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Philipp Lenz

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Philipp Lenz

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Diese Lernkarten behandeln die Grundlagen und Anwendungen von Lasertechnologie auf Universitätsniveau. Sie konzentrieren sich auf die Prinzipien verschiedener Lasertypen wie CO2-, Nd- und Faserlaser, deren Effizienz und Nachteile. Themen wie Laserstrahlschneiden, -schweißen und -bohren werden detailliert erklärt, einschließlich der Verwendung von Schneidgasen wie Stickstoff und Sauerstoff. Die Karteikarten sind ideal für Studierende und Fachleute in der Physik, die ein tiefes Verständnis der Lasertechnologie und ihrer praktischen Anwendungen erlangen möchten.

Cartes-fiches

Utilisateurs

Langue

Allemand

Catégorie

Physique

Niveau

Université

Créé / Mis à jour

01.02.2019 / 03.02.2020

Fichiers de cartes similaires

Prinzip des Laserstrahlschneidens?

Fokussierung der Laserstrahlung auf den Werkstoff
Absorption der Laserstrahlung und lokale Erwärmung des Werkstoffs
Aufschmelzen und/oder Verdampfen des Werkstoffs
Austrieb des Fugenmaterials durch einen inerten oder reaktiven Schneidgasstrahl

Welche verschiedene Laserstrahlschneidverfahren gibt es und worin unterscheiden sie sich?

Laserstrahlsublimierschneiden: Schneidgas z.B. N2, Ar
Laserstrahlschmelzschneiden: Schneidgas z.B. N2, Ar
Laserstrahlbrennschneiden: Schneidgas O2

Was für Parameter können beim Laserstrahlschneiden eingestellt werden?

Laserstrahl
- Wellenlänge
- Intensitätsverteilung
- Strahlqualität
- Strahldurchmesser
- Polarisation
- Leistung
Schneidgas
- Gasart
- Gasdruck
- Düsenform
- Düsenabstand
Werkstück
- Material
- Dicke
- Oberflächenzustand
Handhabung
- Schneidgeschwindigkeit
- Kopforientierung
Optik
- Brennweite
- Fokuslage
- Abbildungseigenschaften

Für was ist das Laserschmelzschneiden besonders geeignet?

Für CrNi Stähle oder Aluminium

Prinzip des Laserstrahlschmelzschneidens

Laser: Aufschmelzen des Werkstoffs
Schneidgas: Inertgas = Stickstoff, Edelgase
Schneidgasfunktion: Austreiben des aufgeschmolzenen Werkstoffs aus der Schnittfuge
Einsatzgebiet: CrNi Stähle oder Aluminium

Prinzip des Laserbrennschneidens?

Laser: Erhitzen des Materials auf Zündtemperatur
Schneidgas: Sauerstoff
Schneidgasfunktion: Verbrennung des Materials (zusätzliche Wärme durch exotherme Reaktion), Entfernung der flüssigen Schlacke aus der Schnittfuge
Einsatzgebiet: vorwiegend Baustähle

Was sind die Vor- und Nachteile des Laserstrahlbrennschneidens?

Vorteile:
- grössere Schneidgeschwindigkeiten
- geringerer Gasdruck
Nachteile:
- Oxidation der Schnittkanten
- Gefahr des Materialabbrandes

Was sind die Bedingungen für einen stabil ablaufenden Brennschneidprozess?

Die Schneidfrontoberkante ständig auf Zündtemperatur halten
eine ausreichende Menge reaktionsfähiger Partner (Sauerstoff- und Eisenatome)
eine ausreichende kinetische Energie des Sauerstoffstrahles für den Ausblasprozess
die Reaktionswärme gross genug ist, um die Reaktionsprodukte zu verflüssigen

Prinzip des Lasersublimierschneidens?

Laser: Verdampfen des Werkstoffs
Schneidgas: Inertgas z.B. Stickstoff, Argon, Helium
Schneidgasfunktion: Ausblasen des verdampften Materials
Einsatzgebiet: nichtmetallische Werkstoffe (Papier, Keramik, Holz, Kunststoffe)

Vor- und Nachteile des Lasersublimierschneidens?

Vorteile:
- kleine Schmelzfilmdicken (glatte Schnittkanten)
- kleine Ausdehnung der Wärmeeinflusszone (WEZ), geringe Wärmebelastung des Werkstücks
- keine Oxidation der Schnittkante
- Anwendung besonders bei Werkstoffen ohne ausgeprägten Schmelzpunkt (Holz, Papier)
Nachteile:
- hohe Intensitäten erforderlich

Prinzip des wasserstrahlgeführten Laserstrahlschneidens

Wasserstrahl dient als Lichtleiter
Reflektiert das Licht an seinem äusseren Rand (Totalreflexion)
So kann Laserstrahl sehr genau und mit hoher Energiedichte (bis 50MW/cm^2) geführt werden
Laserfokus lässt sich dabei auf eine Länge von 30 bis 70mm strecken
Fokusdurchmesser lässt sich durch ändern des Wasserstrahldurchmessers einstellen

Welche Bohrstrategien gibt es?

Einzelpuls Bohren
Perkussions Bohren
Trepanieren
Wendelbohren

Was sind die Nebenwirkungen beim Bohren?

Schmelzen / Verdampfen absorbierender Materie

Vorteile des Laserschweissens?

unterschiedliche Materialarten und -stärken schweissbar
hohe Automatisierbarkeit, hohe Verfahrens- und Geometrieflexibilität
hohe Schweissgeschwindigkeit
hohe Schweissnahtqualität bei geringer Nacharbeit
geringe thermische Werkstoffbeeinflussung
werkstoffgerechte Steuerbarkeit der Energieeinbringung

Wie sieht eine konventionelle Schweissnaht aus?

Schmelzzone
partielles Schmelzen
Grobkornzone
Feinkornzone
Teilaustenitisiert
Grundwerkstoff

Wie sieht eine Laserstrahlschweissnaht aus?

Schmelzzone
partielles Schmelzen
Feinkornzone
Teilaustenitisiert
Grundwerkstoff

Was sind die Anwendungsbereiche für das Wärmeleitungsschweissen mit Laserstrahlung?

dünnwandige Werkstücke
Schweissanwendungen mit vergleichsweise grossvolumigen Schmelzvolumen und gewünschter Kantenverrundung
Schweissanwendungen mit geringen Einschweisstiefen

Prinzip des Wärmeleitungsschweissens?

Wärmestau an der Oberfläche
Wärmeleitung in Tiefe und Breite
Oberflächentemperatur erreicht Schmelztemperatur
Absorptionsgrad ändert sich
Schmelzerzeugung beginnt

Prinzip des Tiefschweissens?

Erzeugung des Dampfkanals:
- Metalldampf verdrängt Schmelze und erzeugt Dampfkanal (=Keyhole)
- Mehrfachreflexion im Dampfkanal erzeugt erhöhte Leistungseinkopplung
- Mit Tiefe nimmt Leistungseinkopplung zu
- "Bohren" endet nach Pulsdauer
- Metalldampf beeinflusst Laserstrahl: Absorbiert Leistung, vergrösessert Fokusdurchmesser
- Bei Durchschweissung tritt Strahlung unten aus

Unerschiede CO2, Nd:YAG und Faserlaser im Laserstrahlschweissen

CO2 Laser
- hohe Leistung
- schlechte Absorptionseigenschaften
Nd:YAG Laser:
- relativ geringe Leistung
- durch kürzere Wellenlänge bessere Energieeinkopplung in den Werkstoff
Faserlaser
- durch kürzere Wellenlänge bessere Energieeinkopplung in den Werkstoff
- hohe Leistung
- hohe Strahlqualität

Was ist Licht?

Commandes clavier:

= tourner,

= avant/arrière,

= faire défiler

Elektromagnetische Strahlung im Wellenbereich von 380 - 720nm

Was ist optische Strahlung?

Commandes clavier:

= tourner,

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Elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich 100nm - 1mm

Definition Photonik

Commandes clavier:

= tourner,

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Umfasst Grundlagen und Anwendungen von optischen Verfahren und Technologien. Kommt von Photon (Lichtteilchen) und -ik (Lehre von...)

Anwendungsbereiche der Lasertechnik?

Commandes clavier:

= tourner,

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= faire défiler

- Fertigungstechnik (Schneiden, Fügen, Bohren)

- Verkehrstechnik (Fahrleitsysteme, Orientierungssysteme, Warnsysteme)

- Informations- und Kommunikationstechnik (Optoelektronik, Laserscanner, Signalübetragung)

- Medizin (Laserchirurgie, Tumorbehandlung)

- Messtechnik (Winkel-, Längenmessung)

Für was steht Laser?

Commandes clavier:

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Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Besonderheiten von Laser?

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- Hohe Monochromasie

- Grosse Kohärenzlängen

- Festgelegte Polarisation

Leistungen von Laser?

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- Laserpointer: 1-3mW

-Holographic Versatile Disc- grüner Laser: 1W

- Gepulste Kurzzeitlaser: 1.3PW

Anwendungen in der Fertigungstechnik?

Commandes clavier:

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- Schweissen

- Löten

- Abtragen

- Bohren

- Beschriften

- Rapid Prototyping

- Oberflächen behandeln

- Schneiden

Was sind die Vorteile der Lasermaterialbearbeitung?

Commandes clavier:

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- hohe Energiedichte

- geringe Wärmeeinflusszone

- geringe Wärmebelastung

- hohe Prozessgeschwindigkeit

- berührungslose Bearbeitung

- kein Verschleiss

- grosse Flexibilität

- gut automatisierbar

Welche Wechselwirkungen treten auf wenn ein Laserstarhl auf eine Oberfläche trifft? (Prozessablauf)

Commandes clavier:

= tourner,

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Absorption der Strahlung
Erwärmung
Schmelzen
Verdampfen des Werkstoffs
Materialabtrag

Was sind die wesentlichen Bestandteile einer Laserbearbeitungsalage?

- Laserstrahlquelle

- Strahlführung und -formung

- Handhabungseinrichtung (steuert den Laserstrahl)

- Prozesskontrolle und -regelung

- Versorgungseinheit (elektrische Energieversorgung, Kühlung, Gase)

Was sind wichtigsten Laserarten für die Materialbearbeitung?

- Nd:YAG- Laser

- Scheibenlaser

- Diodenlaser

- Faserlaser

- CO2 Laser

Geschichte des Laserstrahls?

1802- 1940: Geschichte der Astronomischen Spektroskopie (Fraunhoferlinien)

1905- 1916: Einstein postuliert über Photonen und angeregte Emissionen

1954: erster Mikrowellenlaser (MASER)

1960: erster optischer Laser (Festkörperlaser)

1964: erster Gaslaser

1995: erste natürliche Laserstrahlen entdeckt

Unterschied normales Licht zu Laser?

Normales Licht:

ungerichtet
starke Divergenz
verschiedene Wellenlängen
Wellenzüge gegeneinander verschoben

Laser:

Kohärenz: monochromatisch, gerichtete Strahlung
geringe Divergenz
hohe Energiedichte

Voraussetzungen für Absorption eines Photons?

Wenn Lichtquant (Photon) in Resonanzfrequenz des atomaren Übergangs schwingt, d.h. die Energie des Photons der Energiedifferenz zweier Zustände entspricht.

Unterschied spontane und stimulierte Emission eines Photons?

- Spontan: Angeregtes Ion emittiert ohne äussere Ursache ein Photon. Keine Vorzugsrichtung der Ausbreitungsrichtung und der Polarisation.

- Stimuliert: Emission wird durch eine äussere Ursache angeregt. Dabei stimmen Ausbreitungsrichtung, Polarisation und Phase des anregenden und des emittierten Photons überein

Was sind die Kriterien bei der Strahlanalyse?

- Leistung / Pulsenergie

- Polarisation

- Strahlprofil

- Divergenz

Für welche Werkstoffe lässt sich der Excimer Gaslaser einsetzen?

Nur bedingt für Aluminium. Sonst überall zu hoher Absorptionsgrad

Für welche Materialien lässt sich der Nd:YAG Laser einsetzen?

- Für Kupfer, Gold und Silber. Bedingt auch für Eisen und Stahl, jedoch erhöhter Absorptionsgrad

Für welche Materialien lässt sich der CO2 Laser einsetzen?

Alle Metalle. Nicht für Kunststoffe geeignet

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Prinzip des Lasersublimierschneidens?

Laser: Verdampfen des Werkstoffs
Schneidgas: Inertgas z.B. Stickstoff, Argon, Helium
Schneidgasfunktion: Ausblasen des verdampften Materials
Einsatzgebiet: nichtmetallische Werkstoffe (Papier, Keramik, Holz, Kunststoffe)

Vor- und Nachteile des Lasersublimierschneidens?

Vorteile:
- kleine Schmelzfilmdicken (glatte Schnittkanten)
- kleine Ausdehnung der Wärmeeinflusszone (WEZ), geringe Wärmebelastung des Werkstücks
- keine Oxidation der Schnittkante
- Anwendung besonders bei Werkstoffen ohne ausgeprägten Schmelzpunkt (Holz, Papier)
Nachteile:
- hohe Intensitäten erforderlich

Prinzip des wasserstrahlgeführten Laserstrahlschneidens

Wasserstrahl dient als Lichtleiter
Reflektiert das Licht an seinem äusseren Rand (Totalreflexion)
So kann Laserstrahl sehr genau und mit hoher Energiedichte (bis 50MW/cm^2) geführt werden
Laserfokus lässt sich dabei auf eine Länge von 30 bis 70mm strecken
Fokusdurchmesser lässt sich durch ändern des Wasserstrahldurchmessers einstellen

Welche Bohrstrategien gibt es?

Einzelpuls Bohren
Perkussions Bohren
Trepanieren
Wendelbohren

Was sind die Nebenwirkungen beim Bohren?

Schmelzen / Verdampfen absorbierender Materie

Vorteile des Laserschweissens?

unterschiedliche Materialarten und -stärken schweissbar
hohe Automatisierbarkeit, hohe Verfahrens- und Geometrieflexibilität
hohe Schweissgeschwindigkeit
hohe Schweissnahtqualität bei geringer Nacharbeit
geringe thermische Werkstoffbeeinflussung
werkstoffgerechte Steuerbarkeit der Energieeinbringung

Wie sieht eine konventionelle Schweissnaht aus?

Schmelzzone
partielles Schmelzen
Grobkornzone
Feinkornzone
Teilaustenitisiert
Grundwerkstoff

Wie sieht eine Laserstrahlschweissnaht aus?

Schmelzzone
partielles Schmelzen
Feinkornzone
Teilaustenitisiert
Grundwerkstoff

Was sind die Anwendungsbereiche für das Wärmeleitungsschweissen mit Laserstrahlung?

dünnwandige Werkstücke
Schweissanwendungen mit vergleichsweise grossvolumigen Schmelzvolumen und gewünschter Kantenverrundung
Schweissanwendungen mit geringen Einschweisstiefen

Prinzip des Wärmeleitungsschweissens?

Wärmestau an der Oberfläche
Wärmeleitung in Tiefe und Breite
Oberflächentemperatur erreicht Schmelztemperatur
Absorptionsgrad ändert sich
Schmelzerzeugung beginnt

Prinzip des Tiefschweissens?

Erzeugung des Dampfkanals:
- Metalldampf verdrängt Schmelze und erzeugt Dampfkanal (=Keyhole)
- Mehrfachreflexion im Dampfkanal erzeugt erhöhte Leistungseinkopplung
- Mit Tiefe nimmt Leistungseinkopplung zu
- "Bohren" endet nach Pulsdauer
- Metalldampf beeinflusst Laserstrahl: Absorbiert Leistung, vergrösessert Fokusdurchmesser
- Bei Durchschweissung tritt Strahlung unten aus

Unerschiede CO2, Nd:YAG und Faserlaser im Laserstrahlschweissen

CO2 Laser
- hohe Leistung
- schlechte Absorptionseigenschaften
Nd:YAG Laser:
- relativ geringe Leistung
- durch kürzere Wellenlänge bessere Energieeinkopplung in den Werkstoff
Faserlaser
- durch kürzere Wellenlänge bessere Energieeinkopplung in den Werkstoff
- hohe Leistung
- hohe Strahlqualität

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