institut oberflächen- u. fertigungstechnik prod. 21. jh ... · 0.1 0.2 0.4 0.8 12 4681020 193 308...

Prod. 21. Jh. - 1

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Fakultät Maschinenwesen, Institut für Oberflächen- u. Fertigungstechnik, Lehrstuhl für Laser- u. Oberflächentechnik

Professuren Laser- und OberflächentechnikProf. Dr. Ing. habil. E. BeyerProfessur für Fügetechnik und MontageProf. Dr.-Ing. habil. U. FüsselFertigungsmesstechnik undQualitätssicherungProf. Dr. Ing. habil. H. Weise

Produktions-technik

Oberflächen-technik

Laser-technik

Werkstoff-technik

Mess-technik

Wissenschaft braucht Zusammenarbeit,in der sich das Wissen des einen durchdie Entdeckung des anderen bereichert.

José Ortega y Garset

TU D

resd

en IOFLeitungOrganigrammForschungAusstattung

StellenangeboteDoktorarbeitenHiWi TätigkeitenWiss. techn. Mitarbeiter

Wir über uns

AusbildungsangeboteVorlesungenDiplom- und BelegarbeitenIndustriepraktikaUSA Aufenthalt

AktuellesSeminareWorkshops, Messen

ZusammenarbeitProduktionstechnisches

Zentrum DDFraunhofer Institut IWS

Sie werden im Einklang mit der Produktions- und Werk-stofftechnik am IOF

- gelehrt,- weiterentwickelt und- in die industrielle Nutzungüberführt.

Laser- und Oberflächentechnik sind Querschnittsgebiete mit stark wachsender Bedeutung.

Institut Oberflächen- u. Fertigungstechnik

Prod. 21. Jh. - 2

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Die akademische Ausbildung wird in enger Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut für Werkstoff und Strahltechnik IWS durchgeführt.

TU D

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en IOFLeitungOrganigrammForschungAusstattung

StellenangeboteDoktorarbeitenHiWi TätigkeitenWiss. techn. Mitarbeiter

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Ausbildungsangebote

VorlesungenDiplom- und BelegarbeitenIndustriepraktikaUSA Aufenthalt

AktuellesSeminareWorkshops, Messen

Zusammenarbeit

Lehrveranstaltungen des Lehrstuhles Laser- und Oberflächentechnik (LOT) :(auszugsweise)

Institut Oberflächen- u. Fertigungstechnik

Prod. 21. Jh. - 3

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Die Ausstattung:

- CO2-Laser- Nd:YAG-Laser- Diodenlaser- Excimerlaser- div.Bearbeitungsanlagen - Robotersysteme

Mitarbeiter ca. 250Betriebshaushalt 2008 ca. 16,4 Mio. €Investitionen 2008 ca. 2,1 Mio. €Laborfläche 3500 m²

- PVD-Beschichtungsanlagen- CVD-Beschichtungsanlagen- Plasma- und Induktions-anlagen

- Ausrüstungen für Schicht-und Werkstoffprüfung,

- Metallographie- TEM, REM, etc.

Fraunhofer IWS Dresden

Prod. 21. Jh. - 4

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Light Amplification by

StimulatedEmission of

Radiation

LASER

1) Lasercharakteristika

Was bedeutet Laser:

Prod. 21. Jh. - 5

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KommunikationLichtleiter, Optoelektronik, IntegrierteOptik, Optische Koppler, OptischeRechnersysteme, Optische Datenver-arbeitung, Optische Kommunikations-systeme

ProduktionstechnikFertigungssysteme, Qualitätssiche-rung, Materialsynthese, Neue Werk-stoffe, Schweißen, Schneiden,

Bohren, Härten, LötenBeschichten, Beschriften, Veredeln,

Lasertechnik

Meßtechnik

Doppler-Spektrometer, Holographi-sche Analysen, Laser-Anemometrie,Oberflächenprüfung, Standards fürLängen und Zeit

Längen- und Winkelmessungen, Laser-

Bildung, UnterhaltungCD, Lernprogramme, DVD,Laserdisplays, Videotechnik, Bild-platten

MedizinDermatologie, Angioplastic, Laser-chirurgie; Augenheilkunde: Star-behandlung/Netzhautablösung;Steinzertrümmerung, Photodyna-mische Therapie

VerkehrKlopfsensoren, Abstandsradar, Fahr-leitsysteme, Flugwarnsysteme,Emissionskontrolle, Nebel-, Warn-systeme, Orientierungs-, Leitsysteme

Energie und UmweltLidar, Umweltkontrolle, Fusions-forschung, Entsorgungs- und Recy-clingverfahren, Plasmaspektroskopie,Luft- und Wasseranalyse, Kontrollevon Verbrennungsabläufen

Handel und IndustrieKodierprüfsysteme, Strichkodierung,Laserscanner, Mikroanalyse, Laser-drucker, Drucktechnik, Beschriften,Farbtaster

Einsatzbereiche für Laser:

Prod. 21. Jh. - 6

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minimaleAbmessunga / 2

Nutzungsgrad 1

Vergleich Laser undthermischer Strahlungsquelle:

Laserquelle: gerichtete und gebündelte Emission

Thermische Quelle: isotrope Emission


minimaleAbmessunga >> / 2

Nutzungsgrad (D / L)2 << 1

D

L

Prod. 21. Jh. - 7

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Energiedichte, Leistungsdichte:

Als Folge des maximalen Ordnungsgradeskann Laserstrahlung auf

- kleinste Volumina- kürzeste Zeiten

komprimiert werden.


Damit werden die

- höchsten Energiedichten- höchsten Leistungsdichten

erreicht, die terrestrisch und ausserterrestrischbekannt sind.

Laserstrahlung ist die Energieform mit dem naturgesetzlich höchstmöglichen Ordnungsgrad

Prod. 21. Jh. - 8

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Licht wechselwirkt mit denElektronen der Atome.

Durch die Wechselwirkung eines Lichtquantes mit einem Elektron kann dieses absorbiert oder verstärkt werden.

Entscheidend ist der Energie-zustand des Elektrons.

Atomistische Darstellung von Absorption und Emission

E1

E2

E3

h12

Absorption

E1

E2

E3

h 21

spontaneEmission

h21

E1

E2

E3

2x h21

induzierteEmission

2) Realisierung des Lasers

Beispiel für die Anregung des Laserprozesses:

Prod. 21. Jh. - 9

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Stimulierte Emission

Stoß

Stoß

Stoß

h

h

Kern

Stimulierte Emission


Video

Beispiel für die Anregung des Laserprozesses:

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Eigenschaften des Lasers

Wellenlänge, Leistung, Strahlqualität,Wirkungsgrad, Betriebsweise,

Bauform, Herstellungskosten, Lebensdauer

Resonator

stabil / instabil,mit / ohnefrequenz-selektiveKomponenten

Laserstrahl

teildurch-lässigerSpiegel

voll-reflektierter

Spiegel

Res

on

ato

r

Anregung(Energiezufuhr)

z.B. Blitzlampen,elektr. Entladung(Gleichstrom oderHochfrequenz),Pumplaser,Elektronenbe-schleuniger

Anregungsenergie(Strahlung, elektr. Entladung)

Verlustenergie(Wärme)

LaseraktivesMedium

z.B. Festkörper,Gas, organischerFarbstoff in flüs-siger Lösung, Halbleiter,Plasma,Metalldampf

laseraktivesMedium


Prinzipieller Aufbau eines Lasers:

Prod. 21. Jh. - 11

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r1 r2

L01 L02

R1 R2

r0

L

0

0 z0 z

R1R2

Randbedingung:

- auf der Spiegelober-fläche befindet sich ein Wellenknoten

Stehende Welle im Resonator

- die Krümmung der Phasenfront entsprichtder Krümmung desSpiegels

Resonator als elementare Komponente eines Lasers:

Prod. 21. Jh. - 12

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Laser Spektrallampe Glühlampe

rela

tive

r A

nte

il

1

0,5

400 800 1200 1600max

Definition der Linien-oder Bandbreite einer Emissionslinie

rela

tive

r A

nte

il

1

0,5

max

Resonator - Spektrum eines Lasers:

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Hauptkomponenten einer Laserstrahlanlage:

Sicherheits-einrichtungenSteuerung

Werkstück-handhabung

Laserstrahl-anlage

Strahl-manipulation

Laser/Laserzubehör

Lasersteuerung

Handhabungs-steuerung

Überwachung

Schutzrohr

Sicherheits-kabine

Strahl-Shutter

AbsaugungFilter

Be- und Entladung

Positionierung

Bewegung

Arbeits- und Schutzgas

Laserstrahl-quelle

Gasversorgung

Kühlsystem

Strahlführung

Strahlformung

Strahlschalter

21 53 4

3) Laserbearbeitungsanlage

Prod. 21. Jh. - 14

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5-Achs-Portal:

Video

Diese Anlagensind charakteristisch für die Bearbeitung größerer Bauteile

Kleinere Bauteile undKomponenten der Mikrotechnik könnenmit Scannern erstelltwerden

Prod. 21. Jh. - 15

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Beispiel zur Reinigen von goldplatierten Skulpturen

Video

Scanner:

Prod. 21. Jh. - 16

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4) Wechselwirkung der Strahlung

Wirkung der Laserstrahlung – Absorption:

Prod. 21. Jh. - 17

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Wirkung der Laserstrahlung – Absorption und Temperatur:

- hierbei werden die Elektronen des bestrahlten Körpers angeregt (Absorption):

- die Elektronen geraten in Bewegung und stoßen aneinander- durch die Stöße kommt es zur Wärmeübertragung, der Körper erwärmt sich:

22

*

cL

ec

vnv

TCTTK

Lv pc **)( 10

2

Prod. 21. Jh. - 18

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Absorptionsverhalten von Metallen:

Ab

sorp

tio

nsg

rad

A [

%]

10

30

25

20

15

5

Wellenlänge [m]0.1 0.2 0.4 0.8 1 2 4 6 8 10 20

193 308 nm

Nd:YAGLaser

1.06 m

COLaser

~5.4 m

CO2Laser

10.6 m

EximerLaser

Al

Ag

Au

Cu

Mo

Fe

Stahl

gilt nur für idealeOberflächen:

• keine Verunreinigung• kein Oxid• Rauhigkeit klein

gegen Wellenlänge


Prod. 21. Jh. - 19

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• Stereo-lithographie

• Lasersintern

• LOM

• Laser-generieren

• Laserbiegen

• Laser-unterstütztesUmformen

• Brenn-schneiden

• Schmelz-schneiden

• Sublimier-schneiden

• Laser-unterstütztesSpanen

• Schweißen

• Löten

• Hybrid:L + PlasmaL + Induktion

• Auftrags-schweißen

• Dispergieren

• PLD

• Hybrid:L + PlasmaL + Induktion L + SpritzenL + PVD

• Umwandl. -härten

• Umschmelzen

• Anlassen

UmformenUrformen Trennen Fügen BeschichtenStoffeigen-

schaftenändern

Fertigungsverfahren DIN 8580

5) Anwendungen in der Fertigung

Laserfertigungsverfahren:

Prod. 21. Jh. - 20

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• Lasersintern

• LOM



schaftenändern



Video

Prod. 21. Jh. - 21

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• Lasersintern

• LOM


• Laserbiegen



schaftenändern



Quelle: Fh-ILT

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Prod. 21. Jh. - 23

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• Lasersintern

• LOM


• Laserbiegen


• Brenn-schneiden

• Schmelz-schneiden

• Sublimier-schneiden

• Laser-unterstütztesSpanen


schaftenändern



Prod. 21. Jh. - 24

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Laserschneidverfahren:

Sublimierschneiden: Schmelz- und Brennschneiden:

Abtrag durch Verdampfen Austreiben der Schmelze mit Gasstrahl

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Prod. 21. Jh. - 26

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Laserschneidverfahren Schmelz- und Brennschneiden im Vergleich:

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Laserschneidanlage mit Linearantrieben

Daten: Geschwindigkeit bis 280 m/minBeschleunigung x-Achse: 22 m/s2

y-Achse: 42 m/s2

Genauigkeit 5/100 mmBearbeitungsraum 1,2 m x 1,0 m

Schneiden von Elektroblechen

Laserschneiden von 500 Löchern / min Stahlblech d=0,5 mm, =10 mm


Prod. 21. Jh. - 29

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Laserschneidanlage mit Linearantrieben

Laserschneiden von 500 Löchern / min Stahlblech d=0,5 mm, =10 mm


Video

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Prod. 21. Jh. - 31

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Mikrobearbeitung durch Sublimation:

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Laser Mikrobearbeitung eines menschlichen Haares:

Lasertechnik

Bohren

Abtragen

50

m

Beschriften

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Beispiele aus der Mikrobearbeitung:

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Beispiele aus der Mikrobearbeitung:

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• Schweißen

• Löten

• Hybrid:L + PlasmaL + Induktion


schaftenändern



Prod. 21. Jh. - 36

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Arten des Schweißens:

Prod. 21. Jh. - 37

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Wärmeleitungsschweißen:

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Wärmeleitungsschweißen:

Prod. 21. Jh. - 39

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Tiefschweißen:

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Tiefschweißen:

Prod. 21. Jh. - 41

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Tiefschweißen:

Prod. 21. Jh. - 42

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Tiefschweißen:

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• Auftrags-schweißen

• Dispergieren

• PLD

• Hybrid:L + PlasmaL + Induktion L + SpritzenL + PVD


schaftenändern



Prod. 21. Jh. - 44

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Video

laser beam

layer

HAZ

substrate

ceramic powder 2

pneumaticpowder mixing head

ceramic powder 1

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• EndkonturnaheBeschichtung:Stellit auf X40 CrMoV 5.4

• Schweißzeit: 10 Min.

• Standververlängerungund Verringerung des Nacharbeitsaufwandesgegenüber Hand-Auftragsschweißen

Werkzeugreparatur:

Warmumformwerkzeug (Preßstempel)links: hand-, rechts: laserauftragsgeschweißt

Prod. 21. Jh. - 46

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Präzision durchWerkstoffauftrag inKokille:

- Aufschweißen einer Ni-Basis-Legierung- b/h = (0,1 ... 0,8) mm / 1 mm in einer Schweißlage- extrem niedriger Nacharbeitsaufwand

Video

Prod. 21. Jh. - 47

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• Umwandl. -härten

• Umschmelzen

• Anlassen


schaftenändern



Prod. 21. Jh. - 48

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Video

Laserstrahlhärten:

Werkstück und Laserstrahl werden relativ zueinander mit der Geschwindigkeit vH bewegt. In dem von der Ac1-Isothermen umrandeten Bereich wandelt sich das Gefüge in Austenit um. Im daran angrenzenden Bereich innerhalb der Martensit-Start-Isotherme wird der Austenitunterkühlt, bis nach Passieren der MS-Linie die Martensit-bildung einsetzt.

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Lasergehärtete Laufbuchsen für verschiedene Dieselmotoren:

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Rotation / 10 Umdrehungen6

Tröpfchenschlagverschleißtest

vergütetflammgehärtet beschichtet mit Stellit W3K

ND-Stufe 80 MW-Turbine

Härtungsprozeß 1300 MW-Schaufel

laserstrahlgehärtet

Laserstrahlhärten

Laserstrahlhärten von Turbinenschaufeln:

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6) Lasertypen

Scheibenlaser

Lasereinsatz in Abhängigkeit von der Applikation:

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6) Lasertypen

CO2-Laser - Generierung:

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6) Lasertypen

CO2-Laser:

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6) Lasertypen

Nd:YAG-Laser - Generierung:

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6) Lasertypen

Nd:YAG-Laser - thermische Linse: Verminderung der Strahlqualität

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6) Lasertypen

Nd:YAG-Laser - Minimierung der thermischen Linse:

Scheibenlaser

lampengepumpter Nd:YAG-Laser Faserlaser

diodengepumpte Nd:YAG-Laser

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6) Lasertypen

Nd:YAG-Laser- Varianten:

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6) Lasertypen

Nd:YAG-Laser - Variantenvergleich:

bis 100 V

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6) Lasertypen

Hochleistungsdiodenlaser - Halbleiter:

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6) Lasertypen

Hochleistungsdiodenlaser - Aufbau:

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6) Lasertypen

Hochleistungsdiodenlaser – Vergleich mit anderen Lasersystemen:

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6) Lasertypen

Excimerlaser - Generierung:

1. Ionisation:e- + F2 F- + Fe- + Kr 2 e- + Kr+

2. Kollision:Kr+ + F- + Ne KrF* + Ne

3. Laser:KrF* + h Kr + 0,5 F2 +2h

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6) Lasertypen

Excimerlaser - Strahleigenschaften:

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6) Lasertypen

Excimerlaser - Anwendungsbereiche:

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Vorlesungsende

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

Stephan Hunze

Technische Universität Dresden

Institut für Oberflächentechnik und Fertigungsmesstechnik

Lehrstuhl für Laser- und Oberflächentechnik

Tel.: 0351/463-33338

e-Mail: [email protected]

www.iof.mw.tu-dresden.de

institut oberflächen- u. fertigungstechnik prod. 21. jh ... · 0.1 0.2 0.4 0.8 12 4681020 193 308...

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