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Rapid Microtooling

Projektergebnisse: Hochrate-Mikrobearbeitung mit 3 kW Monomode-Faserlaser

Ansprechpartner: Dipl.-Ing.(FH) Lars Hartwig, Dipl.-Physiker Robby Ebert



 Mikroschweißen
 Abtragsschneiden
 Mikrostrukturieren/Oberflächenbearbeiten
 Hochrate-Lasermikrosintern
 Veröffentlichungen und Dokumente



Eine Besonderheit bei der Hochrate-Bearbeitung mit cw-Laserstrahlung ist das Vorhandensein einer Mindestgeschwindigkeit für den Abtragsprozess. Bei rein energetischer Betrachtung sollte eigentlich der Prozess bei immer höherer Geschwindigkeit zunächst vom Tiefschweißen in das Wärmeleitschweißen und anschließend in reine Oberflächenerwärmung übergehen, da mit zunehmender Scan­ge­schwindig­keit und daraus folgenden kürzeren Einwirkzeiten immer weniger Energie in die Bearbeitungs­stelle eingebracht wird. In der Praxis wurde aber genau das Gegen­teil beobachtet, mit Erhöhung der Scan­ge­schwindig­keit setzte zu­nehmend der Abtrag ein. Wenn man eine Ab­schätzung der Ge­schwindigkeit vornimmt, mit der sich das Temperatur­feld einstellt, erkennt man, dass bei den applizierten sehr hohen Intensitäten von über 108 W/cm2 schon nach einigen 10 ns die Verdampfungs­temperatur auf der Ma­te­ri­al­ober­fläche erreicht ist. Das heißt, es kommt bei den auftretenden Bearbeitungs­geschwindigkeiten immer zum Abtrag! Bei relativ niedrigen Scangeschwindigkeiten, in denen aus diesem Grund ein Tief­schweiß­prozess zu beobachten war, wurde soviel zusätzliche Energie einge­bracht, dass genug Schmelze entstand, um einen stabilen Schweiß­prozess durch­zuführen. Mit höheren Geschwindig­keiten nahmen die eingebrachte Strecken­energie und somit der Schmelz­anteil ab, bis er so klein war, dass der Abtrags- gegenüber dem Schmelz­prozess überwog. Im Übergangs­geschwindigkeits­bereich wurde die Bildung von Material­aufwürfen und Instabilitäten (Humping) beobachtet. Ab einer Mindest­geschwindigkeit (ca. 600 m/min bei Edelstahl) kam es dann zum sauberen Austrag der Schmelze.

240 m/min480 m/min720 m/min960 m/min1200 m/min
Übergangsbereich zum Abtragsprozess bei Edelstahl

Um den Abtragsprozess mit einem cw-Laser somit in hoher Qualität realisieren zu können, ist der Ein­satz von schnellen Scannern zwingend notwendig.

Dafür kommen sowohl Scanner mit klassischen Galvoantrieben und Spiegelsubstraten geringer Masse, als auch ultraschnelle Resonanz- und Polygonspiegelscanner zum Einsatz. Bei diesen kann die er­reich­bare Ge­schwindig­keit des Laserstrahles auf dem Material in Abhängigkeit von der eingesetzten Brenn­weite der f-Theta Optik bei über 50.000 m/min liegen. Durch die hohen Bearbeitungs­ge­schwindig­keiten und die wegen der opti­malen Strahl­qualität erzielbaren kleinen Fokus­durch­messer können sich mittlere Bestrahlungs­zeiten von klei­ner 100 ns ergeben. Dies entspricht den klassischen Puls­halb­werts­breiten von güte­geschalteten Nd:YAG Lasern. Insofern konnte man auch ähnliche Abtragsergebnisse mit aber wesentlich höheren Flächenraten erwarten. Dadurch wurde erstmals die Tür zur Hochrate-Laser­mikro­bearbeitung geöffnet.


Mikroschweißen

Mit dem Monomode Faserlaser war das Schweißen von Makro bis Mikro in hervorragender Weise möglich. Es konnten nahezu alle relevanten Materialien bis hin zu Buntmetallen (Kupfer, Aluminium, ..) und eingeschränkt auch Keramiken geschweißt werden. Die Schweißgeschwindigkeiten betrugen beim Mikroschweißen bis über 100 m/min. Beim Makroschweißen mit einer Schweißnahttiefe von ca. 6mm wurden noch 10 m/min erreicht. Die Schweißnahtbreite betrug allerdings dann nur noch 0,1-0,2 mm, so dass eine sehr gute Ausrichtung der zu schweißenden Teile notwendig war. Zur Erzielung von hohen Beschleunigungen und kurzen Positionierzeiten wurde das Verfahren u.a. mit einem Scanner durchgeführt (Remote-Schweißen).

Beispiele zum Schweißen: links Edelstahl mit Schweißgeschwindigkeit 10 m/min, mitte Keramik mit Schweißgeschwindigkeit 50 m/min, rechts Edelstahl mit Schweißgeschwindigkeit 45 m/min

Abtragsschneiden

Nach einer Erhöhung der Geschwindigkeit auf > 300 m/min konnte das Abtragsschneiden (auch Remote-Schneiden genannt) realisiert werden. Dabei wurde pro Überfahrt in Abhängigkeit von Intensität und Scangeschwindigkeit eine bestimmte Schichtdicke (20 - 100µm) abgetragen. Je nach Materialdicke mussten mehrere Überfahrten realisiert werden. Bei dünnen Blechen, die mit einer Überfahrt getrennt werden konnten, kann man auch vom Laser-Stanzen sprechen. Scangeschwindigkeiten von über 2000 m/min waren mit speziellen Galvoscannern realisierbar. Es konnten nahezu alle Materialien neben Edelstahl z.B. auch Kupfer, Wolfram, Keramik, spezielle Kunststoffe oder Verbundmaterialien getrennt werden.

Demonstrator mit Mikrostrukturen, Galvo-Scanner, 10 Überfahrten, Edelstahl Dicke 0,3mm, Laserleistung 3kW, Bearbeitungszeit ca. 3s, effektive Schnittgeschwindigkeit 12m/min; rechts REM-Aufnahme der feinsten Konturen
einfache Teststruktur, Galvo-Scanner, 8 Überfahrten, Edelstahl Dicke 0,4mm, Laserleistung 3kW, Scangeschwindigkeit 420m/min, Bearbeitungszeit 0,19s Prozess mit Laserleistung 1 kW

Mikrostrukturieren/Oberflächenbearbeitung

Die ultraschnelle Strahlablenkung mit Polygonspiegelscanner ist bereits geeignet, um in Oberflächen Mikrostrukturen in hoher Qualität und extrem hoher Geschwindigkeit einzubringen. Mit der vorhandenen Technik ist bei einer Fokusgröße von 100µm (Brennweite der f-Theta Optik 1200mm) und einem relativ großen Spurabstand von 1mm eine extreme Flächenrate von 1 m2/s realisierbar!

Die Erzeugung von regelmäßigen Mikro-Rastern aus Erhebungen und Vertiefungen war durch kreuzweises Bestrahlen möglich. Es entstand eine hochaufgelöste Mikrostruktur. Die mögliche Flächenrate beträgt ohne Beachtung der Zeit für das Drehen der Probe und bei Nutzung aller Facetten des Polygonspiegelscanners 170 cm2/min. Eine metallbedampfte Glasplatte könnte unter diesen Voraussetzungen mit einer Flächenrate von über 1.000 cm2/min hochaufgelöst strukturiert werden. Bei der Erzeugung von Mikrostegen mit einem schnellen Galvo-Scanner war ersichtlich, wie gering die thermische Belastung der Randbereiche ist. Es konnten scharfkantige Mikrostege (Breite 35µm) mit einem Aspektverhältnis von 1:3 erzeugt werden.

Mikrostruktur in Edelstahl 1.4301, Polygonspiegelscanner, Scangeschwindigkeit 13.500 m/min, 2x5 Überfahrten, Laserleistung 3kW
Mikrostrukturierung einer 2 µm dicken NiCr-Schicht auf Glas, Polygonspiegelscanner, Scangeschwindigkeit 9.000m/min, 2 Überfahrten, Laserleistung 880W
Mikrostege in Edelstahl 1.4301, Galvo-Scanner, Scangeschwindigkeit 1.200 m/min, 5 Überfahrten, Laserleistung 880W, Stegbreite 35µm, Aspektverhältnis 1:3

Hochrate-Lasermikrosintern

Erste Versuche zum Hochrate-Lasermikrosintern mit cw-Faserlaser und ultraschneller Strahlablenkung waren erfolgreich. Die Versuche werden umgehend fortgeführt und vertieft.

Sinterspuren in Molybdänpulveroberfläche, Polygonspiegelscanner, Scangeschwindigkeit 75m/s, Laserleistung 660W Sinterspuren in Wolframpulveroberfläche, Polygonspiegelscanner, Scangeschwindigkeit 75 m/s, Laserleistung 850W

Veröffentlichungen und Dokumente

  3 kW Monomode-Faserlaser Schweißen pdf-Datei 731kB
Erste Ergebnisse zum Schweißen mit 3kW Monomode Faserlaser (Lasermagazin 5/2008)

  Hochleistungs-Abtragsschneiden mit cw Single-Mode-Faserlaser pdf-Datei 226kB
Erste Ergebnisse zum Hochleistungs-Abtragsschneiden mit 3kW Monomode Faserlaser (Lasermagazin 4/2009)

  High Rate Ablation with 3 kW single mode fibre laser pdf-Datei 1.080kB
Abtragsschneiden von Stahl und Edelstahl bei sehr hohen Geschwindigkeiten von > 500 m/min mit einem Monomode-Faserlaser (Veröffentlichung LIM 2009, München)

  Material processing with a 3kW single mode fibre laser pdf-Datei 488kB
Schweißen und Abtragschneiden mit 3kW Monomode Faserlaser(Veröffentlichung LAMP 2009, Kobe)

  Material processing with a 3kW single mode fibre laser pdf-Datei 788kB
(Poster LAMP 2009, Kobe)

  Hochleistungs - Lasermikrobearbeitung mit brillanter cw-Laserstrahlung pdf-Datei 2.485kB
Abtragsschneiden, Laserstrahlmikroschweißen und Erzeugen von Kavitäten bei sehr hohen Geschwindigkeiten von > 100 m/min mit einem Monomode-Faserlaser (Veröffentlichung IWKM 2009)

  Material processing with a 3kW single mode fibre laser pdf-Datei 788kB
(Review, Veröffentlichung im Journal of Laser Micro / nanoengeneering, Juni 2010)

  Laser micro machining of ceramics with brilliant cw laser radiation pdf-Datei 500kB
Untersuchungen zum Schweißen und Abtragsschneiden mit einem Monomode-Faserlaser an verschiedenen Keramiken (Poster zur LPM 2010, Stuttgart)

  Laser micro machining of ceramics with brilliant cw laser radiation pdf-Datei 542kB
Untersuchungen zum Schweißen und Abtragsschneiden mit einem Monomode-Faserlaser an verschiedenen Keramiken (Posterinformatiion zur LPM 2010, Stuttgart)

  High rate laser micro processing using high brilliant cw laser radiation pdf-Datei 876kB
Laser machining using a combination of a high power single mode cw fibre laser and fast and ultra fast scan systems (Veröffentlichung zur LPM 2010, Stuttgart)

  Hochrate-Laserbearbeitung mit schnellen und ultraschnellen Scannern pdf-Datei 2080kB
Ergebnisse zur Hochrate-Laserbearbeitung mit schnellen und ultraschnellen Scannern (Lasermagazin 1/2011)

  Schnelle und ultraschnelle Ansteuerung für die Hochrate-Laserbearbeitung pdf-Datei 174kB
Neuartige Steuerung für Hochrate-Laserbearbeitung mit ultraschnellen Scannern (Lasermagazin 2/2011)

  High speed laser micro processing using high brilliant cw laser radiation pdf-Datei 3013kB
(Review, Veröffentlichung im Journal of Laser Micro / nanoengeneering, Februar 2012)




Rapid Micro Tooling Unternehmen Region - Die BMBF-Innovationsinitiative für die Neuen Länder
 
 
Erstellt: 23.11.2010 10:32:09 | Letzte Änderung: 09.02.2012 17:37:29 | Autor: Lars Hartwig, Sascha Klötzer, Frank Ullmann, Robby Ebert
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