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Laserschneiden von monokristallinem Diamant (MKD)



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Abb.1: geschnittene Diamantplatte (Profil)

Aufgrund der herausragenden Werkstoffeigenschaften findet Diamant seit langem als Schneidstoff für die spanende Bearbeitung von Nicht-Eisen-Materialien industrielle Anwendung.
Der ideale Diamantkristall ist für Licht im Wellenlängenbereich von 2,5 µm bis 225 nm vollkommen transparent und daher farblos. Trotz geringer Absorption ist es praktisch möglich, monokristallinen Diamant mit der Laserstrahlung des Nd-YAG-Lasers (1,06µm) zu schneiden. Vergleichsweise hohe Leistungsdichten von (<=108 W/cm2 (Überschreiten der Plasmaschwelle) sind nötig, um eine genügende Energieeinkopplung zu erreichen. Bereits ein Stickstoffgehalt von >=500 ppm im Diamant erhöht die Absorption der Laserstrahlung und senkt gleichzeitig die Einkoppelschwelle.
Es bestand die Aufgabe, Diamantplatten mit den Abmaßen 5x3x1,5 mm3 unter einem definierten Winkel durchzuschneiden. Als Laserquelle kam ein Nd:YAG - Laser mit 18 W Leistung in TEM00 Strahlqualität zum Einsatz. Ein Durchschnitt konnte nur mit mehreren Überfahrten realisiert werden, da die Abtragsrate pro Überfahrt je nach Schnitttiefe prozessbedingt limitiert war weil der Diamant bei zu hohem Energieeintrag infolge innerer Spannungen zerstört wird.

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Abb.2: REM-Aufnahme einer Schneidkante in 1500-facher Vergrößerung

Die ersten Versuche waren darauf ausgerichtet, die Diamantplatte von einer Seite vollständig durchzuschneiden. An der Lasereintrittsseite konnte eine qualitativ hochwertige Schnittfläche erzielt werden. Mit zunehmender Bearbeitungstiefe wurde die erzeugte Fläche jedoch immer rauer und der Schnittwinkel veränderte sich stark (Abb.1). Außerdem führte die Langzeitbestrahlung an der Eintrittsfläche zu einer Verrundung der Kante.

Das Schneidverfahren wurde daraufhin zu einem zweistufigen Verfahren weiterentwickelt. Zuerst erfolgte ein rückseitiger Einschnitt in die Diamantplatte bis etwa 2/3 der Gesamtdicke. Dann wurde von der Vorderseite die eigentliche Schneidkante erzeugt. Bei umgekehrter Reihenfolge wird die Schneidkante durch den rückseitigen Schnitt zerstört.
Der Freiwinkel der Schneidkante wurde von 2° bis 14° eingestellt, wobei aber kein eindeutiger Zusammenhang zwischen der Variation des Einstrahlwinkels und der Änderung des entstehenden Schnittwinkels festgestellt werden konnte. Der Freiwinkel unterhalb der Schneidkante betrug bis zu 35° (typisch ca. 20°). Für den praktischen Einsatz der lasergeschnittenen Schneide sind eine geringe Kantenverrundung und eine geringe Rauheit von Bedeutung. Mit dem zweistufigen Verfahren konnten Schneidkantenradien von < 5µm erzielt werden (Abb.2), was den Vorgaben entsprach. Die ermittelten Rauheiten an der Schneidkante betrugen Ra = 0,2µm, RzDIN = 1µm und Rmax = 1,5µm, was ebenfalls im vorgegebenen Toleranzbereich lag. Eine thermische Beeinflussung der Schneide wurde nicht festgestellt.
Probleme traten temporär mit der Welligkeit auf, da sich durch die Mehrfachüberfahrten kleinste systematische Fehler im Bearbeitungssystem auf der Schneidkante abbildeten.

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Abb.3: Einflussfaktoren beim Laserschneiden von MKD

Die Bearbeitungszeit steigt mit der Dicke der Diamantplatten überproportional an und beträgt für eine Schneide mit einer Dicke von 1,5 mm und einer Länge von 5 mm derzeit ca. 30 min.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Laserbearbeitung von Diamant eine sehr komplexe Technologie ist und die Güte der Bearbeitung von vielen Eingangsgrößen abhängt. Diese sind in fünf Kategorien gruppierbar (Abb.3). Faktoren, welche die Qualität stark beeinflussen, sind hervorgehoben. Es besteht weiterhin Optimierungspotential für die Technologie, vor allem im Hinblick auf die Schnittgeschwindigkeit.
Die Aufgabe und das Probenmaterial wurden freundlicherweise von Herrn Berthold vom Institut für Physikalische und Mechanische Technologien (GFE e.V.) Bereich Chemnitz gestellt. Weiterhin wird Herrn Gehrke von der Hochschule Mittweida für die Anfertigung der REM-Aufnahme gedankt.



Kontakt: Robby Ebert

 
 
Erstellt: 07.02.2012 15:48:22 | Letzte Änderung: 01.02.2002 17:24:16 | Autor: R.Ebert, L. Hirthe, B.Keiper, H.Exner
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