.2.1 Kohlenstoff-Diffusion.............................. 70
Literatur ...................................................... 73
7 Schmelzbadströmung 75
7.1 Massen-,Impuls-undEnergiebilanz ......................... 75
7.2 Randbedingungen ........................................ 76
7.3 EbenePotentialströmung................................... 79
7.3.1 QuellströmungundDipolströmung................... 80
7.3.2 StrömungumeinenZylinder ........................ 81
7.4 LaminareGrenzschichtströmung ............................ 83
7.4.1 ReibungsbestimmteGrenzschichtströmung ............ 86
7.4.2 TrägheitsbestimmteGrenzschichtströmung ............ 87
Literatur ...................................................... 88
8 LaserinduziertesVerdampfen 89
8.1 DampfdruckimthermodynamischenGleichgewicht............ 89
8.2 Verdampfungsrate ........................................ 91
Inhaltsverzeichnis XI
8.3 Teilchen-undEnergiebilanz
beimlaserinduziertenVerdampfen........................... 95
8.4 BeschreibungdesVerdampfungsprozesses
alsVerbrennungswelle..................................... 100
8.5 KinetischeBeschreibungdesVerdampfens
undderKnudsen-Schicht .................................. 104
Literatur ...................................................... 107
9 Plasmaphysik 109
9.1 Debye-RadiusundDefinitionen ............................. 111
9.2 EinigeErgebnissederThermodynamik
undStatistikeinesPlasmas................................. 114
9.2.1 ZustandssummeeinesidealenPlasmas................ 115
9.2.2 ZustandsgrößeneinesidealenPlasmas ................ 118
9.2.3 Coulomb-Korrekturen.............................. 119
9.2.4 MassenwirkungsgesetzundSaha-Gleichung ........... 122
9.3 TransporteigenschaftenvonPlasmen......................... 125
9.4 WechselwirkungelektromagnetischerWellenmitPlasmen....... 130
9.5 Nichtgleichgewichtsprozesse ............................... 136
9.6 PlasmastrahlungimLTE-Modell ............................ 139
9.6.1 Linienstrahlung ................................... 141
9.6.2 AbsorptiondurchÜbergänge
zwischenzweigebundenenZuständen ................ 142
9.6.3 StrahlungsleistungbeiLinienstrahlung................ 142
9.6.4 Linienprofile...................................... 143
9.6.5 Bremsstrahlung ................................... 144
9.6.6 Rekombinationsstrahlung........................... 145
9.6.7 Apparateeinfluss................................... 145
Literatur ...................................................... 146
10 Laserstrahlquellen 147
10.1 CO -Laser............................................... 147
2
10.1.1 Grundlagen....................................... 147
10.1.2 Bauformen ....................................... 147
10.2 Nd:YAG-Laser ........................................... 149
10.2.1 Grundlagen....................................... 149
10.2.2 Bauformen ....................................... 150
10.3 Diodenlaser.............................................. 152
10.3.1 Grundlagen....................................... 152
10.3.2 BauformenundEigenschaften....................... 155
10.4 Excimerlaser............................................. 158
10.4.1 Grundlagen....................................... 158
10.4.2 Aufbau .......................................... 159
Literatur ...................................................... 160
XII Inhaltsverzeichnis
11 Oberflächentechnik 161
11.1 Umwandlungshärten ...................................... 161
11.1.1 Motivation ....................................... 161
11.1.2 Verfahrensbeschreibung ............................ 162
11.1.3 PhysikalischeGrundlagen .......................... 165
11.1.4 Anwendungsergebnisse............................. 166
11.1.5 IndustriellrelevanteAnwendungsbeispiele............. 170
11.2 Umschmelzen............................................ 175
11.2.1 PhysikalischeGrundlagen .......................... 175
11.2.2 Verfahrensbeschreibung ............................ 180
11.2.3 Anwendungsergebnisse............................. 182
11.2.4 Anwendungsbeispiel ............................... 184
11.3 Laserstrahlpolieren........................................ 185
11.3.1 Motivation ....................................... 185
11.3.2 Verfahrensbeschreibung ............................ 185
11.3.3 Anlagentechnik ................................... 188
11.3.4 Anwendungsbeispiele .............................. 188
11.4 Beschichten.............................................. 191
11.4.1 Motivation ....................................... 191
11.4.2 Verfahrensbeschreibung ............................ 191
11.4.3 Werkstofftechnik .................................. 195
11.4.4 Anwendungen .................................... 195
11.5 LegierenundDispergieren ................................. 198
11.5.1 Motivation ....................................... 198
11.5.2 PhysikalischeGrundlagen .......................... 199
11.5.3 Verfahrensbeschreibung ............................ 200
11.5.4 Anwendungsergebnisse............................. 202
11.5.5 Anwendungsbeispiel ............................... 205
11.6 PulsedLaserDeposition ................................... 205
11.6.1 PhysikalischeGrundlagen .......................... 207
Literatur ...................................................... 211
12 Umformen 213
12.1 Biegen.................................................. 213
12.1.1 Einleitung........................................ 213
12.1.2 Prozessmodelle ................................... 214
12.1.3 Umformergebnisse ................................ 219
12.1.4 AnwendungendesLaserstrahlmikroumformens
inAktuatoren ..................................... 219
Literatur ...................................................... 223