REGELUNG DER ABTRAGTIEFE FÜR DAS REAKTIVE ABTRAGEN MIT CO 2 -LASERSTRAHLUNG

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1 REGELUNG DER ABTRAGTIEFE FÜR DAS REAKTIVE ABTRAGEN MIT CO 2 -LASERSTRAHLUNG Der Fakultät für Maschinenwesen der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen vorgelegte Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften von Diplom-Ingenieur Stefan Arno Geißler aus Bonn Berichter: Univ.-Prof. Dr.rer.nat. Reinhart Poprawe M.A. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Heinrich Rake Tag der mündlichen Prüfung: D82 (Diss. RWTH Aachen)

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3 Berichte aus der Lasertechnik Stefan Geissler Regelung der Abtragtiefe für das reaktive Abtragen mit CO 2 -Laserstrahlung. D 82 (Diss. RWTH Aachen) Shaker Verlag Aachen 2003

4 Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., Copyright Shaker Verlag 2003 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN X Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet:

5 Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand neben meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer Institut für Lasertechnik in Aachen. Ich möchte mich bei all denen bedanken, die mich während dieser Zeit unterstützt und somit zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben. Mein besonderer Dank gilt Herrn Professor Dr.rer.nat. R. Poprawe M.A. für die Themenstellung und die wissenschaftliche Betreuung. Bei Herrn Professor Dr.-Ing. H. Rake bedanke ich mich für die Übernahme des Korreferates, bei Herrn Professor Dr.-Ing. A. Pfennig für die Übernahme des Vorsitzes. Herrn Dr. A. Drenker und Herrn Dr. D. Petring danke ich für die Durchsicht des Manuskriptes und die zahlreichen interessanten Diskussionen. Ebenso gilt mein Dank Herrn M. Kuhl und M. Reisacher für den hilfreichen Erfahrungsaustausch und zahlreiche Anregungen. Dank auch an die studentischen Hilfskräfte, Studienarbeiter und Diplomanden, die mich während meiner Zeit am Institut für Lasertechnik unterstützt haben, sowie an alle Mitarbeiter und Kollegen, die einen Beitrag zum Gelingen dieser Arbeit geleistet haben. Zuletzt gilt mein besonderer Dank meiner Frau Gisela und meinen Kindern Robin und Annika für Geduld, Verständnis und den Verzicht auf gemeinsame Freizeit. Dank auch an meine Eltern, die mir diesen Weg ermöglicht haben. Donaustauf, im August 2003 Stefan Geissler

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7 Inhaltsverzeichnis Ι 1 Einleitung 1 2 Stand der Technik Ausgangspunkt für die Entwicklung eines Tiefenreglers für das Abtragen durch Oxidspanbildung mit CO2- Laserstrahlung Funkenerodieren und Laserabtragen Abtragen mit Laserstrahlung ein junges Verfahren im Formenbau Abtragen durch Sublimation Laserstrahl Schmelzabtragen Abtragen durch Bildung eines Oxidspans (reaktives Abtragen) Herstellung von Oberflächenkonturen durch Abtragen mit Laserstrahlung Bearbeitungsanlage für das Abtragen mit CO 2 -Laserstrahlung Tiefensensor Auflösung und Meßunsicherheit von optischen Abstandssensoren Doppelspaltsensor für das Abtragen mit Laserstrahlung Detektorkopf und Auswerteelektronik Tiefenmessung beim Abtragen mit Laserstrahlung 31 3 Untersuchung der Reaktionszone beim reaktiven Abtragen Kopplung zwischen Abtragprozeß und Tiefenmessung Abtrag einzelner Spuren durch Oxidspanen mit Laserstrahlung Abtragen mit Spurüberlapp Video-optische Prozeßbeobachtung beim Abtragen mit Laserstrahlung Versuchsbeschreibung Erzeugung eines Einbrandes in die Werkstückoberfläche mit CO 2 -Laserstrahlung Abtragen von Spuren durch Oxidation mit CO 2 -Laserstrahlung 45

8 ΙΙ Inhaltsverzeichnis Prozeßstörungen Interpretation der Abtragversuche und Prozeßaufnahmen 56 4 Tiefenmessung beim spanenden Abtragen Bildung des Tiefenmeßwertes bei der Online-Messung in der Bearbeitungszone Tiefenmessung beim Abtragen einzelner Spuren Tiefenmessung beim Abtragen sich überlappender Spuren Meßverhalten im nicht stationären Prozeß Statisches Meßverhalten des Tiefensensors Tiefenmessung Zusammenfassung 72 5 Verbesserung der Formgenauigkeit durch Tiefenregelung Integration in die Abtragmaschine Lasercav Anlagensteuerung Tiefenregler Stelleinrichtung 80 6 Tiefenregelung, Modellbildung und Implementierung Modell für die Tiefenregelung Abtragregelung als Schichten-Modell Regelung der Abtragtiefe Spuren-Modell Abtragen mit P-Regler Abtragversuche mit P-Regler PI-Regler Zusammenfassung Abtragregler 97 7 Regelverfahren zur Stabilisierung der Laserleistung Modellgestütztes Verfahren zur Leistungsregelung Funktionsüberprüfung der Leistungsregelung Zusammenfassung 105 Anhang 107 Literaturverzeichnis 109

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