Grobplanung. Ich gebe mir für die gesamte Semesterarbeit vom Zeit.

Transkript

1 Laser Seemeesstteerrarrbeei itt,, Zahntteecchni ik Dominik Blaser,

2 Inhaltsverzeichnis Grobplanung...3 Themenwahlbegründung...4 Zielformulierung...5 Einleitung...6 Geschichte...7 Definition Laser...8 Verwendungsbereiche...9 Lasergruppen...10 Vergleich Löten- Laserschweissen...11 Der NdYAG Laser und seine Funktion...12 Die Schweisstechnik mit dem Laser...13 Die drei Grundprinzipien...14 Schlusswort und Selbstreflexion...16 Zusammenfassung...16 Feinplanung...17 Arbeitsjournal...18 Quellenverzeichnis

3 Grobplanung Ich gebe mir für die gesamte Semesterarbeit vom Zeit Grobplanung entwerfen Materialsammlung Auswählen und filtrieren Ausführung und Layout 3

4 Themenwahlbegründung Wie bei jeder Semesterarbeit oder SVA hatte ich sehr lange um ein geeignetes Thema zu finden, das mich interessiert. Ich wartete bis im letzten Moment. Ich entschied mich für das Thema Gold. Da aber in der Klasse schon einige dieses Thema gewählt haben, entschloss ich mich meine Themenwahl noch einmal zu überdenken. Wir hatten vor Kurzem in der Berufsschule die Geschiebe näher angeschaut. Ich war mir jedoch nicht sicher, ob dass ein gutes Thema für eine Semesterarbeit ist. Ich stellte Nachforschungen an. Die Suche im Internet und im Betrieb war erfolgreich, doch schon beim Suchen der Informationen wurde mir langweilig. Es war für mich zu eintönig und langweilig um weiter in dieses Thema einzugehen. Als ich mit Klassenkameraden und Klassenkameradinnen über Verbindungstechnologien diskutiert habe, erfuhr ich, dass einige Zahntechnische Labors einen Laser zum Schweissen besitzen. Es verwunderte mich, dass so viele Labors einen Laser benutzen. Nach einer etwa 5minütigen Diskussion kam die Bemerkung: Für was einen teuren Laser kaufen, wenn wir mit der Flamme schweissen und löten können. Das war der Ausschlag für meine Themenwahl. Ich wollte dieser Aussage auf den Grund gehen. Ist der Laser wirklich sein Geld wert? Erhält man mit dem klassischen Löten die gleichen Resultate wie beim Laserschweissen? Wie funktioniert er, wo wird er angewendet und wie schweisst man mit einem solchen Gerät? Fragen, von denen ich kaum eine vollständig beantworten könnte. Ich hatte mein Thema für die Semesterarbeit. 4

5 Zielformulierung Laser Definition Geschichtliches kurz erläutern. Funktion eines Lasers klären. Anwendungsbereiche und Lasergruppen Vergleich Löten - Laserschweissen Schweisstechnik Eine vernünftige Planung 5

6 Einleitung Zu den ganz grossen Errungenschaften der letzten Jahre in der Zahntechnik gehört die Laserschweisstechnologie. In der Zukunft wird nur noch qualitativer, den möglichst biologischen und unbedenklichen Zahnersatz seine Marktberechtigung erhalten. In einigen Jahren werden in der Zahntechnik sicher zum grössten Teil Laser gebraucht um Metalle zu verbinden. Vielleicht kommt die Zeit, in der unsere Kunden nur noch lasergeschweisste Arbeiten akzeptieren. Wir werden vom extremen Fortschritt, in der Zahntechnik, aber auch im Alltag, förmlich überrollt. Die Zahntechniker werden gedrängt und gehetzt von immer neuen Geräten, Materialien und Technologien Gebrauch zu machen. Doch die Erfahrung hat uns gelehrt, nicht alles neue ist besser. Manchmal bringen die simplen und primitiven Geräte bessere Resultate und sind vor allem nicht so kompliziert zu bedienen. Der Sammelbegriff Laser steht für eine grosse Vielfalt von verschiedenen Lichtquellen oder elektromagnetischer Strahlung, die gebündeltes Licht aussenden. Die heute auf dem Markt erhältlichen Laser sind alle nach dem gleichen Prinzip aufgebaut. Der NdYAG Laser. Für mich ist der Laser eine faszinierende Erfindung. Da wir in unserem Labor keinen Laser betreiben, wusste ich relativ spät, dass der Laser auch in der Zahntechnik angewendet wird. Wenn ich mit dem Wort Laser vor drei Jahren konfrontiert geworden wäre, hätte ich wahrscheinlich an Laserwaffen und Vermessungen eines Geländes gedacht. 6

7 Geschichte Die Lasertechnik basiert auf der Erkenntnis von Albert Einstein aus dem Jahre Max Planck hatte bereits zur selben Zeit eine theoretische Beschreibung abgegeben. Einstein entwickelte 1917 eine andere Theorie mit dem gleichen Ergebnis und brauchte dazu den Begriff induzierte Emission. Bis in die 60er Jahre war es der Physik nicht möglich die Theorie in die Praxis umzusetzen. Dank der Halbleiter Technologie gelang es in den 60 Jahren den ersten Laser, den sogenannten Rubin Laser zu zünden. Um etwa 1975 wurde der gebündelte Strahl so weit entwickelt und die Geräte so konstruiert, dass ihr Einsatz in der Zahntechnik möglich und wirtschaftlich vertretbar wurde. Heute hat der Laser in der Zahntechnik einen festen Platz eingenommen. Die Schwierigkeiten Titan als dentalen Werkstoff zu fügen, waren der Auslöser für den Einsatz der Laserschweisstechnologie in der Zahntechnik. Da sich diese Technologie auch für die lotfreie Verbindung anderer Metalle anbot, haben mehrere Dentalfirmen Laserschweissgeräte auf den Markt gebracht. Kurzer Auszug der Entwicklung des Lasers: 1914 Beschreibung des Lasers durch Albert Einstein und Max Planck 1917 Einführung des Begriffs der stimulierten Emission 1958 Lichtverstärkung durch stimulierte Emission in Optischen Bereich 1959 Vorschlag zum Aufbau von Halbleiterlasern 1961 Erster He-Ne-Gaslaser (infrarot, später sichtbar) 1962 Halbleiter-Injektions-Laser (infrarot) 1964 Argonlaser (blaugrün) 1964 CO2-Laser (mittels infrarot) 1964 Neodym-YAG-Laser (nahes Infrarot, gebraucht in der Zahntechnik) 1975 Edelgashalogen-Excrimerlaser (ultraviollet) 1978 Glasfaserverbindungen zur Nachrichtenübertragung 1988 Glasfaserverbindungen zwischen Europa und USA 1991 Diodenlaser mit blauer Emission 7

8 Definition Laser Laser ist die Abkürzung für "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", was übersetzt "Lichtverstärkung durch künstlich angeregte Aussendung von Strahlung" bedeutet. Ein Laser ist grob gesagt ein Energieumwandler für elektromagnetische Schwingungen im Bereich der Lichtwellen und strahlt gebündeltes Licht aus. In wenigen Grundzügen kann die Funktionsweise eines Lasers mit der einer Glühlampe verglichen werden: Dem Glühfaden der Glühlampe wird elektrische Energie zugeführt. Die Metallatome des Glühfadens laden sich dabei mit dieser Energie auf, das bedeutet, dass sie in einen höheren Energiezustand treten und sie geben diese Energie in Form von Lichtteilchen (sogenannten Quanten oder Photonen) wieder ab. Danach kehren sie in ihren energieärmeren Zustand zurück. Jedes Atom sendet bei dieser Energieänderung seine Photonen unabhängig von den anderen Atomen aus. Folgendes ergibt sich daraus, es entstehen Lichtwellen mit ganz unterschiedlichen Wellenlängen (Frequenzen). Diese Frequenzen nehmen das gesamte Spektrum des sichtbaren Lichtes ein. Das Gemisch aller Farben im Bereich des sichtbaren Lichtes empfindet unser Auge als weiss. Die Glühlampe erzeugt durch die Energiezufuhr Lichtwellen, die sich im Gegensatz zum Laser nach allen Seiten ausbreiten. Der erste Unterschied zwischen Glühlampe und Laser besteht darin, dass der Laser ein fast paralleles Lichtbündel erzeugt, welches auch nur aus einer einzigen Farbe besteht. Diese Farbe kann von infrarot bis ultraviolett variieren. Die Intensität der Strahlung ist zudem viel höher als bei normalem Mischlicht. Das Laserlicht ist extrem monochromatisch, das heisst, das Licht hat eine konstante Wellenlänge. Zudem besitzt das Laserlicht eine sehr gute zeitliche Kohärenz, da die Frequenz zeitlich stabil bleibt. Definition Laserschweissen: Laserschweissen ist ein Schmelzverfahren, das heisst an der Einwirkstelle des Laserstrahles auf die Materialoberfläche wird mehr Energie (Wärmemenge) zugeführt, als durch Wärmeleitung im Material oder Reflexion abgeführt werden kann. Der so entstehende Wärmestau führt zum örtlich begrenzten Schmelzen des Material am Auftreffpunkt des Laserstrahls. 8

9 Verwendungsbereiche Der Laser hielt Einzug in fast alle Branchen und Bereiche des Lebens. Einige Beispiele dazu: Medizin Zahnmedizin Büro Konsumelektronik Industrie Militär Chirurgie Augenoperationen Dermatologie Tatoo Entfernung Haarentfernung und Einpflanzung Paradontologie Zahnhartsubstanz abtragen Weichteiltumoren Kieferorthopädische Operationen Plastische Operationen Laserprinter Scanner Laserpointer CD Player Sound-, Lightshow Vermessungstechnik Navigation Datenübertragung Schneiden Bohren Gravieren Schweissen Navigation Zerstörung Ein Laserhandstück, wie es in der Zahnmedizin zum Einsatz kommt. 9

10 Lasergruppen Die Lasertechnik wurde in der Folge und mit der rasant voranschreitenden Elektronik- Technologie in einer enormen Vielfalt umgesetzt. Laser zeichnen sich dadurch aus, dass spezielle Energieübergänge ausgewählt werden und in einer bestimmten Wellenlänge abgestimmt sind. Festkörperlaser Rubinlaser NdYAG Erbium YAG Holium YAG Gasentladungslaser CO2 Laser Argonlaser Eximerlaser Halbleiter/Diodenlaser Laserpointer Gallium-Al-Arsenid Wellenlänge 980 nm 1064 nm 2940 nm 2050 nm Wellenlänge nm nm nm Wellenlänge 30 nm 810 nm Anwendungsbeispiele Festkörperlaser Rubinlaser NdYAG Erbium YAG Holium YAG Peilungen, Messungen Medizin Paradontologie Industrie bohren, schweissen Abrasive Arbeiten in der Zahnmedizin Chirurgie Gasentladungslaser CO2 Laser Argonlaser Eximerlaser Industrie, schneiden Chirurgie u.a. bleichen Augenchirurgie Halbleiter/Diodenlaser Laserpointer fast überall Gallium-Al-Arsenid Scanner, Chirurgie 10

11 Vergleich Löten- Laserschweissen Das Laserschweissen, die modernere Fügetechnik als das Löten, bietet mehrere Vorteile. Technologische Verbesserungen, d.h. einfacheres Handling und kürzere Verarbeitungszeiten. Reparaturen an schwer zugänglichen Stellen. Arbeiten in der Nähe von Beschichtungen (Keramik- oder Kunststoffverblendungen) Verbesserte Korrosionsbeständigkeit, da auf eine dritte Phase, wie beim Löten erforderlich, verzichtet werden kann. Gute mechanische Kennwerte ( Zug- bzw. Biegefestigkeit) Der Vergleich zwischen dem klassischen Löten und der modernen Fügetechnik, dem Laserschweissen: Löten Hoher Arbeitsaufwand Mangelnde Reproduzierbarkeit Schwankende Festigkeit Schlechte Korrosionsbeständigkeit Biokompatibilität? Laserschweissen Hohe Anschaffungskosten Gute Reproduzierbarkeit Stabil, fest Korrosionsbeständig Biokompatibel Natürlich sind diese Argumente Ansichts Sache. Jeder vertritt eine andere Meinung. Es gibt Zahntechniker, die nichts vom neuen Lasern halten, hingegen auch eingefleischte Techniker die nur noch Lasern. Eine Tatsache ist jedenfalls, dass die Lötung der schwächste Punkt in der Kette unterschiedlicher Legierungen ist. Kompromisse bei der Zusammensetzung des Lotes müssen zugunsten niedriger Arbeitstemperaturen eingegangen werden. Beim Laserschweissen werden zwei Teile aus gleichem Material zusammengeführt. Minderwertige Lote werden eliminiert. Die Festigkeit erreicht ca. 90% des Ursprungwertes. Bei Lötarbeiten wird viel an Festigkeit verloren. Es werden nur ca. 25% beibehalten. Die chemische Korrosionsfestigkeit entspricht bei Laserarbeiten ebenfalls dem Basismaterial. Laserschweissen lässt auch neue Verbindungstechniken und Vorgehen zu, die bis anhin nicht realisierbar waren: CoCr mit Goldlegierungen verbinden. Titan schweissen Verbindungen mit dem Basismaterial nach Verblendungen, Verklebungen oder Beschichtungen wie Galvano. Reparaturarbeiten ohne Demontagen Punktuelles arbeiten 11

12 Der NdYAG Laser und seine Funktion Der NdYAG Laser eignet sich besonders gut um in der Zahntechnik zu laserschweissen. Der Laserstrahl lässt sich gut dosieren. Dazu kommt, dass sich die Frequenzlage dieses Lasers sehr gut auf Metalle einwirkt. Aufbau des NdYAG Lasers Die von der Lampe ausgehenden Lichtquanten (Strahlen) werden auf dem Kristall gespiegelt. Die Neodym-Atome werden dabei in einen höheren Energiezustand gebracht und fallen wieder in den Ruhestand zurück. Dabei setzen sie wieder Lichtquanten frei die weitere Neodym-Atome anstossen. Es entsteht eine enorm schnelle Stimulation und eine höchste Strahlenmenge. Diese wird danach gebündelt und optisch verstärkt. Es entsteht ein infrarotes Licht in der Wellenlänge von 1064 nm. Die in den Neodym-Kristall eingelagerten Elektroden gehen während des Anstrahlens aus dem Grundzustand in einen angeregten Zustand über. Bei der Rückkehr in den Grundzustand kann ein Teil dieser Energie in Lichtemission wieder abgegeben werden. Der durch die Spiegelanordnung so geführte Laserstrahl wird in dem Neodym-Kristall gleichzeitig in seiner Intensität verstärkt. Durch den teildurchlässigen Spiegel wird dieser Laserstrahl ausgekoppelt. Von der gelieferten Energie der Blitzlampen wird 98% in Wärmeenergie umgewandelt, die durch ein aufwändiges Kühlsystem aus dem Laser entfernt werden muss. Alle modernen Laser in der Zahntechnik sind heute mit Schutzgas ausgerüstet. Das Schweissergebnis hängt auch von der Schutzgasumspülung ab. Das Gas, das beim Lasern angewendet werden ist meistens Argon. Je besser die Oberfläche mit Argon abgedeckt ist, umso sauberer können die Metalle aufgeschmolzen werden und es kommt nicht zu Korrosionserscheinungen. 12

13 Die Schweisstechnik mit dem Laser Die Schweisstechnik mit dem Laser muss ganz klar von der Technik mit der Flamme unterschieden werden. Dem Laser wird eigentlich das Schweissobjekt in den Weg gestellt. Die Lichtstrahlen werden dabei teilweise reflektiert, die Übrigen erzeugen Schwingungen in den Metallmolekülen des Schweissobjekts und erwärmen sich dabei. Wiederum wird ein Teil davon, abhängig von der Restmenge ist bei richtiger Leistungseinstellung so hoch, dass innerhalb µs ein Schmelzsee entsteht. Das Material wird begrenzt flüssig und erstarrt nach dem Laserbeschuss ebenso rasch wieder. Durch diese schnellste Energieumsetzung in Wärme entsteht die konzentrierteste Aufschmelzung mit einer nur sehr geringen Wärmeeinflusszone! Das Werkstück kann in der Hand gehalten werden! Die unmittelbare Umgebung bleibt kalt oder erwärmt sich nur so wenig, dass weder Gefügeveränderungen eintreten, noch Kunststoffe, Kleber, Porzellan, oder tieferschmelzende Metalle Schaden nehmen. Es kann direkt auf dem Meistermodell gearbeitet werden. Die Reflexion Die Reflexion wie wir sie beim löten mit der Flamme nicht kennen, ist ein Faktor, der beim Laserschweissen beachtet werden muss. Die Schweissenergie wird dem Werkstück beim lasern durch den Laserstrahl zugeführt. Das bedeutet, dass nur jene Energie die vom Metall angenommen (absorbiert) wird, führt zur Aufheizung. Der reflektierte Teil geht für den Schweissvorgang verloren. Das Werkstück muss demzufolge so vorbereitet werden, dass möglichst grosse Strahlenanteile absorbiert werden können. Das Metall wird, um eine reduzierte Reflexion zu erhalten, gesandstrahlt oder mit einer Fräse angerauht. Einstellung des Laserstrahls Den richtigen Durchmesser wählen ist so individuell, wie die Menge der zu realisierenden Arbeiten. Der notwendige Durchmesser definiert dann auch die erforderliche Impulshöhe und länge. Generell soll der Durchmesser klein und fein gewählt werden. Aber doch so gross, dass die sich im Laserkegel befindenden Metallvolumen nicht vom Fügespalt beeinflusst werden. Die richtige Wahl ergibt homogene gleiche Schweisspunkte. Eine falsche Einstellung des Durchmessers, des Lasers kann zu wegfliegenden Spritzer oder nur ein schwaches anschmelzen des Metalls führen. Die Einstellung des Schweisspunkdurchmesser wird bei den meisten Lasern in 0.1mm Schritten angezeigt. Man kann zwischen mm Durchmesser wählen. 13

14 Die drei Grundprinzipien Es gibt drei Grundprinzipien um mit dem Laser zu arbeiten. 1.Prinzip: Auf Kontakt zu arbeiten 2.Prinzip: Auftragen 3.Prinzip: Fügen 14

15 Eine Schweissung wirkt immer dreidimensional und nicht nur auf der Ebene Verringert man den Durchmesser wird die Energieabgabe pro mm 2 stärker = die Schweissleistung/mm quadriert stärker. Die Schweissung wird härter, dringt mehr in die Tiefe. Vergrössert man den Durchmesser, nimmt die Leistung/mm 2 entsprechend quadratisch ab. Die Fläche ist grösser, die Schweissung sanfter, die Eindringtiefe nimmt rapide ab. Viele Schweisspunkte in einer Reihe überlappt angeordnet, ergeben die Schweissnaht. Für eine Laserschweissung müssen die folgenden Aspekte bedacht und optimiert werden: Leistung des Laserstrahls Einwirkungsdauer des Laserstrahls Fleckgrösse des Strahls (Durchmesser) Abstand des Werkstückes Überlappung der Schweisspunkte In Abhängigkeit von: Den Werkstoffeigenschaften Kombination der zu verbindenden Werkstoffe Der Oberflächenbeschaffenheit des Werkstoffes 15

16 Schlusswort und Selbstreflexion Langsam ist das Ende dieser Semesterarbeit in Sicht. Ich habe Unmengen von Informationen im Internet gefunden, doch leider bezogen sich diese Websites nicht auf die Zahntechnik. Ich habe mir am Anfang vorgenommen einen Praxisfall zu dokumentieren. Leider bekam ich keine Gelegenheit in einem andern Labor eine Laserschweissung auf Bild festzuhalten. Ich versuchte im Internet mein Glück. Ausser einzelner Bilder fand ich nichts. Gerne hätte ich in der Schweisstechnik einen solchen Praxisfall eingebaut. Pech gehabt. Doch im Nachhinein bin ich relativ froh, dass ich nichts gefunden habe. Meine Arbeit wäre zu gross geworden und zeitlich hätte dieser Teil viel in Anspruch genommen. Die Feinplanung verrät, das ich unausgeglichen gearbeitet habe. Im Mai machte ich eigentlich nichts, bis auf den Löt-Laservergleich, hingegen im Juni beinahe die ganze Arbeit. Ich musste noch viele Texte ergänzen, die nicht ganz beendet waren. Wenn ich für die Semesterarbeit geschrieben hatte, verging die Zeit wie im Fluge. Ich arbeitete vielleicht eine Stunde und heraus kam fast nichts. Ich merkte bei dieser Arbeit, dass ich eine gewisse Anlaufszeit brauche. Eine Zeit indem ich den Faden wieder aufnehmen muss und mich ins Thema einarbeiten kann. Es ist anders für einen Test zu lernen. Bei einem Test lerne ich in kurzen, intensiven Abschnitten, bei SVAs oder Semesterarbeiten bin ich produktiver wenn ich lange am Stück arbeite, bis ich in das Thema eingelesen bin. Ich nehme mir für die nächste Arbeit vor, die Feinplanung gleich zu gestalten wie ich es bis jetzt getan habe und die Bearbeitungszeit besser zu verteilen. Wie ich schon am Anfang erwähnt habe erfuhr ich relativ spät, dass der Laser auch in der Zahntechnik Gebrauch findet. Durch die Bearbeitung dieses Themas lernte ich, wo der Laser sonst noch verwendet werden kann. Zum Beispiel um Zahnsubstanz abzutragen oder bei kieferorthopädischen Operationen zu lasern. Ich weiss jetzt wie ein Laser funktioniert und kenne die Grundlagen, die man bei einer Laserschweissung beachten muss. Im Endeffekt bin ich zufrieden mit meiner Arbeit und bin froh diese Semesterarbeit pünktlich abgeben zu können. Zusammenfassung Laser ist die Abkürzung für Light Amplifiction by Stimulated Emission of Radiation. Auf Deutsch: Lichtverstärkung durch künstlich Aussendung von Strahlung. Ein Laser strahlt gebündeltes Licht aus. Dieser Laserstrahl erzeugt ein fast paralleles Lichtbündel. Die Energie für den Strahl liefert eine Blitzlampe, von der 98% der Energie in Wärme umgewandelt wird. Der Laser wird heute in fast jeder Branche in irgend einer Art und Weise benutzt. In der Zahntechnik ist der Laser seit 1975 im Einsatz. 16

17 Feinplanung Grobplanung erstellen Unterlagen im eigenen Labor suchen. Schulkollege für Informationen anfragen Im Internet gute Seiten finden. Bilder vom Internet sammeln Schreiben der Einleitung und der Themenwahlbegründung und der Zielformulierung Informationen zu der Geschichte des Lasers suchen. Definition und Geschichte und Verwendungsbereiche anfangen zu schreiben Abgabe: 1/3 der Arbeit Schulkollegin anfragen um weitere Bilder und Informationen zu erhalten Schreiben der Blätter: Vergleich Löten-Lasern Anfangen mit den Teilen: Schweisstechnik, Nd YAG Laser, Lasergruppen Abgabe: 2/3 der Arbeit Beenden der Unterthemen: Schweisstechnik, Nd YAG Laser, Vergleich Löten-Lasern Schlusswort und Inhaltsverzeichnis schreiben Allem den letzten Schliff geben und die Rechtschreibung überprüfen Abgabe der fertigen Arbeit 17

18 Arbeitsjournal Grobplanung erstellt Unterlagen im eigenen Labor gesucht. Schulkollege für Informationen angefragt Im Internet etwas gefunden. Bilder vom Internet gesammelt Etwas hielt mich von der Arbeit ab Einleitung und der Themenwahlbegründung und der Zielformulierung geschrieben Informationen zu der Geschichte des Lasers gesucht. Definition und Geschichte und Verwendungsbereiche angefangen zu schreiben Titelblatt gemacht Abgabe: 1/3 der Arbeit Schulkollegin angefragt um weitere Bilder und Informationen zu erhalten Schrieb die Blätter: Lasergruppen, Vergleich Löten-Lasern Angefangen mit den Teilen: Schweisstechnik, Nd YAG Laser Abgabe: 2/3 der Arbeit Schweisstechnik, Nd YAG Laser, Vergleich Löten-Lasern fast fertig gemacht Schlusswort und Inhaltsverzeichnis geschrieben. Zeichnungen Alles was fehlte noch ergänzt Rechtschreibung überprüft und durchgelesen Abgabe der fertigen Arbeit 18

19 Quellenverzeichnis Einführung in die Schweisstechnik ADS Dental Titan in der Zahntechnik/Wirz + Bischoff/Quintessenz Bibliothek 19