Mit Hilfe von einem Glasfaserkabel kann der Laserstrahl dorthin geleitet werden, wo er benötigt wird.

Transkript

1 SPARKLING SCIENCE PROJEKT FEMTOLAS MATERIALBEARBEITUNG MIT LASER Schuljahr 2014/15: SchülerInnen des Gymnasiums Maria Regina, Hofzeile 22, 1190 Wien, beim IFT, Institut für Fertigungstechnik und Hochleistungslasertechnik der TU Wien, Univ.-Prof. Dipl.-Phys. Dr.-Ing. A. Otto Am Projekt beteiligt: Dipl.-Ing. Christian Stiglbrunner und Dipl.-Ing. Rodrigo Gomez Vazquez (TU-Wien), sowie Dipl.-Ing. Mag. Nicolette Doblhoff (Gymnasium Maria-Regina) mit Schülerinnen und Schüler des Wahlpflichtfachs Physik und der Klasse 6A des Gymnasiums Maria-Regina SCWEIßEN MIT HILFE EINES LASERS Der Ytterbium-Faser-Laser erzeugt einen Laserstrahl mit einem Durchmesser von ca. 50 μm. Mit Hilfe von einem Glasfaserkabel kann der Laserstrahl dorthin geleitet werden, wo er benötigt wird. Und weiter geht es durch das Glasfaserkabel, also durch den Lichtleiter bis zum Schweißroboter. Das verwendete Laserlicht befindet sich im IR-Bereich (Infrarotbereich) und ist daher für uns Menschen unsichtbar, aber dennoch gefährlich. Wenn Licht austreten würde (weil eine Faser bricht), so würde sich die Apparatur sofort abschalten. Im Lichtleiter (Glasfaserkabel), wird das Laserlicht zum Roboter geleitet, in diesem Fall ein Roboter, der u. a. zum Schweißen von Materialien verwendet werden kann. Hier sieht man, wie der Lichtleiter beim Arm des Schweißroboters ankommt. Die zu schweißende Probe (in diesem Fall zwei Bleche, die im rechten Winkel aneinander geschweißt werden sollen) Der Roboter hat 6 Achsen zur Bewegung, wodurch er in jede beliebige Richtung gesteuert werden kann. Ein Mitarbeiter des Instituts hält in seiner Hand die Steuerung für den Roboter. Noch ein Bild vom Ende des Roboterarms. Der Laserstrahl wird nach unten geleitet. Eine der Achsen des Roboters, die mittels Schrittmotor die präzise Steuerung ermöglichen.

2 Der kleine rote Punkt ist wesentlich. Denn da wir den Laserstrahl nicht sehen können, wird ein Kontrollstrahl im Bereich des sichtbaren Lichts mitgeschickt. Dort wo der rote Punkt hinleuchtet, wird der Schweißvorgang beginnen. Während des Schweißvorgangs dürfen wir nicht im Raum bleiben. Der Schweißvorgang kann aber auf einem Fernsehmonitor beobachtet werden, der sich außerhalb des Raumes mit dem Laser befindet. Noch ist der Laserstrahl nicht eingeschaltet. Das erkennt man daran, dass bei der Leistung noch 0,00 kw (Kilowatt) angezeigt werden. Die maximale Leistung beträgt 1,5 kw. Die Zahl 19,9 zeigt die Kühlwasser- Temperatur. Die Anzeige am Monitor während des Schweißvorgangs. Zur rechten Abbildung: Das Schutzglas kostet ca. 20, die Linse hingegen rund 500 Zwischen der Linse und der zu schweißenden Probe, befindet sich ein Schutzglas. Dieses soll sicherstellen, dass keine Spritzer der Metallschmelze während des Schweißvorgangs auf die Linse gelangen, wodurch diese kaputt würde. Die Linse selbst ist nicht sichtbar. Sie befindet sich hier im Inneren. Die Brennweite der Linse beträgt ca. 20 cm. Durch die Linse wird der Laserstrahl (der ohnedies schon ganz schmal ist) noch stärker gebündelt. Die (giftigen) Dämpfe werden durch eine Röhre (in der sich ein Aktivkohlefilter befindet) abgesaugt. Unten: Ein Bild von der fertigen Schweißnaht Hier sieht man noch eine der Achsen des Roboters, die eine präzise Steuerung ermöglichen. Dieses Bild zeigt Fehler, die beim Schweißen vermieden werden sollten. Der Schweißvorgang sollte nämlich möglichst gleichmäßig erfolgen, es sollten keine Löcher entstehen und auch keine zu unregelmäßige Schweißnahtoberfläche

3 BIEGEN UND TIEFZIEHEN MIT HILFE EINES LASERS Hier kommt ein anderer Laserstrahl (geringerer Leistung) zum Einsatz. Es geht um Projekte für die Industrie. Spröde Metallstücke sollen gebogen werden, ohne zu brechen. Hier wurde uns ein Werkstück gezeigt, das mit Hilfe eines Laserstrahls in eine präzise Form tiefgezogen wurde. Zum Biegen der verwendeten Metalle wird eine Temperatur von ca C benötigt. Das Gesamtkonzept der Anlage spricht für Verwendung eines Halbleiterlasers. Ein Halbleiterlaser besteht u. a. aus Leuchtdioden, die jedoch nicht gewöhnliches Licht emittieren, sondern Laserlicht. Beim emittierten Licht handelt es sich also um monochromatisches und kohärentes Licht (Licht in nur einer Farbe und in Phase, d.h. alle Wellen haben ihren Wellenberg an derselben Position). Der Vorteil von derartigen Lasern ist ihre Größe: Sie sind sehr klein und daher sehr praktisch. Der Nachteil ist, dass sie nicht so präzise sind. Das ausgesendete Licht ist im Nah-Infrarotbereich (also gerade für uns Menschen nicht mehr sichtbar), wodurch entsprechende Sicherheitsvorkehrungen nötig sind, denn wir würden das Licht nicht sehen.

4 SCHICHTDICKENMESSUNG MITTELS LASER Es soll die Dicke der aufgedruckten Schicht auf einer Fotovoltaikzelle gemessen werden (wie sie für Solaranlagen verwendet wird). Die Beleuchtungseinheit leuchtet schräg durch die Folie. Dahinter befindet sich die Kameraeinheit. Der hier verwendete Laser hat eine Leistung nur im Bereich von mw (Milliwatt). Nur zur Erinnerung: Der Laser der zum Schweißen verwendet wurde, hatte eine Leistung von 1,5 kw (Kilowatt)! Auf die Probe leuchten zwei Laserpulsfolgen, eine senkrecht polarisiert und eine waagrecht polarisiert. Hier sieht man die Apparatur während der Messung. Der Diodenlaser Der Aufbau der Messapparatur Hier wird uns der Begriff der Polarisation erklärt. Zwei polarisierende Gläser, senkrecht zueinander, lassen kein Licht durch.

5 Ein Piezoelektrischer Kristall (wie in einem Feuerzeug) dient dazu, das Licht zu polarisieren (1x senkrecht und 1x waagrecht polarisiert). Demonstration des Piezo-optischen Effekts am mechanisch belasteten Glaszylinder zwischen gekreuzten Polarisatoren. Die Messung der Schichtdicke erfolgt dadurch, dass man zwei Bilder mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen macht. Die Interpretation der Intensitäten aus den Winkelmessungen der unterschiedlichen Polarisationsrichtungen führt zur Ermittlung der zu messenden Schichtdicke. Die Genauigkeit die erreicht werden kann beträgt nm (Hinweis: nm = Nanometer = 10 9 m, also 0, m). Warum ist es so wesentlich, die Schichtdicken genau zu messen? Dies liegt daran, dass 1 Liter P 3 HT:PCBM, also dem Material das für Solarzellen verwendet wird, ungefähr Euro kostet. Darum möchte man mit dem Material natürlich möglichst sparsam umgehen und versucht daher, mit geringstmöglichen Schichtdicken zu arbeiten. Die verwendete Linse (asphärische Linse) Hier sieht man die Kamera, die das Bild aufnimmt und zum Bildschirm weiterleitet. Eine Probe mit der zu messenden Beschichtung Bei der industriellen Anwendung läuft das Band das beschichtet werden soll durch die Apparatur durch, wird beschichtet und sofort anschließend wird die Schichtdicke gemessen. Dies zeigen die untenstehenden Bilder, die uns auf einem Computer gezeigt wurden.

6 DIE THEORIE Was bedeutet überhaupt Laser? Licht-Verstärkung-durchstimulierte-Emission (Aussendung) von Strahlung Licht lässt sich, je nach betrachtetem Effekt, besser als elektromagnetische Welle, oder als Teilchen interpretieren. Das nennt man Welle-Teilchen- Dualismus. In einer Publikation stellte Einstein im Jahr 1905 die Lichtquantenhypothese auf, die besagt, dass die Energie des Lichtes in zur Frequenz proportionalen Einheiten gequantelt ist. Wenn wir von Licht sprechen, betrachten wir elektromagnetische Wellen oder gequantelte Teilchen (Photonen). Gewöhnliches Licht Gewöhnliches Licht ist polychromatisch (enthält also verschiedene Farben), enthält ungeordnete Wellenzüge und ist ungerichtet. Das Spektrum elektromagnetischer Strahlung enthält Röntgenstrahlen, sichtbares Licht, ultraviolettes Licht und vieles mehr. Bildquelle: Horst Frank, Jailbird and Phrood

7 WIE ERZEUGT MAN LASER-LICHT? Laserlicht im Gegensatz zu gewöhnlichem Licht, ist (fast immer) monochromatisch (nur eine Farbe) bildet eine stehende Welle ist kohärent und gerichtet. Wie erzeugt man nun dieses Laser- Licht? Zunächst einmal muss mittels Anregung ein Elektron angeregt werden, in ein höheres Energieniveau zu springen. In dem höheren Energieniveau bleibt es nicht lange. Es springt in ein niedrigeres Energieniveau zurück und sendet dabei spontan ein Photon von einer bestimmten Energie aus. Befeuert man nun Atome mit Energiequanten, die genau der Energiedifferenz zwischen dem Grundzustand und dem angeregten Zustand entsprechen, so wird beim ausgelösten Rücksprung des Elektrons ein zusätzliches Photon von gleicher Frequenz ausgesendet. Man spricht von induzierter Emission. Um Strahlung in eine ganz bestimmte, gewünschte Richtung zu erhalten werden mittels zweier Spiegel genau jene Photonen selektiert, die sich in der gewünschten Richtung bewegen, wie die Abbildung unten schematisch zeigt. Durch Resonanz und Interferenz entsteht eine stehende, kohärente, monochromatische, elektromagnetische Welle mit ebener Wellenfront.

8 SIMULATION VON LASERBEARBEITUNGSPROZESSEN Dies ist das eigentliche Ziel des Projekts Femtolas : Es sollen Vorgänge beim Arbeiten mit Ultrakurzpulslasern am Computer simuliert werden (wie es beispielsweise für die Temperaturverteilung beim Schweißen bereits aktuell möglich ist). Dadurch könnte man Kosten sparen, denn eine Simulation am Computer ist natürlich billiger, als ein Experiment. Bei der Simulation werden Zustände zu einzelnen, nah aneinander liegenden, Zeitpunkten eines Ablaufs berechnet und zu Abläufen aneinandergereiht. Bei diesem Beispiel von einem Dammbruch bei einem Wasserkraftwerk wird es recht kompliziert. Auch beim Simulieren von Schweißen mit Lasern muss die Probe in kleine Quader aufgeteilt werden. Die Bilder unten, zeigen die Schülerinnen und Schüler unserer Schule beim Versuch, das Simulationsprogramm ein bisschen genauer kennen zu lernen und dessen Bedienung und Funktionsweise zu Erlernen. Dabei wurden uns mehrere Wochen lang die Grundlagen des Programms von Herrn Dipl.-Ing. Christian Stiglbrunner und Herrn Dipl- Ing. Rodrigo Gomez Vazquez erklärt.

9 DAS SCHNEIDEN MIT HILFE EINES LASERSTRAHLS Schließlich sahen wir auch noch einen Laser, der zum Schneiden von Materialien (auch Metall!) verwendet werden kann. Die riesengroße Maschine. Ganz klein und schwarz in der Mitte sieht man den Gegenstand, der geschnitten werden soll. Die Anlage zum Steuern des Lasers. Zum Steuern des Laserstrahls wird eine CNC-Programmierung verwendet. Die Abkürzung CNC steht für Computerised Numerical Control. Hier sieht man den Laserstrahl bei der Arbeit, also beim Schneiden. (Siehe Abbildung unten) Ein Vorteil beim Schneiden mittels Laser ist, dass man berührungslos schneiden kann. (Die Probe muss nicht berührt werden). Man kann an dieser Anlage bis zu 6mm dicken Baustahl durchschneiden. Der rote Punkt den man oben im Bild sieht, ist ein Kontroll-Licht, um die Probe in die richtige Position zu bringen. Dies ist nötig, weil man das zum Schneiden verwendete Laserlicht selbst nicht sehen kann. Die Wellenlänge beträgt nämlich 10,6 μm. Um das Licht sehen zu können, wäre eine Wellenlänge von 0,4 0,8 μm nötig. Eine Linse fokussiert den Laserstrahl auf 0,2 mm, so dass Schnitte mit einer Genauigkeit ähnlicher Größenordnung durchgeführt werden können. Die Schnittgeschwindigkeit beträgt ca. 6 Meter pro Minute! Noch ein Vergleich: Ein Laserpointer hat eine Leistung von ca. 0,5 mw (Milliwatt). Der hier verwendete Laser hat eine Leistung von 1,5 kw (Kilowatt).