Entwicklung eines Laserstrahlpolierverfahrens für Quarzglasoberflächen. Kerstin Hecht
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1 Entwicklung eines Laserstrahlpolierverfahrens für Quarzglasoberflächen Kerstin Hecht Universitätsverlag Ilmenau 2012
2 Impressum Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Angaben sind im Internet über abrufbar. Diese Arbeit hat der Fakultät für Maschinenbau der Technischen Universität Ilmenau als Dissertation vorgelegen. Tag der Einreichung: 27. Februar Gutachter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. rer. oec. Dagmar Hülsenberg (Technische Universität Ilmenau) 2. Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Jens Bliedtner (Ernst-Abbe-Fachhochschule Jena) 3. Gutachter: Dr.-Ing. Hartmut Müller (Günter-Köhler-Institut für Fügetechnik und Werkstoffprüfung, Jena) Tag der Verteidigung: 4. Juli 2012 Technische Universität Ilmenau/Universitätsbibliothek Universitätsverlag Ilmenau Postfach Ilmenau Herstellung und Auslieferung Verlagshaus Monsenstein und Vannerdat OHG Am Hawerkamp Münster ISSN ISBN URN (Druckausgabe) (Druckausgabe) urn:nbn:de:gbv:ilm
3 Entwicklung eines Laserstrahlpolierverfahrens für Quarzglasoberflächen 9 Inhaltsverzeichnis Kurzzusammenfassung... 5 Abstract... 7 Inhaltsverzeichnis... 9 Verzeichnis verwendeter Symbole und Abkürzungen Einleitung Ziel und Vorgehensweise Grundlagen Überblick CO 2 -Laser und CO 2 -Laserstrahlung Funktionsprinzip Aufbau und Funktion der verwendeten Laseranlagen Eigenschaften der verwendeten CO 2 -Laser Wechselwirkung Laserstrahl - Werkstoff Quarzglas Werkstoffeigenschaften und prozessrelevantes Verhalten Temperaturerfassung Methoden, Messgeräte, Einsatzkriterien Prinzip der berührungslosen Temperaturmessung am Beispiel Pyrometer Flächenhafte Temperaturmessung mittels Wärmebildkamera Zur Temperaturmessung verwendete Geräte Mechanisches Polieren von Glasoberflächen Beschreibung des Verfahrens Definition einer polierfähigen Oberfläche Mechanische Vergleichs-Politur Laserstrahlpolierprozess Ausgangsbedingungen und Modellbeschreibung... 51
4 Entwicklung eines Laserstrahlpolierverfahrens für Quarzglasoberflächen Funktionsprinzip Simulation der Laserstrahlpolitur Thermische Nachbehandlung (Kühlkurve) der Proben nach der LSP Einfluss von Viskosität und Oberflächenspannung Betrachtungen zum Materialabtrag durch die Laserstrahlpolitur Laserstrahlpolieren experimenteller Aufbau Anforderungen an den experimentellen Aufbau CO 2 -Laser mit Galvo-Scannersystem Aufbau der Versuchsanlage Scankonzepte Strahlführung auf der Quarzglasoberfläche Ermittlung relevanter Laserstrahlparameter CO 2 -Laser mit neu entwickeltem Piezo- Scannersystem Aufgabenstellung für Piezo-Scannersystem Spezielle Systemanforderungen Auswahl, Entwicklung und FEM-Analyse des Piezoscansystems Umsetzung und Erprobung des neuen Scannersystems Experimente Ablauf der Experimente Probenvorbereitung durch Läppen Spanen mit geometrisch unbestimmter Schneide Begründung der Vorbearbeitung durch Schleifen Statistische Versuchsplanung Schleifen ebener Proben - Ergebnisse Form- und Profilschleifen von 2½D Konturen und Makrostrukturen Laserstrahlpolieren... 99
5 Entwicklung eines Laserstrahlpolierverfahrens für Quarzglasoberflächen Erprobung und Optimierung der Temperaturerfassung Versuchsplanung für das Laserstrahlpolieren Ergebnis der Laserstrahlpolitur in den Probengruppen A, B und C Optimierung der Laserstrahlpolitur für Gruppe C Nomogramme kombinierter Einfluss von Laserleistung und Vorschubgeschwindigkeit Weitere Untersuchungen polierter Proben und Diskussion der Ergebnisse Begründung für weitere Messungen an den Oberflächen Zusammenhang zwischen polierfähigen Oberflächen und Ergebnissen der LSP Zusätzliche Charakterisierung und Bewertung der Oberflächen nach der LSP Darstellung des Oberflächenprofils Beeinflussung der Oberflächenqualität durch Fremdstoffe Materialspannungen Einfluss der LSP auf mechanische Eigenschaften der Quarzglasproben Begründung der Untersuchungen Oberflächenhärte Biegebruchfestigkeit Temperaturverteilungsanalyse Zielstellung des Vergleichs der angewendeten Temperaturmessverfahren Punkt- und linienförmige Temperaturmessung Flächenhafte Temperaturmessung Rückschlüsse von den Ergebnissen der Kameramessung auf die Pyrometrie
6 Entwicklung eines Laserstrahlpolierverfahrens für Quarzglasoberflächen Möglichkeit eines temperaturgesteuerten Laserpolierprozesses Verfahrensmodell Prozessmodell und Einflussgrößen erreichbare Qualität und Grenzen Vergleich des Laserstrahlpolierens mit anderen Polierverfahren Ausgewählte Applikationen Prozesskette Linsenarray Prozesskette Spritzgusswerkzeug-Formeinsatz Test mit Probegeometrie aus Schleifuntersuchungen Formeinsatz zum Spritzgießen von MID aus CNT-haltigen Polymerblends LSP mit neu entwickeltem Piezoscanner Untersuchungen auf ebenen Oberflächen Laserstrahlpolitur von Prismen Zusammenfassung Quellenverzeichnis Literatur Betreute Arbeiten Verzeichnis der Abbildungen Verzeichnis der Tabellen
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