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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 Gaslaser
Neodym (in Kristall oder Glas) Festkörperlaser
Flüssigkeit Flüssigkeitslaser
Halbleiter Halbleiter- oder Diodenlaser
Farbstoff 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 107 bis 108 W/cm² 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 100 möglich Spiralbohrer würde verlaufen
Für Metalle werden meist Festkörperlaser eingesetzt.
Man unterscheidet zwischen 3 Bohrverfahren:
Einzelpulsbohren
Bohrung wird mit einem Puls hergestellt. Durchmesser von 5 m 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 |
