Lasertechnik für die Fertigung - Grundlagen, Perspektiven und Beispiele für den innovativen Ingenieur

Vorwort

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Das Verhalten elektromagnetischer Strahlung an Grenzflächen

2.1 Die Fresnel-Formeln

2.1.1 Fresnel-Formeln mit Absorption

2.1.2 Auswertung der Fresnel-Formeln. Brewster-Effekt

2.1.3 Totalreflektion

2.2 Anwendungen der Sonderfälle der Fresnel-Formeln in der Lasertechnik

2.2.1 Brewster-Effekt

2.2.2 Totalreflexion

Literatur

3 Absorption von Laserstrahlung

3.1 Beschreibung der Phänomene

3.1.1 Verknüpfungen

3.1.2 Wellengleichung

3.1.3 Geometrie desWerkstücks

3.1.4 Randbedingungen

3.2 Nichtleiter

3.2.1 Elektronische Polarisierung

3.2.2 Ionische Polarisierung

3.2.3 Zusatzstoffe in Kunststoffen

3.3 Dielektrische Eigenschaften von Plasmen

3.3.1 Stroßfreies Plasma

3.3.2 Stoßbestimmtes Plasma

3.4 Absorption metallischerWerkstoffe

3.5 Das Drude-Modell der Absorption

3.6 Temperaturabhängigkeit der Absorption von Metallen

3.7 Einfluss des Oberflächenzustandes

Literatur

4 Energietransport und Wärmeleitung

4.1 Energietransportgleichung

4.2 Wärmeleitungsmechanismen

4.3 Wärmeleitungsgleichung mit konstanten Koeffizienten und Methode der Green’schen Funktionen

4.3.1 Punktquelle

4.3.2 Linienquelle

4.3.3 Transversal unendlich ausgedehnte Oberflächenquelle

4.3.4 Transversal unendlich ausgedehnte Volumenquelle

4.3.5 Gauß’sche Intensitätsverteilung

4.3.6 Endliche Werkstückdicke

4.4 Temperaturabhängige thermophysikalische Konstante

4.5 Wärmeleitung bei kurzen Pulsdauern

Literatur

5 Thermomechanik

5.1 Elastische Verformungen

5.1.1 Uniaxiale Belastung

5.1.2 Uniaxiale Verzerrung

5.2 Thermisch induzierte Spannungen

5.3 Plastische Verformung

6 Phasenumwandlungen

6.1 Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

6.1.1 Reines Eisen

6.1.2 Eisen-Kohlenstoff-Gemische

6.2 Härten von perlitischem Gefüge

6.2.1 Kohlenstoff-Diffusion

Literatur

7 Schmelzbadströmung

7.1 Massen-, Impuls- und Energiebilanz

7.2 Randbedingungen

7.3 Ebene Potentialströmung

7.3.1 Quellströmung und Dipolströmung

7.3.2 Strömung um einen Zylinder

7.4 Laminare Grenzschichtströmung

7.4.1 Reibungsbestimmte Grenzschichtströmung

7.4.2 Trägheitsbestimmte Grenzschichtströmung

Literatur

8 Laserinduziertes Verdampfen

8.1 Dampfdruck im thermodynamischen Gleichgewicht

8.2 Verdampfungsrate

8.3 Teilchen- und Energiebilanz beim laserinduzierten Verdampfen

8.4 Beschreibung des Verdampfungsprozesses als Verbrennungswelle

8.5 Kinetische Beschreibung des Verdampfens und der Knudsen- Schicht

Literatur

9 Plasmaphysik

9.1 Debye-Radius und De.nitionen

9.2 Einige Ergebnisse der Thermodynamik und Statistik eines Plasmas

9.2.1 Zustandssumme eines idealen Plasmas

9.2.2 Zustandsgrößen eines idealen Plasmas

9.2.3 Coulomb-Korrekturen

9.2.4 Massenwirkungsgesetz und Saha-Gleichung

9.3 Transporteigenschaften von Plasmen

9.4 Wechselwirkung elektromagnetischer Wellen mit Plasmen

9.5 Nichtgleichgewichtsprozesse

9.6 Plasmastrahlung im LTE-Modell

9.6.1 Linienstrahlung

9.6.2 Absorption durch Übergänge zwischen zwei gebundenen Zuständen

9.6.3 Strahlungsleistung bei Linienstrahlung

9.6.4 Linienprofile

9.6.5 Bremsstrahlung

9.6.6 Rekombinationsstrahlung

9.6.7 Apparateeinfluss

Literatur

10 Laserstrahlquellen

10.1 CO2- Laser

10.1.1 Grundlagen

10.1.2 Bauformen

10.2 Nd:YAG-Laser

10.2.1 Grundlagen

10.2.2 Bauformen

10.3 Diodenlaser

10.3.1 Grundlagen

10.3.2 Bauformen und Eigenschaften

10.4 Excimerlaser

10.4.1 Grundlagen

10.4.2 Aufbau

Literatur

11 Obeflächentechnik

11.1 Umwandlungshärten1

11.1.1 Motivation

11.1.2 Verfahrensbeschreibung

11.1.3 Physikalische Grundlagen

11.1.4 Anwendungsergebnisse

11.1.5 Industriell relevante Anwendungsbeispiele

11.2 Umschmelzen

11.2.1 Physikalische Grundlagen

11.2.2 Verfahrensbeschreibung

11.2.3 Anwendungsergebnisse

11.2.4 Anwendungsbeispiel

11.3 Laserstrahlpolieren

11.3.1 Motivation

11.3.2 Verfahrensbeschreibung

11.3.3 Anlagentechnik

11.3.4 Anwendungsbeispiele

11.4 Beschichten

11.4.1 Motivation

11.4.2 Verfahrensbeschreibung

11.4.3 Werkstofftechnik

11.4.4 Anwendungen

11.5 Legieren und Dispergieren

11.5.1 Motivation

11.5.2 Physikalische Grundlagen

11.5.3 Verfahrensbeschreibung

11.5.4 Anwendungsergebnisse

11.5.5 Anwendungsbeispiel

11.6 Pulsed Laser Deposition

11.6.1 Physikalische Grundlagen

Literatur

12 Umformen

12.1 Biegen

12.1.1 Einleitung

12.1.2 Prozessmodelle

12.1.3 Umformergebnisse

12.1.4 Anwendungen des Laserstrahlmikroumformens in Aktuatoren

Literatur

13 Rapid Prototyping, Rapid Tooling

13.1 Selektives Laser Sintern (SLS)

13.1.1 Einleitung

13.1.2 Selektives Laser Sintern von Kunststoffpulver

13.1.3 Indirektes Selektives Laser Sintern von Metallen

13.1.4 Direktes Selektives Laser Sintern von Metallen

13.1.5 Selective Laser Melting (SLM)

13.2 Laserstrahlgenerieren

13.2.1 Einführung

13.2.2 Eigenschaften generierter Bauteile

13.2.3 CAD/NC-Kopplung

13.2.4 Anwendungsgebiete

13.2.5 Instandhaltung und Reparatur

13.3 Stereolithographie

13.3.1 Verfahrensbeschreibung

13.4 Layer Laminate Manufacturing (LLM)

13.4.1 Laminated Object Manufacturing (LOM)

13.5 Nicht lasergestützte Rapid Prototyping Verfahren

13.5.1 Solid Ground Curing (SGC)

13.5.2 Fused Deposition Modeling (FDM)

13.5.3 Three Dimensional Printing (3DP)

13.5.4 Layer Milling Process (LMP)

Literatur

14 Fügen

14.1 Schweißen von Metallen

14.1.1 Wärmeleitungsschweißen

14.1.2 Tiefschweißen

14.1.3 Laser-Hybridschweißen

14.2 Laserstrahlschweißen von thermoplastischen Kunststoffen

14.2.1 Motivation

14.2.2 Verfahrensgrundlagen und -beschreibung

Fügegeometrie.

Bestrahlungsarten.

14.2.3 Anwendungsergebnisse

14.2.4 Anwendungsbeispiele

Elektronisches Fahrberechtigungssystem.

Automatisierte Laserstrahl-Schweißanlage.

14.2.5 Ausblick

14.3 Löten

14.3.1 Physikalisch-technische Grundlagen

14.3.2 Verfahrensbeschreibung

14.3.3 Anwendungsbeispiel

14.4 Mikroschweißen

14.4.1 Einführung

14.4.2 Verfahrenstechnik und Ergebnisse

Literatur

15 Abtragen und Bohren

15.1 Einzelpulsbohren

15.1.1 Physikalische Grundlagen

15.1.2 Verfahrensbeschreibung

15.1.3 Anwendungen

15.1.4 Anwendungsbeispiele

15.2 Perkussionsbohren

15.2.1 Physikalische Grundlagen

15.2.2 Verfahrensbeschreibung

15.2.3 Anwendungen

15.2.4 Beispiel

15.3 Trepanierbohren

15.3.1 Verfahrensbeschreibung

15.3.2 Anwendungen

15.3.3 Anwendungsbeispiele

15.4 Mikrostrukturieren

15.4.1 Einleitung

15.4.2 Strahlformung für die Mikrostrukturierung

15.4.3 Absorption der Laserstrahlung

15.4.4 Beispiele

15.5 Reinigen

15.5.1 Verfahrensbeschreibung

15.5.2 Anwendungsbeispiele

Literatur

16 Schneiden

16.1 Laserstrahlbrennschneiden

16.1.1 Einleitung

16.1.2 Leistungsbedarf und Leistungsangebot beim Brennschneiden

16.1.3 Autogenes Brennschneiden

16.1.4 Verfahrensprinzip

16.1.5 Abbrandstabilisiertes Laserstrahlbrennschneiden

16.2 Schmelzschneiden

16.2.1 Grundlagen

16.2.2 Verfahrensparameter

16.2.3 Schmelzschneiden mit Spiegeloptiken und Autonomer Düse

16.2.4 Anwendungsbeispiele

16.3 Hochgeschwindigkeitsschneiden

16.3.1 Grundlagen

16.3.2 Verfahrensbeschreibung

16.3.3 Bearbeitungsbeispiele

16.4 Sublimationsschneiden

16.4.1 Einleitung

16.4.2 Leistungsbilanz beim Laserstrahl-Sublimationsschneiden

16.4.3 Anwendungsbeispiele für das Sublimationsschneiden von Nichtmetallen

16.5 Laserstrahlfeinschneiden

16.5.1 Einführung und Anwendungsgebiete

16.5.2 Verfahrensgrundlagen

16.5.3 Verwendete Laserstrahlquellen

16.5.4 Applikationsbeispiele

Schneiden von Stents.

Schneiden von Spinndüsen.

Schneiden von Flex-Boards mit UV-Laserstrahlung.

Literatur

17 Systemtechnik

17.1 Prozessüberwachung

17.1.1 Motivation

17.1.2 Einordnung der Verfahren

17.1.3 Vor- und nachlaufende Prozessüberwachung

17.1.4 Prozessüberwachung am Bearbeitungsort

17.1.5 Prozessüberwachung mit räumlich integral messenden Detektoren

17.1.6 Prozessüberwachung mit bildgebenden Sensoren

17.2 Numerisch gesteuerteWerkzeugmaschinen zur Materialbearbeitung mit Laserstrahlung

17.2.1 Werkzeugmaschinen-Modelle

17.2.2 Komponenten des Grundmodells

17.2.3 Funktionserweiterungen von numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen für die Materialbearbeitung mit Laserstrahlung

Literatur

18 Lasermesstechnik

18.1 Lasertriangulation

18.1.1 Einführung

18.1.2 Messung geometrischer Größen

18.1.3 Scheimpflug-Bedingung und Kennlinie eines Triangulationssensors

18.1.4 Anwendungsbeispiele

18.1.5 Wirtschaftliche Bedeutung

18.2 Interferometrie

18.2.1 Michelson-Interferometer

18.2.2 Mach-Zehnder-Interferometer

18.2.3 Fizeau-Interferometer

18.2.4 Speckle-Interferometrie

18.2.5 Weißlicht-Interferometer

18.3 Laserinduzierte Fluoreszenz

18.3.1 Grundlagen der Fluoreszenz

18.3.2 Fluoreszenzmarker in den Biowissenschaften

18.3.3 Wirtschaftliche Bedeutung der laserinduzierten Fluoreszenz

18.4 Konfokale Mikroskopie

18.4.1 Motivation

18.4.2 Grundlagen

18.4.3 Auflösungsvermögen

18.4.4 Anwendungsbeispiele

18.4.5 Konfokale 2-Photonenmikroskopie

18.5 Abtastsysteme für optische Speichermedien

18.5.1 Motivation

18.5.2 Physikalische Grundlagen

18.5.3 Technische Realisierungen des Abtastsystems (Pick-Up)

18.5.4 Weiterentwicklung der DVD

18.6 Laser-Emissionsspektrometrie

18.6.1 Motivation und Zielsetzung des Verfahrens

18.6.2 Grundlagen

18.6.3 Verfahrensbeschreibung

18.6.4 Zeitaufgelöste Spektroskopie

18.6.5 Datenauswertung

18.6.6 Messbereich

18.6.7 Anwendungsbeispiele

Literatur

A Ergänzungen: Optik

A.1 Herleitung der Fresnel-Formeln

A.2 Dielektrische Eigenschaften von Plasmen

A.3 Beschreibung elektromagnetischer Felder durch komplexe Größen

Literatur

B Ergänzungen: Kontinuumsmechanik

B.1 Koordinatensysteme und Deformationsgradient

B.2 Deformation

B.2.1 Physikalische Bedeutung der Komponenten des Green’schen Verzerrungstensors

B.3 Ableitungen nach der Zeit

B.4 Reynolds’sches Transporttheorem

B.5 Massenbilanz

B.6 Impulsbilanz

B.7 Materialgleichungen

B.7.1 Elastische Festkörper

B.7.2 Newton’sche Fluide

B.8 Energiegleichung

B.9 Zusammenstellung einiger wichtiger mathematischer Formeln für die Berechnung des Energietransports

B.9.1 Integration über den Raum

B.9.2 Integration über die Zeit

B.9.3 Errorfunktionen

B.9.4 Exponentialintegral

B.10 Diffusion in Metallen

Literatur

C Ergänzungen: Laserinduziertes Verdampfen

C.1 Gleichung von Clausius-Clapeyron

C.2 Temperaturabhängigkeit der Verdampfungsenthalpie

C.3 Geschwindigkeitsmomente

Literatur

D Ergänzungen: Plasmaphysik

D.1 Einige Ergebnisse der Thermodynamik

D.2 Verallgemeinerungen bei mehrfach geladenen Ionen

Literatur

E Bedeutung der verwendeten Symbole und Konstanten

E.1 Verwendete Formelzeichen

E.2 Konstanten

E.3 Kennzahlen

E.4 Referenzzustand

E.5 Materialkonstanten 1

E.6 Materialkonstanten 2

Literatur

Sachverzeichnis