Table Of ContentLaser in Technik und Forschung
Herausgegeben von
G. Herziger und H Weber
Springer
Berlin
Heidelberg
New York
Barcelona
Budapest
Hongkong
London
Mailand
Paris
Santa Clara
Singapur
Tokio
E. Beyer . K. Wissenbach
()beLflachenbehandlung
mit Laserstrahlung
Mit 249 Abbildungen
Springer
Prof. Dr.-Ing. habil. Eckhard Beyer
Fraunhofer-Institut fur Werkstoff-und Strahltechnik
Winterbergstra13e 28
01277 Dresden
Dr. Konrad Wissenbach
Fraunhofer-Institut filr Lasertechnik IL T
Steinbachstral3e 15
52074 Aachen
Herausgeber der Reihe
Prof. Dr.-Ing. Gerd Herziger
Fraunhofer-Institut filr Lasertechnik Aachen
52074 Aachen
Prof. Dr.-Ing. Horst Weber
Festkorper-Laser-Institut Berlin GmbH
10785 Berlin
ISBN 3-540-63224-7 Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York
Die Deutsche Bibliothek - Cip-Einheitsaufnahme
Beyer, Eckhard:
Oberflachenbehandlung mit Laserstrahlung / Eckhard Beyer; Konrad Wissenbach
Berlin; Heidelberg; New York; Barcelona; Budapest; Hong Kong; London;
Mailand; Paris; Santa Clara; Singapur; Tokyo: Springer, !998
(Laser in Technik und Forschung)
ISBN 3-540-63224-7
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1998
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Einbandgestaltung: MEDIO GmbH, Berlin
Satz: Reproduktionsfertige Vorlagen des Autors
SPIN: 10011176 60/3020 -5 4 3 210 - Gedrucktaufsaurefreiem Papier
Geleitwort der Herausgeber
Die zunehmende Verbreitung des Lasers in Wissenschaft und Wirtschaft
hat zur Folge, daB sich die Lasertechnik - ausgehend von den physikali
schen Grundlagen - zu einer eigenstandigen Disziplin entwickelt; ein Vor
gang, wie er bereits in vielen Bereichen der Ingenieurwissenschaften statt
gefunden hat. Das fUhrt zu einer technologieorientierten Sprache und zu
pragmatischen Definitionen und Begriffen. Der Anwender interessiert sich
weniger fUr die fundamentalen, physikalischen Herleitungen, er fordert
handliche Formeln, zuverlassige Zahlenwerte und technische Regeln, die
sich in der Praxis bewahren.
In diesem Sinne wendet sich die vorliegende Buchreihe an Ingenieure und
Wissenschaftler, die den Laser in der Praxis einsetzen wollen.
In einer Reihe von Monographien werden die verschiedenen Anwendungs
bereiche behandelt. Der Reihe vorangestellt sind einfUhrende Bande, die die
Grundlagen der Laserphysik und der Laserkomponenten behandeln, gefolgt
von Monographien, die die wichtigsten Laser als industrielle Systeme be
schreiben. Jeder Band ist in sich abgeschlossen und verstandlich, d.h. die
wichtigsten Begriffe, die benutzt werden, sind jeweils dargestellt.
Aachen und Berlin, im Januar 1998 Prof. Dr. G. Herziger
Fraunhofer-Institut fUr Laser-Technik
Lehrstuhl fUr Lasertechnik
der RWTH Aachen
Prof. Dr. H. Weber
Festk6rper-Laser-lnstitut Berlin GmbH
Optisches Institut der TU Berlin
Vorwort
Die vorliegende Monographie ist als Erganzung zu Datenbanken und
HandbOchern gedacht und richtet sich an Studenten, Ingenieure und
Wissenschaftler, die sich mit dem Lasereinsatz in der Oberflachentechnik bzw.
der Randschichtbehandlung beschaftigen.
Um den BearbeitungsprozeB an die jeweilige Aufgabe anpassen und
optimieren zu konnen, ist oftmals ein tieferes Verstandnis der physikalisch
technischen Vorgange erforderlich. Diese konnen in einer Datenbank nicht und in
einem Handbuch nur schwerlich erlautert werden. Die nachfolgende Zusammen
stellung soli dem Leser ein tieferes Verstandnis der Zusammenhange beim
Einsatz des Lasers zur Randschichtbehandlung vermitteln. Sie ist hierzu
folgendermaBen aufgebaut:
Ais EinfOhrung wird zunachst eine Beschreibung des Prinzips mit einigen
Beispielen angefOhrt. 1m weiteren werden die einzelnen Mechanismen nach dem
Stand der derzeitigen Erkenntnisse in chronologischer Reihenfolge von der
Strahlausbreitung Ober die Absorption hin zu Energieausbreitung und Verteilung
im WerkstOck erlautert. Nach dem Behandeln der unterschiedlichen
Bearbeitungsverfahren werden zur Veranschaulichung Anwendungsbeispiele
beschrieben.
Die Monographie orientiert sich am Einsatz von kontinuierlich betriebenen
Hochleistungs-C0 und Nd:YAG-Lasern und beruht im wesentlichen auf Arbeiten,
2-
welche im IL T in Aachen durchgefOhrt wurden.
Besonderer Dank gilt den Mitarbeitern des Institutes fOr Lasertechnik in
Aachen fOr die UnterstOtzung bei der Zusammenstellung der Unterlagen,
insbesondere Frau Stefanie Flock, Frau Michaela Bamberg und Frau Anna Mosna
sowie Frau Rita Weinberg vom IWS in Dresden.
Prof. Dr.-Ing. habil. R. E. Beyer Dr. Konrad Wissenbach
FhG-IWSITU-Dresden, 1998 FhG-IL T Aachen
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung ................................................. .
2 Prinzip der Oberflachenbehandlung durch Laserstrahlung von E.BEYER 5
2.1 Das Verfahrensprinzip ................................... 5
2.2 Laserstrahlquellen ....................................... 8
2.3 Bearbeitungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 11
3 Allgemeine Grundlagen von E.BEYER und K.WISSENBACH ........... 19
3.1 Strahlausbreitung und Strahlformung ...................... 19
3.1.1 Strahlausbreitung ............................... 19
3.1.2 Strahlfokussierung ............................... 29
3.1.3 Strahlformungsoptiken ........................... 31
3.2 Strahlungsabsorption ................................... 44
3.2.1 Absorption an MetalioberWichen ................... 44
3.2.2 Absorption an Deckschichten ...................... 55
3.3 Warmeleitung ......................................... 63
3.3.1 Verschiedene Warmequellen ...................... 64
3.3.2 Diagramme zur Wiirmeleitung ..................... 73
4 Bearbeitung in der festen Phase von E.BEYER und K.WISSENBACH .... 84
4.1 Umwandlungshiirten.................................... 85
4.1.1 Das Verfahrensprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 85
4.1.2 Umwandlungskinetik von Eisenwerkstoffen .......... 89
4.1.3 Eigenspannungen ............................... 105
4.1 .4 Beispiele zum Umwandlungshiirten . . . . . . . . . . . . . . .. 113
4.2 Rekristallisieren ....................................... 130
4.2.1 Das Verfahrensprinzip ........................... 131
4.2.2 Anwendungsbeispiel ............................ 136
4.3 Umformen mit Laserstrahlung ........................... 140
4.3.1 DIN-Einordnung ................................ 142
4.3.2 Das Verfahrensprinzip ........................... 144
4.3.2.1 Umformung ohne elastische Vorspannung .......... 144
4.3.3.2 Umformung mit elastischer Vorspannung ........... 147
4.3.3 Proze!?fUhrung beim Umformen mit Laserstrahlung ... 149
4.3.4 Ergebnisse des Umformprozesses ................. 157
4.3.4.1 Oberfliichenqualitiit .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 163
4.4 Behandlung von Elektroblech . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 164
4.4.1 Das Verfahrensprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 165
4.4.2 Anwendungsbeispiel ............................ 174
VIII Inhalt
5 Bearbeitung in der fliissigen Phase von E.BEYER und A.GASSER 183
5.1 Umschmelzen ......................................... 189
5.1.1 Das Verfahren ................................. 189
5.1.2 Schmelzbewegung .............................. 200
5.1.3 Schutzgase .................................... 210
5.1.4 Anwendungsbeispiele ........................... 212
5.2 Legieren .............................................. 217
5.2.1 Das Verfahren ................................. 217
5.2.2 Materialzufuhr ................................. 226
5.2.3 Anwendungsbeispiele ........................... 236
5.3 Dispergieren .......................................... 238
5.3.1 Das Verfahren .................................. 238
5.3.2 Anwendungsbeispiele ........................... 240
5.4 Beschichten .......................................... 243
5.4.1 Das Verfahren .................................. 243
5.4.2 Anwendungsbeispiele ........................... 249
6 Rapid-Prototyping von E.HoFFMANN und E.BEYER ................ 252
6.1 Prototypen aus nichtmetallischen Werkstoffen ............. 255
6.1.1 Stereolithographie (SL) .......................... 255
6.1.2 Selektives Lasersintern (SLS) ..................... 266
6.1.3 Laminated Object Manufacturing (LaM) ............ 275
6.1.4 Nicht lasergestutzte RP-Verfahren ................. 279
6.1.4.1 Fused Deposition Modelling (FDM). . . . . . . . . . . . . . . .. 279
6.1.4.2 Solid Ground Curing (SGC) ....................... 281
6.2 Prototypen aus metallischen Werkstoffen-Rapid Metal
Prototyping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 283
6.2.1 Konventionelle Verfahren ........................ 284
6.2.2 Abform- und Foigeprozesse ...................... 285
6.2.3 Direkte Erzeugung metallischer Prototypen .......... 287
6.2.3.1 Selektives Lasersintern (SLS) ..................... 287
6.2.3.2 Laserstrahlgenerieren (LG) ....................... 297
6.2.3.3 Weitere Verfahren .............................. 316
6.3 Umwandlung von 3D-CAD-Daten in Maschinendatensatze ... 316
6.3.1 Generierung von 3D-CAD-Daten .................. 317
6.3.2 Datenaufbereitung .............................. 318
6.4 Zusammenfassung und Ausblick ......................... 319
Anhang A Stereolithographie .............................. 321
Anhang B Laserstrahlgenerieren ........................... 327
Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 330
Nomenklatur ................................................ 356
Sachwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 365
1 Einleitung
Unter "Randschichtbehandlung" mit Laserstrahlung wird die lokale
Veranderung der Eigenschaften einer WerkstOckoberflache verstanden, welche
durch die Einwirkung von Laserstrahlung hervorgerufen bzw. unterstOtzt wird.
Die hierzu erforderliche Warme entsteht durch Umwandlung gebOndelter
energiereicher Strahlung beim Auftreffen auf bzw. Eindringen in das WerkstOck.
Beim BearbeitungsprozeB wird die Energie mittels elektromagnetischer
Wellen, der Laserstrahlung, ohne mechanischen oder elektrischen Kontakt
zwischen Energiequelle und WerkstOck der Bearbeitungszone zugefOhrt IBeyer
1.1 I.
Mit dem Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) steht
eine Energiequelle hochster physikalischer Qualitat zur VerfOgung. Je groBer die
Qualitat einer Energie ist, umso aufwendiger und teurer ist ihre Erzeugung. Dies
gilt auch fOr Laserstrahlung. Typische Wirkungsgrade liegen bezogen auf die
zugefOhrte elektrische Energie zur Zeit zwischen 1 und 10 %. Zur Zeit befinden
sich Hochleistungslaserdiodeneinheiten in der Entwicklung, welche Wirkungs
grade von 40 % - 60 % besitzen werden. Der hohere Wirkungsgrad wird hierbei
jedoch durch eine Verringerung der Strahlqualitat erkauft.
Der Laser zeichnet sich gegenOber anderen Strahlquellen unter anderem
dadurch aus, daB seine Strahlungsenergie mit geringer Strahldivergenz, das heiBt
mit vergleichsweise geringer Veranderung des Strahldurchmessers, an einen
anderen art Obertragen werden kann. Infolge dieser geringen Divergenz ist es
moglich, den Bearbeitungsvorgang in einer Entfernung z von mehreren Metern
von der Laserstrahlquelle durchzufOhren. Die Strahlung des Nd:YAG-Lasers sowie
die des Diodenlasers kann durch eine Lichtleitfaser vom Laser zur
Bearbeitungsstation gefOhrt werden. Eine Foige dieser geringen Divergenz ist
weiterhin die Moglichkeit, den Laserstrahl auf kleinste Strahldurchmesser
fokussieren zu konnen, so daB extrem hohe Strahlungsintensitaten
(EnergiefluBdichten) auf der WerkstOckoberflache erreicht werden. Diese hohen
Intensitaten ermoglichen zum einen vergleichsweise hohe
Bearbeitungsgeschwindigkeiten und zum anderen selbst Metalle lokal auf
Verdampfungstemperatur aufzuheizen und zu verdampfen.
E. Beyer et al., Oberflächenbehandlung mit Laserstrahlung
© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1998
2 Einleitung
Eine Laserbearbeitungsanlage setzt sich im wesentlichen aus 5 Hauptkompo
nenten zusammen (s. Abb. 1.1.1):
1. Oem Laser und dem LaserzubehOr, bestehend aus der Laserstrahlquelle, der
Gasversorgung und einem KOhlsystem.
2. Der Strahlmanipulation, bestehend aus einer StrahlfOhrung, inklusive einer
KomponentenkOhlung, einer Strahlschaltung Ober Strahlweichen und einer
Strahlformung.
3. Der WerkstOckhandhabung, bestehend aus einer Be- und Entladeeinrichtung,
einer WerkstOck- beziehungsweise Strahlpositionierung, einer
Bewegungseinrichtung sowie aus einer Arbeits- und SchutzgaszufOhrung.
4. Der Steuereinrichtung, bestehend aus einer Lasersteuerung, einer
Handhabungssteuerung sowie einer ProzeB- und AnlagenOberwachung.
5. Der Sicherheitseinrichtung, bestehend aus einem Schutzrohr, in welchem der
Laserstrahl gefOhrt wird, einer Sicherheitskabine, einem Strahlabsorber und
einer ProzeBgasabsaugung mit entsprechenden Filtern.
Abb. 1.1.1 Hauptkomponenten einer Laserstrahlanlage
Abb. 1.1.2 zeigt den schematischen Aufbau einer typischen Laserstrahlanlage.
Die fOr den Bearbeitungsvorgang erforderliche Laserstrahlleistung wird
kontinuierlich oder gepulst erzeugt und Ober einen Spiegel auf einen
Strahlabsorber gefOhrt. Dieser Spiegel dient als Strahlschalter und kann fOr die
Dauer des Bearbeitungsvorgangs aus dem Strahlengang bewegt werden. Der
