Stuttgarter Lasertage '05
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28.-30. S e p t e m b e r 2005
Photonics BW LANDESSTIFTUNC Baden- Wiirriemberg
Techno log iezentr urn
Tagungsband ' 0 5
@WILEY-vVCH ISBN: 3 - 5 2 7 - 4 0 5 5 3 - 4
Herausgeber: Prof. Dr. Friedrich Dausinger Prof. Dr. Thomas G r a f Dipl.-lng. Friedemann Lichtner
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Stuttgarter Lasertage '05
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28.-30. S e p t e m b e r 2005
Photonics BW LANDESSTIFTUNC Baden- Wiirriemberg
Techno log iezentr urn
Tagungsband ' 0 5
@WILEY-vVCH ISBN: 3 - 5 2 7 - 4 0 5 5 3 - 4
Herausgeber: Prof. Dr. Friedrich Dausinger Prof. Dr. Thomas G r a f Dipl.-lng. Friedemann Lichtner
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Medienpartner Laser Technik Journal WILEY - VCH Verlag GmbH & Co. KGaA Printed by DruckhausDiesbach GmbH, Weinheim (Germany)
ISBN 3-527-40553-4
Fur den Inhalt der Einzelbeitrage sind die Autoren verantwortlich.
02005 Forschungsgesellschaft fiir Strahlwerkzeuge mbH Pfaffenwaldring 43 70569 Stuttgart URL: http://www .fgsw.de Vervielfaltigung nur mit Erlaubnis der FGSW
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Veranstalter Institut fiir Strahlwerkzeuge Universitat Stuttgart Pfaffenwaldring 43 D-70569 Stuttgart
Forschungsgesellschaft fiir StrahlwerkzeugembH Pfaffenwaldring 43 D-70569 Stuttgart
Technologiegesellschaftfiir StrahlwerkzeugembH Pfaffenwaldring 43 D-70569 Stuttgart
Organisation & Layout Forschungsgesellschaftfir Strahlwerkzeuge mbH
Koordination Friedemann Lichtner
Fachsitzungen und Moderatoren Starkere Fokussierbarkeit in der Anwendung
Friedrich Dausinger
Fortschritte in der Strahlquellenentwicklung
Adolf Giesen
Zukunftsperspektiven
Thomas Graf
Aus der Praxis - fir die Praxis I
Eckhard Meiners
Aus der Praxis - fiir die Praxis I1
Kurt Mann
Abtragende Mikrobearbeitung I
Christian Fohl
Abtragende Mikrobearbeitung I1
Christian Fohl
Prozess-Sicherung
Christoph Deininger
Ill
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Grunwort Zu den 4. Stuttgarter Lasertagen 2005 begriifie ich Sie herzlich. Gerne habe ich die Schirmherrschaft f i r diese wichtige Veranstaltung iibernommen. Die Lasertage haben sich einen ausgezeichneten Ruf envorben. Sie haben sich zu einer Institution entwickelt, die weit iiber die Grenzen Baden-Wiirttembergs hinaus Forscher, Experten und Unternehmen auf dem Gebiet der Optischen Technologien zusammenfiihrt. Die Optischen Technologien sind eine der Schliisseltechnologien des 2 1. Jahrhunderts. Sie weisen eine Vielzahl von Innovationspotenzialen fiir eine grol3e Breite von technologischen Anwendungen auf. Damit sind sie eine Grundlage und eine gute Voraussetzung fix weitere technologische Entwicklungen und Anwendungen in anderen Bereichen. Tatsachlich sind die Optischen Technologien Innovationstrager etwa auf Gebieten wie der Fertigungs- und Produktionstechnik, der Mess- und Regeltechnik sowie der Sensorik, der Medizin- oder Informationstechnik. Baden-Wiirttemberg hat im Bereich der Optischen Technologien eine Spitzenposition. Viele bedeutende Unternehmen in Baden-Wurttemberg haben Kernkompetenzen auf diesem Gebiet und zahlen mit ihren Produkten weltweit zu den Marktfiihrern. Eine der Grundvoraussetzungen f i r diese Entwicklung ist die hervorragende Forschungslandschaft in BadenWiirttemberg. Diese konnte durch die Einrichtung eines Zentrums f i r Diagnostik laserbasierter Fertigungsverfahren, dessen Investitionen mit Mitteln der Zukunftsoffensive der Landesregierung finanziert werden, weiter ausgebaut werden. Dam kommt die besonders gute und intensive Zusammenarbeit der Forschungseinrichtungen mit den Unternehmen, die entscheidend zur Verbreitung von Laserverfahren in der produzierenden Industrie beigetragen haben. Diese enge Zusammenarbeit spiegelt sich in eindrucksvoller Weise im P r o g r a m der Stuttgarter Lasertage 2005 wider. Bedeutende Vertreter aus verschiedenen Bereichen von Wirtschaft und Wissenschaft werden neueste Entwicklungen und Innovationen der Lasertechnik ebenso wie ihren Einsatz in der industriellen Materialbearbeitung prasentieren. Namhafte Unternehmen stellen in einer begleitenden Firmenausstellung aktuelle Produktentwicklungen und fertigungstechnische Anwendungen vor. Ich wunsche den Lasertagen Stuttgart einen erfolgreichen Verlauf und allen Teilnehmern zahlreiche interessante Begegnungen, Gesprache und Impulse fiirdie weitere Forschung und Entwicklung.
c*+ Wirtschaftsrninister Ernst Pfister, MdL und stellvertretender Ministerprasident des Landes Baden-Wiirtternberg
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Vorwort Highlights und Innovationen aus der Fertigungstechnik mit Lasern fiihren vom 28. bis 30. September 2005 zum vierten Ma1 Laserexperten und Anwender in Stuttgart zusammen. Nach den auBerordentlich erfolgreichen bisherigen Stuttgarter Lasertagen mit zuletzt iiber 400 Teilnehmern versprechen wir h e n auch unter der neuen Leitung in IFSW, FGSW und TGSW ein interessantes Programm. Namhafte Vertreter aus Industrie und Wissenschaft zeigen beispielhafte Entwicklungen und neue Trends im industriellen Einsatz der Lasertechnik in unterschiedlichen Branchen wie dem Automobilbau, Maschinenbau und der Elektrotechnik auf. Aktuelle FuE-Arbeiten mit Ergebnissen neuer System und Verfahrenstechniken werden in den Labors des Instituts fiir Strahlwerkzeuge vorgefiihrt. Firmen stellen im Rahmen einer tagungsbegleitenden Ausstellung ihre neuesten Produktentwicklungen und beispielhafte Anwendungen in der Lasertechnik vor. Der fachliche Schwerpunkt liegt in diesem Jahr auf dem Gebiet der Absicherung von Fertigungsverfahren. Ein Glanzpunkt der Veranstaltung ist die Eroffnung des neu gegriindeten Zentrums fiir Diagnostik laserbasierter Fertigungsverfahren. Zusatzlich prasentieren Teilnehmer des BMBF-Projekt INESS auf dessen Abschlussveranstaltung am 30. September 2005 neueste Ergebnisse auf dem Gebiet der Prozesskontrolle beim LaserstrahlschweiBen, die in einem separat erscheinenden Schlussbericht zusammengefasst sind.
Prof. Dr. Thomas Graf, Leiter IFSW Prof. Dr. Friedrich Dausinger, stv. Leiter IFSW und Geschaftsfiihrer FGSW Dip1.-Ing. Friedemann Lichtner, Public Relations
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Der Laserstandort Stuttgart Stuttgart ist das Zentrum einer Region, die auf dem Gebiet der Lasermaterialbearbeitung eine bedeutende Position einnimmt. Marktfihrende Laserhersteller und renommierte Anwender sind hier zu Hause. Anerkannte wissenschaftliche Institutionen und FuE- Partner tragen zu einer fruchtbaren Wechselbeziehung zwischen Lehre, Forschung und industrieller Entwicklung bei. Der Standort Stuttgart zeichnet sich durch anwendungsbezogene Kooperationen zwischen wissenschaftlichen Einrichtungen und bedeutenden Firmen aus, die sich in hohem MaSe innovationsfordernd auswirken. Das Kompetenznetz "Photonics BW" spiegelt die gemeinsamen Bemuhungen von Wissenschaft und Wirtschaft wider, nachhaltig zum Fortschritt der Lasertechnik beizutragen. Die unter der neuen Leitung von IFSW und FGSW fortgefiihrte enge und sehr intensive Zusammenarbeit des Instituts fir Strahlwerkzeuge (IFSW) der Universitat Stuttgart, der Forschungsgesellschaft fiir Strahlwerkzeuge mbH (FGSW) und seit neustem der Technologiegesellschaft fir Strahlwerkzeuge mbH (TGSW) bundelt die vorhandenen Potenziale im Bereich Laserforschung und Laseranwendung. Die im Herbst 2004 gegriindete TGSW erweitert die operativen Instrumente mit der Abwicklung der reinen industriebezogenen Auftragsforschung . Das an der FGSW in diesem Jahr mit Mitteln der Landesstiftung Baden-Wurttemberg eingerichtete "Zentrum fiir Diagnostik laserbasierter Fertigungsverfahren" unterstutzt die Industrie bei der Weiterentwicklung von Laserverfahren in Richtung Null-Fehler-Produktion. Die Institute bieten weit reichende Dienste in den Bereichen Forschung, Anwendung und Beratung an. Sie verfiigen iiber eine ausgezeichnete technisch-wissenschaftliche Infiastruktur mit entsprechend ausgestatteten Labors und modernen Diagnose- und Messeinrichtungen. Die Verfahrensentwicklungen und Untersuchungen zu fertigungstechnischen Anwendungen des Lasers konnen sich auf die gesamte Palette der heute fur den industriellen Einsatz verfugbaren Gerate stutzen. Dam gehoren unterschiedliche Strahlquellen ebenso wie sich in ihren Eigenschaften erganzende Bearbeitungsstationen f i r makro- und mikrotechnische Anwendungen.
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Inhalt Zentrum fiir Diagnostik laserbasierter Fertigungsverfahren in der FGSW Friedrich Dausinger
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Prozesssicherung Rainer Bartl, Christian Elsner
7
Stiirkere Fokussierbarkeit in der Anwendung
11
Anwendungspotential stark fokussierender Laser Jan Weberpals, Christoph Deininger, Friedrich Dausinger
13
Roboscan - die Kombination von Industrieroboter und Hochleistungslaser zum Remote-SchweiSen Peter Rippl
19
Fortschritte in der Strahlquellenentwicklung
23
Innovative Strahlquellen Peter Leibinger
25
Laserstrahlquellen fir die Materialbearbeitung: Slab - Scheibe - Stab Ulrich Hefter
31
Femtosekunden-Scheibenlaser Martin Leitner, Adolf Giesen, Detlef Nickel, Christian Stolzenburg, Frank Butze
35
WeiBes Laserlicht und seine Anwendungen Jorn Teipel, Diana Tiirke, Felix Hoss, Harald GieJen
41
Zukunftsperspektiven
45
Lasermarkt: Weiteres Wachstum auf hohem Niveau Arnold Mayer
47
Grenzen des Einsatzes der heutigen Lasertechnik aus Sicht des Automobilherstellers. Der Faserlaser als die Antwort? Heutiger Status der Faserlasertechnologie. Klaus Loffler, Martin Serfert
51
Strahlqualitat und Skalierbarkeit Adolf Giesen
55
Antrittsvorlesung Quo vadis Strahlwerkzeug Laser? Thomas Graf
59
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Aus der Praxis - fur die Praxis I
63
Von der Platine zur lasergeschweiljten Hinterachse an Fahrzeugen Wolfgang Weil
65
Roboterbasierte Lasermaterialbearbeitungssysteme- Neuentwicklungen und Anwendungen Axel Fischer
71
Laserschweiljen an sicherheitsrelevantenBaugruppen f i r die Automobilindustrie - ,,PyrotechnischeGasgeneratoren fiir Fahrer-Airbags" Uwe Schennerlein
77
Praxisbericht Stahl- und Aluminium- Laserschweiljen ohne Zusatzmaterial Ruiner Hack
83
Nd:YAG Laseranlagen-Schweil3en rnit hoher Strahlnutzungszeit Peter Hoffmann, Martin Hoffmann, Rolf Dierken
87
Aus der Praxis - fur die Praxis I1
91
Wirtschaftliches Laserschweiljen von Blechteilen mit YAG-Lasern Claus Thumm
93
Der YAG-Laser im Formen- und Werkzeugbau Gerhard Stehle
97
Dauerfeste Schweiljverbindungen mit YAG-Lasern an flexiblen metallischen Bauteilen Jochen Glas
99
Laseranwendungen bei ETO Magnetic KG Jens Groh
101
Aktuelle Schweilj-Strategien mit gepulsten YAG Lasern: Anwendungsbereiche und Grenzen Ronald Holtz, Matthias Jokiel
105
Abtragende Mikrobearbeitung I
111
Materialbearbeitungrnit ultrakurzen Laserpulsen am IFSW - Aktueller Stand und zukunftige Ansatze Steffen Sommer, Christian Fohl, Friedrich Dausinger
113
Laser Micromachining of Pyrex and Quartz Glass using Femtosecond Lasers Jens Hanel, Tino Petsch, Bernd Keiper, Gunter ReiJe, Steffen WeiJmantel, Robby Ebert, Horst Exner
119
Innovative Anwendungen der Laserbearbeitung im Werkzeug- und Formenbau Ralph Mayer
125
Neue Impulse f kdie Mikrobearbeitung Jiirgen Stollhof
129
Prazises Schneiden rnit YAG Lasern Tobias Wagner
133
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Abtragende Mikrobearbeitung I1
137
Neue Anwendungen und Trends in der Mikromaterialbearbeitung Gerd Spiecker
139
Bringt die Pulsformung Vorteile beim Laserbohren? Ulrich Diirr, Pauline Jannin
141
Lasertechnologie in der Papier- und Verpackungsindustrie Hansjorg Rohde
145
Prazisionsbohrungenin Stahl- ein Technologievergleich Roswitha Giedl-Wagner, Hans Joachim Helm1
149
Trepanieroptik fidas hochprazise Wendelbohrenin der Serienproduktion Christian Fohl, Sven Wartenberg, Friedrich Dausinger
151
Prozess-Sicherung
157
Vorstellung des Verbundprojektes 'TNESS" -Prozess-Sicherung beim Laserstrahlschweiljen Jiirgen Miiller-Borhanian
159
Anforderungen an moderne QS-Systeme beim Laserhybridschweiljen von Aluminium-Strukturen Jens Biihler, RalfBernhardt, Ulix Gottsch, Christoph Deininger
163
Strahlvermessung - der Weg zum qualifizierten Werkzeug in der Lasermaterialbearbeitung Harald Schwede
167
Reduzierte Fertigungskosten durch flexible Weldwatcher@Prozessubenvachung Martin Stiirmer
171
Methoden der Prozessubenvachung und Qualitatssicherung beim Laserstrahlfiigen: Vorteile der Kombination verschiedener Sensortechniken Markus Kogel-Hollacher, Thomas Nicolay
173
Innovative Bildverarbeitung f i r die ijbenvachung von Laserprozessen Industrielle Applikation und Zukunfisperspektiven Jorg Beersiek, SajJad Qureshi
177
Qualifizierung eines Prozessubenvachungssystemsfir IO/NIO-Entscheidungen mittels Optimierungsstrategien Thomas Griinberger
181
Laserverbindungen vollautomatisch auf Qualitat uberprtifen - Anwendungsbeispiele aus der Automobilindustrie Daniel Wildmann,Joachim Schwarz, Hans Hart1
185
Lichtschnittsensorikbeim Laserstrahlschweiljen Heiko Falldorf
189
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Autorenindex Bartl, R., 7 Beersiek, J., 177 Bernhardt, R., 163 Biihler, J., 163 Butze, F., 35 Dausinger, F., 1, 13, 113, 151 Deininger, C., 13, 163 Dierken, R., 87 Dun, U., 141 Ebert, E., 119 Elmer, Ch., 7 Exner, H., 119 Falldorf, K., 189 Fischer, A., 71 Fohl, Ch., 113, 151 Giedl-Wagner, R., 149 Giesen, A., 35,55 GieBen, H., 41 Glas, J., 99 Gottsch, U., 163 Graf, Th., 59 Groh, J., 101 Griinberger, Th., 181 Hack, R., 83 Hanel, J., 119 Hartl, H., 185 Hefter, U., 31 Helml, H.J., 149 Hoffmann. M., 87 Hoffmann, P., 87 Holtz, R., 105 Hoss, F., 41 Jannin, P., 141 Jokiel, M., 105 Keiper, B., 119 Kogel-Hollacher, M., 173 Leibinger, P., 25 Leitner, M., 35 Loffler, IS.,51
Mayer, A., 47 Mayer, R., 125 Muller-Borhanian, J., 159 Nickel, D., 35 Nicolay, Th., 173 Petsch, T., 119 Qureshi, S., 177 ReiBe, G., 119 Rohde, H., 145 Rippl, P., 19 Schennerlein, U., 77 Schwarz, J., 185 Schwede, H., 167 Seifert, M., 51 Spiecker, G., 139 Sommer, S., 113 Stehle, G., 97 Stollhof, J., 129 Stolzenburg, Ch., 35 Stiimer, M., 171 Teipel, J., 41 Thunun, C., 93 Tiirke, D., 41 Wagner, T., 133 Wartenberg, S., 151 Weberpals, J., 13 Weil, W., 65 WeiBmantel, S., 119 Wildmann, D., 185
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Aussteller Stuttgarter Lasertage 2005
DEUTSCHLAND
I COI-EREilT BERTHOLD LEIBINGER
1 0 ERLAS:
STIPTIJNG
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LASER
Photonics BW K o m p e t e n m OptisheTechnalOglan
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quality control & diagnosis systems
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Zentrum fur Diagnostik laserbasierter Fertigungsverfahren in der FGSW Friedrich Dausinger Forschungsgesellschaftfir StrahlwerkzeugembH, Pfaffenwaldring 43, D-70569 Stuttgart
Der globalisierte Wettbewerb erzwingt, bei steigender Produktvielfalt Entwicklungszeiten weiter zu verkiirzen und gleichzeitig die Produktionskosten zu senken. Ein wesentlicher Beitrag dazu kann durch Vermeidung von Ausschuss erreicht werden, wofiir sichere Verfahren und zuverlassige Uberwachungseinrichtungenerforderlich sind. Um dies zu erreichen sind fundierte Kenntnisse uber die Ursache sporadisch auftretender Prozessinstabilitaten erforderlich, die jedoch selbst bei vielfach industriell eingesetzten Laserverfahren zum Schneiden, Schweiljen und Bohren nicht vorliegen. Dies liegt daran, dass auf experimentellen Weg nur sehr schwierig Auskunft uber Prozessstorungen erhalten werden kann, welche meist auf extrem kurzen Zeitskalen und raumlichen Dimensionen im Mikrometerbereich meist unterhalb der Werkstiickoberflache ablaufen. Angesichts der Komplexitat und Schwierigkeit der Aufgabe ist eine Kombination unterschiedlicher Analyseverfahren erforderlich, die hochstmogliche zeitliche und raumliche Auflosung bieten. In der Forschungsgesellschaft fiir Strahlwerkzeuge mbH (FGSW) wird ein ,,Zentrum fiir Diagnostik laserbasierter Fertigungsverfahren" eingerichtet. Zur Ausstattung des Zentrums zahlen modernste Diagnose- und Messeinrichtungen, welche die oben genannten Anforderungen erfillen und in dieser Zusammenstellung weltweit einmalig sind. Die finanziellen Mittel zur Beschafhng der Gerate wurden im Rahmen der Zukunftsoffensive I11 des Landes Baden-Wiirttemberg bereitgestellt. Die vielseitige Diagnostikausstattung des Zentrums ermoglicht der FGSW Projekte zur Aufklarung qualitatsmindernder Prozessstorungen durchzufiihren sowie die Industrie bei der Losung akuter Fertigungsprobleme zu unterstiitzen. Die Ausstattung des ,,Zentrums fiir Diagnostik laserbasierter Fertigungsverfahren" wird nach vollstandigem Ausbau folgende Gerate und Messeinrichtungen umfassen, auf die nachfolgend naher eingegangen wird. Die Reihenfolge derGerate ergibt sich aus dem Ablauf der Beschaffung, die Ende 2005 abgeschlossen sein soll: Echtzeit-Bildverarbeitungssystem Strahl-Diagnostik Pikosekundenlaser Topographie-Messsystem Hochgeschwindigkeits-Farbvideo Hochgeschwindigkeits-Infrarotkamera Nanosekundenlaser Kurzzeitdiagnostik mit ICCD-Kamera Hochgeschwindigkeits-handling system Hochgeschwindigkeits-Spektrometer Lichtschnittsy stem Hochgeschwindigkeits-Mikrofokus-Rontgenanlage
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Echtzeit-Bildverarbeitung Mit Hilfe des Echtzeit-Bildverarbeitungssystemskann die Echtzeitfahigkeit von Bildverarbeitungsalgorithmen zur Erfassung der Schmelzbad- und Kapillargeometrie beim Laserstrahlschweil3en untersucht werden. Um eine hinreichende Bildwiederholrate verarbeiten zu konnen ist der Einsatz spezieller Beschleunigerhardware (DSP: Digital Signal Processor) in Verbindung rnit schnellen Berechnungsroutinen notig. Das System stellt eine selbststbdige, echtzeitfahige, sehr schnelle Bildverarbeitungseinheit mit kompletter Prozessperipherie dar. Es lasst den flexiblen Einsatz von Bildverarbeitungsalgorithmen zu und bietet zudem die Moglichkeit, die Daten von Einzeldetektorsignalen und Bilddaten synchron zu erfassen und korreliert auszuwerten. In Verbindung mit einer oder mehreren Hochgeschwindigkeitsdetektoren konnen somit Prozessaufhahmen erfasst, ausgewertet und die Ergebnisse zur Kontrolle ausgegeben werden.
Strahl-Diagnostik Der Einsatz von Laserstrahlung als Werkzeug erfordert die genaue Kenntnis der Eigenschaften des eingesetzten Laserstrahls. Die Sicherstellung einer hohen Bearbeitungsqualitat hangt bei allen Bearbeitungsprozessen mal3geblich von der Qualitat des Laserstrahls ab. Ein kamerabasiertes Strahldiagnostiksystemmit hoher Dynamik ermoglicht eine prazise Messung der Ausbreitungseigenschaften des Strahls wie zum Beispiel Taillenlage, Taillendurchmesser, Divergenzwinkel und Fokussierbarkeit. Mit Hilfe eines solchen Systems konnen Veranderungen des Lasers wie auch des optischen Systems, die zum Beispiel durch thermische Effekte oder Zerstorung von Komponenten entstehen, detektiert werden. Das Strahldiagnostiksystem ist im Wellenlbgenbereich 190 nm bis 1100 nm fiir Puls- und Dauerstrichlaser einsetzbar. Die Vermessung des Laserstrahls erfolgt nach DIN I S 0 11146.
Pikosekundenlaser Auf dem Gebiet des Mikrostrukturierens und -bohrens lasst sich rnit Pikosekundenlasern eine bislang unerreichbare Prazision erzielen. Allerdings kann die erforderliche Wirtschaftlichkeit erst durch neuartige Lasersysteme mit hohen Pulswiederholraten realisiert werden. Die hierbei auftretenden Wechselwirkungen zwischen dem Laserstrahl und dem abstromenden Materialdampf bzw . dem Plasma und die daraus resultierenden Konsequenzen fir das Bearbeitungsergebnis sind bislang jedoch noch weitgehend unverstanden. Mit Hilfe des hochrepetierenden Pikosekundenlasers ist es moglich, in diesem Bereich Untersuchungen zurn Verdampfungsprozess und zur Plasmadynamik bei verschiedenen Wellenlangen und Repetitionsraten durchzufiihren und so zur Einfiihrung und Absicherung industrieller Prozesse beizutragen.
Topographie-Messsystem Die quantitative und visuelle Erfassung mikro- und nanoskopischer Strukturen die rnit Laserpulsen zurn Beispiel fir tribologische Anwendungen hergestellt werden, kann rnit herkommlichen Messmethoden (Auflichtmikroskopie,Rauheitsmessgerat / Tastschnittmessgerat) nicht zuverlassig erfolgen. Besonders die Tiefenmessung, sowie die daraus erfolgende Volumenbestimmung sind bei zerklufteten Geometrien unter 50 pm nicht mehr aussagekraftig. Die konfokale Mikroskopie ermoglicht eine schnelle, beriihrungslose Vermessung und Visualisierung von Strukturen im Bereich einiger Millimeter bis hin zu wenigen Mikrometern. Das
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Gerat zeichnet sich durch seinen grofie, Messbereich, sowie eine grolje Material- und Oberflachenvariabilitat, speziell fiir technische Oberflachen, aus. Seine besondere konfokale Anordnung ermoglicht eine axiale Auflosung von weniger als 5 nm. Gleichzeitig wird die hochste laterale Auflosung, die mit optischen Profilometern erreichbar ist, erzielt. Damit ist es moglich Oberflachentopographien von kleinsten Nuten und Bohrungen bis hin zu Schweiljnahtoberraupen zu analysieren. Zur Vermessung wird die Probe Abb.1: Beispiel f i r mit konfokaler Mikroskopie auf dem Messtisch positioniert und die vermessener 3D-Struktur. Konfokaleinheit in z-Richtung vollautomatisch bewegt. Aus den konfokalen Einzelbildern setzt der Computer hochaufgeloste 3D-Topographien zusammen. Oberflachenstrukturen konnen so direkt flachenhaft und beriihrungsfiei aufgenommen werden. Daraus lassen sich des Weiteren Rauheitswerte und Volumen bestimmen.
Hochgeschwindigkeits-Video Fiir das Prozessverstandnis hochdynamischer Vorgange ist eine digitale Hochgeschwindigkeits-Videokamera unerlasslich. Zum Beispiel treten beim Laserstrahlschweifien Stromungsgeschwindigkeiten im Schmelzbad auf, die um Grofienordnungen grofier als die Vorschubsgeschwindigkeit des Lasers sind und die zu ProzessAbb.2: Schmelzbadaufnahmen im Falschfarben- instabilitat fiihren konnen. Die Visualimodus beim LaserstrahlschweiJen. Die Kapillar- sierung der Schmelzbaddynamik hilft region (gelb), das Schmelzbad (blau) und die die Nahtqualitat mindernde Vorgange wie Schmelzauswurf und SpritzerSchmelzfront (rot) sind deutlich erkennbar. bildung zu erfassen. Mit Kameraverschlusszeiten im Mikrosekundenbereich sowie Aufzeichnungsgeschwindigkeiten im kHz-Regime in Vollauflosung und uber 100 kHz bei reduzierter Auflosung werden detaillierte Aufzeichnungen des Bearbeitungsprozesses ermoglicht. Weiterhin kann das Vordringen des Bohrlochs beim Laserstrahlbohren keramischer Werkstoffe in Kombination mit gepulstem Beleuchtungslaser detailliert verfolgt werden. Dadurch konnen weitere Erkenntnisse uber den Ablauf des Bohrprozesses erzielt werden.
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Hochgeschwindigkeits-Infrarotkamera Die thermische Visualisierung des Schmelzbades beim Laserstrahlschweiflen gibt Aufschluss uber die Temperaturverteilung und lasst somit Ruckschlusse auf die Stromungsmechanismen im Schmelzbad zu, dient also unmittelbar dem Prozessverstandnis. Der Spektralbereich von CCD- und CMOS-Kameras ist f3r die Schmelzbadvisualisierung nicht ausreichend. Hier ist der Einsatz von IR-Kameras notwendig. Die Bildwiederholfiequenz herkommlicher IR-Kameras ist jedoch auf 50 Hz beschrankt und damit zu gering, um die Schmelzbaddynamik zu erfassen. Die zur Ausstattung des Diagnostik-Zentrums zahlende IR-Kamera ist eine der neuesten Entwicklungen auf dem Sektor der bildgebenden Detektoren im infraroten Spektralbereich. Die Kamera hat eine Vollbildwiederholfi-equenz (256 x 256 Pixel2) von 880 Hz bei einer exzellenten Temperaturauflosung im mK-Bereich. Die Belichtungszeiten sind von einigen Mikrosekunden bis mehreren Millisekunden einstellbar. Verbunden mit maximaler Empfindlichkeit im Spektralbereich zwischen 3,4 - 5,l pm und hoher Dynamik fir die Auflosung von Hell-Dunkel-Kontrasten ist diese Hochgeschwindigkeits-Infrarotkamera Abb.3: Schmelzbad- und Kapillarbereich beim bestens geeignet, um die TemperaturSchweiJen von Stahl mit einem Nd: YAG-Laser. verteilung des Schmelzbades mit ausAujlossung 256 x 128 Pixel2, Bildfolgefrequenz 1700 reichender Zeitauflosung aufzuzeichnen. Hz.
Nanosekundenlaser Der Einsatz von Nanosekundenlasern zur Fertigung von Mikrobohrungen und Mikrostrukturen ist auf die Moglichkeit der Erstellung von extrem kleinen Strukturen rnit hoher Prazision zuriickzufihren. Im Vergleich zu Pikosekundenlasern zeichnen sich Nanosekundenlaser durch hohere Produktivitat aus. In diesem Zusammenhang wirken sich allerdings vor allem die bei diesem thermischen Abtragsprozess zuriickbleibenden Schmelzablagerungen qualitatsmindernd aus. Trotz der zunehmenden industriellen Bedeutung des Bohrens rnit Nanosekundenlasern sind die Prozesse von Schmelzentstehung, -transport und -austrieb bislang nur luckenhaft verstanden. Mit Hilfe des Nanosekundenlasers in Verbindung rnit Topographie- sowie Hochgeschwindigkeits-Messeinrichtungen ist es moglich, durch diagnostische Untersuchungen ein tieferes Prozessverstandnis der Schmelzdynamik beim Laserbohren zu erlangen und somit die Basis f& Prozessabsicherung zu schaffen.
Kurzzeitdiagnostik rnit ICCD-Kamera In der Laserbearbeitung rnit Nanosekunden-, Pikosekunden- und FemtosekundenLaserpulsen laufen wesentliche Prozesse auf sehr kurzen Zeitskalen im Bereich von wenigen Nanosekunden bis einigen Mikrosekunden ab, zum Beispiel Abdampfen und Plasmadynamik sowie Aufschmelzen, Bewegung und Erstarren der Schmelze. Zur Erlangung eines umfassenden Prozessverstandnisses des Laserabtragens und -bohrens sind diese Vorgange moglichst unmittelbar zu visualisieren. Dies erfordert eine Beobachtungstechnik rnit extrem hoher Zeitauflosung, die ein ,,Einfrieren" der schnellen Prozesse erlaubt, beispielsweise durch die Ver-
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wendung von sehr kurz gepulsten Beleuchtungsquellen (Nanosekunden- und sub-nsPulsdauern) in Kombination rnit Kameraverschlusszeiten im Nanosekundenbereich zur Streulichtunterdriickung. Zur Darstellung der Dynamik der Prozesse sind dariiber hinaus hohe Bildwiederholraten im MHzBereich erforderlich, insbesondere wenn Vorgange mit geringer Reproduzierbarkeit zu beobachten sind. Mit einem einzelnen Bilddetektor sind diese Repetitionsraten nicht zu erreichen, die Anforderungen lassen sich nur durch eine Anordnung aus mehreren Bildverstarker-Kameras erfiillen. Das aktuelle Kurzzeitdiagnostiksystem besteht aus vier gekoppelten ICCDKameras rnit Gate-Ofhungszeiten bis 3 ns. Damit konnen 4 AuhahAbb.4: StoJwellenausbreitung beim Laserstrahlboh- men rnit Bildfolgezeiten von einer ren mit ultrakurzen Pulsdauern. Die Zahlenwerte Nanosekunde sowie ,,Filme" rnit bis entsprechen der Zeitdifferenz zwischen dem Bearbei- zu 8 Einzelbildern aufgenommen tungspuls und dem Zeitpunkt der Bildaufnahme. werden.
Hochgeschwindigkeits-Handlingsystem Die gute Fokussierbarkeit moderner Festkorperlaser ermoglicht zum Beispiel beim Laserstrahlschweiljen sehr grol3e Vorschubgeschwindigkeiten. Dabei treten neue, bisher weitgehend nicht verstandene Phanomene auf. Durch Hochgeschwindigkeitseinrichtungen des Diagnostik-Zentrums sol1 ein physikalisches Verstandnis dieser Prozesse und vor allem ihrer Begrenzungen geschaffen werden. Fiir diese Untersuchungen wird eine Maschine rnit hochdynamischen Antrieben eingesetzt.
Hochgeschwindigkeits-Spektrometer Durch Messung der spektralen Verteilung der Prozessemissionen konnen die Zusammensetzung des Metalldampfes und die Anregungszustande der beteiligten Spezies bestimmt werden. Dadurch sind Ruckschliisse auf den Prozess selbst, wie zum Beispiel Schmelzbaddurchmischung oder Bohrlochdurchbruch moglich. Da gangige Methoden zur Prozessiiberwachung auf der Analyse der Prozessemissionen in bestimmten Spektralbereichen basieren, dienen die spektroskopischen Untersuchungen zudem bei der Entwicklung von Prozessiiberwachungsmethoden als Grundlage fiir die Bestimmung geeigneter Detektionswellenlangen.
Lichtschnittsystem Schmelze tritt beim Laserstrahlschweiljen sowie vielen weiteren Lasermaterialbearbeitungsverfahren auf. Sie beeinflusst die Erstarrungsgeometrie und damit sowohl die Gebrauchseigenschaftenals auch die Qualitat der Laserschweiljnahte der lasergefertigten Bauteile. Um auf die antreibenden Krafte (Volumen- oder Oberflachenkrafte) von Schmelzbewegungen riickschlieljen zu konnen, muss neben der Schmelzgeschwindigkeit
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auch die Topographie der flussigen Oberflache erfasst werden. Das dazu eingesetzte Verfahren muss geeignet sein, auch in unmittelbarer Nahe eines Plasmas, wie es zurn Beispiel beim Laserstrahlschweifjen aufiritt, arbeiten zu konnen. Ein Lichtschnittsensor mit einer monochromatischen Lichtquelle, kombiniert mit einer Kamera und einer Auswertesoftware erflillt diese Aufgabe und ist aus diesem Grund bestens zur Detektion der Schmelzoberflache geeignet.
Hochgeschwindigkeits-Mikrofokus-Rhtgenanlage Mit Hilfe eines Online-RontgenSystems kann die Kapillarform beim Lasertiefschweifjen und Laserbohren sowie ihr zeitliches Verhalten in Echtzeit beobachtet und dargestellt werden. Aus der Geometrie des Strahlenganges der Anlage ergeben sich besonders hohe geometrische Vergroljerungsfaktoren von >3600. Durch die geringe Ausdehnung der emittierenden Flache konnen selbst bei dieser hohen Vergroljerung sehr scharfe Bilder mit einer Auflosung im Mikrometerbereich erzeugt werden. Dadurch ist es moglich, Fehlerentstehungsprozesse wie zurn Beispiel PorenAbb.5: Visualisierung des zeitlichen Verhaltens bildung zu visualisieren. Die SO gewond w Dampflapillare w ~ dPorenbildung beim nenen Ergebnisse sind ein Schlussel zum Laserstrahltiefschwe$en durch eine Mikrofokus- Verstandnis des Tiefschweiljprozesses Rontgenanlage. sowie des Bohrprozesses und tragen zur Verbesserung von Modellbildung, Simulation und Prozesskontrolle wesentlich bei.
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Prozesssicherung Rainer Bartl, Christian Elsner DaimlerChrysler AG, 70546 Stuttgart
Einleitung Die Laserbearbeitung im Automobilbau gewinnt in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung. Technologische Vorteile des Strahlwerkzeugs ,,Laser" wie die geringe, lokale Warmeeinbringung oder die schnelle, prazise und beriihrungslose Bearbeitung machen es in Hinblick auf die aktuellen Trends in der Automobilindustrie zu einem attraktiven Werkzeug die Anforderungen des Marktes zu erfiillen. Im Sektor der Fahrzeuge mit gehobener Ausstattung stehen hier vor allem die Wunsche nach Individualitat, attraktivem Design und FahrspaS im Mittelpunkt. Gleichzeitig sollen auch Sicherheits- und Umweltaspekte und natiirlich ein hoher Anspmch an Zuverlassigkeit erfiillt werden. Die Erreichung von Kosten-, Termin- und Qualitatszielen kann einem Automobilhersteller unter diesen Randbedingungen nur gelingen, wenn die Produktion iiber stabile, flexible und wirtschaftliche Fertigungsverfahren verfiigt. Im Hause DaimlerChrysler findet dies z.B. im so genannten Mercedes-Produktions-System (MPS) seinen Niederschlag, das das Thema Qualitat und robuste ProzesseProdukte als eigenstandige Richtschnur beinhaltet und f%r die gesamte Produktentstehung (von der Entwicklung bis zur Produktion) gilt. Greift man als Beispiel einmal die Fertigungstechnik heraus, stellt man ein Spannungsfeld fest zwischen einerseits engen einzuhaltenden Toleranzen und hohen Anspriichen an die Bauteilqualitat (bis hin zu Sicherheitsbauteilen) und andererseits einer weitgehend automatisierten Produktion mit kurzen Taktzeiten und dadurch wenig manuellen Eingriffs- bzw. Kontrollmoglichkeiten. Die Konsequenz daraus kann nur sein, dass die Prozesse schon in der Linie konsequent ubenvacht werden mussen, um Fehler fiiihzeitig zu entdecken und Folgeschaden zu vermeiden. Als Grundlage fiir jede Ubenvachung ist ein tieferes Verstandnis des eigentlichen Prozesses hilfreich, wenn nicht gar Voraussetzung. Fiir die Laseranwendungen wird das neue Diagnostikzentrum am IFSW deshalb in der Zukunft dafur sicher wertvolle Beitrage liefern und dadurch die Entwicklung verbesserter oder neuer Sensorsysteme ermoglichen. An dieser Stelle wiinschen wir dem ,,Zentrum fiir Diagnostik laserbasierter Fertigungsverfahren" und seinem Leiter, Herrn Prof. Graf allzeit vie1 Gluck, Erfolg und gute Ideen und freuen uns schon heute auf eine fmchtbare Zusammenarbeit.
Prozesssicherheit in der Laserbearbeitung Neben dem klassischen LaserschweiSen kommen immer haufiger auch andere Laseranwendungen wie die Modifikation von Oberflachen oder das Laserloten zum Einsatz. Diese neuen Verfahren stehen in Konkurrenz zu bereits etablierten Techniken, die sich natiirlichen ebenfalls weiterentwickeln. Wichtig fiir den Erfolg eines neuen Konzepts ist neben den technischen Aspekten immer auch die Akzeptanz bei den potenziellen Anwendern. Diese wird nur durch reproduzierbare Ergebnisse und eine gewisse Flexibilitat gegeniiber Schwankungen der Randbedingungen zu erreichen sein.
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Ein wichtiges Instrument zur Darstellung prozesssicherer Verfahren ist die Nutzung von Sensorik oder anderen qualitatssichernden MaBnahmen. Hierbei lasst sich grob in Pre-, In- und Post-Prozess-MaBnahmenuntergliedern. Zu den Pre-Prozess-Mafinahmen gehort z.B. die Vermessung Nahtlage der Fugestelle vor dem Schweiljen. Die Messung von Fugespalt und Breite des Flansches lasst sich auch mit einer vorhandenen Nahtfiihrung kombinieren. Damit lassen sich Nahtfehler wie ungenugende Anbindung oder Fehler im Flanschbeschnitt erkennen und die Verwendung fehlerhafter Bauteile unterbinden. Diese Systeme kommen im Karosseriebau und in der Achsfertigung bereits zum Einsatz. Allerdings konnen damit in der Regel nicht alle quaFlanschbreite litatsrelevanten Grofien erfasst werden. Dam eignen sich InProzess-Sensoren, wie z.B. die Beobachtung und Vermessung Abb. 1: Nahtfuhrung mit des Schmelzbades oder die Erfassung von Plasmastrahlung Flansch- und Spaltvermessung. oder Ruckreflex.
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T
I-+
Das erstgenannte Prinzip kommt in dem von DaimlerChrysler schon vor einigen Jahren entwickelten Qualas-System zum Einsatz, das aktuell auch fir die Venvendung mit dem Robscan-System fiir den Karosseriebau qualifiziert wird. Gerade bei den hohen Prozessgeschwindigkeiten und kurzen Taktzeiten ist eine automatische Ubenvachung der Nahtqualitat unerlasslich. Dieses System wurde daneben auch in die Getriebefertigung integriert und uberwacht seitdem das SchweiBen von Bauteilen aus der neuen 7-Gang Automatik 7G-tronic. Bei der Antriebswelle kommt ein neues integriertes Maschinenkonzept zum Einsatz. Die 4 Bauteile fahren auf einem Werkstiicktrager in die Maschine ein, werden dort nacheinander gefiigt und miteinander verschweifit und kommen als einbaufertiges Teil aus der Maschine. Eine manuelle Kontrolle zwischen den Schweiljungen ist dabei Ahh. 2: Antriehswelle 7G-tronic. nicht mehr moglich. Die sogenannten Post-Prozess Systeme kontrollieren nach dem Fugevorgang v.a. die Geometrie des Bauteils oder der laserbehandelten Oberflache. Als Beispiele seien hier das automatische Messen mittels Laser-Triangulation oder Bildauswertung genannt. Trotz der genannten Beispiele aus Serienprozessen ist die durchgehende Prozesssicherung bei Laserverfahren noch nicht allgemeiner Standard. Hier besteht Entwicklungsbedarf hinsichtlich: Prozessverstandnis uber alle Varianten: - Hybride Verfahren - Oberflachenverfahren(Loten, Legieren, Abtragen usw.) - Nutzung neuer Laserquellen Erkennung produktionsrelevanter Fehler und Ableitung Vermeidungs- bzw. Reparaturstrategien Verbesserung Bedienbarkeit, Hilfestellung fiir Bediener und Instandhalter ZUT Storungsbehebung
0 0
Kostenreduzierung z.B. durch Standardisierung und Steigerung der Integrationsfahigkeit Wege hin zu geregelten Prozessen, statt nur deren aenvachung Ganzheitliche Ansatze zur Biindelung von Informationen zur zentralen ijberwachung der Gesamtanlage
Die Vergangenheit hat gezeigt, dass Fortschritte auf diesem Gebiet in der Regel nicht durch Aktivitaten eines Herstellers oder Anwenders allein erzielt werden, sondern nur im engen Schulterschlurjzwischen Instituten, Gerateherstellern und Anwendern. Als Beispiele seien hier das INESS-Projekt oder die Aktivitaten des Industriearbeitskreises Laser zur Standardisierung von Sensor-Bedienoberflachen und Schnittstellen genannt. Nur so konnen produktionssichere, wirtschaftliche und akzeptierte Laserverfahren entwickelt und erfolgreich in die Serienfertigung uberfiihrt werden.
THOMAS KREIS
Handbook of Holographic Interferometry
Handbook of HQlographicInterferometry Optical and Digital Methods.
Dealing with principles and methods of holographic interferometry, this book is focussed on the quantitative computer-aided evaluation of the holographic interf erograms.
Based upon wave-optics the evaluation methods, their implementation in computeralgorithms, and their applications in physics and engineering are described.
THOMAS KREIS, BIAS Bremen, Germany 2004. XII, 542 pages, 297 figures. Hardcover. ISBN 3-527-40546-1 Euro 149.00 lSFr 220.00
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Starkere Fokussierbarkeit in der Anwendung
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Anwendungspotential stark fokussierender Laser Jan Weberpals, Christoph Deininger, Friedrich Dausinger Institut fk Strahlwerkzeuge, Pfaffenwaldring 43, D-70569 Stuttgart
Einleitung In den letzten Jahren entwickelten sich Laser zu wichtigen Werkzeugen der industierellen Fertigung. Hohe Prozessgeschwindigkeit und gute SchweiDqualitat, niedrige Warmebelastung sowie die hohe Flexibilitat sind wesentliche Vorteile des LaserschweiDens. Obwohl die heutigen lampengepumpten Nd:YAG-Laser teurer sind und eine schlechtere Fokussierbarkeit als COz-Laser aufweisen, finden diese in immer mehr Anwendungsbereichen Verwendung, speziell beim cw-SchweiBen von 3D-Strukturen. Die kiirzere Wellenlange der Nd:YAG-Laser im Vergleich zu C02-Lasern macht den Strahltransport durch Glasfasern moglich, welche eine hohe Flexibilitat sowie niedrige Kosten der Handhabungsgerate erlauben. Des Weiteren wird der Laserstrahl mit der kiirzeren Wellenlange in Metallen besser absorbiert und ist weniger empfindlich beziiglich des laserinduzierten Plasmas. Hinsichtlich dieser Aspekte und unter Beriicksichtigung der Kundenanforderungen, sowie einer marktgerechten Gestaltung, sind neueste Entwicklungen darauf gerichtet, die oben genannten Nachteile der lampengepumpten Festkorperlaser zu reduzieren. Laser der neusten Generation, Scheibenlaser sowie Faserlaser zeichnen sich durch ihre sehr gute Fokussierbarkeit und hohe Effizienz aus. Fur die Anwendung ist uberdies die Fokussierbarkeit interessant. Sie beschreibt, wie stark sich ein Laserstrahl maximal mit optischen Elementen fokussieren lasst und wird uber das inverse StrahlenparameterproduktSPP festgelegt [ 11 1 4 Fokussierbarkeit = -= SPP 6 ad ~
L
L
Starkere Fokussierbarkeit lasst sich nutzen um kleinere Fokusdurchmesser zu erzielen, die Dimensionen optischer Elemente und verwendender Bearbeitungskopfe zu reduzieren, die Scharfentiefe (Rayleigh-Lange) auszudehnen und um groljere Arbeitsabstande zwischen Fokussieroptik und Werkstuck zu schaffen [ 11. Von den genannten Moglichkeiten wird bisher lediglich die letztgenannte in grooerem Umfang genutzt [2-51. Fiir die Nutzung von Scannern zum sogenannten RemoteschweiDen ist eine starke Fokussierbarkeit notwendige Bedingung. Auch wirkt sich dabei eine Steigerung der Fokussierbarkeit auch besonders stark aus: Der Arbeitsraum skaliert rnit der dritten Potenz der Fokussierbarkeit [11. Wenig beachtet werden hingegen die Moglichkeiten, die sich aus der Reduzierung des Fokusdurchmessers ergeben. In [ 1, 61 wird gezeigt, dass bei ausreichend hoher Vorschubgeschwindigkeit (v 2 6 d m i n ) die EinschweiBtiefe mit P/df skaliert, d. h. der Einfluss des Fokusdurchmessers auf die SchweiDtiefe weist den gleichen Stellenwert wie die Laserleistung auf. Mit der Verfigbarkeit des 4 kW Scheibenlasers sind erstmalig TiefschweiBungen im hohen Leistungsbereich mit Fokusdurchmesser bis zu 75 pm moglich. Im Folgenden sol1 das hieraus resultierende Potential zur Erzielung von SchweiDnahten rnit hohem Aspektverhaltnis dargestellt werden.
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Experimentelle Ergebnisse Einfluss des Fokusdurchmessers auf die Einschweifltiefe Die Einschweiljtiefe wird bei Schweiljgeschwindigkeiten iiber 6 d m i n maljgeblich durch den Fokusdurchmesser beeinflusst, da mit dessen Abnahme die mittlere Intensitat im Fokus ansteigt. Abb. 1 stellt die Einschweiljtiefe fiir Stahl (links) und Aluminium (rechts) bei verschiedenen Fokusdurchmessern in Abhangigkeit der Vorschubgeschwindigkeit dar. Die Schweiljergebnisse wurden hierbei im Falle der Fokusdurchmesser von 300 bis 450 pm rnit einem lampengepumpten Stablaser (LSL) rnit 4 kW max. Leistung und bei Durchmessern von 75 bis 200 pm rnit einem diodengepumpten Scheibenlaser (DSL) durchgefiihrt.
t=4mm 2
4
I
I
6
8
I
,
,
,
,
,
10 12 14 16 18 20 22
Vorschubgeschwindigkeit in m/min
2
4
6
8
10 12 14 16 18 20 22
Vorschubgeschwindigkeit in m/min
Abb. 1: Einschwegtiefe in Abhangigkeit des Vorschubs in Stahl und Aluminium. Die Diagramme zeigen fiir die beiden Materialien einen beachtlichen Einfluss des Fokusdurchmessers auf die EinschweiQtiefe.Die drei Kurven, welche mit dem lampengepumpten System realisiert sind, zeigen die klare Abhangigkeit der Einschweiljtiefe vom Fokusdurchmesser ab einer Geschwindigkeit von ungefahr 6 d m i n . Der Wechsel zum Scheibenlaser ermoglicht Fokusdurchmesser von 200 - 75 pm. Hierbei tritt ein unenvartetes Verhalten auf: Die Zunahme der Einschweiljtiefe rnit abnehmendem Fokusdurchmesser setzt sich fiir beide Materialen nur bis zum Durchmesser von 150 pm fort. Bei der Schweiljung rnit den Fokusdurchmessern 100 und 75 pm vermindert sich die Einschweiljtiefe [ 7 ] . Einfluss des Fokusdurchmessers auf die Querschnittsflache Um den Mechanismus zu erklaren, der diese Abnahme der Einschweiljtiefe verursacht, wird zunachst die Querschnittsflache der Schweiljnaht untersucht, welche reprasentativ fiir den Prozesswirkungsgrad ist [8]. Es liegt ja die Vermutung nahe, dass ein laserinduziertes Plasmas die Bedingungen ftir die Energieeinkopplung durch Absorption und Reflektion verandern konnte. Vom SchweiSen mit C02-Lasern kennt man den starken Einfluss von Gasen, besonders Helium, auf die Plasmaausbildung. Dies wird hier selbst bei starkster Fokussierung auf 75 pm nicht beobachtet, siehe Abb. 2 (links) [9].
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-+- Helium +Argon -t- Stickstoff Kohlendioxid
x
+ohne
*
d, = 75 urn
2
4
6
8
10
12 14 16 18 20 22
Vorschubgeschwindigkeitin mlmin
2
4
6
8
10 12 14 16 18 20 22
Vorschubgeschwindigkeitin mlmin
Abb. 2: Querschnittsflache fur verschiedene Schutzgase (links) und Fokusdurchmesser (rechts) in Abhiingigkeit der Vorschubgeschwindigkeit. Abb. 2 (rechts) zeigt, dass die Querschnittsflache im Wesentlichen unabhangig vom eingestellten Fokusdurchmesser ist. Dies bedeutet wiederum, dass der Prozesswirkungsgrad nicht durch die GroBe des Fokusdurchmessers verandert wird.
Abb. 3: Querschnittsjlache fur Fokusdurchmesser bis 450 ,um bei einer Vorschubgeschwindigkeit von 9 m/min in 4 mm dickem Stahl. Dagegen ist ein starker Einfluss der Fokussierung auf die SchweiBnahtform zu beobachten (Abb. 3): Oberhalb einer Geschwindigkeit von 6 d m i n , dass sich die SchweiBnahtformen in Abhangigkeit der Fokussierbedingungen verandern und zusatzlich in drei Gruppen klassifizieren lassen. Die Nahte mit der groljten Einschweiljtiefe (df = 150 pm und 200 pm) weisen eine schlanke Form auf. Dies ist die Folge der verbesserten Fokussierbarkeit und des Abbildungsverhaltnisses von 1:1 (00 = 5,7 1"). Eine nahere Betrachtung der Nahtgeometrie f ir df = 75 pm und 100 pm (00 = I 1,31") zeigt, dass die seitliche Neigung der Nahtflanken den gleichen Winkel wie der fokussierte Laserstrahl in fi-eier Propagation auheist. Offensichtlich spielt bei solch starken Fokussierungen nicht nur der Taillendurchmesser des Strahls sondern auch seine Divergenz eine entscheidende Rolle f ir die Energieeinkopplung und die dadurch resultierende Einschweiljtiefe.
Einfluss des Divergenzwinkels bei Fokusdurchmessern kleiner 200 pm Aus den bisherigen Ergebnissen lasst sich ableiten, dass der Divergenzwinkel die Nahtform beim SchweiBen mit Fokusdurchmessern kleiner als 200 pm entscheidend beeinflusst. Um diesen Effekt auf direktem Wege zu demonstrieren, wird der Divergenminkel bei konstantem Fokusdurchmesser durch Veranderung des Abbildungsverhaltnisses und des Kerndurchmessers der Glasfaser variiert. Auf diesem Weg lassen sich zwei verschiedene Divergenzwinkel (00 = 11,31" und 0 0 = 8,59") bei einem Fokusdurchmesser von 100 pm realisieren.
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4
E E 3
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$2
a, z.- 2 a,
3 c
-
+Divergenzwinkei8,59"
--t Divergenzwinkel8,59"
--a- Divergenzwinkel 11,31"
-+-Divergenzwinkei11,31
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-
a,
3
.c
-
0
% I C df=lOO~rn iij St 14; t = 4 rnrn I I I 0
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-df=lOOprn AIMgSil; t = 4 rnrn
I
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I
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I
0
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Der Einfluss der unterschiedlichen Divergenzwinkel auf die Einschweiljtiefe fir Stahl und Aluminium sind deutlich in Abb. 4 zu sehen. Dabei fuhrt die kleinere Divergenz zu einer groljeren Einschweiljtiefe im gesamten untersuchten Geschwindigkeitsbereich. Fiir Vorschubgeschwindigkeiten bis v I 6 d m i n , wo die EinschweiBtiefe zunehmend von Warmeleitung gepragt wird, nahern sich die beiden Kurven einander an. Hingegen Ehrt bei groljeren Geschwindigkeiten der kleinere Divergenzwinkel zu einem Tiefengewinn bis ungefahr 0,45 mm fir Stahl und sogar 1 mm E r Aluminium. t=4rnm v = 10 rnlrnin
t=4mrn
t
- lld, / 0 0
d, = 75 pm e d , = 600 pm
/
-
J 0
I
/ t
- Ild,
/
0, = 11,31" +St 14
0 St14
+AIMgSiI
0 AlMgSil
0, = 8 , W
I
I
I
I
3
6
9
12
IlFokusdurchmesser in limm
I 0.415
0
3
+AIMgSiI
6
9
0 AlMgSil
12
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l/Fokusdurchmesser in l/mm
Abb. 5: Einschwegtiefe f i r Stahl und Aluminium als Funktion des inversen Fokusdurchmessers fur v = 5 m(min (links) und v = 10 m/min (rechts); PL = 3 kW.
Fur zwei reprasentative Vorschubgeschwindigkeiten und die beiden Materialien Stahl und Aluminium fasst Abb. 5 die oben geschilderten Ergebnisse zusammen: Bei Fokusdurchmessern zwischen df= 600 pm und 200 pm ist die Einschweiljtiefe, in Ubereinstimmung mit friiheren Aussagen, tatsachlich proportional zu l/df. Jedoch setzt bei ca. 150 pm eine plotzliche Umkehr ein, die sogar zu einer Abnahme der Einschweiljtiefe Ehrt. In einer tiefer gehenden Betrachtung [ 101 wird dies durch die Intensitatsverteilung entlang der Strahlpropagation erklart. Durch eine Verminderung des Divergenzwinkels (z. B. durch ein kleineres Strahlparameterprodukt des Lasersystems) lasst sich demnach die Einschweiljtiefe erhohen.
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Schweifinahtqualitat Neben dem Einfluss des Divergenzwinkels auf die erreichbare Einschweiljtiefe, ist auch dessen Auswirkung auf die Schweiljnahtqualitat von groljem Interesse. Aus den vorherigen Ergebnissen lasst sich ableiten, dass die Verringerung der Divergenz des fokussierten Strahls zu einer Erhohung der Vorschubgeschwindigkeit bei einer konstanten Einschweiljtiefe fihrt. In Abb. 6 ist deutlich zu erkennen, dass ein kleinerer Divergenzwinkel fiir beide gezeigten Fokusdurchmesser (df =lo0 pm und d f = 200 pm) einerseits eine schlankere Naht und andererseits eine geringere Porositat hervorruft. Des Weiteren ist im Fall des jeweils groljeren Divergenzwinkels je ein Auswurf im Rontgenbild zu erkennen.
Abb. 6: Vergleich der Schwegnahtqualitat bei 3,2 f 0,l mm Einschwegtiefe in AlMgSil bei jeweils PL = 3 kW. Um die erwahnten Abhangigkeiten noch weiter zu belegen, zeigt Abb. 7 die Porenanzahl (dPoren> 0,2 mm) als Funktion des Quotienten von Leistung/Einschweiljtiefe.Anhand der eingezeichneten Trendlinien (gestrichelte Linie entspricht groljeren Divergenzwinkel) ist die Abnahme der Porenanzahl mit geringerer Divergenz klar zu erkennen. 5
I
5)
\
*\
A
Divergenzwinkel8,59
A
*
\
.r 3 I
Divergenzwinkel5,71
O
Divergenzwinkel 11,31 '
\ '(r
\
t=4mm d, = 200 pm
500
1000
1500
Leistung / Einschweifitiefe in W/mm
2000
500
\ 1000
*
1500
2000
Leistung / Einschweifitiefe in Wfmm
Abb. 7: Porenanzahl bei variierendem Divergenzwinkel $2 zwei verschiedene Fokusdurchmesser als Funktion der Einschwegtiefe; PL = 3 kW, AlMgSil.
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Zusammenfassung Es konnte gezeigt werden, dass bei sehr hohen Intensitaten, wie sie mit stark fokussierenden Lasern erreicht werden konnen, die Divergenz des fokussierten Strahls eine beachtliche Rolle spielt: Im Bereich von Fokusdurchmessern unter 200 pm stellt der Divergenzwinkel des fokussierten Strahls einen limitierenden Faktor bezuglich der Einschweiljtiefe dar. Bei gleicher Einschweiljtiefe wird mit kleinerem Divergenzwinkel eine hohere Schweiljnahtqualitat erreicht. Von einer weiteren Steigerung der Fokussierbarkeit, welche die gleichzeitige Venvendung von einem sehr kleinen Fokusdurchmesser und einem geringen Divergenzwinkel moglich machen wiirde, wird eine weitere Erhohung der EinschweiBtiefe und eine Verbesserung der Schweiljnahtqualitat envartet. Stark fokussierbare Laser, wie der Scheibenlaser oder der Faserlaser haben das Potential, um diesen Ansatz weiter zu verfolgen.
Literatur Dausinger, F. : SchweiBen mit Laserstrahlen: Stand und Perspektiven von Strahlquellen und Anwendungen. In: Proceedings of 6'h International Conference Beam Technology 2004, DVS, 2004, p. 21. Hornig, H.; Schupp, A.: COz-RemoteschweiJen, eine sinnvolle Erganzung zur produktiven Fertigung der neuen BMW3er Reihe. In: Proc. SLT '05, Stuttgart, 2005. Meiners, E.: Scannerschweiljen - die Prozesskette andert sich. In: Proc. SLT '05, Stuttgart, 2005. Hopf, B.; Bernhardt, R. : Robotergefihrtes Laser-Remote SchweiJen auf dem Weg in den Karosseriebau. In: Proc. SLT '05, Stuttgart, 2005. Rippl, P.: Roboscan - die Kombination von Industrieroboter und Hochleistungslaser zum Remote-Schweij'en. In: Proc. SLT '05, Stuttgart, 2005. Dausinger, F.; RUB, A.: Welding with lasers of strong focusability. In: Proceedings of the 1St Pacific International Conference on Application of Lasers and Optics, 2004. Weberpals, J. et al.: Influence of the focus diameter in laser welding with thin disk laser. In: Lasers in Manufacturing 2005, p. 39, E. Beyer et al., AT-Fachverlag, Stuttgart, 2005. Dausinger, F .: Strahlwerkzeug Laser: Energieeinkopplung und Prozesse~ektivitat. Stuttgart: Teubner, 1994. Universitat Stuttgart, Habilitationsschrift, 1994, (Laser in der Materialbearbeitung,Forschungsberichte des IFSW). Hugel, H.; RUB, A.; Weberpals, J.; Dausinger, F: Welding with the Thin Disc Laser new processing and application potentials. In: SPIE Proceedings Vol. 5958, Paper No. 5958-07,2005. RUB, A. : Schweij'en mit dem Scheibenlaser - Potentiale der guten Fokussierbarkeit. Universitat Stuttgart, Dissertation 2005. Munchen: Herbert Utz Verlag, 2005 (Laser in der Materialbearbeitung,Forschungsberichte des IFSW).
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RoboScan - die Kombination von Industrieroboter und Hochleistungslaser zum Remote-SchweiBen Peter Rippl KUKA Schweissanlagen, BlucherstraBe 144, D-86 165 Augsburg
Abstract Der LaserschweiBprozess gewinnt aufgrund der hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten immer mehr an Bedeutung. Die inzwischen durch moderne Laserstrahlquellen moglichen hohen Strahlqualitaten ermoglichen zudem lange Brennweiten auch bei Lasern der oberen Leistungsklasse. Um die moglichen schnellen Bewegungen in der Fertigung umzusetzen sind Scannersysteme im Einsatz die teilweise auch von Robotern bewegt werden. Bei der im Folgenden vorgestellten Methode werden die Orientierungsbewegungen des Roboters in Verbindung mit langeren Laser-Brennweiten genutzt, um die Scannfunktionen durch den Roboter zu realisieren und dariiber hinaus auch groBere Versatzbewegungen als der Scanner durchzufihren. Damit konnen die bisher nicht vermeidbaren Todzeiten des Lasers auch ohne eine aufwandige Lasermanagementfunktion wesentlich besser ausgenutzt werden. Die vorgestellte Prozess- und Systemtechnik erlaubt damit neue Anlagenkonzepte, die qualitativ bessere und wirtschaftlich gunstigere Produktionsmethoden und Produkte ergibt, wie dies an Beispielen der Karosseriefertigung aufgezeigt wird.
Remote-Technik und XY-Scanner Das Adjektiv ,,remote" aus dem Englischen steht f ir die Begriffe ,,fern, entfernt oder weit weg". In der Lasertechnik wird damit die Entfernung des letzten Spiegels oder der letzten Linse vom Wirkort am Bauteil, d.h. in letzter Konsequenz die Brennweite, naher spezifiziert. Beim LaserstrahlschweiBen im Hochleistungsbereich wird von einer kurzen Brennweite im Bereich 50 bis 150 mm beim Diodenlaser gesprochen; mittlere Brennweiten zwischen 150 und 300 mm sind beim Nd:YAG-Laser und 200 bis 500 mm beim C02-Laser Standard; beim Slab-Laser sind 1000 mm Brennweite gleichermafjen moglich, wobei die StrahlEhrung dabei nur uber Spiegel erfolgen kann. Der minimale Fokusdurchmesser wird beim Festkorperlaser beeinfluljt durch die Strahldivergenz des Rohstrahles, gekennzeichnet durch das Strahlparameterprodukt, dem Faserdurchmesser, die Kollimationslange und dem Kollimationswinkel sowie der Brennweite. Im Blechdickenbereich der Stahlkarosse sind Fokusdurchmesser von ca. 0,6 mm notwendig, um bei einer gegebenen Laserleistung von ca. 4 kW noch ausreichende SchweiBgeschwindigkeiten zu erreichen; bei Aluminiumaufgaben ist aufgrund der Reflexionsbedingung der maximale Fokusdurchmesser zur Erzielung einer notwendigen Energiedichte bei gleicher Laserleistung f ir eine ausreichend gute Ankopplung begrenzt. Bisherige Remote-Anwendungen beschranken sich fast ausschlieljlich auf den C02Laser als Strahlerzeuger, da nur dieser bisher ausreichend gute Strahleigenschaften mit guter Fokussierbarkeit bei ausreichender Leistung und damit Energiedichte, besonders in der Ausfihrung als Slablaser, aufweist. Derartige Bearbeitungseinrichtungen sind meist Spiegelsysteme mit XY-Scannern, die entweder stationar zweiachsig bei einem Scannerabstand von z.B. 1000 mm eine Flache von 800 x 800 111111' uberstreichen oder als Scanner in Portalsystemen integriert mit Strahlfihrung uber Spiegelsysteme auch
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Umorientierungen im 3D-Bereich ermoglichen. Lampengepumpte Festkorperlaser mittels Strahlfiihng uber Lichtleitfaser sind in Verbindung mit Industrierobotern und XY-Scannern derzeit nur bis ca. 250 - 300 mm Brennweite einsetzbar; dies fiihrt zu entsprechend kleinen Scannerflachen. Steuerungstechnisch kann der Roboter z.B. nur die Scanner-Versatzbewegung durchfiihren und die eigentliche Schweiljbewegung wird vom Scanner selbst ubernommen; langere Bahnbewegungen konnen natiirlich vom Roboter auch im Bahnbetrieb erfolgen, wobei der XY-Scanner dann selbst keine Fokusbewegungen durchfiihrt. Eine lherlagerung beider Bewegungen erlaubt kontinuierliche Bewegungen der Robotermechanik und schnelle Bahnbewegungen des Fokuspunktes
RoboScan - der Roboter als Scanner Im Falle von RoboScan bewegt der Roboter wie beim konventionellen Laserstrahlschweiljen die Fokussieroptik f%r die SchweiB- und Versatzbewegungen. Sowohl der Bahnbewegung als auch der Versatzbewegung ist jedoch immer eine Orientierungsanderung uberlagert, die im Zeitanteil hauptsachlich die Schweiljbewegung ist; d.h. wahrend der Schweiljbewegung wird die Robotermechanik schon in Richtung zukiinftiger Schweiljnahte bewegt, bzw. am Nahtanfang befindet sich die Robotermechanik noch nicht vollstandig im Bereich der Naht und gelangt erst wahrend der Schweiljbewegung in die neutrale Orientierung zur Naht. Abbildung 1 zeigt links die konventionelle Schweiljund Versatzbewegung (RoboNorm) bei senkrechter Orientierung des Laserstrahles zum Bauteil. Bei einer angenommenen Schweiljgeschwindig-keit von 4 d m i n und 20 mm Nahtlange mulj zwischen den Nahten die komplette Robotermechanik rnit den einzelnen Achsantrieben maximal beschleunigt werden, um schnelle Versatzbewegungen und damit kurze Taktzeiten zu erreichen. Je nach Lage des Bauteiles im Raum und Zuordnung zum Roboter werden einzelne Achsen zu sogenannten ,,fiihrenden Achsen", d.h. sie haben maximale Winkel oder Wege zu uberstreichen und begrenzen somit die Versatzzeit, da sie mit maximal vorbesetzten Beschleunigungswertenarbeiten. RoboNorm
RoboTrace
+
RoboPoint
=
RoboScan
Abb. 1:UnterschiedlicheBewegungsformenfur die SchweiJ- und Versatzbewegung: Links konventionelle TechnikRoboNorm; RoboTrace und RoboPointfuhrt zu RoboScan. Wird langs der Bahn in Bahnrichtung eine Orientierungsanderung vorgenommen (Robo-Trace), kann mit dem eigentlichen Schweiljen schon in der stechenden Laserorientierung begonnen werden, wahrend sich die Roboterhand noch auf den Startpunkt zu bewegt. Wahrend des Schweiljvorganges langs der Naht orientiert der Laserstrahl uber die neutrale Anstellung zur schleppenden Orientierung in Richtung der nachsten Naht um, und bringt damit die Robotermechanik schon in die Nahe der zukiinftig zu schweiljenden Naht. Somit ist der Schweiljbewegung von z.B. 4 d m i n eine Roboterbewegung im Handachsenbereich von 30 d m i n mit Orientierungsanderung uberlagert. Erfolgt die
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Laserstrahlbewegung ubenvie-gend durch Winkelanderungen aus den Handachsen (RoboPoint), h l i c h dem Laserpointer an der Projektionsleinwand, so ist eine weitere Steigerung der Versatzgeschwindigkeit durch zusatzliche Nutzung der Orientierungsanderg quer zur Bahn moglich. Im Falle von RoboScan wird der Roboter letztendlich als ein 6achsiger Scanner genutzt, der im Gegensatz zu herkommlichen Scannern frei programmierbare Versatz- und Orientierungsbewegungen ausfiihren kann. Die Robotersteuerung darf dabei nicht nur bahnbezogen Winkelanderungen zulassen, sondern mulj winkelbezogen und bahnbezogen programmiert werden konnen.
RoboScan - Vorteile fur die flexible Fertigung Die Vorteile der Remote-Technik unter Anwendung des 0.g. Bewegungsablaufes ergeben sich aus den Nachteilen der herkommlichen fliegenden Lasermaterialbearbeitung. Dies sind hohe Beschleunigungsmomente fiir den Roboter am Beginn und Ende der Versatzbewegung und daraus resultierend eine starke Belastung der Getriebe in diesen Phasen sowie keine effektive Lasernutzung aufgrund der langen Zeitanteile fiir die Versatzbewegung. Mittels der RoboScan-Technik werden durch die laterale Anstellung des Laserstrahls Versatzbewegungen gar nicht notwendig oder durch stechende Anstellung am Nahtbeginn bzw. schleppende Anstellung am Nahtende in die Zeit der Schweiljbewegung verlegt. Damit ergeben sich folgende Vorteile und Moglichkeiten (Abb. 2): neue Anlagenkonzepte aufgrund der hoheren Versatzgeschwindigkeit und damit Verkiirzung der Taktzeit mehr produktiver Arbeitsinhalt pro Roboter und pro Zelle bzw. Station die Reduktion der Anzahl Stationen fuhrt letztendlich zu kleineren Linien und damit schlankeren Fertigungsstatten bessere Zuganglichkeit des Bearbeitungswerkzeuges aufgrund groljerer Brennweite groljere Strahlquellennutzung aufgrund weniger Versatzzeit Lasermanagement durch Nutzung einer Strahlquelle durch mehrere Roboter gleichermaljen moglich langere Lebensdauer und geringerer Verschleilj durch weichere Bewegungsablaufe mit geringerer Belastung weniger Systemkomponenten, kein Scanner, weniger Spiegel, weniger Fehlermoglichkeiten geringere Investitionskosten durch Wegfall von Scanner und Steuerung bei Nutzung des Roboters mit Scannerfunktion Steigerung der Schweiljqualitat, Fokuslageschwankungen sind aufgrund der langeren Brennweite unkritischer.
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Reduktion Invest Mehrstrichtechnik mit Lasern geringer Leistung z.B. 2 kW, 7 d m i n
Steigerung Bauteilqualitat Geometrie und Festigkeit . 20.000 Lasernahte @ 5 mm
Reduktion der Versatzbewegung Versatzbewegungszeit ist gleichzeitig Prozesszeit durch Scannerroboter
'
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Abb. 2: RoboScan: Vorteilef i r die flexible Fertigung im Hinblick auf Qualitat und Kosten.
SchluDbemerkung Bei der Auswahl der einzelnen Komponenten fur ein 3D-Laserstrahlmaterialbearbeitungssystem - bestehend aus Strahlquelle, Strahlfuhrungssystem mit Bearbeitungsoptik, Industrieroboter und Peripherie einschliel3lich der Spanntechnik - hangt von einer Vielzahl von Kriterien und EinfluBgroBen ab, die im Einzelfall immer wieder optimal auf die Fertigungsaufgabe abzustimmen sind. Vom Markt werden dabei fast ausschliefllich komplette Problemlosungen gewiinscht. Die Erstellung von wirschaftlich und technisch vorteilhaften flexiblen Fertigungseinrichtungen erfordert - insbesonders in der Planungs- und Inbetriebnahmephase - eine enge Zusamrnenarbeit zwischen Anlagenbetreiber und kompetentem Anlagenlieferanten. Fur die Remote-Technik sind Laser hoher Strahlqualitat notwendig, wie sie im Falle von Faserlasern bzw. Scheiben- oder diodengepumpten Festkorperlasern heute schon zur Verfiigung stehen. Die oben vorgestellte Prozess- und Systemtechnik erlaubt damit neue Anlagenkonzepte, die qualitativ bessere und wirtschaftlich gunstigere Produktionsmethoden und Produkte ergibt.
Fortschritte in der Strahlquellenentwicklung
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Innovative Strahlquellen Peter Leibinger TRUMPF GmbH + Co. KG, Johann-Maus-Str. 2, D-71254 Ditzingen
Innovative Strahlquellen Innovation ist ein vie1 bemiihter Begriff. Er steht wortlich fir ,,Neuerung" oder ,,Erneuerung". Das Wort leitet sich aus den lateinischen Begriffen novus fiir neu und innovatio fiir etwas neu Geschaffenes ab. Wenn wir diesen Begriff auf Produkte beziehen, wird dieser als wirtschaftliche Umsetzung von neuen Ideen und Erfindungen verstanden. Die Schaffung neuer Produkte wird als Invention, die marktliche Umsetzung wird dagegen als Innovation bezeichnet. ,,Innovative Strahlquellen" sind dieser Definition zufolge Strahlquellen, die wirtschaftlich erfolgreich und zudem neuartig sind. Dabei ist zu beachten, dass es nicht nur auf den Neuheitsgrad ankommt. Bei einer Innovation ist der zweite Teil, also die marktliche Umsetzung in gleichem Mal3e bedeutend. Gerade dieser Aspekt wird vielfach unterschatzt . Ich mochte am Beispiel von TRUMPF und der Entwicklung der Strahlquellen bei TRUMPF auf diesen Punkt eingehen. In den 70er Jahren stellte TRUMPF ausschliel3lich computergesteuerte mechanische Maschinen zur Blechbearbeitung her. Unsere Maschinen trennten Bleche und produzierten Teile durch Stanzen und das konsekutive Stanzen, das Nibbeln. Dies waren damals die beiden einzigen Verfahren, mit dem Blechteile schnell und flexibel bearbeitet werden konnten. Ende der 70er Jahre erfuhren wir, dass es gelungen war, mit einem Laser Blechteile thermisch zu trennen. Trotz unserer anerkannten Kompetenz auf dem Gebiet der Nibbelmaschinen - oder gerade weil der Laser in die Kernkompetenz von TRUMPF bedrohte - beschlossen wir, uns mit der Lasertechnologie zu beschaftigen. Der Hochleistungslaser war bis zu diesem Zeitpunkt nur in einigen Laboren von Forschungseinrichtungen fir experimentelle Zwecke im Einsatz. Wir haben Laser von *amerikanischenHerstellern envorben und an unsere Stanzmaschinen angebaut. Die schlechte Verlasslichkeit und die fehlende Robustheit der Laser machten den Lasereinsatz im industriellen Umfeld problematisch. Der Hersteller der Laser ging aber nicht auf unsere Forderungen ein, die Gerate entsprechend unserer Vorschlage umzukonstruieren und zu verbessern. So entschlossen wir uns, selbst einen Laser zu entwickeln, der unseren Anforderungen gerecht wurde. Wir waren erfolgreich und schufen somit die Grundvorrausetzung fir den Einsatz der Lasertechnologie in der Blechbearbeitung. Betrachtet man die damalige Situation aus der heutigen Perspektive, so haben wir bei der Einfihrung der Lasertechnik Pionierarbeit geleistet. Seitens des Marktes wurden wenige Anforderungen an die Strahlquelle gestellt. Dem industrietauglichen Konzept der Strahlquelle kam die Schliisselrolle zu. Die Anwender hatten wenig Wissen iiber die Moglichkeiten des Werkzeugs Laser, so dass der Laser zunachst bei den bekannten Applikationen wie dem Blechschneiden eingesetzt wurde. Durch den fortschreitenden Evolutionsprozess, der bei den Strahlquellenherstellern und den Anwendern stattfand, wurde der Laser in weiteren Applikationsfeldern eingesetzt. Ausschlaggebend zur Entstehung des heutigen Marktumfelds ist der Wissenszuwachs bei den Anwendern und den Strahlquellenherstellern. Der Anwender ist heute in der Lage, selbst technische Anforderungen an die Strahlquelle zu forrnulieren. Dies ist ein ganz wesentliches
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Merkmal des heutigen Lasermarkts und findet sich daher auch bei den heutigen Innovationen in der Lasertechnik wieder. Man kann die heutigen Applikationen grob in zwei Klassen einteilen: 1. Bei vielen Applikationen ist der- Laser etabliert und dementsprechend haben die Marktanforderungen eine entscheidende Bedeutung. Innovation ist bei diesen Applikationen zunehmend an die Komponente der marktlichen Umsetzung, also der Erfiillung von Marktanforderungen, geknupft. Produkte, die den Marktanforderungen entsprechen, aber schon am Markt etabliert sind, stellen keine Innovation mehr dar. Die Konsequenz ist, dass Produktinnovationen nur dam moglich sind, wenn eine Bedarfsverschiebung durch den Anwender stattfindet. Beispiele dafiir sind die Forderungen nach hoherer Laserleistung, nach Serviceleistungen oder nach Gewahrleistungen. 2. Bei neuen Applikationen ist die Erfiillung der grundsatzlich geforderten technischen Merkmale entscheidend. Der Innovationscharakter ist dementsprechend mehr durch den Neuheitsgrad bestimmt. Ware bei einer neuen Applikation nur der Einsatz eines Lasers moglich, waren also die technischen Merkmale sehr entscheidend, lage der innovative Charakter vollstandig auf dem Neuartigen.
Der TRUMPF Scheibenlaser Aus Sicht von TRUMPF ist der Scheibenlaser ein Laser mit grundlegend neuen technischen Eigenschaften. Die hohe Strahlqualitat ist dabei ein wichtiges Merkmal. Zusammen mit einem Scanner-System wie der Programmierbaren Fokussieroptik PFO gelingt es, diese technische Neuerung in einen Kundennutzen umzusetzen. Die Situation im Karosserierohbau ist dabei ein gutes Beispiel. Das Laserschweiljen steht in direkter Konkurrenz zum Widerstands-Punktschweiljen(WPS). Jahrelange Expertise der Anwender mit dem Verfahren und niedrige Investitionskosten der Schweiljanlagen lieBen den Einsatz des Lasers bei oberflachlicher Betrachtung aus wirtschaftlicher Sicht schwer moglich erscheinen. Die Betrachtung des total cost of ownership hat den scheinbaren Vorteil des WPS aber in vielen Fallen als falsch entlarft. Durch den Einsatz eines Scanners konnen sehr kurze Positionierungszeiten realisiert werden. Dies fiihrt zu einer weiteren Erhohung der Strahlanzeit und zu erheblichen VorAbb. 1: Resonatoraujhau im teilen in der Wirtschaftlichkeit gegeniiber dem WPS. Scheibenlaser. Wie man an diesem Beispiel sieht, sind die technischen Eigenschaften nur ein Teilaspekt der Innovation. In diesem Fall ist das technische Novum ein Mittler, um die marktseitigen Anforderungen zu erfiillen. An erster Stelle steht die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens. Dariiber hinaus bestehen weitere Marktanforderungen an den Laser, so dass insgesamt der Schwerpunkt starker beim ersten Aspekt der Innovation, der marktlichen Umsetzung, zu sehen ist: Durch das TRUMPF LASERNETWORK entstehen dem Anwender entscheidende Vorteile: 1. Die Laserstrahlquelle kann effektiv auf verschiedene Bearbeitungsstationen aufgeteilt werden. 2. Durch das LASERNETWORK kann die Strahlzufiihrung mittels Lichtleitkabel redundant aufgebaut werden. Dies bedeutet eine wesentliche Sicherheit fiir Produktionsprozesse, die permanent verfiigbar sein miissen.
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Die TRUMPF Teleprasenz ermoglicht, dass im Falle einer Fehlfunktion die Ursache schnell lokalisiert werden kann. Auch dies fiihrt zu einer deutlichen Erhohung der Produktionssicherheit. Schlieljlich gehort auch das Service-Konzept zu den Starken des Scheibenlasers. Der Wechsel der Pumpelemente ist besonders einfach und kann auch von unqualifiziertem Personal schnell und zuverlassig durchgefihrt werden. Dies alles fuhrt zu einer hohen Verfiigbarkeit der Strahlquelle. Die Innovation Scheibenlaser umfasst also Abb. 2: Pumpmodule des Scheibenweit mehr, als nur die vordergriindigen technischen lasers. Merkmale. Der TRUMPF Scheibenlaser stellt eine umfassende Losung aller marktseitig relevanten Anforderungen dar. Und die Anwender geben uns recht: Mit der industrietauglichen Umsetzung des 4kW-Scheibenlasers haben wir die innovative Laserstrahlquelle Scheibenlaser erfolgreich im Markt platziert. Ich mochte nun auch noch auf ein weiteres Beispiel eingehen, bei der die Umsetzung der grundlegenden technischen Eigenschaften besondere Bedeutung erlangt. Es ist das Feld der Mikromaterialbearbeitung.
Mikrobearbeitung Die fortschreitende Miniaturisierung, die in vielen Bereichen stattfindet, aber auch neuartige Produkte, die nur mittels Mikrostrukturierung herstellbar sind, fiihren zu einer stark wachsenden Nachfrage nach geeigneten Produktionsverfahren. Insgesamt betrachtet, stellt die Mikromaterialbearbeitung ein Feld dar, das groljes Entwicklungs- und damit auch Wachstumspotenzial bietet. Die heute etablierten Methoden, die zur Erzeugung von Strukturen sehr kleiner Abmessungen venvendet werden und hauptsachlich in der Mikroelektronik Venvendung finden, basieren auf photolithographischen Verfahren. Das dabei erreichbare Aspektverhaltnis, also das Verhaltnis Tiefe zu Breite der Struktur, ist dabei sehr stark begrenzt. Die ijbertragbarkeit der Technologie auf groRere Strukturen die im Bereich von 10 bis 100 pm liegen, ist nur begrenzt moglich. Sehr grol3e Strukturen werden iiber die seit Jahrzehnten immer weiter verfeinerten iiblichen Materialbearbeitungsverfahrenbeherrscht. Diese klassischen Bearbeitungszentren wurden sukzessive fortentwickelt, so dass heute eine sehr hohe Genauigkeit im Sub-ZehntelBereich erreicht wird. Die Schnittstelle zwischen der makroskopischen Materialbearbeitung und der Mikrostrukturierung, die in etwa StrukturgroRenvon 10 bis ca. 300 pm umfasst, kann heute allerdings nur punktuell durch Verfahren abgebildet werden, die wirtschaftlich sind. Es sind deshalb vonviegend Nischenanwendungen, welche auf spezielle Fertigungstechnologien zugeschnitten sind, die sich in den letzten Jahren entwickelt haben und den Grundstein fir die Verfahrensentwicklungbilden. Die grundlegenden Technologien lassen sich aber identifizieren, die fiir das zukiinftige Spektrum der Mikromaterialbearbeitung von Bedeutung sein werden.
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1. Mikrobohrungen Eine ganz wesentliche Basistechnologie sehen wir heute darin, Mikrobohrungen mit hoher Genauigkeit in Materialien fast beliebiger Zusammensetzung einzubringen. Viele Applikationen erfordern heute eine prazise Dosierung von Fliissigkeiten aller Art,bei denen die Stromungsdynamik eine entscheidende Rolle spielt. 2. Oberflachenstrukturierung
Mit tribologischen Oberflachen lassen sich Eigenschaften erzielen, die bislang nicht konventionell hergestellt werden konnen. Durch gezielte Mikrostmkturierung las- Abb. 3:Bohrungen in Keramik, hergestellt sen sich beispielsweise Funktionsflachen her- mit dem TL 35-1 VQ.Durchmesser: 100 stellen, die verminderte Reibeigenschaften auf- pm. Tiefe: 200 pm. Illustration: Menschliweisen. Ein Beispiel ist die Laufflache des ZY- ches Haar durch cine Bohrung gefadelt. linderkopfs. Durch Strukturierung lasst sich die Adhasion des Olfilms deutlich verbessern, da beim Gleiten des Zylinderkopfes uber die eingebrachten Vertiefungen ein Berdruck entsteht.
3. Feinschneiden Aber auch das Schneiden mikrofeiner Strukturen ist ein wesentliches Bearbeitungsverfahren. Anwendungsgebiete finden sich schon heute in der Mikroelektronik, beispielsweise bei der Herstellung von Silizium-Solarzellen. Auch hierbei handelt es sich um eine substanzielle Methode, mit der man kleine Strukturen erzeugen kann. Die Erschlierjung dieser Basistechnologien gelingt durch Laser, die grundlegend neue Eigenschaften aufweisen. Die Erfiillung der technischen Anforderungen steht daher im Mittelpunkt der Innovation. TRUMPF bietet dam eine Palette von Strahlquellen an, die zur Mikromaterialbearbeitung eingesetzt werden. Der Vectormark Impact, ein diodengepumpter YAG-Beschriftungslaser, kann beispielsweise auch zum Gravieren und Strukturieren eingesetzt werden. Eine ganz neue Baurreihe ist die TL Q-Serie. Diese Laser haben sehr hohe Strahlqualitat und verftigen dariiber hinaus uber sehr hohe Pulsleistungen. Der Laser kann iiberall dort eingesetzt werden, wo Eigenschaften von Oberflachen modifiziert werden miissen. Beispiele hierflir sind die Reibungsoptimierung in Zylinderlaufflachen von Motoren, auf Feinschneid- oder Stanzwerkzeugen. Aber auch in der Produktion von Solarzellen und -modulen spielt der Laser seine Vorteile aus, z.B. bei der Kantenisolation Abb. 4: Der Mibubearbei- von Diinnschichtsolarzellen. Der Laser ermoglicht nicht nur tungslaser TL 35-1 VQ. punkt- und linienformige Strukturen, sondern erzeugt auch ganze Formen durch schichtweises Abtragen. Im Werkzeug- und Formenbau ist der Laser ein wirtschaftliches Werkzeug und erzeugt kleinste Kavitaten teil-
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weise mit Bearbeitungsdurchmessern von kleiner 30 pm. Kleinste Bohrdurchmesser und hochste Aspektverhaltnisse konnen mit den TL Q-Lasern erreicht werden. Ihre exakte Strahlrundheit und Strahllage bewirken auI3erdem auI3erst prazise Bohrlocher. Ob Einspritzdusen fiir Kfz-Motoren oder Spinndusen, ob in der Messtechnik oder in der Mikrofluidtechnik: Unterschiedlichste Materialien werden exakt und reproduzierbar gebohrt. Bei den entwickelten Strahlquellen handelt es sich natiirlich um Produkte, die wie von TRUMPF gewohnt industrietauglich sind. Dies ist ein ganz wesentliches Kriterium, um in diesem neuen Markt erfolgreich zu sein.
Schluss Innovation, das ist die erfolgreiche wirtschaftliche Umsetzung von Neuerungen. Zwei Arten von Innovation kann man dabei unterscheiden. Der Scheibenlaser ist ein innovatives Produkt fiir einen bestehenden Markt, der seine Anforderungen klar definiert hat. Er ist weitaus mehr als nur eine technische Losung einer Strahlquelle; er stellt ein umfassend zu Ende gedachtes Konzept fiir die Materialbearbeitung dar. Die TL Q-Laser sind Laser flir einen heute jungen Markt. Die Bereitstellung von industrietauglichen Lasern fur die Mikrobearbeitung stellt ein Novum dar. Erstmals konnen fundamentale Bearbeitungsverfahren in der Mikromaterialbearbeitung groljtechnisch beherrscht werden; die marktliche Umsetzung findet statt. Der Laser verspricht dabei, wie in der fi-iihen Phase der Lasermaterialbearbeitung erneut zu einer EnablerTechnologie zu werden, die ein neues Feld, das der Mikromaterialbearbeitung, erschlieljbar macht.
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Laserstrahlquellen fur die Materialbearbeitung: Slab - Scheibe - Stab Ulrich Hefter ROFIN SINAR Laser GmbH, Berzeliusstrafie 83, D-22 113 Hamburg
Kaum eine Lasertechnologie im Hochleistungsbereich steht so sehr fiir einen Hersteller wie das Prinzip des diffusionsgekiihlten C02-Slab-Lasers fir ROFIN-SINAR. Erganzt wird diese Lasertechnologie auf dem Festkorperlasersektor durch den Scheibenlaser und den gutegeschalteten Hochleistungs-Stablaser.
COz-Slab-Laser Die Entwicklung der Hochleistungs-C0~-Laserwurde Anfang der 80er Jahre durch die ,,fast-axial-flow"-Technologiebeflugelt. Allerdings stellten sich beim Einsatz dieser Laser im industriellen Umfeld schnell die benotigten Roots-Geblase und Turbinen als Schwachstelle heraus. Friihzeitig kam deshalb der Wunsch nach einem zuverlassigen Hochleistungs-C02Laser auf, der ohne mechanische Gasumwalzung auskommen konnte.
Abb. 1: Entladungs~ud~l eines C02-Slab-Lasers. Erste Untersuchungen eines Koaxial-Laserkonzeptes zusammen mit dem Fraunhofer Institut fir Lasertechnik fihrten bald zu Problemen bei der Leistungs-Skalierbarkeit und der Strahlformung. Zeitgleich von der DLR in Stuttgart und von Prof. Tulip durchgefiihrte Untersuchungen eines Plattenlaser-Konzeptes mit flachig diffusionsgekiihlten Elektroden, zeigten hingegen schnell die Eignung dieses Konzeptes fir eine industrielle Umsetzung. Seit 1990 besitzt ROFIN-SINAR Exklusivlizenzen fiir den Bau und Vertrieb solcher Laser fir die Materialbearbeitung. Das Slab-Konzept stellt eine Abwandlung des bekannten Wellenleiterlasers dar, bei dem das aktive Gasvolumen in zwei Richtungen von Wanden begrenzt wird, die sowohl einen optischen Wellenleiter bilden als auch gleichzeitig zur Warmeabfuhr aus dem Lasergas und als HF-Elektroden dienen. Die Leistung solcher Laser kann nur durch Skalierung iiber die Lange der Wellenleiter erhoht werden. Das Neue am Slab-Konzept ist, dass der Wellenleiter nur in einer Dimension besteht und gemeinsam mit den Endspiegeln einen optischen Resonator in dieser Achse bildet, wahrend die zweite Dimension nicht durch Wandflachen begrenzt
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ist. Dies ermoglicht eine Leistungsskalierung uber die Vergroljerung der Flache der Elektroden und sollte, selbst bei konservativer Abschatzung, die Realisierung eines multi-kW Lasers erlauben. Durch den Wellenleiter in einer Ebene und einen instabilen Resonator in der anderen Ebene sollte rnit solch einem Laser beugungsbegrenzte Strahlung auch bei Leistungen von mehren kW erzeugt werden konnen. Nach umfangreichen F&E-Arbeiten war es dann 1995 soweit, dass die ersten SlabLaser rnit einer Ausgangsleistung von 2 kW und einer bis dahin nicht erzielten Strahlqualitat von K > 0.9 (M2 < 1.1) an Kunden ausgeliefert werden konnten. Schnell bewies sich in der Praxis, dass die bessere Strahlqualitat direkt in hohere Bearbeitungsgeschwindigkeiten umsetzbar ist. Innerhalb der letzten 10 Jahre seit Einfiihrung der Slab-Laser wurde die Ausgangsleistung kontinuierlich bis auf - anfangs nicht fiir moglich gehaltene - 8 kW angehoben. Dies ist um so bemerkenswerter, als dass auch diese hohen Leistungen bei gleichbleibend hoher Strahlqualitat von K > 0.9 erzielt werden. Bereits rnit den ersten Slab-Lasern konnten auf Grund der hohen Strahlqualitat Bauund Edelstahle rnit exzellenter Kantenqualitat schneller als mit Lasern konventioneller Bauart geschnitten werden. Durch mittlerweile besseres Verstandnis der Schneidprozesse konnen auch im Dickblechbereich Slab-Laser mit zunehmend hoherer Leistung konkurrenzfahig eingesetzt werden. Ahnlich wie beim Schneiden profitiert auch das Schweiljen von der besseren Strahlqualitat der Slab-Laser: so werden mit dem 8 kW Slab-Laser Einschweiljtiefen und Geschwindigkeiten erzielt, die bisher nur mit 10 bis 12kW-Lasern erreicht werden konnten. Mit der Slab-Lasertechnologie konnte die anfangliche Vision von einem ,,no flow" Hochleistungs-C02-Laser rnit hoher Verfiigbarkeit und geringen Betriebskosten erfolgreich in der Praxis realisiert werden. Dariiber hinaus bietet der Slab-Laser den Vorteil, die selbst bei hohen Leistungen gleichbleibend hochste Strahlqualitat in Applikationsqualitat und Prozessgeschwindigkeit umzusetzen.
Yb:YAG-Scheibenlaser Bei Festkorperlasern wird die Skalierbarkeit der Ausgangsleistung bei gleichbleibend hoher Strahlqualitat, die wir von der CO2-Slab-Lasertechnologie her kennen, durch das Konzept des Scheibenlasers moglich. Hier lasst sich die Ausgangsleistung uber die genutzte Flache der Scheibe skalieren. Dabei ermoglicht die homogene Brechung uber die genutzte Flache die gleichbleibend hohe Strahlqualitat; zudem entfallt der Einfluss einer thermischen Linse. Basierend auf ersten Untersuchungen, die Dr. Giesen mit seinen Mitarbeiter 1993/94 hier an DLR und IFSW an einem 2 W-Scheibenlaser begann, wurde die Vision eines multikW-Lasers geboren, der eine deutlich bessere Strahlqualitat als bisherige Festkorperlaser dieser Leistung erreichen sollte. Aber ahnlich wie beim C02-Slab-Laser war auch beim Scheibenlaser der Weg von der Idee zum Produkt oft lbger als zunachst gedacht. Insbesondere die Handhabung einer dunnen Scheibe, in der mehrere Kilowatt an Pumpleistung in wenigen m3in Laserleistung umgesetzt werden, bereitete anfangs erhebliche Schwierigkeiten. Mittlenveile existieren Herstellungs- und Montage-Verfahren fiir Scheiben, die zur Extraktion von bis zu 4 kW geeignet sind.
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Abb. 2: 3 kWScheibenlaser.
Durch Kopplung mehrerer Scheiben in einem Resonator oder mehrerer Scheibenlaser zu einem Laserstrahl werden sich in Zukunft noch hohere Ausgangsleistungen bei gleichblei-
bend hoher Strahlqualitat erzielen lassen. Forderungen der Industrie f i r zukiinftige Anwendungen liegen hier bei 4 - 6 kW am Werkstiick. Von ROFIN-SINAR wurden auf der ,,LASER'-Messe im Juni diesen Jahres Scheibenlaser rnit einer Nutzleistung von 1,5 kW pro Scheibe vorgestellt. Mit den Modellen DS 015 HQ und DS 030 HQ, die auf einer Scheibe bzw. 2 polarisationsgekoppelten Scheiben basieren, wird der Leistungsbereich bis 3 kW abgedeckt. Je nach Anforderung konnen Fasern von 150 - 300 p eingesetzt werden. In Kiirze werden der DS 020 und der DS 040 rnit 2 bzw. 4 kW Ausgangsleistung, die auf demselben Prinzip basieren, folgen. Vergleicht man diese neuen Scheibenlaser rnit Nd:YAG-Stablasern, ergibt sich mit einem 3 kW Scheibenlaser fiir das SchweiBen von Baustahlen bis zu einer EinschweiBtiefe von 3 mm eine Performance wie rnit einem 4 kW Laser rnit einer 400 pm Faser, respektive einem 6 kW Laser rnit einer 600 pm Faser. Selbst bei Werkstoffen wie Aluminium erreicht der Laser auf Grund seiner exzellenten Strahlqualitat die Applikationswerte eines 4 kW Stablasers bis 2,5 mm Materialstarke. Bekanntermaljen zahlt in dickeren Materialien dam die Absolutleistung. Da die Hauptanwendungsgebiete der Scheibenlaser aber im Bereich von < 3 mm liegen, erzielt ein 3 kW Laser bereits Applikationsgeschwindigkeiten, die eher durch das Bewegungssystem als durch den Laser limitiert werden. Scheibenlaser rnit einer Ausgangsleistung von 1,5 kW finden hauptsachlich Anwendung im Bereich des Schneidens mit 3D-Bewegunssystemen oder beim NahtschweiBen ,,kleiner" Bauteile. Die um den Faktor 2 bessere Strahlqualitat gegenuber Stablasern erlaubt z.B. eine Vergroljerung des Prozessfensters in Dusenabstand und Fokuslage um den Faktor 3; fir den industriellen Einsatz ein wichtiges Argument. Beispielhaft sei eine Schneidgeschwindigkeit von knapp 15 d m i n bei 1 mm Aluminiumblechen genannt. Beim SchweiBen werden die Warmeeinflusszonen deutlich reduziert: auch wenn diese in der Regel applikationsabhangig sind, sind 50 % der bisherigen Werte keine Seltenheit. Eine EinschweiBtiefe von 1 mm (StumpfstoB) bei 18 d m i n Vorschub mit 1.500 Watt sind, bedingt durch die hohe Strahlqualitat, Produktivitaten, die bisher nicht erreichbar waren. Die Kombination von Strahlqualitat und Laserleistung erofhet unter anderem Applikationsfelder im Bereich des ScannerschweiBens: robotergefihrte Strahlablenksystemeerlauben eine Laserauslastung von > 80 %, so dass ,,Return on Invest", ein wichtiges, wenn nicht das wichtigste Kriterium, schneller als bisher erfiillt werden kann.
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Nd:YAG- Stablaser Obwohl das Konzept des Nd:YAG-Stablasers Nachteile beziiglich der Strahlqualitat mit sich bringt, bietet es den entscheidenden Vorteil des gutegeschalteten Betriebes. Gegenuber reinen cw-Lasern eroffnen diese Laser weitere Applikationsfelder und insbesondere bei hohen Leistungen gibt es derzeit keine Alternative zu diesem Laserkonzept. Zunachst fir eine exotisch klingende Anwendung - namlich die Reinigung von Eisenbahnschienen - konzipiert, ubertrug ROFIN-SINAR die von den Beschriftungslasern her bekannte Technik des Guteschaltens auf die Hochleistungslaser der DY-Baureihe. Mittlenveile hat sich eine Vielzahl von Anwendungen im Bereich der Oberflachenreinigung und strukturierung, bei denen die hohe Pulsspitzenleistung und Pulsenergie in Prozessgeschwindigkeit umgesetzt werden konnen, herauskristallisiert.
Abb. 4: 1 kW QS Dual-Stablaser. Im Zuge dieser Entwicklung hat ROFIN-SINAR Laser mit 350 bzw. 850 Watt im giitegeschalteten Betrieb in Einzel- und Doppel-Laser-Konfiguationen eingefihrt. Die hierbei erzielten Pulsspitzenleistungen (400 kW) und Pulsenergien (45 mJ) bei 10 - 30 kHz Pulsfrequenz sind beeindruckend.
Ausblick Auch wenn derzeit der Wettbewerb der Konzepte insbesondere im Bereich der Festkorperlaser so interessant und spannend wie schon lange nicht mehr ist, zeigt die Historie doch, dass sich bislang jedes Laserkonzept seine Applikationsnische sichern konnte. Und so ist zu vermuten, wird es auch in Zukunfi bleiben.
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Femtosekunden Scheibenlaser Martin Leitner', Adolf Giesen', Detlef Nickel', Christian Stolzenburg', Frank Butze3 'Jenoptik Laser Optik Systeme GmbH, Goschwitzerstr. 25, D-07745 Jena Institut fiir Strahlwerkzeuge,Universitat Stuttgart, Pfaffenwaldring 43, D-70569 Stuttgart 3Technologiegesellschaftfiir Strahlwerkzeuge mbH, Pfaffenwaldring 43, D-70569 Stuttgart 2
Einfuhrung Die Scheibenlasertechnologie hat in den vergangenen Jahren in unterschiedlichen Lasertypen ihre Vorteile unter Beweis gestellt. Auf dieser Basis konnten Hochleistungslaser und frequenzkonvertierte Laser fiir industrielle und medizinische Anwendungen entwickelt werden. Auch im Bereich der Kurzpulserzeugung spielt der Scheibenlaser in Zukunft eine wichtige Rolle, sind doch durch den Einsatz neuer Kristallmaterialien die Voraussetzungen f i r eine effiziente Impulserzeugung und Verstarkung gegeben [ 11. Der Einsatz ultrakurzer Impulse hat sich inzwischen fiir eine Vielzahl von Anwendungen als vorteilhaft enviesen. Insbesondere dort, wo eine hohe Bearbeitungsqualitat bei gleichzeitig geringer thermischer Schadigung des umliegenden Materials erforderlich ist, kommt dem Einsatz von Femtosekundenimpulsenhoher Energie eine wichtige Rolle zu. Bei Anwendungen wie beispielsweise der Herstellung von Wellenleitern oder auch der Bearbeitung biologischen Gewebes kommt es durch die hohen Intensitaten zu einer nichtlinearen Wechselwirkung mit den jeweiligen Materialien, wodurch die genannten Anforderungen erfillt werden. Um eine effiziente Bearbeitung zu ermoglichen, werden Femtosekundenlaser mit hohen Repetitionsraten und Impulsenergien benotigt. Der Beitrag stellt das Konzept eines solchen diodengepumpten Lasersystems vor. Mit der Methode der regenerativen Verstarkung konnen damit Impulse mit Energien von einigen Mikrojoule und Pulsdauern von ca. 300 fs bei Repetitionsraten von bis zu 200 kHz erzeugt werden.
Femtosekunden Scheibenlaser In den vergangenen Jahren wurde die Erzeugung hochenergetischer Femtosekundenimpulse mit unterschiedlichen Methoden und Lasermaterialien untersucht. Ausgangspunkt ist hierbei meist ein ,,Seed-Oszillator", der Femtosekundenimpulse geringer Energie erzeugt, die anschlief3end verstiirkt werden. Limitierend fiir den Verstarkungsprozess sind dispersive und nichtlinearen Effekte, die bei der Verstarkung zu hohen Energien auftreten konnen. So werden im Fall des Faserverstarkers aufwandige CPA (chirped pulse amplification) Konfigurationen benotigt, um eine Reduktion der nichtlinearen Prozesse wie zum Beispiel der Selbstphasenmodulation (SPM) zu erreichen, welche zu einer erheblichen Storung des zeitlichen Verlaufs fiihren konnen. ,,Bulk-Verstiirker" wiederum zeigen bei hohen Pumplichtleistungen das Problem der thermisch induzierter Wellenfrontstorungen, bei hohen Pulsspitzenleistungen kann auch hier die SPM zum begrenzenden Faktor werden. Ein Ausweg aus diesen Limitierungen bietet die Venvendung einer Scheibe als Verstarkungsmaterial. Hierdurch konnen die nichtlinearen Effekte sowie Phasenfi-ontstorungendras-
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tisch reduziert werden. Die relativ geringe Verstarkung im Scheibenlaser kann durch vielfache Umlaufe in einem regenerativen Verstarker kompensiert werden. Als Scheibenmaterial haben sich Ytterbium-dotierte Kristalle als vorteilhaft enviesen, da sie neben guten thermischen Eigenschaften auch die notige Verstarkungsbandbreite aufweisen, die fiir eine Verstarkung ultrakurzer Impulse benotigt wird. Insbesondere Wolframate als Wirtsmaterial stehen hier im Vordergrund.
Der regenerative Verstarker Die Erzeugung der Impulse erfolgt durch einen modensynchronisierten Oszillator, basierend auf einer Soliton-Impulserzeugg mit einem sattigbarem Halbleiterabsorber. Dabei werden Impulsenergien von einigen Nanojoule und Impulsdauern von ca. 270 fs erzeugt. Die Repetitionsrate des passiv modensynchronisierten Oszillators liegt bei 50 MHz. Aus diesem Impulszug wird zunachst mittels einer RTP-Pockelszelle ein einzelner Impuls selektiert (Abbildung 1). Damit wird verhindert, dass Seedimpulse den verstiirkten Ausgangsstrahl uberlagern und so zu einer thermische Beeinflussung bei der Applikation fiihren. Der Einzelimpuls wird nun uber die Separationseinheit in den regenerativen Verstarker eingekoppelt. Durch zeitgenaues Zuschalten der BBO-Pockelszelle wird der Impuls im
Abb. 1: Aufbau des regenerativen Verstarkers. regenerativen Verstarker eingeschlossen, um durch wiederholten Umlauf sukzessive verstiirkt zu werden. Die geringe Verstarkung des Scheibenmaterials erfordert dabei eine hohe Anzahl von Umlaufen, vorteilhaft ist deshalb ein zweifacher Durchgang des Impulses durch das aktive Material bei einem Umlauf. Abbildung 2 zeigt die Pumpoptik (aufgeschnittenes Modell) mit 24 Pumplichtdurchgangen mittels Prismen und Parabolspiegel. Die hohe Anzahl der Pumplichtdurchgange ermoglicht eine Absorption von mehr als 85% der Pumplichtleistung in einer 150 pm dicken, mit 10% dotierten Yb:KYW-Scheibe. Dieses Lasermaterial ermoglicht das effiziente Pumpen mit Hochleistungsdiodenbei 980 nm. Infolge des Durchtritts durch die Pockelszelle kommt es zu einer kontinuierlichen dispersiven Verbreiterung des zeitlichen Impulsverlaufs. Vorteilhaft wirkt sich hierbei der Umstand aus, dass die zeitliche Streckung des Impulses insbesondere bei den hohen Impulsenergien der letzten Umlaufe die Pulsspitzenleitung erheblich reduziert. Damit konnen nega-
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tive Effekte wie SPM oder Zerstorung Prismen der optischen Elemente vermieden werden. Die zeitliche Streckung fiihrt je nach Anzahl der Umlaufe zu Impulsdauem von einigen, wenigen Pikosekunden. Nach Erreichen der Impulsenergie wird durch Abschalten der BBOPockelszelle der verstarkte Impuls ausgekoppelt und nach Durchlaufen des Faradayrotators mit einem Diinnschichtpolarisator vom Seedstrahl sepaPar riert. Scheibenposition Zur Rekompression des Impulses nach der Verstarkungsphase wird Abb. 2: Pumpoptik. eine Anordnung mit negativer Dispersion, bestehend aus einem Gitterpaar (600 Vmm, Littrow-Anordnung) venvendet. Durch den gewahlten Strahldurchmesser kann dabei eine thermisch induzierte Verschlechterung der Strahlqualitat weitgehend vermieden werden. Zudem bietet die Dispersionseinheit die Moglichkeit durch Uberkompensation die Dispersion nachfolgender Optiken zu beriicksichtigen. Die zu kompensierende Dispersion erreicht Groljenordnungen von 105 fs2, Effekte hoherer Ordnung spielen bei den vorhandenen spektralen Bandbreiten keine signifikante Rolle. Die eingesetzte Pockelszellentechnologie erlaubt Repetitionsraten von bis zu 200 kHz, wodurch die Anforderung nach hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten erflillt ist. Diese hohen Repetitionsraten sind moglich durch die Venvendung von Doppel-BBOPockelszellen und leistungsfahigen HVSchaltem. In Abbildung 3 sind ist das Emissionspektium des Seed-Ozillators sowie das verstarkte Spektrum gezeigt. Die Zentralwellenlange des Oszillators liegt bei 1031 nm, das Verstarkungsmaximum von Yb:KYW bei 1025 nm. Hierdurch kommt es wahrend des Verstarkungsprozesses zu einer spektralen Verschiebung um ca. 2 nm. Die Modulationen im Verstarkungsspektrum korrespondieren mit der Scheibendicke, haben aber keine negativen Auswirkungen auf die Impulsqualitat. Abb. 3: Emissionsspektren von Seed - Oszillator und Verstarker (bei 200 kHz, 6 ,uuJ).
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Abb. 4 zeigt die gemessene Autokorrelation der verstiirkten Impulse. Die hieraus bestimmte Impulsdauer betragt 320 fs (sechZ-Fit).Zur lherpriifimg wird, unter Annahme eines konstanten Phasenverlaufs, aus dem Spektrum mittels Fouriertransformation und anschlieBender Berechnung der Autokorrelation der fiir eine optimale Kompression zu erwartende Verlauf der Autokorrelation bestimmt. In Abb. 4 ist das Ergebnis der Berechnung dargestellt. Man erkennt eine sehr gute lhereinstimung mit der Messung, was darauf schlieljen lasst, dass eine vollstwdige Kompression moglich ist, und nichtlineare Effekte bei der Verstarkung keine Rolle spielen. Die Verlangerung der Impulse gegenuber dem Seed-Oszillator muss auf eine geringe spektrale Einschnurung zuriickgefiihrt werden. In logarithmischer Darstellung werden die aus der spektralen Modulation resultierenden Seitenmaxima ersichtlich. Die zeitliche Lage wird auch hier Abb. 4: gemessene Autokorrelation bei 200 kHz durch die Berechnung sehr gut wieund 6 p J (0). Zum Vergleich ist die aus dem dergegeben. Fur Applikationen haben Spektrum berechnete Autokorrelation dargediese Nebenmaxima keine Bedeutung, stellt(j . liegt deren Wert doch um mindestens zwei Groljenordnungen unterhalb des Hauptimpulses (Begrenzung durch Auflosung des Autokorrelators). Die Impulsenergie hinter dem Gitterkompressor betragt bei einer Repetitionsrate von 200kHz und 32 Umlaufen im Verstarker 6 pJ, die Puls - rn Pulsstabilitat liegt bei unter 5% (rms-Wert). Die Messung der Strahlparameter zeigt einen Mz-Wert von kleiner 1 3 , die Elliptizitat des Strahls betragt unter 10% [2]. Bedingt durch die geringen thermischen Effekte im Scheibenmaterial haben Variationen in der Pumplichtleistung und der Anzahl der Umlaufe nur geringe Auswirkungen auf die Strahlparameter.
Zusammenfassung und Ausblick Der regenerative Scheibenverstarker erlaubt die Erzeugung hochrepetierender Impulse von einigen Mikrojoule bei Impulsdauern von einigen hundert Femtosekunden. Das Laserprinzip lasst eine Skalierung der Impulsenergie in den Multi-Mikrojoule Bereich rn, limitierende Faktoren sind hier zur Zeit durch die nichtlinearen Effekte gegeben, die durch eine entsprechende Anpassung des Resonators vermieden werden konnen. So konnten mit einem modifizierten Aufbau bereits Impulsenergien von 70 pJ bei 50 kHz Repetitionsrate erzeugt werden. Die hohe Effizienz eines solchen Lasersystems sowie die sehr gute Stabilitat stellen die Grundlage fiir einen zukiinftigen industriellen Einsatz dar.
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Literatur [l]
A. Giesen: ,,Results and scaling of thin disk lasers", Proc. of SPIE, Vol. 5332, S. 212.
[2]
M. Leitner, K. Pachomis, D. Nickel, C. Stolzenburg, A. Giesen, F. Butze: ,,Ultrafast thin-disk Yb:KYW regenerative amplifier with a 200 kHz repetition rate", in OSA Trends in Optics and Photonics Vol. 98, Advanced Solid-state Photonics, edited by Irina Sorokina and Craig Denman, (Optical Society of America, Washington DC, 2005), Beitrag ME 5.
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STEFAN BAUMER (Ed.) Philips Inc., The Netherlands
Handbook of Plastic Optics
Handbook of Plastic Optics
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The use of plastic optics instead of glass offers a number of advantages. Most importantly, it is far less expensive, and therefore opens a huge potential for mass production. It also offers the opportunity to use unique element configuration. 2005. X, 189 pages, 135 figures - 81 in color, 37 tables. Hardcover. ISBN 3-527-40424-4 €99.-/sFr 146.-/f 70.Register now for the free
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This book gives a coherent overview over the current status of injection molded optics describing in detail all aspects of plastic optics, from design issues to
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production technology and quality control. The focus is firmly set on practical applications, making this an indispensable information source for all those working in optics R&D. The contributors, each one a leading expert in his chosen discipline, possess either a background in industry or close relations to the industry, thus bringing in an ample amount of practical experience.
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Weil3es Laserlicht und seine Anwendungen Jorn Teipel', Diana Tiirkel, Felix Hood und Harald GieSedY2 'Institut fir Angewandte Physik der Universitat Bonn, Wegelerstr. 8, D-53 115 Bonn IV. Physikalisches Institut Universitat Stuttgart, Pfaffenwaldring 57, D-70550 Stuttgart
2
Femtosekunden Laser-Systeme zum Zwecke der Weiljlichterzeugung sind gewohnlich sehr teuer, da sie normalenveise aus einem diodengepumpten frequenzverdoppelten Festkorperlaser und einem Femtosekunden Titan:Saphir Oszillator bestehen [ 1,2]. Diese hohen Kosten zusammen rnit der sperrigen Grolje des Systems sind die limitierenden Faktoren fir mogliche Anwendungen, z.B. fir optische Koharenz-Tomographie (OCT) oder Multi-Photonen-Mikroskopie.Daher bestand unser Ziel darin eine zuverlassige, preiswertere und kompaktere Weiljlicht-Quelle zu entwickeln, um den Weiljlichtlaserquellen zum Durchbruch zu verhelfen. Ein Beispiel fir solch eine kompakte Weiljlichtquelle ist die Kombination von einem Yb:Glas Femtosekunden-Oszillator mit einer gezogenen Faser [3]. Die Tatsache, dass der Yb:Glas Kristall direkt von einer Laserdiode gepumpt wird, verringert die Grolje und den Preis des Systems und macht es daher als Pumpquelle sehr attraktiv.
1
Die WeiSlichtquelle
Fiir die Herstellung der gezogenen Fasern wurden single-mode Corning SMF 28 Fasern kontrolliert iiber einer sich bewegenden Propan-Butan-Sauerstoff-Gasflamme in die Lange gezogen. Die gezogenen Fasern bestehen aus der 90 mm langen verjungten Taille von wenigen Mikrometern Durchmesser, die zu beiden Seiten adiabatisch in die regulare 125 pm dicke SMF 28 iibergeht. Durch Veranderung der Ziehgeschwindigkeit kann der Durchmesser der Taille auf reproduzierbare Weise variiert werden. Die gemessenen Taillen-Durchmesser haben eine Unsicherheit von 10%. Der Femtosekunden Yb:Glas-Laser ist folgendermaljen aufgebaut: Der Yb:Glas Kristall wird direkt von einer 5,2 Watt Laserdiode bei 978 nm gepumpt. Das Modenkoppeln wird gewahrleistet, indem ein sattigbare"Halbleiter-Absorberspiegel(SESAM) [4] an das eine Ende des Resonators platziert wird. Am Auskoppler erhalt man somit gepulstes Laserlicht bei einer Zentralwellenlange von 1040 nm rnit einer Pulslange von 200 fs, einer Wiederholrate von 20 MHz und einer Ausgangsleistung von bis zu 1 Watt. Das rnit solchen Pulsen in einer etwa 3 pm dicken gezogenen Faser erzeugte Weiljlicht hat eine Pulsdauer von einigen Pikosekunden, eine Leistung von etwa 200 mW und erstreckt sich von 500 nm bis uber 1700 nm hinaus.
2
Mogliche Anwendungen von WeiSlicht
Mogliche Anwendungen hat das weilje Laserlicht z.B. dort, wo ein kontinuierliches Spektrum rnit sehr hoher Leistungsdichte erforderlich ist. Ein Beispiel dafiir ist die Mikroskopie. Urn verschiedene Bereiche einer Zelle unter dem Mikroskop besser sichtbar biw. unterscheidbar zu machen, werden sie rnit verschiedenen Farbstoffen angefarbt. Jeder dieser Farbstoffe absorbiert in einem fir ihn charakteristischen Wellenlangenbereich und fluoresziert wiederum in einem anderen. Zur Anregung der Farbstoffe werden standardmaljig Laser venvendet. Ihre monochromatische Strahlung erlaubt jedoch nur eine limitierte Anzahl von venvendbaren Farbstoffen. Um diesen Nachteil zu umgehen haben wir Weiljlicht aus einer gezogenen Faser venvendet [5]. Das Spektrum wurde so optimiert, dass moglichst vie1
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Intensitat im blauen und griinen Wellenlangenbereich vorhanden war, da hier die meisten Farbstoffe absorbieren. Mit Hilfe von Filtern (einer Kombination aus zwei akusto-optischen Strahlteilern) konnte dann fiir beliebige Farbstoffe die optimale Anregungswellenlange aus dem Weiljlicht herausgefiltert werden. Mit der Methode der konfokalen Mikroskopie konnten in [5] rnit einem konventionellen CLSM beeindruckende Bilder von Neuroblastoma-Zellen aufgenommen werden (Abb. 1). Auch Multi-Photonen-Mikroskopie wurde in der gleichen Veroffentlichung mit Hilfe des Weiljlichts demonstriert (Abb. 2). Hierzu wurde aus dem Weiljlicht der spektrale Bereich von 700 bis 1300 nm auf die Neuroblastoma-Zellen geschickt. Durch den nichtlinearen optischen Effekt der Zwei-Photonen-Absorptionkonnten so trotzdem die gleichen Farbstoffe, die auch schon fir Abb. 1 venvendet wyrden, angeregt werden. Fiir diese Anwendung ist es entscheidend, dass die Weiljlichtpulse moglichst kurz und leistungsstark sind. Da das weilje Laserlicht beide Voraussetzungen erfillt, ist es bestens fir diese Anwendung geeignet. Abb. 1: Im oberen Bild erkennt man das Actin-Cytoskelett der Neuroblastoma-Zelle, das mit dem Farbstoff TNTC-phalloidin eingefarbt wurde. Das mittlere Bild zeigt das mit Alexa-488 eingefarbte MikrotubuliCytoskelett.Das untere Bild stellt die Uberlagerung der beiden oberen dar. Das zur Aufnahme venvendete WeiJlicht wurde in einer gezogenen Faser mit 2.1 pm Durchmesser erzeugt. Diese wurde mit ca. 650 mW aus einem Ti:Sa Laser bei 803 nrn und 76 MHz gepumpt. Das erzeugte WeiJlicht hatte eine Ausgangsleistung von ca. 280 mW, welche in das kommerziell erhaltliche Leica CLSM Mikroskop - als Ersatz jGr die in dem System vorhandenen Standardlaser - eingekoppelt wurde. Der Skalenbalken entspricht I0 pm.
Abb. 2: Multi-Photonen Aufnahme von genau wie in Abb. I eingefarbten Neuroblastoma-Zellen. Es sind die gleichen Einzelheiten sichtbar, wie in der konventionellen Aufnahme in Abb. 1. Abb. I und 2 entstanden in Zusammenarbeit mit der Fakultat f i r Physik und Geowissenschaften der Universitat Leipzig unter der Leitung von Pro$ Dr. Josef Kas.
Die kurzen Pulse des Weiljlichts eignen sich auch, um durch bzw. innerhalb von Zellen zu schneiden. Darauf hat sich die Firma P.A.L.M. Microlaser Technologies AG spezialisiert. Sie stellt Systeme zur Mikrosezierung und zur Mikromanipulation her. Das dafir verwendete Verfahren heifit LMPC, was fir Laser Microdissection and Pressure Catapulting steht. Hierbei wird mit einem fokussierten Stickstofflaser so gezielt durch eine Gewebe geschnitten, dass z.B. genau eine Zelle vom umliegenden Gewebe separiert ist. Danach folgt eine kurze Bestrahlung rnit dem defokussierten Laser, so dass das Wasser unterhalb der Zelle schlagartig verdampft und die lebende Zelle regelrecht nach oben aus dem Gewebe herauskatapultiert wird. Hier trifft die Zelle auf einen Nahrboden, auf dem sie weiter geziichtet werden kann. Bei Versuchen mit der Firma P.A.L.M. konnte gezeigt werden, dass bei Venvendung des blauen Anteils aus dem Weifilichtspektmm (um 450 nm) Schnittbreiten von etwa 1,5 ym erreicht werden konnen (Abb. 3).
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Abb. 3: Das in einer gezogenen Faser mit 2,O pm Durchmesser erzeugte WeiJlicht von 330 mW wird mit Hiwe eines l o x Mikroskopobjektivskollimiert und durch einen 40 nm breiten Interferenzfilter um 450 nm geleitet. Die nun noch vorhandenen 8 mW blaues Licht wurden durch ein 40x Objektiv eines Mikroskops auf eine Rattenleberprobe fokussiert. Durch langsames Verfahren der Probe konnte die dargestellte Schnittbreite von ca. 1,5 pm erzeugt werden. Die A u ~ a h m e entstand in Zusammenarbeit mit der Firma P.A.L.M. Microlaser TechnologiesA G, Bernried. Doch nicht nur prazises Schneiden, auch geringste Abstande lassen sich rnit Hilfe des Weiljlichts beriihrungslos vermessen. Die Firma Precitec Optronik venvendet dam in einem konfokalen Aufbau eine Linse rnit starker chromatischer Abberation. Es wird genau die Wellenlhge aus dem WeiSlicht am besten zuriick in den Strahlengang reflektiert, die auf der zu vermessenden Oberflache ihren Fokus hat. Alle anderen Wellenlangen treffen unter einem anderen Winkel zuriick in Linse, als ihr urspriinglicher Austrittswinkel und konnen so nicht wieder den gleichen Strahlengang zuriick laufen. Sie werden im angeschlossenen Spektrometer, das hinter einem konfokalen Pinhole sitzt, nicht detektiert. Abb. 4 zeigt beispielhaft Abstandsmessungen an verzinktem Blech, ein recht schlecht reflektierendes Material. Je nach Abstand ist ein deutliches spektrales Maximum bei verschiedenen Wellenlangen sichtbar. Der besondere Vorteil des Einsatzes von weiljem Laserlicht gegeniiber z.B. einer Halogenlampe ist neben der hohen spektralen Leistungsdichte auch die perfekte Fokussierbarkeit des Laserstrahls und somit eine optimale Einkopplung des Lichts in die Glasfaser, die zum Messkopf mit der Linse fiihrt. Somit ist die am Messkopf zur Verfiigung stehende Leistung um ein vielfaches hoher und es konnen auch Abstande zu Objekten, die unter einem steilen Winkel zum Messkopf stehen oder die nur sehr schwach reflektieren, vermessen werden. Abb. 4 zeigt z.B. auch eine Abstandsmessung an verzinktem Blech unter einem Winkel von 75". Selbst hier sind noch deutlich auswertbare Maxima zu erkennen. Abb. 4: Eine 2.5 pm diinne, gezogene Faser wird mit 550 mW eines Ti:Sa Lasers bei 800 12WO nm gepumpt. Das erzeugte WeiJlicht wird imauf ca. 5mW abgeschwacht und in das Messgerat geschickt. Die eigentliche I ; E Messung wird am Ort des Messkopfes mit -+ -$ B w o ca. 0,l mW durchgefihrt. Das linke Bild zeigt eine Abstandsmessung an verzinktem Blech unter 0". Die Kurven zeigen die gemessenen Abstiinde als Funktion der repektierten Wellenlange.f m besten Fall ist ein Signal zu Rausch Verhaltnis von 55:l zu erzielen. Das rechte Bild zeigt, dass sich unter dem Winkelvon 75' ebenfalls noch zuverlassig Abstande vermessen lassen. Das Signal zu Rausch Verhaltnis betragt bis zu 1O:l. Die Messungen entstanden in Zusammenarbeit mit der Firma Precitec Optronik, Rodgau. V 14WO
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Ein weiteres Messverfahren, bei dem die Venvendung von WeiBlicht zu deutlichen Fortschritten fiihren kann, basiert auf dem Prinzip des Koharenzradars. Dieses Verfahren
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ermoglicht die dreidimensionale Vermessung von mehreren 10 cm groljen Objekten. Das Prinzip baut auf einem WeiBlicht-Michelson-Interferometer auf, in dessen einem Arm ein Spiegel und in dessen anderem Arm das zu vermessende Objekt steht. Das einfallende Weiljlicht wird an einem Strahlteiler aufgespalten; der eine Teil trifft auf den Spiegel, der andere auf das Objekt. Die reflektierten Strahlen iiberlagern sich wieder am Strahlteiler und laufen zusammen in eine CCD-Kamera. Ebenen auf dem Objekt, die die gleiche Entfernung vom Strahlteiler haben wie der Spiegel, erzeugen aufgrund der gleichen Laufzeit des Strahls in der Kamera winzige Speckles. Wird der Spiegel verfahren, so kann jede Ebene des Objekts anhand der erzeugten Speckles durchlaufen werden und ein Computerprogramm errechnet aus der Laufstrecke des Spiegels und der aufgetretenen Speckles ein dreidimensionales Bild. Abb. 5 zeigt ein mit Weiljlicht aus einer gezogenen Faser aufgenommenes 3D Bild eines Motorblocks. Um eine moglichst hohe raumliche Auflosung zu erzielen, ist eine Lichtquelle mit einer kleinen Koharenzliinge erforderlich. Hier liegt der grolje Vorteil der breitbandigen Weiljlichtquelle gegenuber preiswerten monochromatischen Lichtquellen da die spektrale Breite der Lichtquelle antiproportional zur Kohiirenzlange ist. Aufgrund der hohen Leistungen, die mit dem Weiljlicht zur Verfiigung stehen, konnen auch spiegelnde Objekte unter groljen Winkeln sowie schwarze matte Oberflachen dreidimensional vermessen werden. Abb. 5: Dreidimensionale Vermessung eines Motorbloch (Messfeld: 160 mm) mit dem Verfahren des Koharenzradars. Die fur diese Messung venvendete gezogene Faser hatte einen Durchmesser von 2,5 pm. Das erzeugte Weglicht hatte eine Ausgangsleistung von 3 75 mW. Die AuJizahmeentstand in Zusammenarbeit mit Reinhard GroJ, Bernhard Wiesner und Pro$ Dr. Gerd Hausler der Universitat Erlangen-Niirn berg.
Neben den oben beschriebenen Anwendungen konnen kompakte WeiljlichtLaserquellen auch in der OCT und in der Metrologie die Auflosung bzw. die Messgenauigkeit weiter erhohen. Neben der Reduzierung von Preis und Grolje ist gleichzeitig auch die Steigerung der Ausgangsleistung ein Entwicklungsziel. Mittlerweile konnten solche diodengepumpten Multi-Watt Weiljlichtsysteme ebenfalls schon demonstriert werden [6].
Literaturnachweis [l] [2] [3] [4]
[5] [6]
J. K. Ranka et al., Opt. Lett. 25,25-27 (2000). T. A. Birks et al., Opt. Lett. 25, 1415-1417 (2000). J. Teipel et al., Opt. Express 13, 1477-1485 (2005). U. Keller et al., IEEE J. of Selected Topics in Quantum Electronics 2,435-453 (1996). T. Betz et al., Journal of Biomedical Optics, accepted for publication (2005). J. Teipel et al., Opt. Express 13, 1734-1742 (2005).
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Zukunftsperspektiven
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Lasermarkt: Weiteres Wachstum auf hohem Niveau Arnold Mayer Optech Consulting, CH- 8274 Taegenvilen
Der Weltmarkt fiir Lasersysteme zur Materialbearbeitung erreichte im _ ~ h r004 ein Volumen von 4,65 Milliarden Euro. Damit wurde der konjunkturell bedingte Ruckgang der Jahre 2001 bis 2003 nahezu ausgeglichen und annahernd das Rekordniveau des Jahres 2000 (4,75Milliarden Euro) erreicht. Den Lowenanteil der 4,65 Milliarden Euro nahmen mit 3,45 Milliarden Euro LaserMarkrobearbeitungssysteme fiir sich in Anspruch. Dies sind Lasersysteme zum Schneiden und Schweiljen (2,45Milliarden Euro), Beschriften (650 Millionen Euro) sowie fiir sonstige Anwendungen wie Rapid Manufacturing, Strukturieren, Perforieren und Desk Top Manufacturing (350 Millionen Euro). Die ubrigen 1,20 Milliarden Euro entfielen auf LaserMikrobearbeitungssysteme fiir die Produktion von Halbleitern, elektronischen Komponenten und Leiterplatten. Hier sind auch die Excimer-Laser fiir die Mikrolithographie eingeordnet, fiir die nur der Wert der Laser, nicht der kompletten Systeme angesetzt wurde. Die Beitrage der wirtschaftsgeographischenRaume zum Weltmarktvolumen fiir Lasersysteme waren 2004 wie folgt: Europa: 33%, Nordamerika: 25 %, Japan: 20%, Ostasien: 19%, sonstige Regionen: 3%. Der Weltmarkt fiir Laserquellen bezifferte sich im Jahr 2004 auf 1,65 Milliarden Euro. C02-Laser, mit 660 Millionen Euro, standen fiir 40% dieses Marktvolumens, wovon nahezu 600 Millionen Euro auf Laser mit einer Strahlleistung von mehr als 500 W entfielen. Festkorperlaser wurden im Gesamtwert von rund 650 Millionen Euro nachgefiagt, entsprechend 39% des gesamten Marktes. Excimerlaser nahmen 320 Millionen Euro fiir sich in Anspruch. Diodenlaser, die erst seit kurzer Zeit im Markt sind, erzielten einen Umsatz von rund 25 Millionen Euro. Die Nachfrage fiir Laser und Lasersysteme zur Materialbearbeitung ist erheblichen konjunkturellen Schwankungen untenvorfen. Betrachtet man den Zeitraum der letzten 10 Jahre, dann ist der Weltmarkt fiir Lasermaterialbearbeitungssystemeum durchschnittlich 14,0% pro Jahr gewachsen. Bis zurn Jahr 2010 envartet Optech Consulting ein Marktvolumen von rund 9,5 Milliarden Euro, bei durchschnittlichenjahrlichen Zuwachsraten von 12,6% fiir den Zeitraum 2004 bis 2010.Von den envarteten 9,5Milliarden Euro entfallen 6,l Milliarden Euro auf Lasenverkzeugmaschinen und 3,4Milliarden Euro auf Lasersysteme fiir die Mikrobearbeitung. Die Marktprognosen stehen unter der Pramisse der Abwesenheit tiefgreifender weltwirtschaftlicherVenverfungen im Prognosezeitraum.
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World Market for Laser Materials Processing Systems Market Trend 1986 2004
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World Market for Laser Materials Processing Systems Trend and Forecast, by Application
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World Market for Laser Materials Processing Systems Growth Rates, by Application
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Market for Laser Sources for Materials Prcoessing Market Forecast, by Laser Type
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Note: Excimer lasers not included; 2010 forecast for Diode-Pumped SSL includes lasers for Xray generation for EUV lithography.
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Grenzen des Einsatzes der heutigen Lasertechnik aus Sicht des Automobilherstellers Der Faserlaser als die Antwort? Heutiger Status der Faserlasertechnologie Klaus Loffler'; Martin Seifert2 'Volkswagen AG, D-38436 Wolfsburg Nufern, 7 Airport Park Road, East Granby, CT 06026, USA
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Motivation
Die Entwicklung der Laseraggregatetechnik hat in den letzten 24 Monaten in Punkten Strahlqualitat und verfiigbare Laserstrahleistung enorme Fortschritte gemacht. Konzepte wie der Scheibenlaser und der Faserlaser stehen hier im ,,Wettbewerb" der zukiinftigen Laseranwendungen. Im ersten Teil werden Anforderungen an das Umfeld der Laseraggregatetechnik aus Sicht eines Anwenders dargestellt. Mit dem Ziel einer realistischen Einschatzung des Potentials der Faserlasertechnik, werden im Anschluss der Entwicklungsstand und die heutigen Grenzen der Faserlasertechnik aufgezeigt.
2
Entwicklung der Lasertechnik bei der Markengruppe Volkswagen
Die Volkswagen AG war nicht der Vorreiter des Lasereinsatzes im Karosseriebau. Unternehmen wie Ford, General Motors, BMW, Volvo oder auch die Mercedes Car Group hatten bereits in den 80er Jahren C02-Laser Installationen im Karosseriebau im Einsatz. Die Volkswagen AG begann 1993 mit den ersten Einsatzen von Festkorperlasern im Karosseriebau. Die Entscheidung zum Festkorperlaser wurde getroffen, da er im Vergleich zum C02Laser den entscheidenden Vorteil der flexiblen aertragung des Laserstrahles durch ein flexibles LichtLeitKabel und die flexible Verschaltung mit Hilfe von Strahlweichen und LichtLeitKabeln bietet. Eine Entscheidung fiir den teilweisen Ersatz des Widerstandspunktschweiherfahrens durch die Lasertechnik muss immer unter den Gesichtspunkten der Wirtschaftlichkeit und des Kundennutzens getroffen werden. Bis zurn heutigen Tag wurden die Anwendungen konsequent ausgeweitet und auf alle Produkte der Volkswagen AG angewendet. Im Moment sind mehr als 700 Festkorperlaser (Dauerstrichlaser mit mehr als 1000 Watt Laserstrahlleistung) in verschiedensten Anwendungen in den weltweiten Produktionswerken der Volkswagen AG installiert. Hiermit ist die Volkswagen AG der groljte Nutzer von Laserstrahltechnik in diesem Bereich. Die Erfahrungen im Zusammenhang mit der Einfiihrung dieser Technologie in Fertigungen auf verschiedenen Erdteilen und der Betreib der Technologie ist die Basis fiir die im Folgenden beschriebenen Handlungsschwerpunkte.
3
Handlungsschwerpunkte fur den weiteren Einsatz der Lasertechnik
Wirtschaftlichkeit und Kundennutzen Die Faktoren Wirtschaftlichkeit und Kundennutzen bestimmen den weiteren Einsatz der Lasertechnik. Losungen zu den in Bild 1 aufgelistete Handlungsschwerpunkte konnen die weitere Verbreitung der Lasertechnik beschleunigen.
3.1
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Wirtschaftlichkeit: - Investitionskosten - Kosten uber Produktlebenszyklus - Kosten der Prozesskette Verfiigbarkeit >99% Robuster ProzessProzesskette Robuste Anlagentechnik - Staub/Feuchtigkeit/Temperatur - Vibrationen - wartungsfieundliche Technik - wartungsarme Technik - praventive Wartung Einfache Bedienbarkeit Abb. 1: Handlungsschwerpunkte fur die Anwendung der Lasertechnik in der Automobilindustrie.
3.2
Wirtschaftlichkeit: Investitionskosten
Der Einsatz von Lasertechnologie bedingt in der Regel hohere Investmentkosten fir die Anlagentechnik im Vergleich zur Anlagentechnik konventioneller Fugetechniken. Hierbei muss die gesamte Prozesskette betrachtet werden. Exemplarisch wird der Faktor Lasernutzungsgrad und Laserschutzumhausungbetrachtet. 3.2.1 Beispiel: Lasernutzungsgrad Fur eine effiziente Nutzung der Laserstrahlung sind Laserstrahlweichen mit kurzen Schaltzyklen fiir die wechselweise Anwendung in verschiedenen Anlagen notwendig. Zur Ausnutzung des Potentials die Laserstrahlquelle mit Nutzungsgrad von uber 90% zu betreiben, ist ein Multiplexer fir die flexible Anforderung von Laserstrahlung von verschiedenen Anlagen uber ein Netnverk notwendig. 3.2.2 Beispiel: Laserschutzumhausung Auf Grund der Wellenlange des Laserlichts im Bereich von lpm sind umfangreiche SicherheitsmaBnahrnen beim Betrieb von Laseranlagen mit Festkorperlaser zu treffen. Eine ,,lichtdichte Umhausung" der Bearbeitungsanlage ist zum Schutz der Mitarbeiter vorgeschrieben. Mit der Verbesserung der Strahlqualitat und damit einhergehend der verwendeten Brennweiten in den Bereich von 1/2m bis l m muss zusatzlich die Schutzwirkung der Wande bei direkter Bestrahlung weiter verstarkt werden. Die Kosten fir eine Umhausung in einem Karosseriebau mit allen Sicherheitseinrichtungen belauft sich im Bereich von 1OO,OOO€ (entspricht 20% der Kosten fiir einen 4kW-Laser). Weiterhin reduzieren die Tore die Flexibilitat der Anlage und stellen einen weiteren Einflussfaktor in der Gesamtverfiigbarkeit des Systems
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dar. Nicht direkt monetar bewertbar ist der negative psychologische Einfluss einer nur uber Videomonitore einsehbaren Anlage im Vergleich zu einer offenen Anlage auf Bedienung und Instandhalhmg. Die Verfiigbarkeit von Lasern rnit Wellenlange, bei denen Sicherheitsmafinahmen vergleichbar rnit C02-Lasern ausreichen wiirden den weiteren Einsatz erleichtern.
3.3
Robuster Prozess
Bei den Laserstrahlschweigen von verzinkten Automobilblechen im Uberlappstog mussen Entgasungsspalte im Bereich von 0,2mm sichergestellt werden. In der .Praxis kann dies nur rnit hohem Aufwand ereicht werden. Ein robuster Prozess, der rnit im Karosseriebau ublichen Toleranzen sicher arbeitet ist f i r den weiteren Einsatz notwendig. 3.4
Einfache Bedienbarkeit
Automobilunternehmen zeichnen durch einen globalen Produktionsverbund aus. Fertigungstechnik muss damit weltweit einsetzbar und bedienbar sein. Lasertechnische Anlagen sind durch einen hohen Anteil von Elektronik, Optik und Mechatronics gekennzeichnet. Das Beispiels der ,,Schottplattenanlage" des Volkswagen Golf zeigt die Notwendigkeit von einfacheren Bedienkonzepten fiir die Anlagenbediener. Bei dieser Anlage steht der Anlagenbediener 6 Robotersteuerungen, 4 Laserschneidkopfsteuerungen,Optischer Fahrzeugvermessung, Laserprozessubenvachungssystemen und den Lasersteuerungen gegenuber. Die Bedienung von moderner Technik bereitet vielen Mitarbeitern Schwierigkeiten. Neue MenschMaschinen-Schnittstellensind als Losung notwendig.
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Heutiger Status der Faserlasertechnologie
Die Entwicklung von kommerziell nutzbaren Faseroptiken in den 70er Jahren ermoglichte Licht auch uber gewundene Wege zu lenken um es nutzlichen Zwecken zuzufihren. Die Entwickler fanden heraus, dass bei selektiver Dotierung und Modifizierung der Glasfaser, der Lasereffekt, die Verstarkungen und auch reflektierende Eigenschaften, in die Faser eingebaut werden konnen. Monolithische Faserlaser konnen somit ohne Bedenken von mechanisch stabilen Resonatoren, Sauberkeit der Umgebung, Erschutterung und Vibration venvendet werden, da das Licht wenn es erstmal in den Faserkern eingespeist ist, diesen nicht unkontrolliert verlassen kann. Diese Vorteile haben Faserlaser gegenuber den klassischen Stablasern attraktiver gemacht. Die Entwicklung von Faserlasern hat sich mit den Doppel-Kern-Fasern, Fasern welche ein groljes Mode-Spektrum zulassen und einen Single-Mode-Strahl erzeugen konnen, fortgesetzt. Single Mode Laserstrahl oder Laserstrahlen mit geringer Modenzahl erhohen die potentielle Strahlqualitat. Fiir einen 1pm Single-Mode Faserlaser rnit einer Spotgrolje von 600pm uberschreitet die Tiefenscharfe 0,5 Meter. Der verbesserte Aufbau des Lasers hat die Pumpbandbreite auf unter 54nm reduziert, was zu einer optischen Effizienz von > 90% fihrte. Die Faserlaserentwicklung beschleunigte sich weiter durch die Einfihrung verbesserter Strahlqualitat, bei reduzierten Kosten f i r die Pumpdioden. Mit Merkmalen von uberlegener maschineller Robustheit, elektrischem Wirkungsgrad und hoher Strahlqualitat hat der Faserlaser eine Entwicklungsgeschwindigkeiterreicht, wie es noch keine Lasertechnologie zuvor. Der Single mode CW Laserstrahlleistung wuchs seit 2002 in wenigen Entwicklungsstufen von 1KW auf 17kW sowie im Nanosekundenbereich auf uber 1500kW.
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Das Spektrum der Anwendungen, beginnend bei der Materialbearbeitung uber LidarAnwendungen bis hin zu Waffensystemen, kann durch den Faserlaser abgedeckt werden. Wenige andere Technologien konnen diese wirtschaftliche Bandbreite vonveisen. Gegenwartig hat der Faserlaser drei technologische Schlusselpositionen: 1. Einfacher mechanischer Aufbau und Robustheit. 2. Hoher Elektrischer Wirkungsgrad. 3. Hohe und stabile Strahlqualitat fi-ir die Lebensdauer des Produktes. Diese Vorteile haben in den letzten Jahren ein groljes Interesse an der Lasertechnologie geweckt und eine neue kommerzielle Lasertechnologie hervorgebracht. Faserlaser wurden zuerst in Anwendungen eingesetzt, welche mit den herkommlichen Lasefn nicht so leicht ausgefiihrt werden konnten. Diese Anwendungen sind oft aus dem militarischen Bereich oder durch wissenschaftlichen Programmen mit strategischen Wert finanziert wurden. Ein wesentlicher nachster Schritt zur breiteren industriellen Marktakzeptanz des Faserlasers ist die Etablierung von weiteren Herstellern, dessen Produkte die folgenden drei Kernaussagen erfiillen konnen: 1. Hohe Standzeiten der Laser mit all ihren Komponenten und damit reduzierte LifeCycle-Cost uber 1O.OOO+ Betriebsstunden. 2. Lasersysteme, welche auf Grund intelligenter Steuerungen in Kombination von Einfacher Benutzerfiihrung, Stillstandszeiten vermeidet und im Fehlerfall eine schnelle Fehlerbehebung ermoglicht. 3. Wellenlange der Laserstrahlung in einem Bereich, bei dem eine LichtdichtUmhausung durch eine weniger aufwendige Schutzmahahme ersetzt werden kann. Wir envarten in naher Zukunft grolje Entwicklungsschritte in dieser Richtung.
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Zusammenfassung
Die auf dem Markt verfiigbare Lasertechnik hat sich als sehr robust enviesen. Fur einen weiteren Einzug der Lasertechnik in die Fertigung sind jedoch weitere Verbesserungen notwendig. Die Faserlasertechnologie als auch die Scheibenlasertechnologiebieten das Potential weitere Anwendungsfelder zu erschlieljen.
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Strahlqualitat und Skalierbarkeit Adolf Giesen Institut fir Strahlwerkzeuge,Universitat Stuttgart, Pfaffenwaldring 43, D-70569 Stuttgart
Prinzip des Scheibenlasers Das Scheibenlaserdesign erlaubt den Bau von diodengepumpten Festkorperlasern hochster Leistung mit gleichzeitig hohem Wirkungsgrad und bester Strahlqualitat. Diese Eigenschaften basieren auf der groljflachigen Abfuhr der Verlustwme uber eine der Stirnflachen der Scheibe. Die Laserscheibe hat, je nach gewiinschter Laserleistung, einen Durchmesser von einigen mm bis zu einigen cm und eine Dicke von 100 pm bis 200 pm, abhangig vom laseraktiven Material, der Dotierungskonzentration der aktiven Ionen und dem Pumpdesign. Die Scheibe ist hoch verspiegelt auf der Ruckseite fiir die Laser- und die Pumpstrahlung und auf der Vorderseite anti-reflektierend fiir beide Wellenlangen. Die Scheibe ist mit der Ruckseite auf einen wasserdurchstromten Kuhlkorper gelotet, um die Verlustwarme effizient abflihren zu konnen. Durch die Art der Kristallhalterung und der Kiihlung sind die Temperaturgradienten innerhalb des Laserkristalls im wesentlichen koaxial zur Scheibenachse, die auch die Laserstrahlachse darstellt. Wird der Kristall mit homogener Pumpleistungsdichte innerhalb des Pumpflecks gepumpt, ergibt sich in radialer Richtung nahezu eine konstante Temperatur. Lediglich am Rande des Pumpflecks ergibt sich ein a e r g a n g von der hohen Temperatur im Pumpbereich zu der Temperatur des Kuhlmittels, die die Scheibe im Auljenbereich einnimmt. Durch die geringe Dicke der Scheibe ist die Auswirkung dieses Temperatursprungs am Rande des Pumpflecks auf die optische Weglange jedoch gering, so dass auch die Auswirkungen auf die Strahlqualitat gering sind. Die spannungsinduzierte Doppelbrechung isti sogar so gering, dass sie fiir reale Lasersysteme vernachlassigt werden kann. Durch das grolje Oberflachen-zu Volumen Verhaltnis der Scheibe kann die Scheibe bei extrem hohen absorbierten VolumenLeistungsdichten betrieben werden (bis zu 1 MW/cm3). Der Kristall kann gepumpt werden, indem die Pumpstrahlung schrag von vorne auf den Kristall auftrifft. Abhangig von der Dotierung und der Dicke des Kristalls wird nur ein kleiner Anteil der Pumpstrahlung in der Scheibe absorbiert, der nicht absorbierte Anteil verlasst den Kristall nach Reflexion an der Kristallriickseite. Wenn nun dieser Anteil immer wieder erneut auf den Kristall abgebildet wird, kann die Absorption der Pumpstrahlung deutlich gesteigert werden. Bevor die Strahlung der Pumpdioden allerdings benutzt werden kann, muss sie raumlich homogenisiert werden, da die Temperaturverteilung in der Scheibe mm Erzielen guter Strahlqualitat moglichst homogen sein muss. Zur Homogenisierung werden entweder Fasern oder Quarzstabe benutzt, in die die Pumpleistung eingekoppelt wird. Das Ende der Faser bzw. des Stabes bildet dann die Pumpquelle f& die Scheibe. Diese Quelle wird dann auf die Scheibe abgebildet, so dass die gewunschte Pumpleistungsdichte (3 kW/cm2 bis 8 kW/cm2) auf der Scheibe erzielt wird. Die Absorption der Pumpstrahlung wird durch die Anzahl der Pumpstrahlungsdurchgange durch die Scheibe, die Dotierung und die Dicke der Scheibe festgelegt. lhlicherweise werden bei optimierten Designs mehr als 90% der gesamten Pumpleistung in der Scheibe absorbiert. Auf diese Weise kann die Dicke der Scheibe und die Dotierung gering gehalten werden. Dadurch werden alle thermischen Effekte wie thermische Linse und Spannungen deutlich reduziert. Zudem bewirkt die Vielfachabbildung der Pumpstrahlung eine effektive Erhohung der Pumpstrahlungsdichte (ca. Faktor 10 fiir 16 Pumpstrahlungsdurchgange).
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Dadurch wird zum Einen die Anforderung an die Brightness der Pumpdioden reduziert, zum Anderen konnen auch Quasi-Drei-Niveau Systeme (z.B. Yb-dotierte Materialien) rnit dieser Anordnung gepumpt werden. Gerade diese Quasi-Drei-Niveau Systeme erlauben nun den Bau von Lasern rnit der hochsten Effizienz. Allerdings liegt die Schwierigkeit dieser Lasermaterialien darin begriindet, dass sich ein Teil der laseraktiven Ionen bereits bei Raumtemperatur im unteren Laserzustand befinden, der sehr nahe dem Grundzustand liegt. Daher ist eine hohe Pumpleistungsdichte erforderlich, um die Laserschwelle zu erreichen und das, ohne dass dabei die Temperatur des Materials zu sehr ansteigt, da ansonsten die Schwelle weiter ansteigen wurde. Hier ist das Scheibenlaserdesign rnit der Mehrfachabbildung der Pumpstrahlung optimal, da es erlaubt, die Dotierung und die Dicke des Laserkristalls so weit zu senken, dass die Schwelle nicht zu hoch ist und trotzdem fast die gesamte Pumpstrahlung absorbiert wird. Diese Entkopplung zwischen Absorption der Pumpstrahlung und ReAbsorption der Laserstrahlung ist der Schlussel zum Betrieb hocheffizienter Quasi-DreiNiveau Systeme. Wird nun die Scheibe in der beschriebenen Weise betrieben, lasst sich die Leistung bzw. die Energie des Lasers durch Vergroljern des Pumpfleckdurchmesserssteigern, wenn die Pumpleistungsdichte konstant gehalten wird. Fur die Pumpdioden bedeutet das gleichzeitig, dass die Brightness der Dioden nicht gesteigert werden muss, wenn der Laser hohere Leistung erzielen soll.
Skalierung der Laserleistung und der Energie Bis heute wurden 4,l kW aus einer einzigen Laserscheibe demonstriert (Multimodebetrieb, M2 = 20). Durch Kopplung mehrerer Scheiben in einem Resonator wurden mehr als 6,5 kW im Dauerstrich-Betrieb erreicht (M2 < 24), sowohl rnit 2 Scheiben als auch rnit 4 Scheiben. Der elektrische Wirkungsgrad (definiert als das Verhaltnis von nutzbarer Laserleistung zur elektrischen Leistung der Pumpdioden) liegt bei mehr als 25%, der Steckdosenwirkungsgrad bei etwa 20% flir Industrielaser. Alle hier berichteten Daten wurden durch die Firma Trumpf Laser in Schramberg erzielt. Rechnungen zeigen, dass die Leistung aus einer einzigen Scheibe auf mehrere 10 kW, moglichenveise sogar auf mehr als 100 kW gesteigert werden kann. Bild 1 zeigt Rechnungen der Laserleistung als Funktion der Pumpleistung f i r ein reales Laserdesign, so wie es heute im Labor eingesetzt wird. Wie envartet, steigt fiir konstante Pumpleistungsdichte die Laserleistung rnit steigendem Pumpdurchmesser auf der Scheibe an. Der Wirkungsgrad ist dabei nahezu unabhangig von der Laserleistung. Im Pulsbetrieb wurden bis heute 37 mJ Pulsenergie erzielt (1 kHz Repetitionsrate, single frequency-Betrieb, M2 < 1,3). Die Pulsenergie ist dabei starker begrenzt im Vergleich zur Leistung im Dauerbetrieb, da in den Pulspausen die hohe Verstarkung in der Scheibe zu einer parasitaren Verstarkung der spontanen Emission (Fluoreszenz) fiihrt. Allerdings kann auch die Pulsenergie weiter gesteigert werden, wenn die Verstarkung der spontanen Emission reduziert wird. Dies kann sehr wirkungsvoll geschehen, wenn auf die dotierte Scheibe eine etwas dickere undotierte Scheibe gebondet wird. Rechnungen zeigen, dass rnit solchen Scheiben Energien im J-Bereich erzielbar sein werden.
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16000 -
14000 -
P //
/
12000 10000
-
/
//’
8000 -
/
6000 -
/
4000 -
0
/’
-0-
Pumpdurchmesser 10 mm
*/A/
2000
0
/
-
I/, 0
/O I
I
I
I
I
5000
10000
15000
20000
25000
i
Pumpleistung [W]
Abb. 1: Laserleistung als Funktion der Pumpleistung fur verschiedene Pumpdurchmesser (Scheibe: 9at. % Yb:YAG,Dicke der Scheibe 180pm, gelotet auf Cu WKiihlkorper).
Strahlqualitat des Scheibenlasers Im Grundmodebetrieb (M2 < 1,l) wurden bis zu 225 W demonstriert mit einem optischen Wirkungsgrad von mehr als 40%, bei 180 W Leistung wurde mehr als 50 % Wirkungsgrad erreicht. Bild 2 zeigt Leistung und Effizienz einer Scheibe, mit der im Multimode-Betrieb 225 W Leistung bei 64% opt. Wirkungsgrad und im Grundmodebetrieb 180 W mit 50% Wirkungsgrad erreicht wurden. Prinzipiell gilt fiir den Grundmodebetrieb die gleiche Leistungsgrenze wie im Multimode-Dauerbetrieb, da durch das Scheibenlaserdesign so geringe thermische Storungen induziert werden, dass diese leicht durch adaptive Elemente kompensiert werden konnen. Bild 3 zeigt Rechnungen zur Phasenstorung fiir verschiedene Scheiben- und Pumpfleckdurchmesser, die zeigen, dass die Phasenstorungen im inneren Bereich des Pumpflecks unabhangig vom Pumpdurchmesser und damit unabhangig von der Pumpleistung sind. Die Rechnungen zeigen somit, dass die Leistung im Grundmodebetrieb im Prinzip genauso hoch sein kann wie im Multimode-Betrieb.
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70 220
65
L
60
200
55
180
50
160
45
Y
140
40
120
2
30
100
3 5 .-
25
80
35
B CI
Q
20
60
15
=aa $
4
40
10
20
5
0
0
0
25
50
75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350
Pumpleistung, P, [W]
Abb. 2: Leistung und Wirkungsgradfur Multimode-Betrieb und Grundmode-Betrieb einer Scheibe.
0
a
0 -1 5 -
Dicke 180 pm, 9% dotiert, ca. 4 kW/cm*P, cw-Betrieb -3 mm Pumpfleck, 12 mm Scheibe -4.5 mm Pumpfleck, 12 mm Scheibe -4.5 mm Pumpfleck, 20 mm Scheibe 6 mm Pumpfleck, 20 mm Scheibe ~
-2 0
00
I
I
05
10
I 15
-
rel. Radius [ ]
Abb. 3: Phasenstorung von Scheiben mit unterschiedlichem Radius und Pumpjleckvadius (Scheibendicke180 pm, Pumpleisutngsdichte 4 k W/cmz).
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Quo vadis Strahlwerkzeug Laser? Thomas Graf Institut fir Strahlwerkzeuge, Universitat Stuttgart, Pfaffenwaldring 43, D-70569 Stuttgart
Mit diesem Beitrag wird die Tradition der Antrittsvorlesungen von neu an die Universitat Stuttgart berufenen Professoren mit unserer institutseigenen wissenschaftlichen Fachveranstaltung, den Stuttgarter Lasertagen (SLT), verbunden. Anders als bei den fachlich konzentrierten Konferenzbeitragen sol1 in dieser Antrittsvorlesung das Arbeitsgebiet des Instituts fir Strahlwerkzeuge einem breiteren Publikum aus der Universitat vorgestellt werden. Obwohl der Institutsname mit wohlgemeinter Weitsicht andere als Laserstrahlen nicht ausschlieljt, haben sich die wissenschaftlichen Arbeiten seit der Griindung des Instituts im Jahre 1986 hauptsachlich auf die Lasertechnik konzentriert. Eine Technik, die von der Entwicklung neuartiger Strahlquellen bis zur ErschlieSung neuer Anwendungsverfahren das Institut und seine An-Gesellschaften noch lange gut auslasten wird. Den anfanglichen Ruf, eine Losung flir ein Problem zu sein, das noch gefimden werden miisse, hat der Laser langst abgelegt. Das Strahlwerkzeug Laser gehort heute rnit den optischen Technologien und in deren Zentrum zu den wichtigsten Innovationstreibern in der modernen Industrie, in der Medizin und in den Grundlagenwissenschaften. Ob bei der Untersuchung quantenphysikalischer Effekte, der Manipulation einzelner Molekiile, bei der Krankheitsdiagnostik, als chirurgisches Werkzeug, bei der sicheren und breitbandigen Informationsiibertragung oder als leistungsfahiges und hochprazises Werkzeug beim Schneiden, Fiigen und Bohren in der industriellen Fertigung - iiberall kommen heute Laser mit ganz spezifisch entwickelten Eigenschaften zurn Einsatz und tragen so in allen Bereichen laufend und maljgeblich zur wissenschaftlichen und technischen Innovation unserer Gesellschaft bei. Auch die beeindruckenden und stetig wachsenden wirtschaftlichen Umsatze, die rnit der Lasertechnik erzielt werden, zeigen, dass sich wissenschaftliche Erkenntnisse sehr wohl und effizient aus den akademischen Forschungsstatten heraus zum Nutzen der Allgemeinheit umsetzen lassen. Und dies, wie die Entstehungsgeschichte des Lasers zeigt, auch dam, wenn nicht von vornherein klar ist, wozu die rein wissenschaftlkh erzielten Erkenntnisse niitzlich sein werden. Trotz der nachweislichen und bereits beeindruckenden Erfolge der Lasertechnologien geht dieser Innovationsprozess rnit unvermindertem Schwung weiter. Die Wissenschaftler in den akademischen Forschungseinrichtungen arbeiten an unzahligen Neuentwicklungen sowohl bei den Laserstrahlquellen als auch bei der Wechselwirkung von Laserstrahlung rnit Materie, also der Anwendung von Laserstrahlen. Und bei jeder dieser Entwicklungen wird die Frage auch unter Fachleuten immer wieder neu diskutiert: Brauchen wir das? Die Geschichte des Lasers hat diese Frage oft genug mit Ja beantwortet. Und ware ich nicht iiberzeugt, dass diese Bejahung noch OR bestatigt wird, hatte ich die Berufung zum Leiter des Instituts fiir Strahlwerkzeuge nicht angenommen. Eine moglichst friihzeitige und kompetente Beantwortung der genannten Frage ist aber bei den zunehmend knapperen Forschungsmittel eine unbedingte Pflicht und ist nur durch einen moglichst ganzheitlichen Forschungsansatz gewahrleistet. Eine Tradition, an die sich das Institut fiir Strahlwerkzeuge schon seit seiner Griindung unter der Leitung von Prof. Helmut Hiigel erfolgreich gehalten hat und die sich in der Gestaltung der drei Forschungsschwerpunkte ,,Laserentwicklungb6,,,Grundlagen und Simulation" und ,,Verfahrensentwicklung" auBert. Um den aktuellen Anforderungen in den Laseranwendungen und den neuen Entwicklungen bei den Strahlquellen Rechnung zu tragen, wird zu diesen Schwerpunkten ein weiterer
so1
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zum Thema ,,Strahlformungbbhinzukommen. Wie Abbildung 1 andeutet, stehen die fachlichen Themenschwerpunkte jedoch stets in enger Wechselwirkung zueinander.
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Grundlagen und Simulation
J
Abb. 1: Fachliche Themenschwerpunkteam Institut fur Strahlwerkzeuge.
Im Bereich der Laserentwicklung hat gerade angesichts der gegenwartig immer wieder erneut angefachten Diskussion um die Konkurrenz zwischen dem Scheibenlaser und dem Faserlaser eine wissenschaftliche fundierte Untersuchung der Skalierbarkeit der unterschiedlichen Laserkonzepte und die Auslotung derer spezifischen Vorteile deutlich an Bedeutung gewonnen. Mit Blick auf die Reife der unterschiedlichen Konzepte steht am Institut fiir Strahlwerkzeug die Skalierung des Scheibenlasers in Kombination mit neuartigen Fasern zur Strahliibertragung derzeit im Vordergrund. Die fi-eie Leistungsskalierbarkeit des Scheibenlaserkonzepts sol1 durch Realisierung eines beugungsbegrenzten Strahls mit > 1 kW kontinuierlicher Leistung demonstriert werden. Analoge Skalierungen sind selbstverstandlich auch im gepulsten Betrieb angestrebt und speziell in Hinblick auf eine Steigerung der Produktivitat in der Mikrobearbeitung dringend erforderlich. Gleichzeitig laufen bereits mehrere Projekte zur gezielten und zum Teil auch adaptiven Strahlformung von Hochleistungslasern. Dies betrifft sowohl die Intensitatsverteilung eines transversal einmodigen Strahles als auch die Erzeughg neuartiger Polarisationsverteilungen um beispielsweise die Energieeinkopplung im dearbeiteten Material deutlich zu verbessern. Die Strahlformung beziiglich Polarisationsverteilung basiert dabei auf resonanten Kopplungen an optische Wellenleiter in (nahezu ebenen) Laserspiegeln. Die Fasertechnologie wird bei den genannten Weiterentwicklungen des Scheibenlasers nicht als Konkurrenz sondern als zwingend erforderliche Parallelentwicklung gesehen. Der Scheibenlaser genieljt in der Industrie nicht zuletzt dank der problemlos weit uber 100 m in Glasfasern iibertragbaren Strahlen eine hohe Akzeptanz. Sollten sich aber beispielsweise beugungsbegrenzte Strahlen im kW-Bereich oder Strahlen mit radialer Polarisationsverteilung in der Praxis als nutzlich enveisen, so stiinden bei entsprechenden Fortschritten beim Scheibenlaser heute keine geeigneten Fasern fb-die Strahlubertragung zur Verfiigung. Hier besteht also auch im Interesse des Scheibenlasers ein groljer Handlungsbedarf. Andererseits werden solche Fasern zu einem spateren Zeitpunkt und unter anderem durch Entwicklung geeigneter Anregungskonzepte auch zu eigentlichen Faserlasern weiterentwickelt werden konnen. Die Beurteilung und die Untersuchung, unter welchen Umstanden und bei welchen Verfahren speziell geformte oder beugungsbegrenzte Strahlen sehr hoher Leistung fiir den Anwender interessante Vorteile bringen, wird Aufgabe der Verfahrensentwickler sein, sobald entsprechende Strahlquellen zumindest als Laborgerate verfiigbar gemacht werden konnen.
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Denn erst nach Klihng auch der Frage nach dem Nutzen dieser Entwicklungen sind die Technologien reif f ir den Transfer in die Industrie. Angesichts der stark wachsenden wirtschaftlichen Bedeutung der Lasertechnik steht dabei immer dringender die Absicherung laserbasierter Fertigungsverfahren im Zentrum der Bestrebungen, was wiederum sehr eng mit der Untersuchung geeigneter Diagnosetechniken verknupft ist. Viele der hochdynamischen und auf Meinstem Raum ablaufenden Prozesse sind noch zu wenig verstanden und damit zu wenig kontrollierbar, um eine ,,Null-FehlerFertigung" anstreben zu konnen. Hier wird das an der gemeinnutzigen Forschungsgesellschaft fir Strahlwerkzeuge mbH anlasslich der diesjahrigen Stuttgarter Lasertage durch den Wirtschaftsminister des Landes Baden-Wurttemberg eroffhete Diagnostikzentrum wichtige neue Erkenntnisse bringen. Erst wenn die Wechselwirkungsprozesse besser verstanden sind, kann beurteilt werden, welche messtechnische Diagnostik- und ijbenvachungsstrategien eine fehlerfieie Regelung laserbasierter Fertigungsverfahren ermoglichen. Das physikalische Verstandnis der Prozessdynamik in den unterschiedlichen Verfahren ist aufgrund der hohen Komplexitat nur mit geeigneten numerischen Simulationsmethoden erschlieBbar. Nach den zahlreichen und durchaus sehr aufschlussreichen Arbeiten zur Analyse von mehr oder minder isolierten Phanomenen wird derzeit mit einem neuen numerischen Ansatz angestrebt, alle relevanten Phiinomene gleichzeitig zu beriicksichtigen. Mit der Fortfihrung eines ganzheitlichen Forschungsansatzes, der Bildung strategischer Themenschwerpunkte und der entsprechenden Abbildung in die universitiire Lehre ist das Institut fir Strahlwerkzeuge also weiterhin bestrebt, mit neuen wissenschaftlichen Erkenntnissen die Grundlagen zu Schaffen, damit die Lasertechnologie auf breiter Front weiterhin einem gesellschaftlichen und wirtschaftlichen Nutzen zugefihrt werden kann.
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Aus der Praxis fur die Praxis I =
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IV
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Vom Coil zurn lasergeschweisten Rohr Wolfgang Weil Weil Engineering GmbH, Neuenburger Str. 23, D-79379 Mullheim
1
Einfiihrung
Im Automobilbau stoljt das Konzept, die Karosserie aus diinnwandigen, geschlossenen intelligent gestalteten Hohlprofilen herzustellen, vermehrt auf Interesse. Thyssen hat in alleiniger Verantwortung bereits vor 2 Jahren ein Referenzmodell erstellt auf der Basis des Ope1 Zafira rnit dem Ergebnis einer Gewichtsreduzierung von ca. 24%.Die so genannte profilintensive Bauweise bietet vor allem deshalb Leichtbaupotential, weil Hohlprofile aufgrund des geschlossenen Querschnitts grolje Steifigkeit und hohes Energieaufnahmevermogen aufweisen. Bei entsprechenden Crashtests konnte dies hinreichend nachgewiesen werden. Als tragende Strukturelemente kommen vor allem die vorderen und hinteren Langstrager sowie als Dachrahmen IHU-umgeformte Profile (Tailored Tubes) zur Anwendung. Tailored Tubes lassen sich heute rnit wechselnden Wanddicken, unterschiedlichen Festigkeiten oder verschiedenen Oberflachenbeschichtgen herstellen. Im Bereich der Langstrager besteht zusatzlich besonderes Interesse an Profilen rnit konischer Ausgangsgeometrie. Das Formen von Profilen rnit unterschiedlichen Durchmessern (Multi Diameter Tube) wurde bereits im Prototypenstadium realisiert rnit anschlieljender Laserschweiljung zum geschlossenen Profil. Der Vorteil liegt vor allem darin, dass auf die aufivendigen IHU-Umformprozesse verzichtet werden kann und lediglich ein kalibrieren im Anschluss an den Umform- und Schweiljprozess notwendig wird, wodurch eine erhebliche Kostenreduzierung gewahrleistet ist.
Abb. 1: Fertigungsschritte Multi-Diameter Tube. Abb. 2: Multi-Diameter Tube. Als Ausgangsmaterial fiir intelligent gestaltete Hohlprofile werden in erster Linie HFgeschweiljte Profile eingesetzt rnit dem Vorteil der sehr hohen Produktivitat, jedoch rnit dem Nachteil, dass man beziiglich Flexibilitat respektive geometrischen Freiheitsgraden eingeschrankt ist und beziiglich Durchmesser-Blechdickenverhaltnissen auf verfahrenstechnisch bedingte Grenzen stof3t. Die nachfolgende Beschreibung zeigt zum einen den schematischen Vergleich einer kontinuierlichen HF-Rohrschweiljanlage und einer flexiblen Kurzrohrschweiljanlage. An 2 unterschiedlichen Bauteilen wird der erfolgreiche Einsatz von Fahrzeugbauteilen rnit unterschiedlicher geometrischer Form vorgestellt, wobei man sich bei beiden Anwendungen aus wirtschaftlichen Griinden fiir das Kurzrohr-Herstellungsverfahrenentschieden hat.
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2
Gegenuberstellung HF-geschweiflter Rohre zu lasergeschweiflten Rohren (geeignet fur IHU-Prozesse)
2.1
Linienlayout HF-Linie 0
0 0
0 0
Querteilanlage (gemalj WE-Linie) Kantenverarbeitung Mehrstufiges Einformen zum Rohr Widerstand-Pressschweiljung AulJen- und Innenschabung
0 0
0 0 0
Kalibrierung Zerstorungsfieie Priifung (Wirbelstrom / Ultraschall) Sagen Wmebehandlung unter Schutzgas Palletieren
I
Querteilanlage
Wlderrtandr-
EmdkantenbeErbeItung
€informenrum Rcnr
prcExhmr8Cn
h & n - und Innmscnaaung
Kalrbrlcnn
etnonobster
I
WLLrmcWbndlunp unter SchuWges
Abb. 3: Linienlayout der HF-Linie - Gesamtlange einer solchen Linie: ca. 70 m.
2.2
Linienlayout Laser-Kurzrohr 0
Querteilanlage Kantenverarbeitung U-Formung Presse 1 0-Formung Presse 2
0 0 0
Laserschweiljanlage mit Prozessuberwachung Richtstation Palletieren
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A bb. 4: Linienlayout Laser-Kurzrohrfert igung.
3
Anwendungsbeispiel 1
LasergeschweiDtes Kurzrohr fiir Automobil-Hinterachse
3.1
Prozessschritte
gerades Rohr
3
fertiges Bauteil: Hinterachse
Abb. 5: Prozessschritte.
67
68
SLT '05 -3mm
3.2
SchweiSnahtvergleich
- 2 m
I
. Abb. 7: HF-Naht.
Abb. 6: Laser-SchweiJung. 3.3
Vorteile
0
0
4
Entscheidungskriterien des Kunden, sich fGr das lasergeschweil3te Rohr zu entscheiden (Achsenfertigung). Flexible Rohrfertigungsstralje 0 50 - 0 150 111111, Rohrlange bis 2000 mm, Materialstarke 1- 4 mm, Kompakterer Aufbau vom Halbzeug zum Rohr. Geringere Materialbeanspruchung beim Rohreinformen; Umformvermogen des Werkstoffes bleibt erhalten. Keine Gluhanlage notwendig vor dem nachfolgenden Umformprozess. Kurze Umriistzeiten der Gesamtlinie auf andere Rohrabmessungen (ca. 30 min.) Im Vergleich zur HF-Linie kostengunstigereUmbauteile R r andere Rohrdurchmesser. Sehr kleine warmebeeinflusste Schweiljzone (bei Laser) im Vergleich zu HFSchweiljnaht.
Anwendungsbeispiel2
Vom vorgeformten Profil zum lasergeschweil3ten Karosseriebauteil (Inner Post / Outer Post)
Abb. 8: Bauteil 1.
Abb. 9: Bauteil2.
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4.1
Linienlayout
Abstapler Zufiihrtisch Profilpresse Zwischenhandling SchweiBanlage Tubestar und Laser Ablagetisch
Abb. 10: Linienlayout Anwendungsbeispiel2. 4.2
Schematische Darstellung SchweiDbereich
Abb. 11
Abb. 12
69
70
4.3
SLT '05
Langsnahtschweifimaschine Tubestar 1
Abb. 13: Tubestar 1.
4.4
Vorteile
Entscheidungskriteriendes Kunden sich fir diesen Prozessablauf zu entscheiden.
0
0
5
Sehr flexible und kompakte Gesamtfertigungslinie. Einsatz von hochfesten Materialien moglich 800 N/mm2. Wenig Prozessschritte: Abstapeln / Formen / Schweiljen. Stuckkosten giinstiger als mit anderen Herstellungsverfahren.
Zusammenfassung
Um vom Coil zum lasergeschweiljten Kurzrohr erfolgreich zu sein und diesen auch bei Serienanwendungen im Automobilbau, fihrt der Weg nur uber eine Gesamtbetrachtung der Prozesskette, d.h. jeder einzelne Schritt vom Halbzeug bis zum fertigen Bauteil muss genau untersucht und unter Kostengesichtspunkten bewertet werden. Durch den Wegfall von Gliihprozessen am Halbzeug oder aufwendigen IHU oder andenveitigen Umformungen, sowie Sageoperationen mit Nacharbeiten um ein entsprechendes Endprodukt zu erzeugen, lassen sich bei den unterschiedlichen Anwendungen erhebliche Kosteneinsparungen erzielen, so dass der wirtschaftliche Einsatz nachgewiesen werden kann.
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Roboterbasierte Lasermaterialbearbeitungssysteme Neuentwicklungen und Anwendungen Axel Fischer REIS ROBOTICS, Walter-Reis-Str.1, D-63785 Obernburg Die Lasertechnik in Verbindung mit Robotern und integrierter Strahlfiihrung hat in den letzten Jahren Einzug in die Industrie gehalten. Speziell in der Materialbearbeitung von Kunststoffen, z. B. fiir die Nachbearbeitung von Innenverkleidungsteilen fir die Automobilindustrie wurden neue auljerst wirtschaftliche Fertigungstechniken und Verfahren entwickelt. Weltweit sind nahezu 150 Anlagen von REIS im industriellen Einsatz. Als Roboterhersteller auf der einen Seite und als Systemintegrator auf der anderen Seite hat REIS die gesamte Kompetenz fiir die Weiterentwicklung solcher Technologien sowohl von den Grundgeraten als auch von deren Anwendung im eigenen Haus. Durch die konsequente Weiterentwicklung der Lasertechnologie konnten weitere neue Applikationsfelder in der Bearbeitung metallischer aber auch nichtmetallischer Werkstoffe (Glas, Verbundwerkstoffe u.a.) erschlossen werden. Neben den anwendungstechnischen Vorteilen ist dies auch in den deutlich niedrigeren Investitionskosten von Laserroboteranlagen im Vergleich zu CNCMaschinen begriindet. Schon Anfang der 90er Jahre hat REIS ROBOTICS Entwicklungen auf dem Gebiet der Integration von Lasern direkt in den Roboterarm unternommen. Die Integration der Laserstrahlfiihrung innerhalb der Armstruktur bietet grolje Vorteile gegenuber konventionellen Systemen mit externer Laserstrahlzufiihrung bzw. gegenuber stationaen Lasersystemen, bei denen das zu bearbeitende Teil bewegt wird. Durch die uneingeschrankte Beweglichkeit des Roboters und die Kompaktheit des schlanken Handgelenkmoduls wird ohne zusatzliche Storkonturen eine sehr gute Zuganglichkeit auch an komplexen raumlichen Bauteilen mit Hinterschneidungen erreicht. Hohe Schnittgeschwindigkeiten und Bahngenauigkeiten tragen weiterhin zur guten Wirtschaftlichkeit der Systeme bei. REIS ROBOTICS halt auf diesem Gebiet eine Vielzahl von Patenten. Schon seit dem Jahr 1995 bietet man Laserroboter mit integrierter Strahlfiihrung'sowohl fiir C02- als auch fiir Nd:YAG-Laser an. Zunachst wurde bei diesen RoboteA der Laser auf dem Unterarm (Achse 3) montiert und der Laserstrahl im inneren des Armes zum Tool Center Point g e m . Die standig steigenden Anforderungen aus dem Systemgeschaft machten es notwendig, dass man sich mit neuen Kinematikkonzepten fiir den Lasereinsatz beschaftigte. Denn die Anordnung des Lasers auf dem Unterarm (Achse 3) begrenzte durch die resultierenden hohen Massenbeschleunigungen die Bewegungsdynamik (Geschwindigkeiten und Beschleunigungen) und das Genauigkeitsverhalten des Roboters. Das grolje Bauvolumen der Strahlquelle wirkte sich teilweise wegen der Storkonturen im Arbeitsraum ebenfalls negativ aus. Dariiber hinaus konnten auf Grund der Tragfahigkeit des Roboters hier nur Laser bis zu einer Ausgangsleistung bis 600 W eingesetzt werden. Diese Randbedingungen W e n zu einer Weiterentwicklung der Roboterkinematik fk den Lasereinsatz. Das Konzept der neuen Laserroboter RV6L-CO2 und RV16L-C02 kompensiert 0.g. Nachteile und Einschrankungen. Die Anordnung des Lasers ist nicht wie bisher auf dem Unterarm, sondem seitlich am Schwenkarm der Achse 2 (Oberarm). Durch diese Platzierung nahe an der Roboterbasis konnen Laserstrahlquellen bis zu einem Gewicht von 400 kg bzw. mehreren Kilowatt Leistung mitgefiihrt werden, ohne den nutzbaren Arbeitsraum negativ zu beeinflussen. Die Beeintrachtigung der Roboterdynamik ist durch die gunstige Massenanordnung nahezu vemachlassigbar. Die geringeren auf den Laserkopf wirkenden
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Beschleunigungen wirken sich positiv auf seine Lebensdauer aus. Eine Universalschnittstelle erlaubt den Einsatz unterschiedlicher Lasertypen auch von verschiedenen Herstellern. Ebenso wie bei dem urspriinglichen Robotersystem wird auch bei der seit 2002 verfigbaren Roboterkinematik der Laserstrahl komplett innerhalb des Roboterarmes wahlweise iiber 4 oder 6 Spiegel zum Tool Center Point g e m . Aufgrund der zentrischen Lage des Fokuspunktes zur Achse 6 kommt bei Schneidaufgaben meist nur die 5-achsige Ausfihrung zur Anwendung. Sofern an der Roboterhand zusatzliche applikationsspezifische Komponenten adaptiert werden miissen, ist eine weitere Handachse (Achse 6) verfiigbar. Somit konnen auch Prozesseinrichtungen, wie eine externe Kaltdrahtzufihrung oder Sensoriken z.B. zur Nahtverfolgung oder Prozesskontrolle orientiert zur Bearbeitungsbahn wahrend des Bearbeitungsprozessesbewegt werden.
Abb. 1: Knickarm-Roboter RVI6L-CO2 mit TRUAdPF C02-Laser TCFl mit 2 Kilowatt Laserleistung. Ausgehend von den Grundkomponenten aus der Standard-Roboterbaureihe wurden weitere Roboterkinematiken fiir die Laserbearbeitung entwickelt. Die Hybrid-Kinematik, eine Kombination von Modulen aus der Linearroboterbaureihe (Achse 1) und Komponenten aus der Knickarmbaureihe (Achsen2 bis 5 oder 6), ermoglicht durch die hangende Anordnung und die in der Hublange erweiterbare Langsachse die Bearbeitung grol3flachiger Bauteile mit bis zu 25 m Lange.
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Abb. 2: REIS Hybrid-Kinematik kann auch fir Laserschneidaufgaben eingesetzt werden. Sofern die Reichweite eines Knickarmroboters in Querrichtung nicht ausreicht, kann das Handachsmodul mit integrierter Laserstrahlfihrung auch an einem Flachenportalroboter genutzt werden, wobei der Laser je nach Leistungsklasse auf dem Portal mitgefihrt oder fest installiert wird. Dieses Kinematikkonzept kann je nach Anwendungsfall mit unterschiedlichen Hublangen in den Linearachsen geliefert werden und zeichnet sich auf Grund des Einsatzes von Direktantrieben in den Grundachsen durch seine hohe Bahnwiederholgenauigkeitenim Bereich von ca. 0,l mm aus. In Abhangigkeit von der Aufgabenstellung konnen an den Robotern von REIS ROBOTICS unterschiedliche Lasertypen in verschiedenen Leistungsklassen ab 100 Watt adaptiert werden. Seit Friihjahr 2004 bietet die Fa. Trumpf in Ditzingen den neuen diffisionsgekiihlten C02-Laser TCF 1 mit einer Leistung von 2 Kilowatt an und erschlieljt damit den wachsenden Markt zwischen den kompakten sealed-off-C02-Lasern bis 600 Watt und den deutlich groljer gebauten Hochleistungs C02-Lasern. In einer engen Entwicklungskooperation mit Firma TRUMPF-Lasertechnik wurde dieses innovative Produkt an die REIS-Laserroboter adaptiert. Potenzielle Anwendungsgebiete des TCF 1 liegen im Bereich der Lasermaterialbearbeitung nichtmetallischer Werkstoffe wie Glas, Kunststoff, Holz und Textilien. Mit der sehr hohen Strahlqualitat K von 0,9 eignet sich der TCFl aber auch besonders flir die Diinnblechbearbeitung.
Programmierassistent - Expertenfunktionen Die optimale Nutzung von Robotern fiir anspruchsvolle Bearbeitungsaufgaben setzt voraus, dass auch die Programmier- und Bedienmoglichkeiten den notwendigen Komfort bieten. In die Robotersteuerung ROBOTstarV wurden hierzu spezielle Funktionen zur Unterstiitzung des Anwenders bei der Programmerstellung und -0ptimierung implementiert. Einige Moglichkeiten des Programmierassistenten werden anhand der Expertenfunktionen MinMove und PatternInsert beispielhaft erlautert.
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MinMove (Minimized Movement) Schnelligkeit und Genauigkeit eines Roboters hangen wesentlich davon ab, in welchem Umfang einzelne Achsen wahrend einer Bahnbewegung beschleunigt oder abgebremst werden mussen. Da die Grundachsen in der Regel eine sehr grose Masse besitzen, sollte ihre Bewegung minimiert und von den wesentlich dynamischeren Handachsen ubernommen werden. Die dadurch entstehende Orientierungsabweichung ist, zumindest bei kleinen Konturabmessungen oder bei kleinen Materialdicken, vernachlassigbar gering. Der Programmierassistent mit der Expertenfunktion MinMove unterstiitzt hier den Anwender in der automatischen Umrechnung der Roboterbewegung. Ausgehend von der gewahlten Orientierungsabweichung wird die abzufahrende Kontur dahingehend verandert, dass die Grundachsenbewegung minimiert wird, bis hin zur vollstandigen Verlagerung der Bewegung in die Handachsen. Die Bewegung wird sozusagen ,,aus dem Handgelenk" ausgefiihrt, wodurch extrem hohe Bahngeschwindigkeiten bei geringer Bahnabweichung erreicht werden.
Abb. 3a: Ohne MinMove sind alle Achsen in Bewegung.
Abb. 3b: MinMovefuhrt die Bahnbewegung ,,aus dem Handgelenk '' aus.
PatternInsert Diese Expertenfunktion erlaubt es aus einer vordefinierten Bibliothek geometrische Bewegungsmuster auszuwahlen und in den Abmessungen zu parametrieren. iiber den Programmierassistenten wird nun dieses Muster mit den erforderlichen Programmbefehlen und Prozessparametern an die gewiinschte Stelle im Ablau@rogramm automatisch eingefiigt. Die raumliche Lage und Ausrichtung des Bewegungsmusters am Bauteil wird uber Programmierung eines Raumpunktes definiert. Insbesondere bei haufig wiederkehrenden Mustern, wie z. B. beim Schneiden von Lautsprecher-Schallbohrungen in eine KFZInnenverkleidung,wird der Programmierer vom Programmierassistenten effizient unterstiitzt.
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Abb. 4: PatternInsert fugt vordefinierte geometrische Muster automatisch ins Programm ein.
Zusammenfassung In vielen Anwendungsfallen fir Lasertechnik reicht die mit Robotersystemen erreichbare Genauigkeit fir den Bearbeitungsprozess aus. Durch die enge Integration des Lasers in der Roboterkinematik konnen Automationslosungen realisiert werden, die dem Anwender sowohl technische als auch wirtschaftliche Vorteile bieten. Die Vielfalt der Aufgabenstellungen beziiglich der notwendigen Arbeitsraume und der geforderten Zuganglichkeit verlangt es jedoch, dass man die integrierte Laserstrahlfihrung an verschiedene Kinematikkonzepten nutzen kann. Der Einsatz von Robotertechnik setzt weiterhin voraus, dass in den Robotersteuerungen Funktionen zur Vereinfachung der Programmierung und zur aenvachung des Bearbeitungsprozesses zur Verfigung stehen. REIS ROBOTICS hat alle Komponenten fir eine optimale Nutzung der Lasertechnik im Kunststoff-, im Metallbereich sowie auch fir andere Materialien wie Holz und Glas. Somit ist REIS in der Lage fiir diese Bearbeitungstechnik wirtschaftliche Automationslosungen mit hoher Verfigbarkeit zu realisieren.
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LaserschweilSen sicherheitsrelevanter Baugruppen fur die Automobilindustrie - ,,Pyrotechnische GasGeneratoren fur Fahrer-Airbags" Uwe Schennerlein TAKATA-PETRI SACHSEN GmbH; Werk Freiberg, Pulvermiihlenweg, D-09599 Freiberg
Gasgeneratoren fur Fahrer-Airbags aus FreibergBa. Im Werk Freiberg der TAKATA-PETRI Sachsen GmbH werden Generatoren fiir Seiten-Airbags Fahrer-Airbags Knie-Airbags Kopf-Airbags Beifahrer-Airbags produziert. An Gasgeneratoren fiir Fahrerairbags in zweistufiger Variante (PSDI-5) sind sechs SchweiBungen mit C02-Lasern auszuflihren (Standard-C0:-Laser; 6 kW; Hartemode).Die Besonderheit hierbei ist, dass es sich bereits um pyrotechnisch ,,hochgeladene" Gasgeneratoren handelt.
Abb. 1: Gasgenerator-SchweiJen 1. Stufe.
Abb. 2 :Gasgenerator-Schweien 2. Stufe.
Schweiflaufgabe und Probleme SchweiBen an pyrotechnisch hochgeladenen Gasgeneratoren / Sicherheitsaspekte Beherrschung von Bauteiltoleranzen (Passungen - SpaltmaBe) / Materialstarke 2,O 2,3 mm SchweiBen kritischer Materialpaarungen (mikroleg. Feinkornstahle hoherer Festigkeit) Beherrschung hoher Warmeeintrage (Spannungen - Verzug - ,,ungewollte Aus lo sungen") Nichtmetallische Komponenten in nahtangrenzenden Bereichen - Porengefahr Einhaltung von Sicherheitsfaktoren fiir Stahlstruktur
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Anforderungen an die Schweianahtqualitat Einhaltung der Nahtgeometrie gemaB Spezifikation - Nachweis durch zerstorende Priifungen; Besonderheit: keine ,,Durchschweiljung" zulassig, d.h., kein vollstandiger Nahtanschluss moglich (2/3-Nahte); Sicherung Nahtfestigkeit - Nachweis mittels HYDRO-BURST-TEST (2000bar); SchweiBen ,,dichter" Nahte - riss- und porenfrei / Nachweis mittels He - Leak Test;
Abb. 3: Praparierter Gasgenerator irn Schliff (ohne Pyrotechnik) - Nahtdarstellung.
.
Schweiflnahtausfuhrungen Mindest-EinschweiBtiefen gemaB Spezifikation Naht- Tiefe:
> >
Eindringtiefe in Nahtflanken:
>
P
1,3mm (N1 /N2) 1,2 mm (N3) 2,3mm (N4/N5/N6) 0,2 mm (alle Nahte)
Parameter - Schweinprozess:
0
Tiefschweiljprozess Prozessgas: H e - 28 l / m i n Zyklus 1/2: Vschw.' 2,8m/min Zyklus 3: Vschw.= 5,8m/min Zyklus 4/5: Vschw.' 2,6m/min Zyklus 6: Vschw.' 6 , l d m i n
-
-
P=2,72kW P=4,96kW P=3,72kW P=6,20kW
-
-
Fokus = 0 Fokus = + 1,0 Fokus = - 1,9 Fokus = + 0,75
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Als kritisch sind im speziellen die Nahte 4 und 5 einzustufen, die beim Festigkeitsnachweismittels Hydro-Burst-Test zum Versagen neigen. Griinde hierfd sind: sehr hohe Belastung auf Schub durch Innendruck, starke innere Spannungenim Material durch Presspassungen und Warmeeintrag, ungunstige Nahtfrcgnform fur den Gaslaser-SchweiJprozess, ungleichformige SpaltmaJe uber Nahtumfang - dadurch schwankende Nahtgeometrie, ungunstige Materialpaarungen, die zu starken Aufiartungen in der Naht fuhren konnen.
Sicherung der Nahtqualitat / Maonahmen - Losungen Die Absicherung reproduzierbarer i.0. - Ergebnisse an allen 6 SchweiDnahten erfordert ein hohes MaD an permanenter aenvachung und Regelung durch geschultes und erfahrenes Personal sowie durch integrierte Online - Monitoring Systeme. Die SchweiDnahte werden in hoher Frequenz zerstorend und zerstorungsfrei gepriift.
Zerstorende PriifunP - Makroschliffe von Serienteilen
Abb. 4: Naht 1+2,
Naht 4+ 5,
Naht 3+ 6.
Zerstorende Priifune - Hvdro-Burst-Test
Abb. 5: Hydro-Burst-Equipment.
Abb. 6: Gas-Generator nach Hydro-BurstTest (deformiert).
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Zerstorungsfreie Priifungc - visueller Check in der Fertigungslinie
Abb. 7: Sichtprufung Naht 1 bis 3 (1.Stufe).
Abb. 8: Sichtprufung Naht 4 bis 6 (2.Stufe).
Jeder Generator wird in der Fertigungslinie diesem zusatzlichem Check unterzogen. Es werden Nahtunregelmafiigkeitenund Poren / Locher erkannt. Unterbaugruppen mit erkanntem Fehlerbild sind durch das Bedienpersonal dem weiteren Bearbeitungsprozess sofort zu entziehen.
Zerstorunesfreie Priifung - Online-Uberwachuw durch Laser Weld Monitoring Diese Online-Ubenvachung mit im Strahlfiihrungssystem integriertem Sensormodul detektiert folgende Schweihahtfehler: . Poren / Locher / Fehlstellen in der SchweiJnaht Nahteinfalle (Decklagenunterwolbungen/ "durchsackende''Nahte) Schwunkungen bei der Nahtflunkenerfassung Die Auswertung erfolgt mittels Temperatur- und PlasGakurven.
Abb. 9: Online - Auswertung einer i. 0.-Naht
Abb. 10: Online - Auswertung einer n.i.0. -Naht 6, durchgesackte '' Naht - SpaltmaJ zu F?J)
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Zusammenfassung Bei der Umsetzung aller Anforderungen an die Gute der LaserschweiDnahte am Gasgenerator. PSDI-5 mussten eine Vielzahl von Einflussfaktoren beriicksichtigt werden, die sich teilweise sehr negativ auf den Laserschweiljprozess auswirkten. Die Sicherheit und Qualitat der Schweiljnahte hatte dabei oberste Prioritat. Urn dies auch in der laufenden Fertigung sicherzustellen, werden einerseits an das betreuende Personal hohe fachliche Anforderungen gestellt, sowie andererseits unterschiedliche PriiQrozesse in hoher Frequenz realisiert. Notwendige Korrekturen bzw. Optimierungen an SchweiDnahten sind auf Grund der gesammelten Erfahrungen prozessbegleitend in kurzester Frist umsetzbar.
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Vakuum in Forschung und Praxis
Zeitschrift fur Vakuum- und Plasmatechnologie, Oberflachen und Dunne Schichten Volume 17,6 Ausgaben ISSN Print: 0947-076X ISSN Online: 1522-2454 VIP. Vakuum in Forschung und Praxis -
Zeitschrift fur Vakuum- und Plasmatechnologie, Oberflachen und Diinne Schichten ist die einzige Zeitschrift fur alle Bereiche der Vakuum- und Plasmatechnologie, Oberflachen und Dunne Schichten, die sich als Briicke und Bindeglied zwischen Wissenschaftlern, Praktikern und Anwendern aus Forschung, Entwicklung und Produktion versteht. Sie berichtet und informiert uber neueste Entwicklungen und Erkenntnisse. VIP. Vakuum in Forschung und Praxis veroffentlicht u.a. Ubersichtsartikel; Fachaufsatze; referierte Beitrage aus der Forschung; Anwenderberichte; Produktinformationen; Interviews; Buchbesprechungen und -hinweise; I Produkt- und Lieferantenverzeichnis. VIP. Vakuum in Forschung und Praxis finden Sie im Internet unter
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I&WILEY
InterScience"
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Praxisbericht Stahl- und Aluminiumlaserschweifien ohne Zusatzmaterial Rainer Hack Hago Feinwerktechnik GmbH, Unter Greut 4, D-79790 Kussaberg
Einleitung Seit nunmehr 3 Jahren befasst sich die Firma Feinwerktechnik hago intensivst rnit dem Thema der industriellen Laserschweiljung. Seit uber 20 Jahren hat man Erfahrung im Umgang mit dem Tool Laser. Bereits als kleines Unternehmen (ca. 30 Mitarbeiter) wurde im Jahre 1983 die erste Laserschneidanlage der Firma Trumpf installiert. Heute schaut man rnit ca. 450 Mitarbeitern auf viele Innovationen zuriick, welche das Beschneiden der Bleche mit Laser im zweidimensionalen und dreidimensionalen Bereich bewirkt hat. Wahrend man lange Zeit den Laser nur zum Trennen einsetzte, erschuf man sich mit dem Schweiljen nun die Thematik Bauteil b des Fugens. Abbildung 1 zeigt einen Querschnitt eines seriellen Bauteiles, welches zur Zeit im Volumen von 3.000 Bauteil c Sack pro Arbeitstag hergestellt wird. Ein Dicke: 2mm umlaufendes 2 mm Blech wird mit einem Innenblech von der Dicke 6 mm und einem inliegenden Dom, welcher vertikal eingepresst wurde, lasertechnisch verbunden* Abb. I : Querschnitt eines seriellen Bauteiles. Exakte Energiedosierung sowie absolute Passgenauigkeit der Bauteile zueinander, sind unabdingbare Vorraussetzungen f%r ein optimales und prozesssicheres Ergebnis. Wenn ohne Zusatzmaterial lasergeschweiljt wird, dann ist genaue Eiormgebung der einzelnen Bauteile Pflicht. Das heiljt also, der Umgang mit' der Laserschweiljtechnik bedeutet auch hohes Fertigungs-Know-how beziiglich der einzelnen Bauteile. In diesem Anwendungsbeispiel arbeitet ein 6.000 Watt COZ-Laser,welcher in eine TLC-1005 eingebracht ist. Die vollumfangliche 5Achsentechnologie dieser Maschine ist unabdingbar, auch wenn es sich nur um eine zweidimensionale Laserschweiljnaht handelt. Dies wird insofern wichtig, wenn man die TwistlasTechnologie einsetzt und man der Naht immer geometrisch nachlauft, d.h. die C-Achse der Maschine sorgt f%r die korrekte Orientierung immer normal zur Schweiljnahtgeometrie. Genauso wichtig ist die Wirtschaftlichkeit, weil sich dieselbe prim& in der Schweiljzeit auljert. Unvermeidbare Nebenzeiten wie das Positionieren und Anfahren der einzelnen Referenzpunkte (Teil zu Teil, oder Wartungspositionen) unterstiitzt und beschleunigt die Komplexitat einer 5-Achsen-Maschine. Dies schlagt sich postwendend in eine bessere Wirtschaftlichkeit um. Mindestens genauso wichtig sind jedoch die Sondermaschinen und Vorrichtungen, welche die Einzelteile zum Laserschweilj- bzw. vom Laserschweiljprozess W e n . Eingesetzte Roboter f%r die Entnahme, bzw. das Einbringen der einzelnen Bauteile in den Schweiljrundtakttisch, stellte sich als Ideal heraus. Hier muss beachtet werden, dass die Bewegungen immer den Nebenzeitcharakter behalten. Bauteil a
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Argon
Helium
Abb. 2: Plasmaentw icklung und EinbrandVerhalten.
Das Prozessnas i s t von entscheidender
Prozesssicherheit. In Abbildung 2 kann der Unterschied zwischen Argon und Helium entnommen werden. Aber nicht nur die Intension der Schweiljnaht erscheint besser, nein der gesamte Prozess ist ruhiger und schafft auch speziell f i r Detektiersysteme bessere Ausgangssituationen.
In den Abbildungen 3, 4 und 5 sind einige Situationsdarstellungen einer Laserschweiljung gezeigt. Abbildung 3 zeigt eine Gutschweiljung, welches sich in einem kontinuierlich gutaussehenden DurchschweiBens darstellt. Die Abbildung 4 zeigt eine ungenugende Leistung des Lasers, d. h. das Material wurde nicht komplett homogen durchgeschweiflt. Die Abbildung 5 zeigt einen Versatz der SchweiBnaht, welche sich nicht unbedingt im Plasmabild der Schweiljung darstellt. D.h. um diesen Fehler zu detektieren mussen messtechnische Hilfestellungen als Kriterium konfiguriert werden.
Abb. 3: GutschweiJung
Abb. 4: Ungenugend Leistung
Abb. 5: Versatz der Schwegnaht
Die Fehlerbilder konnen noch auf viele weitere Punkte ausgeweitet werden. Zu erwahnen sind sicher die Schnittkanten. Hier lautet die Devise, rechtwinklige und abrissarme Schnittkanten = gute Schweiljqualitat. Es stellte sich auch heraus, dass die Systemkommunikation aller Anlagenteile sehr entscheidend f i r die Qualitat der Schweiljung ist. Die Laserquelle selbst und die Maschine haben dann hohe Verfigbarkeit, wenn sie kontinuierlich produzieren. D.h. wir konnten feststellen, dass Ausfalle auf den strapazierten Anlagen weit geringer sind, als auf Anlagen, welche permanent flexibel eingesetzt werden und somit langere Standzeiten haben. Um so sauberer die Artikel, um so kontinuierlich besser und sicherer der eigentliche Prozess. In unserer Anwendung wurde ein wassrig-alkalischer Reinigungsprozess vorgeschaltet. Es ist auch darauf zu achten, dass Lufteinschlusse beim Teileverpressen vermieden werden. Dazu mussen, wie bereits envahnt, abrissfreie Schnittkanten die Basis sein.
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Hier eignet sich besonders das Feinschneidverfahren, mit welchem, speziell im Dickblechbereich, das Problem gelost werden kann. Wenn es das Ziel ist, ohne Zusatzmaterial zu schweiBen, muss die Passgenauigkeit der Bauteile =-5 m/min).
Im groljen und heterogenen Anwendungsfeld des Nahtschweiljens, gibt es zwei wesentliche Argumente, die zu einer Steigerung des Bedarfes an lampengepumpten gepulsten Schweiljsystemen fihren. Zum einen ermoglicht die Technologie der thermischen Pulsformung und der metallurgischen Pulsmodulation eine Erweiterung der Anwendungsgrenzen der Laserschweiljbarkeit einzelner Werkstoffe und Werkstoffkombinationen, insbesondere aber eine Verbesserung der Schweihahtqualitat. Dies konnte in der Vergangenheit eindrucksvoll durch Anwendungen wie dem Schweiljen von PCB Bauteilen (goldbeschichtetes Kupfer mit Aluminium und Nickel [11 oder Stahl mit Bronze [2] demonstriert werden. Die Verbesserung der Schweiljbarkeit vor allem von hoher kohlenstoffhaltigen und martensitischen Chromstahlen konnte durch die Kombination von thermischer Pulsformung und sehr langen Pulsen deutlich verbessert werden (Pulslangen iiber 50 ms). Die Entstehung von Harterissen kann durch diese Kombination vollstiindig unterdriickt werden. Abb. 3 verdeutlicht das am Beispiel einer Schweiljung von Ritzel auf Welle bei der die Werkstoffkombination 1.4301 und Sandvik 20 AP (1% C) verschweiljt wird.
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Abb. 3: Schwegen von 1.4301 mit Sandvik 20 AP (a. konv. gepulste Schwegtechnik, b. SHADOK c. Pulse rnit 60 ms).
Zusatzliches Potential ergibt sich ausserdem aus der Kombination der schnellen Pulsleistungsregelung mit der Verwendung von Zusatzwerkstoffen, um zum einen den Vermischungsgrat zwischen Grundwerkstoff und aufgetragenem Zusatzmaterial optimal einstellen zu konnen und zum anderen, um beim Auftrag von verschleil3festen Schichten Haerisse im Schweiljgut zu vermeiden.
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Deutlich wird das am Beispiel des vollautomatisierten Auftragens des Materials 1.2083 mit dem Zusatzwerkstoff GS2 bei dem Hartewerte von bis zu 58 HRC erreicht werden. Abbildung 4a zeigt die Auftragungsschicht bei Venvendung konventioneller Pulse und die Abbildung 4b das Schweiljgut bei Verwendung modulierter metallurgischer Pulse.
Abb. 4: Automatisiertes AuftragschweiJen von GS2 auf 1.2083 [3].
Die volle Perfektion kann diese Technologie beim semiautomatisiertenAuftragen von verschleiljfesten Schichten bei der Reparaturschweiljung von Werkzeugen demonstrieren. Die Bilder 5 a bis c zeigen Beispiele aus diesem Anwendungsgebiet.
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a>
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Abb. 5: AuftragschweiJen von martensitischem a) und b) Umformwerkzeugec) Schnittstempel.
Chromstahl
auf
1.23 79
[4]
Im untersten Pulsleistungsbereich konnen moderne gepulste Nd:YAG Laser durch ihre Leistungsstabilitat selbst bei niedrigsten Pulsleistungen iiberzeugen. Vor allem bei medizintechnischen Anwendungen, bei denen u. a. medizinische EdelstWe, Titan und Nitinol zum Einsatz kommen, sind minimaler Warmeeintrag bei hoher Nahtgiite und Reproduzierbarkeit gefordert. Pulsleistungen unter 50 W sind daher keine Seltenheit. Abb. 6 zeigt eine typische medizintechnische Schweiljanwendung bei geringst moglichem Warmeeintrag und Venvendung der Pulsmodulation zur Glattung der Schweiljnahtoberflache.
Abb.6: Schwegen einer Jlexiblen Fiihrungsdrahtes (Feder) an eine Endoskopspitze, Material 316L unter Verwendung der Pulsmodulation.
Konnen cw Lasersysteme schon bei hochsensiblen medizintechnischenAnwendungen nicht mehr eingesetzt werden, werden die Anforderungen insbesondere beim Schweiljen von
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Folien in der Sensortechnik bei Foliendicken unter 20 um noch extremer. Selbst das SHADOW Verfahren oder die Venvendung von cw-Systemen mit hoher Strahlqualitat fiihren aufgrund des im Prozess begriindeten relativ hohen Warmeeintrages zu einem relativ hohen Verzug der Folien vor der Schmelzbadfront. Daher sind solche Technologien nur bei hohem spanntechnischen Aufwand einzusetzen. Gepulste Laser dagegen konnen aufgrund ihres geringen Warmeintrages selbst bei solchen Anforderungen noch ohne erheblichen Aufwand verzugsfrei schweiljen. Das SHADOW Verfahren kann dagegen beim Rohrschweiljen mit geringen Wandstarken und Rohrdurchmessern iiberzeugen bzw. beim Schweiljen von rotationssymmetrischen Mikrobauteilen. Hier sind die Vorteile von SHADOW am deutlichsten spiirbar. Interessantenveise sind ein grosser Teil an Anwendungen von SHADOW im Bereich der Uhrenindustrie zu finden, mit denen der gepulste Nd:YAG Laser zu seinen Wurzeln zuriickfindet.
Literatur 1 2 3 4
Holtz R., Jokiel M. : Optimized laser applications with lamp-pumped pulsed Nd:YAG lasers. ICALEO 2002, 24st international congress on application of lasers and electro optics,14-17 October 2002, Scottsdale, Arizona. Holtz R., Jokiel M.: Erfahrungen beim Laserstrahlschweiljen von Werkstoffkombinationen. Grolje SchweiljtechnischenTagung, 17-19 September 2003, Berlin. Veld Laser Innovation B.V., Ulenpasweg 1 A, BV 's Heerenberg, Netherlands. Askea Feinmechanik GmbH, Ravensburger Stralje 28,88279 Amtzell, Germany.
Herzlichen Dank an die Firmen Askea Feinmechanik GmbH und Veld Laser Innovation B. V .fur die freundliche Zurverfugungstellung von Informationen und Bildmaterial.
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Abtragende Mikrobearbeitung I
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Materialbearbeitung mit ultrakurzen Laserpulsen am IFSW - Aktueller Stand und zukunftige Ansatze Steffen Sommer', Christian Fohl', Friedrich Dausinger2 1
Forschungsgesellschaft fiir Strahlwerkzeuge mbH, Pfaffenwaldring 43, D-70569 Stuttgart Institut fiir Strahlwerkzeuge,Universitat Stuttgart, Pfaffenwaldring 43, D-70569 Stuttgart
2
Einleitung Die Erzeugung von mikroskopisch kleinen Strukturen und Bohrungen in Bauteilen, durchaus makroskopischer Abmessungen, gewinnt zunehmend das Interesse industrieller Anwender. Neben der Produktivitat wird hier mehr und mehr hohe Prazision und Qualitat gefordert. Die Reduktion der Pulsdauer zeigte schon fiir das Nanosekundenregime eine Steigerung der erzielbaren Qualifat, allerdings bei abnehmender Produktivitat. Das Bundesministerium f i r Bildung und Forschung rief daher bereits 1999 den Projektverband Femtosekundentechnologie ins Leben, um durch eine weitere Reduktion der Pulsdauern noch prazisere Bearbeitungen zu erforschen. Hier wurde am IFSW im Rahmen des Verbundvorhabens PRIMUS das Bohren und Strukturieren mit Piko- und Femtosekundenpulsen untersucht. Im Folgenden wird auf die hier erzielten Ergebnisse bei der Verfahrensentwicklung, der Entwicklung von Systemtechnik, sowie auf die Erkenntnisse durch Prozessdiagnostik und Simulation eingegangen werden. Daraus resultierend und darauf aufbauend wurden Ansatze und Ziele fiir weitere Forschungsvorhaben definiert.
Erkenntnisse der Materialbearbeitung mit ultrakurzen Laserpulsen Die Prazision von Laserbearbeitungen wird vorrangig durch WSirmeleitungseffekte limitiert. Aufgeschmolzenes und wieder erstarrtes Material fihrt zu einer Glattung der Struktur, aber auch zur Verrundung praziser Geometrien, und Aufwiirfe durch bewegte Schmelze fiihren zu unenviinschter Gratbildung. Die Reduktion dieser Warmeleitungseffekte kann somit die erzielbare Prazision steigeh. Ein moglicher Ansatz hierfiir ist die Verkiirzung der Wechselwirkungszeit des Laserstrahls. Die ersten diesbezuglichen Untersuchungen zeigten jedoch, dass auch mit ultrakurzen Laserpulsen Schmelze erzeugt wird. Vor allem zeigen sich deutliche Unterschiede bei der Bearbeitung von Metallen und Dielektrika, welche auf die grundlegenden Wechselwirkungsmechanismen zuriickgefiihrt werden konnen. Aufgrund der starkeren industriellen Nachfrage, wird im Weiteren vorrangig auf die Ablation von Metallen eingegangen werden.
Modellierung Die Reduktion der Pulsdauer auf Zeitskalen unterhalb der Relaxaktionszeiten im Metallgitter verspricht zuniichst das Verhindern von Warmeleitung und damit die Unterdriickung von Schmelze. Die theoretische Betrachtung zeigt allerdings, dass die Laserenergie in Metallen zunachst im Elektronengitter deponiert wird und erst nach Relaxaktionszeiten von bis zu 100 ps an das Gitter weitergegeben wird, der Abtrag also erst dann beginnt und so auch schon Wheleitung stattfindet.
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Pulsdauer T,, [ s]
Abb. 1: Berechneter Einjluss der Pulsdauer ZH und der Energiedichte H auf die maximale Schmelzjilmdicked,, in Aluminium(links) [l].
Die Berechnung in Abb. 1 zeigt, dass die Schmelzfilmdicke durch Reduktion der Pulsweite verringert werden kann. Allerdings ist auch zu sehen, dass sie selbst fiir sehr kurze Pulsdauern nicht vollstandig zuriick geht. Sehr deutlich ist ebenfalls der Einfluss der Energiedichte auf die Dicke der Schmelze zu erkennen. Somit sind fiir die Erzeugung von metallischen Strukturen mit minimaler Schmelzfilmdicke Pulsdauern im Bereich weniger Pikosekunden und geringe Energiedichten notwendig.
Diagnostik Die Verkiirzung der Pulsdauer liefert durch geringere Wihneleitungseffekte eine hohere Prazision. Erste Experimente zeigten jedoch besonders bei Metallen eine Abnahme der Prkision zu sehr kurzen Pulsdauern hin. Im Rahmen diagnostischer Untersuchungen konnte dieses Verhalten durch nichtlineare Effekte, wie zum Beispiel die Streuung des Laserstrahls im Luftdurchbruch, :rkl&-t werden (Abb. 2). I
Ions
1 ns
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Ips
.
I II I II I
100 fs
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Abb. 2: Prazision in Abhangigkeit der Pulsdauer beim Abtragen von Metallen. Zu langen Pulsen hin wird die Prazision durch zunehmende Schmelzebildungbeeintrachtigt. Das linke Foto zeigt Schmelzablagerungen am Bohrlocheintritt, wie sie typischenveise bei Nanosekundenpulsen beobachtet werden. Zu kurzen Pulsen hin deformieren nichtlineare, mit der Intensitat zunehmende Eflekte, wie ein Luftdurchbruch das Strahlprofil (rechtes Foto oben) undfihren damit zu einer unbrauchbaren Bohrlochgeometrie, siehe rechtes Foto unten [2].
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Verfahrensentwicklung Aufbauend auf den Erkenntnissen aus Modellierung und Diagnostik konnte die Prazision der Laserbearbeitung gemeinsam mit Industriepartnern in den verschiedensten Anwendungsfeldern gesteigert werden. Abb. 3 zeigt beispielhaft, die Herstellung von gratfreien Strukturen zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften von reibungsbeanspruchten Oberflachen, sowie die Erzeugung qualitativ hochwertiger Bohrungen in Einspritzkomponenten. Ferner konnen mit ultrakurzen Pulsen Druck- und Prageplatten hochster Qualitat strukturiert werden, und es wurde gezeigt, dass sich in diesem Pulsdauerregime Diamant rnit sehr guter Qualitat bearbeiten lasst. Gratfreie Nut in Stahl
Original
Strukturierter Ring fur tribologische Tests
Querschnitt einer lasergebohrten Einspritzduse
Bohrung in 1 m m Stahl
laserstrukturierte Druckplatte
Abb. 3: Ergebnisse der grundlegenden Verfahrensentwicklungmit ultrakurzen Laserpulsen und deren Anwendung bei Industriepartnern verschiedener Branchen (Laserstrukturieren: Gehring GmbH, WetzelGmbH und DaimlerChrysler AG; Laserbohren: Robert Bosch GmbH; Diamantschneiden: Vollmer GmbH). Wie auch Abb. 1 bereits verdeutlicht, sind hohe Bearbeitungsqualitaten jedoch nur rnit geringen Energiedichten zu erreichen. Daher gehen mit der moglichen Qualitatssteigerung bei kiirzeren Pulsdauern die erzielbaren Abtragsraten aufgrund der niedrigen Energiedichten deutlich zuriick, weshalb die Prozesse die notwendigen Bearbeitungszeiten, wie sie fiir eine industrielle Anwendung erforderlich sind, um ein Vielfaches ubersteigen. Abb. 4 verdeutlicht die Abnahme der Produktivitat zu kiirzeren Pulsdauern. Die aktuellen und zukiinftigen Forschungsaktivitaten haben daher vorrangig das Ziel, die Produktivitat der Laserbearbeitung rnit ultrakurzen Pulsen bei konstant hoher Qualitat zu steigern.
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Abb. 4: Produktivitat bei verschiedenen Pulsdauern f i r Laserstrukturieren und Laserbohren. Die Volumenabtragsratef i r das Laserstrukturieren wurde experimentell bestimmt, die Anzahl der erzielbaren Bohrungen beruht auf einer Niherung auf Basis experimentellerErgebnisse. Systemtechnik Eine Erhohung der Produktivitat und der Qualitat ist nicht ausschliefllich von verfahrenstechnischen Aspekten abhangig, sondern kann auch mit geeigneter Systemtechnik realisiert werden. Hier wurden neben der Entwicklung und Qualifizierung einer Trepanieroptik zum Bohren [3] auch andere Moglichkeiten zur Steigerung der Produktivitat untersucht. ~~~~~
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FormungsTeleskop Fokussieroptik
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5 10 15 Streckungsfaktorder FokusflWte B&
Abb. 5: Prinzip der Strahlformung mit Zylinderlinsenzur Erzeugung eines Linienfokus (links) und Steigerung der Abtragsrate entsprechend dem Streckungsfaktor (rechts). Pulsdauer 5 ps; Repetitionsrate I kHz; Material Gusseisen.
Da die verfiigbaren Lasersysteme meist mehr Energie zur Verfiigung stellen, als fiir die prazise Strukturierung benotigt wird, kann der Strahl, je nach Applikation, aufgeteilt oder gestreckt werden. Abb. 5 (links) zeigt hierzu ein Konzept zur Erzeugung eines Linienfokus, welcher bei der Strukturierung von Nuten eine Erhohung der Vorschubgeschwindigkeit ermoglicht. Der Rohstrahl wird in einem Formungsteleskop, das aus Zylinderlinsen aufgebaut ist, in einer Richtung komprimiert. Die umgekehrte Proportionalitat des Strahldurchmessers auf der Fokussieroptik zum Fokusdurchmesser dreht die Richtung der Liniengeometrie in der Brennebene um 90 Grad. Die Grafik in Abb. 5 (rechts) zeigt die Erhohung der Volumenabtragsrate uber dem Streckungsfaktorder Fokusflache [4].
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Die Produktivitat beim Laserbohren kann durch eine Absenkung des Umgebungsdruckes gesteigert werden. Erste Untersuchungen zeigten, dass eine Reduzierung auf 100 hPa eine Steigerung des Bohrfortschritts um eine GroSenordnung ermoglicht [ 5 ] . Niedrigere Driicke ermoglichen hier allerdings keine weitere Steigerung. Daher muss fiir die Druckabsenkung keine herkommliche Vakuumtechnik mit den bekannten Nachteilen, wie zum Beispiel langen Evakuierungszeiten und damit verbundenen hohen Kosten, eingesetzt werden, sondern es konnen andere Konzepte zurn Einsatz kommen. Hierzu wurde ein aerodynamisches Fenster, das als Auskoppelfenster fGr Hochleistungs-COz-Laser bereits seit Jahren bewahrt ist, flir den Bohrprozess adaptiert. Diese Unterdruckduse arbeitet nach dem Prinzip eines quergestromten Potentialwirbelfensters, benotigt als Betriebsmedium lediglich Druckluft und bietet Evakuierungszeiten unter 0,3 s. Der prinzipielle Aufbau ist in Abb. 6 (links) dargestellt. In
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Fokuslage in prn
Abb. 6: Prinzipieller Aufbau zum Bohren mit Unterdruckduse (links) und Erhohung der Abtragsrate durch Absenkung des Umgebungsdrucksbeim Perkussionsbohren (rechts). Pulsdauer: I 0 ps; Pulsenergie: 150 ,u& Repetitionsrate: 20 kHz; Material: Stahl; Dicke: 1 mm.
Die Qualifizierung des Prototyps zeigte keine Beeinflussung des Strahls durch die Querstromung. Erste Bohrversuche ergaben durch die Reduktion von Plasmaeinflussen verringerte Bohrungsdurchmesser und eine verbesserte Zylindrizitat. Ebenfalls kann die Bohrdauer deutlich reduziert werden, was bei gleichzeitig verringertem Volumen dennoch zu einer Verdopplung der Abtragsrate fiihrt (Abb. 6 rechts). Ferner stellte sich im Rahmen der ersten Untersuchungen heraus, dass aufgrund der reduzierten Absorption im Plasma geringere Pulsenergien benotigt werden, um den Bohrungsaustritt aufzuweiten, also auch Lasersysteme rnit geringerer Leistung zum Bohren eingesetzt werden konnen, beziehungsweise dickere Materialien durchbohrt werden konnen.
Geplante Aktivitaten zur Steigerung der Produktivitat Neben den gezeigten Ansatzen sind weitere Strategien denkbar, um die Technologie der ultrakurzen Laserpulse wirtschaftlicher und somit industriell einsetzbar zu machen. Daher wurde vom BMBF das Schwerpunktprogramm Femtonik ins Leben gerufen. Im Verbundprojekt PROMPTUS (mduktive Mikro-rrozess-Technik mit ultrakurz-gepulsten strahlquellen) sol1 am IFSW die Abtragsrate um eine bis drei GroSenordnungen gesteigert werden. Hierzu werden die gezeigten Ansatze weiter vertieft und gemeinsam rnit Laserherstellern Systeme rnit hoheren Pulswiederholraten untersucht werden. Besonders beim Laserstrukturieren kann durch hohere Repetitionsraten mehr Energie bei konstanter Abtragsqualitat
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eingebracht werden [4]. Ein weiterer zu untersuchender Ansatz ist die Bearbeitung mit kiirzerer Wellenlange. Dabei ist mit einer Reduktion der plasmabedingten nichtlinearen Effekte zu rechnen, sowie mit einer hoheren Prazision aufgrund der kleineren erzielbaren Strahldurchmesser. Entsprechend den werkstoffspezifischen Absorptionseigenschaften konnen so auch bestimmte Materialien, wie zum Beispiel Kupfer, wirtschaftlicher bearbeitet werden. Durch Kombination der hoheren Wirtschafilichkeit von Nanosekundenpulsen und der hoheren Prazision von Pikosekundenpulsen sollen sogenannte Hybrid-Prozesse die Produktivitat steigern. Neben den genannten Ansatzen wird das Prozessverstandnis durch Prozessdiagnostik enveitert, sowie weitere Schritte in Richtung Prozesskontrolle und Qualitatssicherung unternommen werden.
Zusammenfassung Die Ergebnisse zeigen fiir die prazise Bearbeitung von Metallen eine optimale Pulsdauer von wenigen Pikosekunden. Hier konnten gemeinsam mit Partnern aus der Industrie fiir verschiedene Anwendungen Demonstratoren hochster Qualitat erzeugt werden. Die hierfiir benotigten Bearbeitungszeiten liegen jedoch so hoch, dass ein industrieller Einsatz der Ultrakurzpulstechnologie derzeit nicht denkbar ist. Daher konzentrieren sich die aktuellen und zukunftigen Forschungsvorhaben auf die Erhohung der Produktivitat, wobei hier schon in ersten systemtechnischen Untersuchungen, wie Strahlformung und Druckabsenkung durch eine Unterdruckduse, erste gute Ansatze gelangen. Dank der Bewilligung des BMBFProjektes PROMPTUS konnen hier in den nachsten Jahren zahlreiche weitere, vie1 versprechende Ansatze untersucht werden.
Danksagung Die Autoren danken dem BMBF fir die Forderung der Arbeiten im Rahmen des Verbundprojektes PRIMUS unter dem FKZ 13 N 7710/6.
Literatur Ruf, A,: Modellierung des Perkussionsbohren von Metallen mit kurz- und ultrakurzgepulsten Lasern. Universitat Stuttgart, Dissertation 2003. Munchen: Herbert Utz Verlag, 2004 (Laser in der Materialbearbeitung, Forschungsberichte des IFSW). Dausinger, F. : Prozessverstandnis als Grundlage der Verfahrensentwicklung. In: Hugel, H.; Dausinger, F.; Muller, M. (Hrsg.): Tagungsband der Stuttgarter Lasertage (SLT '03), Stuttgart. Stuttgart: Forschungsgesellschaft fiir Strahlwerkzeuge,2003. Fohl, C.: Trepanieroptikfur das hochprazise Wendelbohren in der Serienproduktion. In: Graf, T.; Dausinger, F.; Lichtner, F. (Hrsg.): Tagungsband der Stuttgarter Lasertage (SLT '05), Stuttgart. Stuttgart: Forschungsgesellschaft fiir Strahlwerkzeuge, 2005. Sommer, S.; Breitling, D.; Kraus, M.; Fohl, C.; Dausinger, F.: Strategies to improve quality and productivity of structuring metals with ultra-short laser pulses. In: Beyer, E.; Dausinger, F.; Ostendorf, A.; Otto, A. (Hrsg.): Proc. of 3'd Int. WLT-Conference on Lasers in Manufacturing (LIM'OS), Munchen, 2005. Stuttgart: AT-Fachverlag, 2005. S. 457-460 Sommer, S.: Laserbohren bei reduziertem Umgebungsdruck unter Einsatz von quergestromten Potentialwirbelfenstern. In: Proc. of WLT-Laser-Summer-School 2004, Dresden. Dresden: Fraunhofer IWS, 2004.
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Laser Micromachining of Pyrex and Quartz Glass using Femtosecond Lasers Jens Haenel', Tino Petsch', Bernd Keiper', Gunter ReiSe2, Steffen WeiSmantel2, Robby Ebert2, Horst Exner2 2
3D-Micromac AG, Annaberger Stral3e 240, D-09125 Chemnitz Hochschule Mittweida, Technikumplatz 17, D-09648 Mittweida
Abstract The results of our investigations on femtosecond-laser micromachining of Pyrex and quartz glass are presented. The investigations were done using a micromachining station from the 3D-Micromac AG Chemnitz into which a Clark MXR fs-laser CPA 2010 (775 nm mean wavelength, 130 fs pulse duration) is implemented. It is shown how the parameters of the microstructures produced in the materials depend on the processing parameters. By drilling the pyrex glass in vacuum, an increase of the average removal rate per laser pulse by the factor of 2.3 was achieved compared to the drilling under normal conditions but otherwise unchanged parameters. The formation of cracks in the vicinity of the holes or on the walls due to the laser machining was not observed, neither with Pyrex nor with quartz glass. There may occur, however, chunkings on the side of the laser beam exit of through holes.
Introduction The interaction of femtosecond laser pulses with various materials has recently been studied in some detail and it has been shown that the use of such short high-intensity pulses for micromachining is in the cases of high heat conductive metals [ l ] and dielectrics [2, 31 of particular advantage. On one hand the heat conduction is much less due to the short pulses resulting high precision and on the other the high intensities imply multiphoton processes and, therefore, much improved absorption even for those materials which are normally transparent at wavelengths for which lasers are available. In this work, micromachining and, in particular, the drilling of microholes into Pyrex and quartz glass wafers using fs-laser pulses has been investigated.
Experimental Details The investigations have been carried out using the femtosecond-laser micromachining station FSl50-10 fiom the 3D-Micromac AG Chemnitz, which uses a Ti:Sapphire-Laser CPA 2010 fiom Clark-MXR Inc. Michigan (775 nm mean wavelength, 130 fs pulse duration, 0.1 - 2.5 kHz pulse repetition rate, 1 mJ pulse energy at 1 kHz). The schematics of that station are shown in Fig. 1. Generally, micromachining of materials can be done with this station using the focussation or mask projection technique. In order to realise a high stability the entire system including the laser, the optical system and the positioning system is mounted on massive granite. The precision of the positioning system is *1 pm and the resolution 0.1 pm with a maximum velocity of the tables of 0.2 m / s and maximum distances of 200 mm in both directions. The laser beam can also be used in remote set-ups such as coating units.
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I
:s3
h
I
Focus I Mask projection
AK AS BE
...Place holder (Autocorrelator) ...Attenuator ...Beam expander
KS ... Flip mirror S ... Turn around mirror LM ... Power meter
Ob ... Objective M _ _Mask . H ... Homogenizer
Fig. I : Schematics of thefemtosecond micromachining workstation FS 150-10. All experiments were performed so far with the laser beam focussed on the sample surface without focus set-point tracing. The laser beam, which is at first expanded to a beam radius of 6 mm, was focussed by means of either a transmission objective with 50 mm focal length or a reflection objective with 8 mm focal length. The Gaussian Radii in the foci were 6.2 pm and 1.6 pm, respectively.
Results and discussion Drilling of Pyrex Glass The drilling of through holes in 508 pm Pyrex glass wafers was in\testigated, using the 50 mm objective. Ablation of the material under normal conditions starts in the range of 10 to 20 pJ laser pulse energy (see Fig. 2), which corresponds to a laser fluence of 8 to 16 J/cm2. Up to 100 pJ 0 200 400 600 800 1000 laser pulse energy the drilling depth.at Laser pulse energy [pJ] a constant number of laser pulses (the mean rate of ablation) increases Fig. 2: Hole diameter at the laser beam entrance relatively slowly with pulse energy and drilling depth versus laser pulse energy (500 and fluence, respectively. Above 100 p m Pyrex glass wafer, ~ransmissionobjective j pJ, corresponding to a fluence of some =50 mm, Gaussian focus radius 6.2 pm, number oj 80 J/cm2, the rate of ablation increases pulses 700). much stronger and nearly linearly with pulse energy. Using 700 pulses, through holes in those wafers can be obtained at pulse energies above 400 pJ (320 J/cm2). Thereby, the diameter of the holes at the laser entrance side of the wafer increases also nearly linearly with increasing pulse energy (see Fig. 2).
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The cross-section along with an image of the entrance and exit side of a through hole drilled at the lowest possible pulse energy of 400 pJ (using 700 pulses) is shown in Fig. 3. It shows a conical shape with a diameter of 34 pm at the entrance and 2 pm at the exit corresponding to an aspect ratio related to the average hole diameter of 28. The size of the holes increase with increasing pulse energy (see Fig. 4). Fig. 3: Through hole in a 500 pm thick Remarkably, no chunking occurs at the exit side Pyrex glass substrate: a) Cross section using those parameters. Chunking was b) Laser beam entrance side (34 pm 0) observed, however, using higher pulse energies c) Laser beam exit side (2 pm 0). Pulse above 500 pJ, where the pressure of the ablated energy 400 fl, number of pulses 700, material results in the breaking of the hole transmission objectivef = 50 mm, Gausbottom just before drilling through. This can be sian focus radius 6.2 um. seen in Fig. 4 where a sequence of crosssections of through holes drilled at energies of 500 to 600 pJ is shown. With increasing pulse energy the size of chunking increases and chunking begins earlier, which is probably due to the increasing pressure of the ablated material. Those chunkings can be avoided by drilling the through holes from both sides of the wafer. Generally, it can be stated that neither melting nor deposition of debris occurs in the vicinity of the holes and no cracking of the material was observed. Further experiments have been performed under vacuum conditions (3.5 Pa) in Fig. 4: Cross section of a through hole order to compare the characteristics of the sequence in a 500 pm thick Pyrex glass process as well as the quality of the holes to substrate. Pulse energy increases fiom those achieved under normal conditions. First of 500 pJ (left hand) to 600 pJ (right hand) all, we observed that the mean ablation rate in steps of 20 fl. under otherwise similar conditions is roughly 2.1 times higher in vacuum. In particular, from the number of pulses needed for the drilling of holes with a depth of 450 pm in vacuum (300 pulses) and 500 pm under normal conditions (700 pulses) measured both at 400 pJ pulse energy, mean ablation rates of 1.5 pdpulse and 0.7 pdpulse were obtained, respectively (see Figs. 2 and 5). The result may be explained by the improved transport of the ablated material away from the hole bottom.
-k Y
400
$ 300 '0
.0
200
400
600
800
1000
Laser pulse energy [pJ]
Fig. 5: Drilling depth versus laser pulse energy during material removal under vacuum conditions (pressure 3.5 Pa, Transmission objective f = 50mm, Gaussian focus radius 6.2 pm).
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Drilling of Quartz Glass It is well-known that quartz glass cannot be machined properly using Nd:YAG or excimer lasers due to its low absorption coefficient at the wavelengths of those lasers. On the other hand, at sufficiently high intensities as can be achieved by using femtosecond laser pulses there may be the onset of multiphoton processes resulting in a far better absorption. Micromachining - .becomes then possible. In our experiments we investigated the drilling Fig. 4: Through hole in a 750 pm thick quartz of holes into quartz glass wafers of 750 glass substrate: a) Cross section b) laser pm thickness. An example of a through beam entrance side (52 ,urn 0) c) Laser beam hole drilled with our fs laser is shown in exit side (4 pm 0). Fig. 6. That hole was drilled using the 50 Pulse energy 640 pJ number of pulses 1IOO, mm objective and 640 pJ pulse energy. It transmission objective f = 50mm, Gaussian was found that at that pulse energy 1100 focus radius 6.2 pm. pulses are necessary to drill through the wafer. The holes have a similar shape as those in Pyrex glass with a diameter at the entrance of 54 pm and at the exit of 4 pm. Generation of cracks and debris was not observed. Chunking at the exit is similar to Pyrex glass a problem (see Fig. 6), and can also be avoided by drilling from both sides of the wafer.
Generation of Three-dimensional Diffraction Lattices in Quartz Glass It was observed during the investigations that distinct changes in the optical properties, namely a rise in refractive index, can be obtained inside quartz glass if the focus of the fslaser beam lies inside the material and the pulse energy is adjusted appropriately. Thereby, the fluence was always below the actual damage threshold of the material. This modification of optical properties, which occurs only inside the region of the Gaussian Radius was used to prepare threedimensional diffraction lattices. For example, a lattice consisting of 25 planes with 10 pm distance between them and each plane having 200 x 200 spots with 2.5 pm distance is shown in Fig. 7a. Each lattice site was created with one pulse of 3 pJ energy. Inside a plane this was done by using a pulse repetition rate of 1 kHz and an appropriate velocity of the x-y-table. In order to verifl the use of such lattices for diffraction, the lattice was irradiated with the beam of a frequency doubled Nd:YAG laser as shown in the schematics of Fig. 7 b. The diffraction pattern obtained can be seen in Fig. 7 c. It shows that the generation of such lattices in quartz glass by using fs-laser modification is possible in principle. Apparently, there are some deviations from the ideal spatial arrangement of the modified sites. For applications, this must be overcome by improving the positioning system. By further decreasing the lattice constant down to the visible range, even the preparation of photonic crystals might become possible.
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Conclusians
--
Micromachining of Pyrex and quartz glass using femtosecond laser irradiation was investigated. It has been shown that holes of a few prn diameter and high aspect ratio can be drilled without the occurrence of cracking and debris. Material ablation rate increases strongly with pulse energy and can, moreover, be more than doubled if ablation takes places in vacuum. Using too high laser fluence results, however, in the breaking of the hole bottom just before drilling through and must be avoided. It was also shown that threedimensional diffraction lattices can be produced in quartz glass. Acknowledgements
Fig. 7: a) Optical microscopic image of a section of a plane with laser mod$ed spots. Transmission objectivef = 8 mm, Gaussian focus radius 1.6 pm, Pulse energy 3 pJ. b) Schematic representation of the difJFaction of a laser beam on the lattice produced in glass. c) Optical image of the dgraction pattern obtained at 532 nm wavelength.
The authors gratefully acknowledge financial support of the present work by the Bundesministerium fir Bildung und Forschung (Project No. 0311725A).
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Innovative Anwendungen der Laserbearbeitung im Werkzeug- und Forrnenbau Ralph Mayer LBC LaserBearbeitungsCenter GmbH, Im Moldengraben 34, D-70806 Kornwestheim
3D Lasergravur Anwendungsgebiete
Die 3D Lasergravur wird von LBC in Dienstleistung angeboten. Es handelt sich hierbei um ein innovatives Verfahren rnit groljem Einsparungspotential. Die Kunden sparen Zeit und Kosten durch den Einsatz dieser Technologie. Speziell die gezielte Kombination rnit den herkommlichen Fertigungsverfahren Frasen und Erodieren bietet ihnen den wirtschaftlichen Vorteil. Optimale Moglichkeiten bietet die 3D Lasergravur bei: 0 direkter Beschriftung von Formnestern direkter Freiformflachenbeschriftung einer Formhalfte rnit z.B. einem Logo 0 der Herstellung kleiner Kavitaten direkt vom 3D Datensatz in die Form der Herstellung von Oberflachenstrukturen oder Texturen direkt vom 3D Datensatz in die Form 0 der Herstellung von Erodierelektroden rnit feinsten Strukturen der Herstellung von Erodierelektroden mit nicht fiasbaren Freiformflachen der Herstellung von Erodierelektroden fiir 2K-Spritzgul3beschriffungen
Abb. 1: Grafit-Erodierelektrode. Konventionell ist diese Elektrode nicht einteilig herstellbar.
Abb. 2: Formhailften. Konventionell ist diese Form nur mit erheblich groperem Zeit- und Kostenaufiand realisierbar.
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Vom CAD Model1 direkt in die Form 0 0 0
0
Vor der eigentlichen Lasergravur muss die Abtragrate des Werkstoffes bestimmt werden. Die Schichtdicke wird in der Regel in einem Bereich von 1 bis 5 pm aufgeteilt. Das abzutragendes Volumen wird in Schichten mit der ermittelten Abtragsrate geschnitten. Die 3D Lasergravur wird auf dieser Basis durchgefiihrt.
Abb. 3: 3 0 Volumenmodell
Abb. 4: geschichtetes Volumen
Abb. 5: erzieltes Gravurergebnis
Laserformen Anwendungsgebiete Das relativ neue generative Verfahren direktes Laserformen wird von LBC in Dienstleistung angeboten. Es handelt sich hierbei um ein innovatives Verfahren mit grof3em Einsparungspotential. Die Kunden sparen Zeit und gewinnen Wettbewerbsvorteile durch den Einsatz dieser Technologie. Speziell die Moglichkeit beliebige konturnahe Kiihlkanale herzustellen kann nachweislich bis zu 66% geringere Zykluszeiten im Kunststoffspritzgussrealisieren. Das Laserformen ist das einzige generative Laser-Verfahren das den originalen Werkzeugstahl 1.2343 venvenden kann. Dieser Werkstoff ist im Formenbau iiblich und oft verwendet. Neben dem Formenbau ist mit diesem Verfahren ebenso die Herstellung von Rapid-Prototyping Bauteilen und Kleinserienteilen, die sonst gegossen werden, moglich.
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Die wichtigsten Eigenschaften des Laserformens sind Verwendung des Originalwerkstoffes 1.2343 ohne Zusatze. spannungsarm aufgebaute Werkstiicke, da der Prozess unter geregelter Temperierung ab1auf-t. dass das Werkstiick hat nach der Herstellung 50 - 54 HRC, sollte allerdings angelassen werden. um das Schweiflgefiige zu normalisieren. die Herstellung erfolgt direkt nach Vorgabe eines 3D Datensatzes (STL, IGES, STEP) ublicherweise ist auf allen Aul3enflachen ein Aufinass von 0,3 bis 0,5 mm vorzusehen, da das Werkstiick nach dem Laserformen endbearbeitet werden muss. Daten fiir die Nachbearbeitung (Frasen, Erodieren) sind bekannt und Standard das Werkzeug kann bei Defekt oder Abnutzung mittels Reparaturschweiflung instand gesetzt werden. das Werkzeug kann mit gangigen Beschichtungen versehen werden. schnelle Herstellung komplexer Geometrien ist moglich (Zeitvorteil bis zu mehreren Wochen).
Abb. 6: Lasergeformte Formeinsatze. Diese Formeinsatze sind noch mit der Bauplatform verschwegt. Aufgrund des gemeinsamen Aujbaus betragt die Zeitersparnis fur den Kunden ca. 1-2 Wochen. Eine konventionelle Herstellung ware selbst ohne Kuhlung teurer.
Abb. 7: Kuhlkerneinsatz im Schnitt. Dieser Kuhlkern hat bei unserem Kunden die Zykluszeit im Kunststoffspritzguss auf 1/3 reduziert. Bei der Fertigungszeit wurden 1 bis 2 Wochen eingespart. Die Kosten sind in etwa identisch mit den Kosten eines konventionellen Formeinsatzes.
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TL 20-1 LQ
TL 35-1 VQ
Lasermedium
Nd:YLF
Nd:YV04
I Mittl.Leistung I
[W]
I
Wellenlange
[nml
1047
1064
Pulsdauer
[nsl
20 - 60
10 - 80
Pulsenergie
[mJI
Bis 4
Bis 1
Repetitionsrate
[Hzl
Bis 15
Bis 200
Polarisation
Linear: > 1OO:l
Linear: > 100:1
Strahlqualitat
MZ< 1,2
MZ< 1,2
+1
f l
Mittl. Leistung
[%I [%I
