Lehrstuhl für Lasergestützte Fertigung
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Materialbearbeitung

Optische Elemente erlauben es Laserstrahlung zu bündeln und damit im Brennpunkt sehr hohe Intensitäten zu erreichen. Dadurch wird einerseits die Makrobearbeitung verschiedenster Werkstoffe, andererseits durch die ausgezeichnete Fokussierbarkeit der Strahlung aber auch die Mikrobearbeitung möglich.

Ansprechpartner für diesen Bereich ist Ao.Univ.Prof. Dipl.Ing. Dr.techn. Gerhard Liedl

Intensiv leuchtendes Plasma während des Schweißens mit einem CO2-Laser

Makrobearbeitung

Moderne Hochleistungslaser erreichen problemlos mehrere Kilowatt an emittierter Strahlleistung. Wird diese Strahlung fokussiert, so können im Brennpunkt Intensitäten von mehr als 1010 W/m2 erreicht werden. Zusammen mit mehrachsigen Verfahranlagen können damit unterschiedlichste Werkstoffe geschnitten, verschweißt, abgetragen, oder deren Eigenschaften verändert werden. Zurzeit stehen uns verschiedene Festkörperlaser, Faserlaser sowie CO2-Laser zur Verfügung. Die Verfahranlage unseres 2 kW CO2-Schneidlasers wird derzeit umgebaut und mit einer neuen Steuerung ausgerüstet. Im Sommer erfolgt die Inbetriebnahme unseres neu angeschafften Roboters. Dieser Roboter wird mit dem 1,5 kW Faserlaser gekoppelt werden und soll damit die räumliche Bearbeitung von Bauteilen ermöglichen.

In den letzten Jahren haben wir vor allem das Fügen unterschiedlicher Werkstoffe mit Hilfe der Lasertechnik untersucht. Die Kombination unterschiedlicher Werkstoffe zu Bauteilen mit maßgeschneiderten Eigenschaften stellen vor allem für die Luft- und Raumfahrtindustrie sowie der Automobilproduktion eine interessante Möglichkeit der Optimierung von Komponenten dar. Unterschiedliche Werkstoffe, beispielsweise Stahl, Aluminium, Hartmetalle, u.a. unterscheiden sich aber durch ihre Dichte, Schmelzpunkt, Wärmeausdehnung, u.a. voneinander. Zusätzlich kann es beim thermischen Fügen aber auch noch zur Ausbildung spröder intermetallischer Phasen kommen, die temperatur- und zeitabhängig wachsen und bei zu großer Dicke leicht zum Versagen der Verbindung führen können. Trotz der oben angeführten Problembereiche konnten wir in den letzten Jahren einige Erfolge beim Fügen unterschiedlicher Werkstoffe erzielen:

Fügen von Stahl – Hartmetall

An Sägeblätter aus Stahl wurden mit Hilfe eines Diodenlasers Hartmetallzähne geschweißt. Gezieltes Vor- und Nachwärmen mit definiertem Wärmeeintrag führte zu riß- und porenfreien Schweißungen. Das Verfahren wurde gemeinsam mit unserem Industriepartner patentiert.

Detail eines lasergeschweißten Hartmetall-Sägeblatts
Schliffbild der Fügezone zwischen Stahl und Hartmetall
Fügen von Aluminium – Stahl:

Das übermäßige Wachstum spröder intermetallischer FexAly-Phasen stellt beim thermischen Fügen dieser beiden Werkstoffe zusammen mit den sehr unterschiedlichen Eigenschaften eine große Herausforderung dar. In Zusammenarbeit mit mit mehreren Industriepartnern und einigen Diplom-bzw. Bachelorarbeiten ist es uns gelungen, Stahl und Aluminium reproduzierbar und mit ausgezeichneter Qualität zu verbinden. Eine Diplomarbeit, die im Rahmen dieser Aktivitäten entstanden ist, wurde mit dem Böhler Uddeholm Precision Strip Forschungspreis ausgezeichnet.

 

 

Detail einer lasergeschweißten Aluminium-Stahl Überlappverbindung
Detail einer lasergeschweißten Aluminium-Stahl Stumpfstoß-verbindung

Simulationen des Fügeprozesses

Weitere Aktivitäten im Bereich der Makrobearbeitung beschäftigen sich mit der Kunststoffbearbeitung, der Sensorik von Bearbeitungsvorgängen sowie der lokalen, eng begrenzten Erwärmung von Bauteilen.

Ausstattung Makrobearbeitung

Für Fügeanwendungen kommt neben unterschiedlichen Festkörperlasern ein 1,5 kW Faserlaser der Firma IPG zum Einsatz. Die Kombination mit HIGHYAG Bearbeitungskopf und ABB Industrieroboter ermöglicht es uns flexibel auf die Bedürfnisse unserer Industriepartner einzugehen.

Für Schneidaufgaben steht dem Institut ein 2 kW CO2-Laser zur Verfügung. Durch unsere Portalanlage mit einem Verfahrweg von 2000 mm x 1000 mm sind wir in der Lage Versuche im industriellen Maßstab durchzuführen. 
Ein modularer Bearbeitungskopf ermöglicht es uns unterschiedliche optische Elemente zur Strahlformung einzusetzen und eigens entwicklete Sensorik zur Prozessüberwachung zu integrieren.

Mikrobearbeitung

Die Bearbeitung und Strukturierung von Bauteilen im µm- und sub-µm-Bereich wird in den kommenden Jahren zunehmend an Bedeutung gewinnen. Bisherige Aktivitäten im Bereich der Mikrobearbeitung fanden ausschließlich im µm-Bereich statt. Zu diesem Zweck wurden mit Hilfe eines Excimerlasers Metalle, Kunststoffe und auch keramische Werkstoffe durch die intensive UV-Strahlung gezielt abgetragen bzw. ihre Oberfläche verändert. Dazu wurden in den Strahlengang des Lasers Masken eingefügt, die anschließend durch geeignete optische Systeme verkleinert auf das Werkstück abgebildet wurden. Durch die Pulsdauer von wenigen 10 ns, die ein Excimerlaser typischerweise erreicht, sind die aus der Bearbeitung resultierenden Wärmeeinflußzonen im Werkstück verhältnismäßig schmal.

In Zukunft soll aber durch die geplante Anschaffung eines Ultra-Kurzpulslasers der Bearbeitungsbereich deutlich in die sub-µm Region verschoben werden. Die Strahlung, die von derartigen Laserquellen in Form von Femtosekunden-Pulsen emittiert wird, ermöglicht durch ihren besonderen Wechselwirkungsmechanismus auch die Bearbeitung „schwieriger“ Werkstoffe. So können durch die deutlich kürzeren Pulse beispielsweise auch Werkstücke aus Kupfer ohne nennenswerte Wärmeleitung in das Bauteil und damit verbundenem Aufschmelzen von Randbereichen bearbeitet werden.

Ausstattung Mikrobearbeitung

Neben einem Excimer- und verschiedenen gepulsten Festkörperlaser verfügt das Institut über einen Ultrakurzpulslaser der Firma Femtolasers.

Es handelt sich dabei um ein Ti:Saphir Laser-Oszillator-Verstärker-System bestehend aus

  • einem Titan:Saphir Laser-Oszillator
  • einem CW Pumplaser für den Laser-Oszillator (diodengepumpter frequenzverdoppelter Festkörperlaser)
  • einem einstufigen Multi-pass Ti:Saphir-Verstärker mit kHz gepulstem Pumplaser (diodengepumpter frequenzverdoppelter Nd:YLF Festkörperlaser)

Dieses System ermöglicht eine Pulsdauer von < 30 fs bei einer Pulsenergie von > 0,8 mJ, einer Wiederholrate von 1 kHz und einer Zentralwellenlänge von 800 nm.

 

 

Femtopower UKP System; Fotocredits: Femtolasers
Messung der Pulsdauer mittels Autokorrelator; Fotocredits: Femtolasers
Spektrale Bandbreite; Fotocredits: Femtolasers