Ü. Thermisches Abtragen durch Laserstrahl Flashcards
Thermisches Abtragen gehört zur Gruppe ?(1)? und der Hauptgruppe ?(2)?.
(1) 3.4 Abtragen (DIN 8590)
(2) 3.Trennen
Nenne die Untergruppen der Gruppe 3.4 Abtragen: ?? (3)
- 4.1 Thermisches Abtragen
- 4.2 Chemisches Abtragen
- 4.3. Elektrochemisches Abtragen
Nach welcher DIN lässt sich das Abtragen in das Thermische, Chemische und Elektrochemische Abtragen unterteilen?
DIN 8590
Nenne die Untergruppen der Untergruppe Thermisches Abtragen! (7)
- 4.1.1 Thermisches Abtragen durch festen Körper
- 4.1.2 Thermisches Abtragen durch Flüssigkeit
- 4.1.3 Thermisches Abtragen durch Gas (DIN 2310-6)
- 4.1.4 Thermisches Abtragen durch elektrische Gasentladung (DIN 2310-6)
- 4.1.5 Thermisches Abtragen durch Strahl (DIN 2310-6)
- 4.1.6 Thermisches Abtragen durch Bewegung
- 4.1.7 Thermisches Abtragen durch elektrischen Strom
Interaktion von Protonen mit einem Atom und zwei Energieniveaus
Elektronen können diskrete ?(1)? EsubB aufnehmen und abgeben
Energieaufnahme EsubA entrspricht größerem ?(2)? rsubB des Elektrons (Bohr’sche Atommodell)
keine ?(3)? Vergrößerung des Bahnradius rsubB
–> QUANTENSPRUNG
Änderung des Energieniveaus E kann durch ?(4)? angeregt werden
Folie 4
(1) Energiebeträge
(2) Bahnradius
(3) kontinuierliche
(4) Photonen
Interaktion von Protonen mit einem Atom und zwei Energieniveaus
Unterscheidung: ?? (3)
spontane Emission (abh. von Relaxationszeit t des Energieniveaus EsubN)
stimulierte Absorption (durch Photon)
stimulierte Emission (relevant für Laser)
(Abbildungen Folie 4)
DIN ??: Thermisches Abtragen durch Strahl
DIN 2310-6 (Wichtig!)
Spontane Emission
Angeregte ?(1)? im Energieniveau EsubN2 ?(2)? nach der Lebenszeit des oberen Laserzustandes (T2) ?(3)? in das Energieniveau EsubN1
Relaxation unter Abgabe eines ?(4)?
Spontane Emission ist unabhängig vom umgebenden ?(5)?
(1) Atome
(2) relaxieren
(3) spontan
(4) Photons
(5) Lichtfeld
Nenne Eigenschaften von Emission am spontanen erzeugtem Licht! (3)
inkohärent
isotrop
zufällige Richtung
Stimulierte Emission
Relaxation von E2 nach E1 kann durch ?(1)? mit der korrekten Energie E ?(2)? werden
?(3)? Photon bleibt erhalten
?(4)? Photon besitzt gleiche Richtung und Phase wie ?(5)? Photon
Emittierte Wellenlänge ist abhängig vom Abstand der ?(6)?: (siehe Formel Folie 7)
(1) Photonen
(2) stimuliert
(3) Anregendes
(4) Emittiertes
(5) angeregtes
(6) Energiebänder
Besetzungsinversion
Wahrscheinlichkeit für spontane und stimulierte Emission ist ?(1)? (Vergleich angeregtes/nichtangeregtes Atom)
Zunahme der Photonenzahl im Lasermedium ist nur möglich, wenn mehr ?(2)? im ?(3)? Zustand sind (Besetzungsinversion)
Durch “normale Anregung” (thermisch optisch) jedoch nur bei maximaler ?(4)? möglich
Besetzungsinversion ist nur im Lasermedium mit mindestens Besetzungsinversion zwei ?(5)?
starke Besetzungsinversion im Lasermedium löst lawinenartige ?(6)? aus
(1) gleich groß
(2) Atome
(3) angeregten
(4) gleicher Besetzung
(5) Energieniveaus EsubN
(6) Lichtverstärkung
Laseraufbau
Nenne wesentliche Bestandteile eines Lasers: ?? (2)
Verstärker
optischer Resonator
(siehe Folie 9)
Laseraufbau
Welche Funktion hat der Verstärker?
Er ist zum “Pumpen” (d.h. zur Erzeugung einer Besetzungsinversion) da!
Laseraufbau
Der Resonator erzeugt was?
gerichtete Laserstrahlung
Laseraufbau
Der Resonator erzeug gerichtete Laserstrahlung:
- ?(1)? bereits erzeugter Strahlung
- Ausblendung aller unerwünschten ?(2)? nach einmaligen Durchtritt durch das ?(3)?
- größter Teil der Strahlung wird im Resonator fortwährend ?(4)?
- kleiner Teil durch teildurchlässigen Spiegel ausgekoppelt –> ?(5)?
(1) Rückkopplung
(2) Ausbreitungsrichtungen
(3) Lasermedium
(4) hin und her gespiegelt
(5) Laserstrahlung
Laserarten
Welche Laserart ist in der Industrie am weitesten verbreitet?
Infrarot
Nenne Laserarten! (5)
Radio
Mikrowellen
Infrarot
Ultraviolet (UV)
Gamma
(FOLIE 10 ansehen)
Je kleiner die Wellenlänge, desto ??
höher sind die Kosten (normalerweise)
weil die Optik teurer ist und viel Energieverlust vorliegt
Nenne Lasertypen! (5)
Festkörperlaser
Gaslaser
Excimerlaser
Halbleiterlaser
Farbstofflaser
(Tabelle Folie 11)
Die Ausgangswellenlänge vom Ausgangsmedium wird immer gleich sein, außer bei den Farbstofflasern.
Wahr /Falsch?
Wahr
Festkörperlaser
Festkörperlaser aus Nd: YAG-Kristall
FOLIE 12 ansehen!!
!
Gaslaser
Gaslaser mit CO2, N2 und He als Lasermedium gemischt:
- Gas in ?(1)? Qsubr eingeschlossen und über ?(2)? QsubG angeregt
- ?(3)? zwischen zwei Schwingungszuständen des CO2 Moleküls
- Anregung in das obere Laserniveau über Anregung von ?(4)?
- Anregungslinie der N2-Moleküle wird sehr effektiv an ?(5)? übertragen
- cw- und Puls-Laser
- Hauptemissionslinie lamba = ?(6)?
FOLIE 13 ansehen!!
(1) Entladungsröhre
(2) Gasentladung
(3) Laserübergang
(4) N2-Molekülen
(5) CO2-Moleküle
(6) 10.600 nm
Beim Gaslaser gibt es eine Hauptemissionslinie von lambda = 10600 nm.
Wahr/Falsch?
WAHR
Farbstofflaser
?(1)? als Lasermedium in geeignetem Lösungsmittel (z.B. Ethanol, Methanol):
- Lösung durchfließt eine Küvette und wird über ?(2)? oder ?(3)? angeregt
- cw- oder Puls-Laser
- breites ?(4)? (50nm <= lambda <= 100nm)
(1) Farbstoff
(2) Pumplaser
(3) Bogenlampe
(4) Emissionsspektrum
Was ist die Besonderheit bei Excimerlasern?
das untere Laserniveau ist ein nichtbindender Zustand (d.h. KrF Molekül ist nicht stabil)
Excimerlaser
?(1)? Gaslaser
Betrieb mit verschiedenen ?(2)?
hohe Ausgangsleistungen Psuba im ?(3)?
(157nm <= lambda <= 351nm)
Besonderheit: das untere Laserniveau ist ein ?(4)? Zustand (d.h. KrF Molekül ist nicht stabil)
Übliche Emissionswellenlängen:
- lambda = 193 nm (ArF)
- lambda = 248 nm (KrF)
- lambda = 308 nm (XeCI)
- lambda = 350 nm (XeF)
(1) gepulster
(2) Edelgas-Halogengemischen
(3) UV-Bereich
(4) nichtbindender
Absorption von Laserstrahlung
Der Laserstrahl erzeugt beim Auftreffen auf die Werkstoffoberfläche eine Erwärmung des Werkstoffes durch ?(1)? eines Teiles der Lichtenergie EsubL.
Der nicht-absorbierte Teil der Energie E wird von der Werkstoffoberfläche zum einen ?(2)? und zum anderen ?(3)?
(1) Absorption
(2) zurückgestrahlt (Reflexion)
(3) durchgelassen (Transmission)
Absorption von Laserstrahlung
Der Absorptionsgrad gibt das Verhältnis der aufgenommenen Laserleistung P zur insgesamt zur Verfügung stehenden Laserleistung P an und beträgt im Idealfall P = 100%.
In der Praxis liegt der Absorptionsgrad alpha <= ?(1)?%.
Der Rest wird ?(2)? oder ?(3)?
(1) 30
(2) reflektiert
(3) transmittiert
Abtragsmechanismen
Es gibt 3 verschiedene Abtragsmechanismen: ??
Sublimationsabtrag
Schmelzabtrag
Abtrag von festem Werkstoff
Abtragsmechanismen
Sublimationsabtrag Schmelzabtrag Abtrag von festem Werkstoff \_\_\_\_\_ Abhängig von der ?(1)? des Lasers, dem ?(2)? und der ?(3)? bilden sich die oben genannten drei Mechanismen beim Abtragen unterschiedlich stark aus.
(1) eingestrahlten Energie E
(2) Absorptionsgrad alpha
(3) Werkstoffparameter
Einfluss der Pulsdauer
Die Pulslänge deltat hat erheblichen Einfluss auf was?
das Bearbeitungsergebnis
Einfluss der Pulsdauer
cw-Betrieb oder langer Pulsdauer:
- ?(1)? und ?(2)? dominierend
- große thermisch beeinflusste Zone, Mikrorisse, Ablagerungen auf Oberfläche, Gratbildung
Ultrakurpulslasern (ab Pikosekundenbereich):
- ?(3)? dominierend
- keine ?(4)? Schmelzbildung
(1) Schmelzbetrag
(2) Festkörperabtrag
(3) Sublimationsabtrag
(4) Schmelzbildung
Anwendung cw- und gepulste Laser
FOLIE 19 ansehen
(diese Varianten wohl nicht mehr so relevant)
…
Strahlführung
Abhängig vom eingesetzten Laser können folgende Führungssysteme verwendet werden: ?? (3)
Linearachsen (Spiegel)
Rotationsachsen (Spiegel)
Lichtwellenleiter
(Abbildungen Folie 20 ansehen!)
Strahlführung
Die Führungssysteme lassen sich grundlegend in ?(1)? und ?(2)? unterscheiden
(1) spiegelbasierend
(2) faserbasierend
Führungssysteme - Strahlführung
Linearachsen (Spiegel)
Anforderungen: ??
Anwendungen: ??
Anforderungen:
optische Achse parallel zu mechanischer Linearachse
Anwendungen:
große, kartesische Arbeitsräume, hohe Geschwindigkeiten v
Führungssysteme - Strahlführung
Rotationsachsen (Spiegel)
Anforderungen: ??
Anwendungen: ??
Anforderungen:
optische Achse identisch mit mechanischer Rotationsachse
Anwendungen:
kleine, komplexe Arbeitsräume
Orientierungsachsen (Arbeitskopf)
nur für rotationssymmetrische Strahlen
Führungssysteme - Strahlführung
Lichtwellenleiter
Anforderungen: ??
Anwendungen: ??
Anforderungen:
optische Achse ist von der mechanischen Achse entkoppelt
Anwendungen:
beliebige Arbeitsräume
nicht für alle Laser und Leistungen
Laserschneiden
Fokussierung des Laserlichts in ?(1)? geometrisch bestimmten Spot
Energieeintrag Esube durch Laserstrahl sorgt für ?(2)?
?(3)? sorgt für Abtransport des Werkstoffes aus der Bearbeitungszone
(1) kleinem
(2) Materialabtrag
(3) Hilfsgas
Nenne mind. 3 Vorteile des Laserschneidens: ??
- Energieeintrag Esube ausschließlich in Bearbeitungszone
- kleiner wärmebeeinflusster Bereich
- komplexe Geometrien bearbeitbar
- kein Kontakt, keine Prozesskräfte F, keine Werkzeuge
- Geschwindigkeit v, Kosteneffizienz
Laserstrahlschneiden kann in welche Verfahrensvarianten eingeteilt werden? (3)
Laserstrahl-Brennschneiden
Laserstrahl-Schmelzschneiden
Laserstrahl-Sublimierschneiden
Der Werkstoff wird bis zur Zündtemperatur erhitzt und durch Zufuhr von Sauerstoff verbrannt.
Welche Verfahrensvariante des Laserstrahlschneidens liegt vor?
Laserstrahl-Brennschneiden
Der Werkstoff wird durch den Laserstrahl aufgeschmolzen und mit Hilfe eines reaktionstragenden Gases aus der Schnittfuge geblasen.
Welche Verfahrensvariante des Laserstrahlschneidens liegt vor?
Laserstrahl-Schmelzshneiden
Der Werkstoff wird auf Sublimationstemperatur erhitzt und mit Hilfe eines reaktionstragenden Gases aus der Schnittfuge geblasen.
Welche Verfahrensvariante des Laserstrahlschneidens liegt vor?
Laserstrahl-Sublimierschneiden
Laserstrahl-Brennschneiden kommt bei was zur Anwendung?
beim Trennen von Metallen
Laserstrahl-Schmelzschneiden kommt bei welchen Werkstoffen zur Anwendung? (2)
hochlegierte Stähle
Nichteisenmetalle
Laserstrahl-Sublimierschneiden kommt bei welchen Werkstoffen zur Anwendung? (3)
Holz
Papier
Kunststoff
Laserstrahl-Werkstoff-Interaktion beim Laserstrahl-Schneiden:
Die ?(1)? dient als Dichtung für die ?(2)? zum Laserstrahl hin.
Das ?(3)? kühlt zum Teil die Linse und verhindert somit eine ?(4)? dieser (Effekt der thermischen Linse)
Das Prozessgas kann ein ?(5)?- oder ?(6)?gas sein.
Prozessgasdruck psubg ist ein entscheidender Faktor für die maximale ?(7)?
(1) Linse
(2) Düse
(3) Prozessgas
(4) Ausdehnung
(5) Inertgas
(6) Schneidgas
(7) Bearbeitungsdicke
Folie 23 ansehen
Laserbohren
Fokussierung des Laserlichts in kleinem, geometrisch ?(1)? Spot
?(2)? durch Laserstrahl sorgt für Materialabtrag
?(3)? sorgt für Abtransport des Werkstoffes aus der Bearbeitungszone
(1) bestimmten
(2) Energieeintrag Esube
(3) Hilfsgas
Nenne mind. 3 Vorteile des Laserbohren!
Vorteile:
- Energieeintrag ausschließlich in Bearbeitungszone
- kleiner wärmebeeinflusster Bereich
- komplexe Geometrien bearbeitbar
- kein Kontakt, keine Prozesskräfte F, keine Werkzeuge
- Geschwindigkeit v hoch und dadurch Kosteneffizienz
Laserbohren
Entkopplung des Strahls im rotierendem dove-Prisma erzeugt Rotation der Strahlachse in sich selbst und im Bezug auf das Werkstück
Eine Rotation der Prismenachse erzeugt zwei Umdrehungen n der Strahlachse
Variation der Prismenchase erzeugt unterschiedliche Bohrdurchmesser
Folie 26!
…
Laserfräsen
Gepulstes Laserlicht wird für einen ?(1)? verwendet
pro Puls wird eine ?(2)? Werkstoffmenge abgetragen
Laserstrahl wird über die Oberfläche bewegt um die benötigten Features zu erzeugen
Pulsanzahl pro Position bestimmt die ?(3)?
(1) 3D Materialabtrag
(2) geringe
(3) Strukturtiefe
Nenne Vorteile des Laserfräsen: ?? (3)
Vorteile:
- hohe Auflösung, hohe Präzision
- etabliertes Verfahren in der Mikroproduktionstechnik
- Spotdurchmesser dsubu >= 1 mikrometer
Laserbearbeitungszentren
Entwicklung von Fertigungstechnologien für die hochpräzise Laserbeschichtung
Hochpräzisions-5-Achsbearbeitung
Festkörperlaser mit Pulsdauer im Pikosekundenbereich: Nd: YAG
Verbindung zwischen “klassischem” Maschinenbau und Lasertechnologien
–> siehe Folie 29
…
Laserbearbeitung
Entwicklung eines effizienteren Verfahrens für die Bearbeitung von schwer zerspanbaren Werkstoffen
Forschungsthemen: SIEHE FOLIE 30!
!
Gezielte Modifikation der Oberfläche mit Pikosekundenlaser
Forschungsthemen: siehe FOLIE 31!
!
Biodegradierbare Stents
–> Folie 32+33
..
Lasertexturierung von Zahnimplantate
–> Folie 34+35
…
Nenne mind. 3 Vorteile der Laserstrahlverfahren! (WICHTIG mMn)
Vorteile:
- Bearbeitung unabhängig von Härte H und Festigkeit
- kein Werkzeug, daher kein Verschleiß davon
- hohe Formgenauigkeit GsubF
- Bearbeitung mit hohen Geschwindigkeiten v möglich
- gratfrei und geringe Rauheitswerten
Nenne mind. 3 Nachteile der Laserstrahlverfahren! (WICHTIG mMn)
Nachteile:
- geringer energetischer Wirkungsgrad (< 30%)
- -> nur 30% können absorbiert werden
- hohe Investitionskosten
- thermisch induzierte Spannungen
- giftige und krebserregende Verbrennungs- und Pyrolyseprodukte
