Energiestrahlverfahren

Energiestrahlverfahren

Es gibt 2 Arten von Energiestrahlverfahren:

Elektronenstrahlverfahren (EBM = Electron Beam Machining) Photonenstrahlverfahren (Laser, LBM)

Strahlen hoher Energiedichte werden gebündelt und dadurch der zu bearbeitende Werkstoff aufgeschmolzen oder verdampft. Beliebige Werkstoffe können bearbeitet werden. Die entstehende Strahlung muss durch Schutzvorrichtungen abgefangen werden.

Elektronenstrahlverfahren (EB - Verfahren)

Elektronen prallen in Vakuum auf einen festen Körper. Dadurch entsteht Wärme. Der Körper kann auch elektrischer Nichtleiter sein.
Die Strahlerzeugung erfolgt mittels Wolframelektrode (=Katode). Zwischen der Katode und der durchbohrten Anode besteht Hochspannung, die die Elektroden beschleunigt. Der Strahl wird von elektronenoptischen Systemen gebündelt (d>= 1 μm) und trifft dadurch mit hoher Energiedichte auf den zu bearbeitenden Werkstoff (bei 1,5 kW auf d = 10 μm ergeben sich 10000 kW/mm².
Der Strahl soll nur in Impulsen von wenigen Mikrosekunden einwirken, weil sonst die Nachbarzonen schmelzen (f<=10kHz).
Bei einem Bohrungsdurchmesser bis zu 0,2 mm wird der Brennfleck vergrößert. Darüber ist die Energiedichte jedoch zu klein.
Das Verfahren wird nur bei kleinen Größenbereichen verwendet.
Die Steuerung des Strahles kann numerisch, durch Ablenkspulen oder durch Strahlablenkung (gesteuerte Strahlsonde) erfolgen.
Ein Bewegen des Aufspanntisches ist nicht üblich, weil es sich normalerweise um geringe Abmessungen handelt. Beim Bohren mit Elektronenstrahl soll man nicht tiefer als den 80fachen Durchmesser bohren, weil die Strahlen vom Bohrungsrand abgedeckt werden und die Bohrung dadurch kegelig wird.

Photonenstrahlverfahren (LB - Verfahren oder Laser)

Strahlerzeugung

Laser ist die Abkürzung für "light amplication by stimulated emission of radiation" = Lichtverstärkung durch angeregte Strahlung
In der Technik verstaht man unter Laser ein Gerät, den Strahlerzeuger, das energiereiche, gebündelte elektromagnetische Strahlen (Laserstrahlen) aussendet.
Die Lichtverstärkung erfolgt in einem Resonator innerhalb des Strahlerzeugers.
Ein Resonator ist ein Spiegelsystem zur Erzeugung der induzierten Laserstrahlung plus des Mediums.
In ihm befindet sich ein laseraktives Medium, das dem Lasertyp einen Namen gibt
Gas à Gaslaser
Neodym (in Kristall oder Glas) à Festkörperlaser
Flüssigkeit à Flüssigkeitslaser
Halbleiter à Halbleiter - oder Diodenlaser
Farbstoff à Farbstofflaser

Spiegel Auskoppelspiegel

Kühlung

laseraktives
Medium


Anregung


Resonator Laserstrahl

Dem laseraktiven Medium wird Energie zugeführt, wodurch seine Elektronen auf ein höheres Energieniveau gebracht werden. Da dieser Energiezustand labil ist, fällt ein Elektron wieder in den Ausgangszustand zurück und löst eine Kettenreaktion aus (Nachbarelektron auch labil). Dadurch wird Licht (=Energie) ausgesendet. Da das laseraktive Medium immer wieder angeregt wird, steigen Elektronen wieder auf ein höheres Energieniveau. Das zuvor ausgesendete Licht wird vom linken Spiegel voll reflektiert und löst bei den Elektronen abermals eine Reaktion aus. Das Licht, das zum Auskoppelspiegel gelangt, wird zum Teil reflektiert und zum Teil durchgelassen. Der durchgelassene Teil steht für Anwendungen zur Verfügung und der reflektierte Teil löst lässt angeregte Elektronen auf das ursprüngliche Energieniveau zurückfallen.

Strahlhandhabung

Der Laserstrahl wird über Spiegelsysteme oder durch Lichtleiter zur Bearbeitungsstation geführt, wo er durch eine Sammellinse auf das Werkstück fokussiert wird (weitere Energieverdichtung!!!).
Für Laserstrahlen gelten die Gesetze der Optik.
Wenn Dauerstrichleistung (continuous wave) nicht gewünscht ist, kann durch periodisches Verändern der Laserausgangsleistung gepulst werden.



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add. 1): Dauerstrichleistung
add. 2): gepulst moduliert
add. 3): gepulst geschaltet

Merkmale der Strahlen

einfärbig, weil nicht aus verschiedenen Wellenlängen gemischt kohärent = "zusammenbleibend" wegen gleichphasigen Schwingungen normalerweise Strahl mit geringer Divergenz sehr gut fokussierbar (aus den vorherigen Gründen) Sie lassen sich hochfrequent pulsen.

Die Beurteilung des Strahlerzeugers erfolgt nach

Lasertyp Laserausgangsleistung Stabilität der Leistungsabgabe Intensitätsverteilung Polarisationsebene

Der Lasertyp wird meist nach dem laseraktiven Medium benannt. Er strahlt mit einer bestimmten Wellenlänge.

Verwendung

für Trennen und Schweißen: CO - Laser (weil höchste maximale mittlere Leistung)
für feine Schnitte und Bohrungen: Neodymlaser
Meßtechnik: He - Ne - Laser

Die vielseitigste Lasergruppe sind die Gaslaser

Atomlaser Ionenlaser Excimerlaser Moleküllaser (z.B. CO₂)

Der CO₂ - Laser wird am häufigsten verwendet.

Die Stabilität der Leistungsabgabe ist die in einer maximalen Leistungsbandbreite liegende Abweichung von der Nennleistung. Bei einer Abweichung von mehr als 5 % leidet die Schnittqualität deutlich.

Die Intensitätsverteilung im Strahlquerschnitt wird Mode genannt.
Der Grundmode bildet um die Strahlenachse eine Intensitätsspitze und fällt zur Außenfläche des Strahles hin in einer Gaußschen Glockenkurve ab. Ein Strahl im Grundmode wird deshalb auch "Gaußscher Strahl" genannt.
Diese Strahlform wird für Schneiden und Bohren bevorzugt. Der Grundmode ist vorwiegend mit Lasern bis 1 kW erzielbar.

Bei Multimoden treten mehrere, meist unterschiedlich hohe Intensitätsgipfel auf. Zwischen ihnen liegen die Intensitätsminima. Solche Strahlen sind für Verfahren der Oberflächenbehandlung, wie Härten, Umschmelzen, Beschichten usw. geeignet.
Bei der Bezeichnung der Modenformen gibt die erste Indexzahl die Anzahl der Minima bei Rotationssymmetrie und die zweite die Minimaanzahl bei Achsensymmetrie an. Demnach bedeutet z.B. TEM₀₀ Grundmode (keine Minima) und TEM₃₀ drei rotationssymmetrische Intensitätsminima.

Vorgänge zwischen Strahl und Werkstück

Laserbearbeitung ist meist ein thermisches Abtragen. Die in das Werkstück einwirkende Lichtenergie erhöht die Bewegungsenergie freier Elektronen (Metalle). Je nach der aufgenommenen Energiemenge und der Eigenschaften des Werkstücks verbrennt, verdampft oder verflüssigt sich der Werkstoff.
Wenn der Strahl beim Schneidprozess an engen Kurven, z.B. Ecken auch nur kurzzeitig stehenbleibt, entstehen Einbrennflecken. Man kann sie vermeiden, indem man die Dauerstrichleistung reduziert. Dadurch verringert sich aber auch die schneidbare Werkstückdicke.
Man kann Einbrennflecken auch durch Normalpulsen bei unveränderter Leistung oder durch Superpulsen (erhöhte Leistung, bei Edelstahl) vermeiden.

Schneiden mit Lasern

Man unterscheidet 3 Schneidverfahren:

Schmelzschneiden

Der Werkstoff wird durch den Laserstrahl lokal geschmolzen. Ein Gasstrom aus N₂ oder Edelgas bläst die Schmelze mit 1 - 5 bar aus. Der Gasstrom kommt aus einer kegelförmigen Öffnung mit 1 - 2 mm Durchmesser

Brennschneiden

Der Gasstrom besteht hier aus Sauerstoff. Es ist eine 3 - 5fache Vorschubgeschwindigkeit durch die entstehende exotherme Wärme möglich.
Nachteile: Wärmeeinflußzone, Rauheit und Schnittfugenbreite sind eventuell größer.

Sublimationsschneiden

Das ist Werkstoffverdampfung und erfordert deshalb bei Metallen eine Leistungsdiche von 10⁷bis 10⁸W/cm² à nur gepulst bei kleiner Pulsdauer erreichbar.
Das Verfahren ist für Metalle wenig geeignet, weil in der Schnittfuge der Metalldampf kondensiert, wodurch der obere Teil der Fuge verschlossen werden kann. Dieses Verfahren ist nur bei dünnen Blechen einsetzbar. Gut geeignet für Werkstoffe, die keine schmelzflüssige Phase haben, z.B. verschiedene Nichtmetalle.

Prozeßparameter

bei Laser: Mode, Polarisationsebene, Strahldivergenz, Fokuslage zur Werkstückoberfläche, Fokusdurchmesser und Laserwellenlänge bestimmen den Absorptionsgrad

bei Werkstoff: Oberfläche (Rauheit, Beschichtung usw.), Werkstücktemperatur und Auftreffwinkel des Strahles beeinflussen die Absorptionsfähigkeit.
Weitere Werkstoffparameter: Wärmeleitfähigkeit, Schmelzpunkt, Verdampfungstemperatur
Die Werkstoffhärte hat keinen Einfluß auf die Schneidbarkeit
Kunststoffe werden vorwiegend mit CO₂ - Lasern bearbeitet.
Achtung: entstehende giftige Gase müssen abgesaugt werden.
Keramik wird mit kleiner Pulsdauer und hoher Energie verdampft, so dass keine Risse entstehen können.

Bei Schneidgas: Gasart, Gasdruck, Düsengeometrie und Düsenanordnung nehmen Einfluß auf das Bearbeitungsergebnis.

Bohren mit Laser

Vorteile: die meisten Werkstoffe können gebohrt werden, für dünnwandige Werkstücke geeignet. Neigung der Bohrungsachse um 10⁰möglich à Spiralbohrer würde verlaufen
Für Metalle werden meist Festkörperlaser eingesetzt.
Man unterscheidet zwischen 3 Bohrverfahren:

Einzelpulsbohren

Bohrung wird mit einem Puls hergestellt. Durchmesser von 5 μm bis 0,3 mm sind möglich. Erreichbare Bohrtiefe etwa 2,5 mm bei Schachtverhältnis Tiefe:Durchmesser = 10:1

Perkussionsbohren

Hier wird mit einer Pulsfolge gearbeitet. Bohrungsdurchmesser <= 1 mm
Bohrtiefe bis 10 mm bei Schachtverhältnis 10:1

Trepanning (Trepannieren)

Es handelt sich praktisch um ein Ausschneiden. Darum ist das Verfahren nur für Durchgangsbohrungen geeignet. Bohrungsdurchmesser ab etwa 0,6 mm sind möglich.

Verfahrensvorteile

Bearbeitung erfolgt berührungsfrei Werkstückhärte spielt keine Rolle gute Oberflächenqualität große Vorschubgeschwindigkeit auch an schwer zugängliche Stellen einsetzbar Kleine Losgrößen sind wirtschaftlich zu bearbeiten geräuschlos und bei den meisten Werkstoffen umweltfreundlich

Verfahrensnachteile

hohe Anschaffungskosten geringer Wirkungsgrad hohe Energiekosten Schutzmaßnahmen gegen Gefährdungsmöglichkeit durch Strahlen notwendig

Anwendungen

Schneiden aller Werkstoffe (z.B. Papier, Metall, Schaumstoff, Keramik,...) Bohren in Keramiken, Kristallen, Steinen, Papier, Blechen, Rohren Entgraten z.B. von Druckgußteilen Schweißen Löten Oberflächenveredeln Beschichten

Gefärdung durch Laserstrahlen - Unfallschutz

Die Gefahren bestehen für Menschen und für Stoffe. Bei Menschen treten je nach Dauer und Intensität der Einwirkung sowie Laserwellenlänge Gewebeschädigungen auf.
Bei der Arbeit sollten nicht mehr Mitarbeiter als erforderlich (aber mindestens 2) anwesend sein. Sie müssen über die Gefahren ausreichend aufgeklärt sein.
Der Strahl darf nicht auf ungeschützte Menschen treffen. Besonders gefährdet sind die Augen.
Der Strahl kann die Augen direkt oder reflektiert, z.B. von der Werkstückoberfläche, treffen.
Deshalb müssen die Mitarbeiter z.B. durch Laserschutzbrillen (besonders resorbierende Verbundgläser, DIN 58215) geschützt sein. Justieren und Probelauf sollen mit durch Graufilter geminderter Energie erfolgen.

Laser sind in fünf Gefährdungsklassen eingeteilt.
Klasse 1: z.B. Lasergeräte, die in sich oder konstruktiv sicher sind
höchste Klasse = 4 (weil 3A und 3B vorhanden): Es ist mit Augenschäden, Schädigungen der Haut und Brandgefahr zu rechnen. Der Laserstrahl ist auf seinem gesamten Weg vollständig abzuschirmen.

Da der energiereiche Laserstrahl auch auf größere Strecken noch wirksam ist, muss die Gefahr in weiterer Entfernung bedacht werden. Brennbare Werkstoffe (Papier, Textilien,...) dürfen nicht in der Richtung des Strahles stehen. Sehr gefährlich sind explosive Flüssigkeiten und Gase, auch in Flaschen. Sie können durch den auftreffenden Laserstrahl so aufgeheizt werden, dass sie sich entzünden.

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