Fertigungstechnik (Subject) / Werkzeugmaschinen-Komponenten - Schwerpunkt Laser (Lesson)

Teil I : Laser

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• wesentliche Merkmale von Laserlicht - Monochromasie - Kohärenz - geringe Divergenz und damit gute Fokussierbarkeit
• Wie kann der Charakter von Licht beschrieben werden? - Wellencharakter: elektr. & magn. Feldstärke; c = λ * ƒ; Brechungsindex n; Intensität I; Huygens-Fresnelsches Prinzip -Teilchencharakter: Photonen; Energiemenge abh. von λ und ƒ → Planck‘schesWirkungsquantum h; Photonenstrodichte → Intensität
• Mechanismen zur Speicherung von Energie in Materie: - Elektronenenergie: diskrete angeregte Zustände → beim Wechsel Energiebetrag ↑/↓ - Schwingungsenergie: bei Gasen; als symmetrische oder asymmetrische Longitudinalschwingung sowie als Biegeschwingung - Rotationsenergie
• 3 Stoff-Strahl-Wechselwirkungsmechanismen - Lichtabsorption - Spontane Lichtemission - Induzierte Lichtemission
• Was ist der Brechungsindex - beschreibt, mit welcher Geschwindigkeit sich das Licht im jeweiligen Medium ausbreitet. - bestimmt zsm mit Polarisationsrichtung den Anteil an Reflexion - bestimmt Transmission inkl. des Ausbreitungswinkels
• Was ist die stimulierte Emission? - Photon trifft auf angeregtes Atom → Photonen gleicher Richtung, Frequenz und Phase werden frei - Voraussetzung ist Besetzungsinversion durch "Pumpen"
• Nenne die Linienverbreiterungsmechanismen und wo sie vermehrt auftreten - natürliche Linienbreite: kann vernachlässigt werden, da nur 10MHz - Stoß- / Druckverbreiterung: in Gaslasern; 100MHz - Doppler-Verbreiterung: HeNe; 1,5Ghz
• woraus setzt sich der Gesamtwirkungsgrad eines Lasers zusammen? Resonatorwirkungsgrad * Pumpwirkungsgrad * Quantenwirkungsgrad
• Pumpenenergiequellen - Gasentladung: bei Gaslasern z.B. CO2 & Excimer - Elektrischer Strom: bei Laserdioden - Optisches Pumpen: bei Festkörperlasern - Chemische Reaktion: v.a. bei Gaslasern z.B. HF, HCI
• wichtigste Bestandteile zur Erzeugung eines Lasers - Laseraktives Medium - Pumpenenergiequelle - Resonator - Verlustenergiegesenke
• Was ist ein Resonator? - Konstellation aus reflektierendem und teiltransmittierenden Spiegel - Licht läuft im System hin und her - man unterscheidet zw. stabilem und instabilem Resonator - bestimmt maßgebliche die Modenstruktur und -Art
• Was sind die Gefahren beim Laser? Gefahr durch Unsichtbarkeit oft unterschätzt Wellenlänge bestimmt Eindringtiefe in die Haut Photodisruption Photoablation Verdampfung Thermische Wirkungen Photochemische Wirkungen die o.g. entnommen aus Diagramm Bestrahlungsstärke vs. -dauer von l.o nach r.u + sekundäre Gefährdungspotentiale
• Was sind die sekundären Gefährdungspotentiale? - äußere Einflüsse: Temp; Stöße; Stäube; elektromagn. Störungen - inhärente Gefährdungen: mech. & elektr. Gefährdung; Lärm; Vibrationen; Ergonomie - menschliche Faktoren: Müdigkeit; Krankheit; Alkohol
• Welcher Klasse sind Laser zur Materialbearbeitung einzuordnen und welche Schutzmaßnahmen müssen immer eingehalten werden? - Klasse 4 - anlagenspezifische Schutzmaßnahmen: Absauganlagen; Abschirmung - persönliche Schutzmaßnahmen: Laserschutzbrille (10 unterschiedl. Schutzstufen)
• in welchen Betriebsarten kann Laserstrahlung genutzt werden? - cw: kontinuierlich (erfordert kontinuierliches umpen) - pw: gepulst (Pulsdauer / Pulsperiode = Tastverhältnis)
• Was ist ein CO2-Laser? - molekülgas-Laser → Vibrationsenergieniveaus → (a-); symmetrische Dehnungsschwingung; Biegeschwingung - cw & pw möglich - Wellenlänge 10,6 µm - Wirkungsgrad: 10% → relativ hoch - Gasgemisch aus He, N, CO2 im Verhältnis 7:2:1 - Unterscheidung nach Art der Gasströmung; der Anregung & der Resonatorgeometrie
• Weche CO2-Laser unterscheidet man nach Art der Gasströmung und wodurch zeichnen sich diese aus? -längsgeströmt: Gaströmung in Längsrichtung des Resonators; TEM00 nur bei langsam getrömten Lasern möglich - quergeströmt: Gasströmung senkrecht zur Resonatorachse; Anwendung bei schnellerer Gasströmung; Anschwingen höherer Moden → Verschlechterung der Strahlquali
• Weche CO2-Laser unterscheidet man nach Art der Anregung und wodurch zeichnen sich diese aus? - DC: Elektroden zünden Glimmentladung im direkten Kontakt zum laseraktiven Medium; contra: Verschmutzung des Lasergases durch abbrennende Elektroden; evtl. Bogenentladung → geringe max. Leistung - HF / RF: außerhalb; pro: keine Verschmutzung; gute Strahlquali; schnell steuerbar; contra: geringer η; aufwändige Technik → teuer
• Weche CO2-Laser unterscheidet man nach Art der Resonatorgeometrie und wodurch zeichnen sich diese aus? oftmals 4m Resonatorlänge erforderlich ⇒ - gefalteter Resonator (1 m²; verkürzte Strömungswege → homogene ρ; gute Kühlung durch Konvektion) - diffusionsgekühlter Laser (auch sealed-off Laser; Kühlung durch Diffusion; in regelmäßigen Abständen muss Gas komplett gewechselt werden) - TEA-Impuls Laser (dc; höherer Gasdruck; Leistung ↑; Entladedauer 1µs → Pulsspitzenleistung 3GW, 100ns Pulsdauer)
• Merkmale des Nd:YAG-Laser (Neodym:Yttrium-Aluminium-Granat) Festkörperlaser; Wellenlänge 1,064 µm; bis 6kW; η < 3% (diodengepumpt > 10%); etwas kleiner Baugröße als CO2; cw & pw; optisches Pumpen; Einsatz beim Schweißen & Schneiden
• Wie wird optisches Pumpen (bspw. beim Nd:YAG) errzeugt? - lampengepumpt: Edelgaslampen (Xe / Kr), können Blitz- (pw) oder Bogenlampen (cw) sein  !Gefahr → therm. Linse → schlechtere Strahlqualität (ggü. CO2) besonders bei P↑ - diodengepumpt: λDioden = benötigte λPump → keine intensive Kühlung nötig; hoher elektr. η; Effekt der therm. Linse geringer
• Welche Bauarten von Festkörperlasern wirken dem Effekt der thermischen Linse entgegen? - Scheibenlaser (Dicke ≤ 200 µm, d ≤ 10mm -Faserlaser (d = 10 - 300 µm): pro: hoher η und Robustheit
• Merkmale des Excimer-Laser Edelgas-Halogenid-Laser; λ = 0,15 - 0,5 µm; P = 300 W; ηges < 2%; pw; ArF, KrF & XeCl-Laser; Einsatz: Abtragen, Markieren, meist mittels Maskenprojektion EXCIted diMER: angeregtes Edelgasatom (1-10%) verbindet sich mit Halogenid-Atom (0,2%) in einer Helium- & Stickstoffumgebung
• Merkmale des Diodenlasers und durch welche Möglichkeiten kann die Kopplung der Barren erfolgen? Halbleiterlaser; λ = 0,7 - 1,5 µm; P < 15kW; ηges < 30%; hauptsächlich cw; kleine Baugröße (Stack bestehend aus mehreren Barren); schlechtere Strahlquali → schlechtere Fokussierbarkeit; Einsatz: Oberflächenbearbeitung - Polarisations- oder Wellenkopplung
• Wodurch kennzeichnet sich die Strahlqualität? Strahlparameterprodukt = dStrahl und θ (halber Divergenzwinkel)
• Was bezeichnet die Rayleigh-Länge? die Länge in Strahlausbreitungsrichtung hinter dem Fokus, innerhalb der sich der Strahlradius um √2 vergrößert
• Wodurch lässt sich die Fokussierbarkeit eines Lasers beschreiben? Strahlpropagationsfaktor (=Strahlkennzahl K) und Strahlparameterprodukt (SPP)
• Was sind die Hauptaufgaben von optischen Komponenten und wie lassen sich diese grob unterteilen? - Strahlführung; Strahlformung; Strahlteilung & -vereinigung - transmissiv und reflektiv
• Welche Transmissive Optiken gibt es, welche Probleme können auftreten und wie kann man diese beheben? - refraktive Optiken - Lichtbrechung an Grenzflächen - z.B. Linsen - Problem: Absorption mit steigender Dicke - Wärme↑ - Abhilfe schaffen Antireflexbeschichtungen (MgF2) - Reflexionen können auf 1% begrenzt werden - noch geringere bzw. gezielt hohe Reflexionsgrade durch dielektrische Vielschichtsysteme - diffraktive Optiken - Beugung - z. B. Transmissionsgitter & Fresnel-Linsen, Polarisationen, λ/4-Plättchen, Pockelszelle, frequenzvervielfachende Kristalle
• Welche reflektive Optiken gibt es? Reflexionsgitter & Spiegel
• Vor- & Nachteile von Glasfasern: pro: flexible Strahlführung geringer Platzbedarf unempfindlich ggü. Umgebungsbedingungen Laserstrahlbearbeitung auf mehreren Stationen contra: niedrige Zerstörungsschwelle Laserleistungsverluste Verminderung der Strahlqualität
• Merkmale der unterschiedlichen Lichtleitfaser: Stufen-Index-Faser: eingekoppelte Laserstrahlung wird totalreflektiert mehrere Moden gleichzeitig "Top hat" Monomode-Faser ist spezielle Form für Mikrobearbeitung Gradienten-Index-Faser ebenfalls für Mikrobearbeitung
• Welche Strahlführungsmöglichkeiten gibt es? - Fasern (Stufen-Index-, Monomode-, Gradienten-Index-Fasern) - Prismen (Dispersions-, Reflexionsprisma) - Wasserstrahl - Strahlführung im Bearbeitungskopf (inkl. Kollimatorlinse & dielektrischer Spiegel)
• Welche Strahlformungsmöglichkeiten gibts es? - Strahlaufweitung (Teleskope nach Kepler und Galilei) - Strahlweglängen-Ausgleich von fliegenden Optiken (z.B. Spiegelmembran mit Piezoaktuator entweder nahe am Resonator oder nahe der Fokussieroptik) - Homogenisatoren (Integrator, Facettenspiegel, Oszillator, Diodenlaser) - Phasenschieber
• Welche Aufgaben muss eine Bearbeitungsstation für die Lasermaterialbearbeitung erfüllen? - Erzeugen einer Relativbewegung zw. Laser und WSTK - Spannen und Positionieren des WSTK - Versorgung mit Prozessmedien - Entsorgung von Prozessemissionen - Strahlabschirmung
• Wodurch kann eine Relativbewegung zwischen Laser und WSTK erzeugt werden? - bewegte Strahlquelle - bewegte WSTKe - flexible Strahlführung (fliegende Optik) bei feststehender Strahlquelle - Kombi aus flexibler Strahlführung und bewegtem WKST
• Vor- und Nachteile des Knickarmroboters pro: geringer Platzbedarf leicht integrierbar in Montagelinien contra: relativ schlechte Bahngenauigkeit mögliche Behinderung der Bewegung durch die Strahlführung
• Prinzip und Vorteile des Scanner-Systems: - zwei in 90° zueinander angeordnete schwenkbare Spiegel - Fokussierung über PLanfeldoptik möglich Vorteil: sehr kurze Positionierzeit → viele kurze Schweißnähte effizient bearbeitbar

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