Bücher der Reihe Laser in Der Materialbearbeitung

1.1 Motivation und Ziele der Computersimulation in der C02- Laserentwicklung Wachsende Ansprüche an Auskoppelleistung und Strahlqualität von Hochleistungsgasla­ sern für den Einsatz in der Materialbearbeitung [I] bei gleichzeitig niedrigen Investitions­ und Betriebskosten erfordern schnelle und zuverlässige Methoden der Vorprojektierung. Hier wird der Laserentwicklung durch die diversen Simulationsmodelle ein wertvolles In­ strumentarium angeboten, das ein Einfließen optimaler Betriebsparameter bereits in der Auslegungsphase neuer Lasersysteme ermöglicht. Über eine Variation der technischen Vor­ gaben für Gasaufbereitung und Eingangsleistungsbereitstellung lassen sich in der Compu­ tersimulation neue Entwicklungstendenzen kostengünstig verfolgen und wenig erfolgver­ sprechende Konzepte von vorneherein ausschließen. Aus diesen Gründen wurde die theoretische Simulation frühzeitig mit der Entwicklung des Lasers und seinem verstärkten Einsatz in den verschiedenen Disziplinen begonnen. Aus den artverwandten Untersuchungen in den Teilbereichen Entladungsphysik [2], Molekülki­ netik und Gasdynamik [3], [4] haben sich die laserspezifischen Rechenmodelle [5] bis [8] entwickelt. Grundlegende Untersuchungen zum Anregungsverhalten und zu den Stabi­ litätsproblemen der Niederdruckentladung wurden von Nighan et al. durchgeführt [9] bis [14]. Von Smith und Thomson ist ein komplettes Modell für gleichstromangeregte CO r Laser in ruhendem Gas hergeleitet worden [15], [16]. Darauf aufbauend sind die theoreti­ schen Studien von Jakoby [17] und Holetzke [7] unter Berücksichtigung der Gasströmung angesiedelt.

Energieeinkopplung und Energieumwandlungsprozesse bei der Bearbeitung von Metallen mit ultrakurzen Laserpulsen

Laserstrahls zu, denn der industrielle Einsatz von Lasern im großen Maßstab setzt einen international anerkannten begrifflichen Konsens voraus, um eine konstruktive Markterschließung zu gewährleisten.

Aufgrund der Forderungen nach Gewichts- und Kosteneinsparungen sowie nach hoher Recyclebarkeit finden Aluminiumwerkstoffe im Verkehrs-und Transportwesen einen immer breiter werdenden Einsatzbereich. Neben den schon traditionellen Gebieten des Flugzeugbaus und der Raumfahrt erschließen sich derzeit auch zunehmend Anwendungen im Straßenfahr­ zeugbau. Im Mittelpunkt des Interesses steht dabei der Karosserieleichtbau mit Aluminium [1],[2]. Obwohl dieser Werkstoff und seine Legierungen in Verbindung mit neuen Konstruktions-, z.B. "Space-Frame"-Bauweise, und werkstoffspezifischen Fertigungstechniken, z.B. Strang­ pressen von Profilen oder Druckgießen, viele Vorteile gegenüber Stahl und Kunststoffen bietet, ist der entscheidende Durchbruch im Automobilbau noch nicht erfolgt. Als Ursache für die mangelnde Durchsetzungsfähigkeit werden neben den höheren Material-und Verarbei­ tungskosten hauptsächlich der mangelnde Entwicldungsstand in der Fügetechnik dieser Materialgruppe genannt [3],[4]. Mit konventionellen Verbindungstechniken lassen sich die hohen Anforderungen an Präzision, Qualität, Effizienz und Flexibilität nur schwer erfüllen. Der Erfolg von Aluminium als Leichtbauwerkstoff ist daher unmittelbar an die Verftigbarkeit bzw. Weiterentwicklung geeigneter Fügetechniken geknüpft.

Die vorliegende Dissertation entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW) der Universität Stuttgart. Ich danke Herrn Prof. Dr.-Ing. H. Hügel, dem Leiter des Instituts für Strahlwerkzeuge, für seinen fachlichen Rat und die großzügige Unterstützung, ohne die die Durchführung dieser Arbeit nicht möglich gewesen wäre. Ich danke ihm außerdem auch für viele Ratschläge, die meine persönliche Weiterentwicklung förderten. Herrn Prof. Dr.-Ing. H.-J. Warnecke danke ich für die Durchsicht meiner Arbeit und die Erstellung des Mitberichtes. Mein besonderer Dank gilt Herrn Dr. rer. nat. F. Dausinger, der den Fortschritt der Arbeit mit großem Interesse begleitete. Die mit ihm geführten fachlichen Diskussionen und seine wertvollen Anregungen waren wichtig für das Gelingen dieser Arbeit. Den Mitarbeitern und Studenten des IFSW danke ich für die kooperative Unterstützung und für die Beiträge zum redaktionellen Gelingen der Arbeit. Die kameradschaftliche Form der Zusammenarbeit mit meinen Kollegen trug wesentlich zum erfolgreichen Ablauf der Arbeit bei.

Derzeit werden zum Laserstrahlhärten größtenteils C0 -Laser im Multikilowattbereich 2 eingesetzt. Die Strahlformung geschieht in der Regel durch Anwendung von Integratoroptiken oder durch Defokussierung von Schneid- oder Schweißoptik:en. Sie ist damit im Vergleich mit den sonstigen Eigenschaften des Lasers, der als sehr flexibles Werkzeug gelten darf, relativ starr. Für die Bearbeitung unterschiedlicher Bauteilgeometrien werden meist verschiedene Be­ arbeitungsoptik:en benötigt. Ein Wechsel der Bearbeitungsgeometrie während des Prozeßes ist deshalb oft nicht möglich. Die Bearbeitung geschieht in der Regel unter senkrechtem Einfall, wodurch die Anwendung von absorbierenden Schichten nötig wird, die vor der Bearbeitung aufgebracht und meist auch danach wieder entfernt werden müssen. Diese Schichten verur­ sachen zusätzliche Arbeitsgänge, die schwer zu automatisieren sind. Sie liefern allerdings hohe Absorptionswerte. Oft werden solche Schichten manuell auf die Werkstückoberfläche aufgebracht, wodurch eine gleichmäßige Schichtdicke nur bedingt gewährleistet werden kann. Dies führt zu Unregelmäßigkeiten in der Absorption und im Härteergebnis. Andere Störungen der Härtung entstehen durch Wärmestaus bei Änderungen in der Werkstückgeometrie wie z. B. bei Kanten, Materialstärkenänderungen und Durchbrüchen. Bei solchen Gegebenheiten muß die Laserleistung im Prozeß verändert werden, um eine Härtung ohne Ober:flächenanschmel­ zung zu gewährleisten. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Verfahren aufgezeigt und untersucht, mit denen die Möglichkeiten des Laserhärtens besser ausgenutzt werden können bzw. das Laserhärten als Verfahren flexibler und sicherer einsetzbar wird.

Meßstrahl wird durch die erste Linse fokussiert), dürften Intensitätsschwankungen im Nah­ feld die Messungen nicht beeinflussen. So ist das Verfahren auch für Laserstrahlen an­ wendbar, die in instabilen Resonatoren erzeugt werden.

Strecken. Die Gestaltung dieses Kernelernents bestimmt also letztendlich auch das Design des ganzen Lasersystems.

Durch die Verfügbarkeit von Festkörperlasern mit Leistungen bis zu einigen kW und den Vorteilen, welche die Strahlführung bei Wellenlängen um 1mm mittels flexiblen Glasfasern bieten, ergeben sich neue Aspekte für die Konzeption und konstruktive Gestaltung von Maschinen und Anlagen. Dies ermöglicht, bisher nicht realisierbare Fertigungsstrategien zu entwickeln und in die Produktion einzuführen. So erlaubt beispielsweise die Kombination von spanenden Verfahren mit verschiedenen Laserverfahren in einer Werkzeugmaschine die vollständige Bearbeitung in einer Aufspanung. Daraus resultieren u.a. deutliche Vorteile wie die Reduktion des Materialflusses zwischen ansonsten separaten Fertigungsanlagen und damit eine Verkürzung der Bearbeitungs- und Durchlaufzeiten sowie eine Erhöhung der Fertigungsqualität durch die Komplettbearbeitung in der gleichen Aufspanung. Dieser Beitrag soll das fertigungstechnische und wirtschaftliche Potential der Integration des Lasers in Werkzeugmaschinen aufzeigen. Dazu werden unterschiedliche technische Lösungen für die Integration eines Nd: YAG-Lasers in Fräs- und Drehzentren untersucht, wobei in beiden Fällen das Werkzeug Laserstrahl wie ein Standardwerkzeug eingesetzt und automatisch gewechselt wird. Für zwei Drehzentren wurden Versuchsanlagen realisiert. Laser-Applikationen zum Abtragen, Härten, Schweißen, Bohren und Beschriften von Fertigungsteilen aus verschiedenen Werkstoffen (Stahl St37, Ck45, 42CrMo4, Keramik Si3N4) wurden in einer Aufspanung kombiniert mit spanenden Bearbeitungen (Drehen, Hartdrehen, hauptzeitparallele Bearbeitung ) beispielhaft durchgeführt, um diese Technologien den spezifischen Merkmalen des Drehzentrums und den typischen Teilespektren anzupassen. Die wesentlichen Ergebnisse werden dargelegt sowie die wirtschaftlichen Aspekte einer Integration der Laserbearbeitung in Werkzeugmaschinen erörtert. Aus dem Inhalt Integration

Seit der ersten Realisierung eines Lasers hat sich fur diese sehr spezielle Lichtquelle ei­ ne Fulle von Anwendungsbereichen ergeben. Ein sehr umfangreicher und vielschichtiger Bereich ist dabei die Materialbearbeitung. Unter Materialbearbeitung kann sowohl der medizinische Einsatz bei Augen- oder Herzoperationen als auch der industrielle Einsatz zum Schneiden, Schweifien oder Harten von unterschiedlichen Materialien verstanden wer­ den. Die verbindende Gemeinsamkeit dieser Anwendungen ist die Materialmodifikation durch raumlich hochkonzentrierte Energie in der Form von Strahlung. Diese Moglichkeit zur Energiekonzentration unterscheidet den Laser von konventionellen Werkzeugen. Die grundlegenden Charakteristika der Laserstrahlung sind die Wellenlange, die raumliche und die zeitliche Koharenz. Die Wellenlange bestimmt in einem entscheidenden Ma13 die Wechselwirkung mit einem Material durch die wellenlangenspezifische Absorption. Aus der raumlichen Koharenz ergibt sich die Fokussierbarkeit, die mit dem Begriff der Strahlqualitat charakterisiert wird. Die zeitliche Koharenz entspricht der Monochromie der Laserstrahlung und ist fur die Effizienz bei lichtchemischen Materialwechselwirkungen entscheidend. Fiir die Anwendung des Lasers in der industriellen Fertigungstechnik ist die Strahlqualitat von entscheidender Bedeutung [Hug 92), da sich daraus zusammen mit der Strahlleistung die erzielbare Leistungsdichte bei der Fokussierung ergibt. Fur solche Anwendungen wer­ den gegenwartig Gas- und Festkorperlaser mit Ausgangsleistungen bis zu einigen Kilowatt eingesetzt. Nachteile dieser Lasertypen sind geringe Wirkungsgrade bei der Umwandlung von elektrischer Energie in Strahlungsenergie und groBe Bauformen.

Seit der erstmaligen Realisierung des CO2-Lasers im Jahre 1964 durch Patel [1] hat die­ ser Gaslaser eine diversifizierte Entwicklung mit extremen Leistungssteigerungen durchge­ macht, von anfii.nglich einigen mW bis heute einige 10 kW. Nicht zuletzt dadurch gewinnt er seit einigen Jahren als thermisches Werkzeug fiir industrielle Anwendungen zuneh­ mend an Bedeutung. Insbesondere in der Fertigung hat er sich sowohl in traditionellen Verfahren wie Trennen und Fiigen, als auch bei neuartigen Techniken wie Abtragen und Oberfiii.chenveredeln (Umschmelzen, Legieren etc.) bewiihrt. Der Vorteil gegeniiber bis­ herigen Technologien ist die zielgerichtete und regelbare Einbringung hochster Leistungs­ dichten in das Werkstiick. Der folgende kurze historische Uberblick zeigt die wesentlichen Entwicklungsschritte auf, welche diese zunehmende Akzeptanz des CO2-Lasers in der Industrie erst ermoglichten. Eine vollstii.ndige Aufziihlung sii.mtlicher Varianten wird dabei nicht angestrebt, vielmehr stehen die grundlegenden Konzepte und Strategien zur Steigerung d.er Laserleistung und der Strahlqualitii.t (Fokussierbarkeit) im Vordergrund. Aus industrieller Sicht kommen noch wirtschaftliche Aspekte wie niedrige Kosten, Kompaktheit und Zuverliissigkeit der Strahlquelle hinzu. Basierend auf den physikalischen Prinzipien der Strahlerzeugung haben sich unterschied­ lich erfolgreiche Anregungstechniken und Kiihlkonzepte etabliert, aus denen sich Ansatze fiir Optimierungen und zukiinftige Entwicklungen ableiten lassen.

Das Laserstrahlschweißen zählt heute zu den modernsten Verfahren der Fügetechnik. Mit der Realisierung des ersten Laborlasers [I] fiel 1960 der Startschuß zur Entwicklung der zum Schweißen benötigten Laserstrahlquellen. Seit damals wurden immer leistungsflihigere und zuverlässigere Strahlquellen entwickelt, so daß heute fi1r den industriellen Einsatz Laser mit Strahlleistungen bis zu 40 kW (C0-Laser) verrugbar sind. Inzwischen werden per annum 2 weltweit etwa 8000 neue Lasersysteme fiir die Materialbearbeitung installiert [2]. Diese Nachfrage nach Laseranlagen und der Nutzen dieser Anlagen ist aber nicht nur das Verdienst der Entwicklung besserer Strahlquellen, sondern vor allem der seit den 70er Jahren parallel dazu entwickelten und verfeinerten Verfahren der Lasermaterialbearbeitung. Das La­ serstrahlschweißen ist nur eine von vielen innovativen Einsatzmöglichkeiten des Strahlwerk­ zeugs Laser. Trennen (Schneiden), Bohren, Beschichten, Abtragen und Härten etc. mit Laser­ strahlung sind Fertigungsverfahren, die längst in der industriellen Serienproduktion fest eta­ bliert sind [3]. Kennzeichnend fiir das Laserstrahlschweißen sind die damit zu erzielenden Einschweißtiefen bei gleichzeitig geringen Schweißnahtbreiten (Tiefe/Breite bis ca. 6: 1). Das Laserstrahl­ schweißen steht damit in direkter Konkurrenz zum Elektronenstrahlschweißen, bei dem dieser "Tiefschweißeffekt" schon 1958 entdeckt wurde und das angefangen von der Feinwerktech­ nik bis hin zum Maschinenbau mit tonnenschweren Werkstücken Anwendung fmdet [4]. Es ist auch gerade das Elektronenstrahlschweißen, das zunehmend durch das Laserstrahlschweis­ sen substituiert und zur Nischenanwendung verdrängt wird.

Schon wenige Jahre nach der Vorstellung des ersten funktionierenden Lasers im Jahr 1960 wurde ein Nd:YAG-Festkörperlaser zum Bohren von Uhrenlagersteinen industriell eingesetzt [1], [2]. Trotzdem ist das Laserbohren heute gegenüber dem Laserschneiden und -schweißen im industriellen Bereich wenig vertreten [3]. Die wesentlichen Ursachen fur die geringere Verbreitung des Laserbohrens liegen in der zu ungenauen Reproduzierbarkeit der Bohrungsdurchmesser und der großen Konizität der Bohrungen. Auch Schmelzablagerungen an den Bohrungen machen speziell bei Mikroanwendungen oftmals weiterhin eine Nachbearbeitung notwendig. Um diese Nachteile beheben zu können, ist sowohl ein vollständiges Verständnis der physikalischen Prozesse beim Bohrvorgang notwendig als auch die Entwicklung von neuen Strahlquellen mit entsprechend hoher Strahlqualität erforderlich. Um bei Festkörperlasern eine gute Strahlqualität bei gleichzeitiger Erhöhung der Laserleistung zu erzielen, müssen die unerwünschten optischen Effekte, wie die thermische Linsenbildung und die thermi­ schen Spannungen, im Lasermedium kompensiert werden [4]. Lösungsmöglichkeiten bestehen entweder in der Verwendung eines instabilen Resonators [5] oder im Einsatz von einer Kristallgeometrie in Forme einer Platte (eng.: Slab) gegenüber dem bisher verwendeten zylinderförmigen Laserstab (eng.: Rod) [6].

Der Laserstrahl als präzise, leicht lenkbare Wärmequelle bietet bei der Randschichtveredelung prinzipielle Vorteile im Vergleich zu konkurrierenden Verfahren. Die Reduktion der Kosten ist primäres Ziel, um die Wirtschaftlichkeit einer Laserbearbeitung zu erhöhen. Dabei kommt der Steigerung der Prozeßeffizienz, der Flexiblilität und der Bearbeitungsqualität als kostenwirksamen Faktoren eine besondere Bedeutung zu. Die vorliegende Arbeit verfolgt zu diesem Zweck den Ansatz, die Intensitätsverteilung des Laserstrahls mit Hilfe geeigneter Strahlformungssysteme an die Bauteilgeometrie anzupassen. Ausgangspunkt der experimentellen Arbeiten bildet die Untersuchung unterschiedlicher Strahlformungssysteme. Es werden dabei optische Systeme vorgestellt, deren charakteristische Intensitätsverteilung eine deutlich verbesserte Prozeßeffizienz gegenüber herkömmlichen Optiken ermöglicht. Der Einsatz angepaßter und variabler Strahlformungssysteme verspricht eine erhöhte Flexibilität beim Laserstrahlhärten. Zum Härten schwer zugänglicher Stellen wird eine neu entwickelte eintauchende Bearbeitungsoptik präsentiert. In diesem Zusammenhang werden auch die Prozeßkontrolle und die Integration des Laserstrahlhärtens in konventionelle Werkzeugmaschinen näher betrachtet. Ebenso wird ein numerisches Modell vorgestellt, das es gestattet, die metallkundlichen Vorgänge beim Laserstrahlhärten zu simulieren. Am Beispiel realer Bauteilgeometrien wird demonstriert, wie unter Berücksichtigung bestimmter Intensitätsverteilungen die lokale Härteverteilung nach einer Laserbearbeitung ermittelt wird. Der Einfluß der Strahlform auf das Härteergebnis kann somit beurteilt und ein geeignetes Strahlformungssystem für die aktuelle Bearbeitungsaufgabe ausgewählt werden. Aus dem Inhalt Laserstrahlhärten - determinierte und variable Strahlungssysteme - Effizienzsteigerung durch angepaßte Strahlformung - Strahlkom-binationso

1.1 Laser für die Oberflächen behandlung Im Gegensatz zu anderen Lichtquellen sendet der Laser einen stark gebündelten, kohärenten Lichtstrahl mit hoher Energiedichte aus. Bei metallischen und vielen keramischen Werk­ stoffen wird die einfallende Laserenergie in einer dünnen Oberflächenschicht absorbiert, ohne tief ins Material einzudringen. So vermag der Laser gezielt Bereiche einer Werkstückober­ fläche innerhalb kürzester Zeit aufzuheizen. Damit läBt sich der Laser als flexibles ther­ misches Werkzeug in der Oberflächenbehandlung einsetzen. Bei der Oberflächenbehandlung werden Laser mit hoher Leistung benötigt. Die maximale Ausgangsleistung eines Lasers stellt daher eine wichtige KenngröBe dar. Beim heutigen Entwicklungsstand kommen insbesondere zwei Typen von Lasern in Betracht: CO - und 2 Nd:YAG-Laser, die in Tabelle 1 zusammen mit maximaler Leistung sowie den Absorptions­ graden am Beispiel des Stahls (35CD4) bei einer Temperatur von 1000°C dargestellt sind [1]. Tabelle 1 Zwei anwendungsrelevante Lasertypen zur Oberflächenbehandlung mit den Werten des Absorptionsgrades bei 1000°C für den Stahl (35CD4) bei polierten Oberflächen [1].

bzw. der Resonatorverluste erlauben.

bildet die rechnerische Simulation unter realitötsnahen Randbedingungen. Die vorliegen­ de Arbeit befaßt sich mit einem Teilaspekt dieser Problematik: der Simulation der Strahlausbreitung von der Strahlquelle bis hin zur Werkstückoberflöche.