Praktikumsbericht Laserwerkstoffbearbeitung für die Mikrofertigungstechnik

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1 Praktikumsbericht Laserwerkstoffbearbeitung für die Mikrofertigungstechnik Betreuer Namen Datum.. :-: Uhr Gruppe Einleitung In diesem Praktikum geht es um die Präzisionsbearbeitung von Edelstahl mit Hilfe von Lasertechnik. Im Praktikum wird ein Neodym-Yttrium-Vanadat-Laser eingesetzt, ein Festkörperlaser der Laserklasse 4. Im ersten Teil (Teil A) des Praktikums ist es Aufgabe den NC-Code für ein Viereck (2mm x 1mm) zu programmieren und anschließend für verschiedene Prozessparameter (Leistung, Frequenz) die Laserstrukturen auszuwerten, indem unter einem Mikroskop die Linienbreiten und tiefen vermessen werden. Der zweite Teil (Teil B) beinhaltet die Ermittlung optimaler Parameter für eine präzise Bearbeitung. Und im dritten Teil (Teil C) wird mit den gefundenen Parametern für verschiedene Verfahrgeschwindigkeiten flächenhaft Material abgetragen und anschließend ausgewertet. Der Laser findet heute in vielen Gebieten der Technik Anwendung. Die Vorteile der Laserbearbeitung liegen in einer sehr hohen Automatisierbarkeit, Flexibilität und einer präzise definierte Energiedichte. Außerdem bleibt das richtungsunabhängige Werkzeug weitestgehend vor Verschleiß verschont und das Werkstück unterliegt keinen mechanischen Kräften. Nachteile des Verfahrens sind zum Einen die hohen Anschaffungskosten, der schlechte Wirkungsgrad und zum Anderen das zeitaufwendige Finden optimaler Parameter für die Bearbeitung eines Werkstoffs. Anwendung findet die Lasertechnik unter Anderem in CD/DVD/Blueray-Laufwerken, in der Medizintechnik, wie z.b. in der Augenheilkunde, Chirurgie oder Zahnmedizin. Es ist aber auch ein sehr wichtiges Verfahren im Maschinenbau zur Materialbearbeitung, wie z.b. zum Schweißen, Schneiden und Bohren. Vorbereitung Wort Laser : Eigenschaften: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung) - nahezu parallel - sehr hohe Leistungsdichte - kurze Pulsrate - monochromatisch (ganz bestimmte Frequenz, abhängig vom Lasermedium) - völlig kohärent (keine Phasenverschiebung - Frequenz, Schwingungsrichtung Phasenlage der Wellenlänge stimmen überein) - vollständig linear polarisiert (Verhalten wie Transversalwelle) 1

2 Laserarten: - in Abhängigkeit vom Lasermedium: Festkörperlaser (z.b. Rubinlaser), Flüssigkeitslaser (Farbstofflaser), Gaslaser (z.b. CO 2 -Laser), Halbleiterlaser (Diodenlaser) - in Abhängigkeit von der Dauer der Laserstrahlung: kontinuierliche Laser, Impulslaser Hauptkomponenten: - Energiequelle (Anregungstechnik) - Energiespeicher (laseraktives Medium) - Resonator mit Energieausgeber Wirkungsweise: - eine Energiequelle bewirkt ein Anregen von Ionen in den zweiten angeregten Energiezustand (E 2 ), gelangen von dort jedoch sehr schnell (und ohne äußere Einflüsse) in den Zustand E 1 (spontane Emission) Energie wird frei - dem gegenüber verbleiben Ionen relativ lang im metastabilen Zustand E 1, solange bis ein geeignetes Photon eine induzierte Emission im Lasermedium hervorruft (Ionen erreichen wieder Grundzustand), d.h. Lichtquanten können diese Ionen zum Aussenden von Licht mit gleicher Frequenz anregen in Form eines intensiven Leuchtens - zwischen den verspiegelten Enden des Lesers bildet sich eine stehende Welle aus - dabei verlässt ständig ein Teil der Energie als Laserstrahlung durch den halbdurchlässigen Spiegel das Lasermedium wichtige Laserparameter: -Wellenlänge, Pulsrate, Energie, Mittlere Leistung, Pulslänge, Verfahrgeschwindigkeit mathematische Zusammenhäng: und Laserabsorption: abhängig von der Oberflächenbeschaffenheit (Reflexionsvermögen) abhängig von der Wärmeleitung Werkstoffe: Metalle: Baustähle, Vergütungsstähle, Werkzeugstähle, Einsatzstähle, Nichtmetalle: Massivholz, Pappe, Leder, (Kunststoffe), nicht bearbeitbar: Kupfer, Messing, Gold, Silber, (Rein-)Aluminium Laserklassen: nach EN825-1 Klasse 1 <25µW Klasse 2 <1mW Klasse 3 (A und B) < 5mW Klasse 4 >5mW Messwerte Breitenemessung [µm] 2

3 Messwerte Teil 1 Teil 2 Teil 3 Teil 4 Teil 5 Teil 6 Teil ,32 37,67 46, 29,73 16,3 6,53 2-3,32 37,67 46,36 3,8 18,47 7,61 3-3,43 36,58 5,71 27,53 17,3 7, ,87 37,68 5,71 29,71 18,11 8,33 5-4,93 46, ,27 53, ,98 Mittelwerte 31,485 38, , , ,4775 7,43 Bemerkung: ab Teil 5 handelt es sich nur noch um die Anschmelzbreite Tiefenmessung 1 [µm] Messwerte Teil 1 Teil 2 Teil 3 Teil 4 Teil 5 Teil 6 Teil 7 -,3 26,3 28,3 2,8 - - Tiefenmessung 2 Überfahrten 5 13,4 28,9 5,5 Auswertung Teil A Bei konstanter Frequenz khz Nr Leistung [W] Breite [µm] 1 3, ,7 31,485,3 3 5,8 38, ,3 4 7, 49, , Breite [µm] Leistung [W] Ab einer Mindestleistung von ca. 4W wird Material abgetragen. Der Abtrag steigt mit zunehmender Leistung. 3

4 Bei konstanter Leistung 4,7W Nr Frequenz [khz] Breite [µm] 2 31,485, ,2625 2, , , Breite [µm] Frequenz [khz] Teil B Schnelle Parameterfindung: Es werden pro Leistungsstufe und Frequenz 2-3 parallele Striche gelasert. Diese sind möglichst nach steigender Leistung und steigender Frequenz zu ordnen, um eine bessere Zuordnung zu gewährleisten. Danach werden die Striche mit einer guten Schnitttiefe und möglichst geringen Oxidationen ausgewählt. Unsere Auswahl fiel auf das Rot umrandete. 4

5 Teil C Überfahrten 5