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Neue Technologien für innovative Produkte3D Lasermaterialbearbeitung
Fachhochschule NordwestschweizHochschule für TechnikDipl.-Ing. Markus C. KrackSteinackerstrase 5CH - 5210 Windischmarkus.krack@fhnw.ch
26. September 2008Institut für Produkt- und Produktionsengineering (IPPE) 2
Was möchten ich Ihnen mit diesem Vortrag heute vermitteln?
• Eine kurze Einführung in die Technologie des 3D-Lasermaterialabtrags geben
• Aufzeigen der Einsatzgebiete mit aktuelle Beispielen
• Aufzeigen von zukünftige Entwicklung dieser Technologie
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Produktionsvolumen Photonik Standort Schweiz 2007
Optische Komponenten &
Systeme10%
Photovoltaik< 1%
Optische Drucktechnik
2%
Optische Kommunikations-
technik3%
Optische Medizintechnik &
Life Science16%
Lasermaterial-bearbeitung
45%
Bildverarbeitung & Optische
Messtechnik23%
Quelle: Swisslaser.net
Total Schweiz 3.1 Mrd. CHF
~1.4 Mrd. CHF
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Einsatzgebiete von Lasern in der Materialbearbeitung
Strukturieren
Kavitäten
Bohren
Abtragen
Trennende Laserbearbeitung
Zerteilen
Schneiden
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Definition 3D-Lasermaterialabtrag (Laserengraving)
Geometrisch exakter schichtweiser Materialabtrag mittels eines Laserstrahls
Verfahren
Prinzip
Laserengraving EDM Fräsen
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Prozessablauf
yx
z
Abtragstiefe bei Stahl ca. 0.5 m bis 1.0 m / Schicht
Vorschub des Laserstahls ca. 150 - 300 mm/s
Abtragsrate bis ca. 1mm3 / minvf
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Anlagenaufbau
Scannerkopf
Ablenkspiegel(2x) X- Y-Achse
Werkstück
Fokusebene
x / y Tisch
Verfahreinheit
Pumpmodul 1
Pumpmodul 2
AkustooptischerModulator (Q-Switch)
Auskoppelspiegel
Endspiegel
Lasereinheit (Diodengepumptes System Nd:Vanadat)
Strahlaufweitung
LaserstabNd:Vanadat
= 950nm
= 950nm
=1064 nm
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Anlagenaufbau
Anlage für 3D Laserabtrag ( =1064nm)FOBA GP 9000
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Beispiele 3D-Lasermaterialbearbeitung
5 mm
Spritzgusskavität für einen Kugelschreiberklipp (@1064nm)
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Beispiele 3D-Lasermaterialbearbeitung
5 mm
Spritzgusskavität (@1064nm)
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Beispiele 3D-Lasermaterialbearbeitung
0.5 mm
Mikrokavität für Spritzguss (@355nm)
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Beispiele 3D-Lasermaterialbearbeitung
Mikrokavität für Spritzguss (@355nm)
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Beispiele 3D-Lasermaterialbearbeitung
Mikrostruktur für Prägung (@355nm)
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Zielsetzung der Mikrobearbeitung mit Laser
Präzise
Fein
Kein Aufwurf
Exakte Positionierung
Kleine Strahldurchmesser
Sehr gute Strahlqualität
Hohe Puls zu Puls Stabilität
Optimale Pulslängen
X
Y
Z
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Wellenlänge als Basis für die Feinheiten
Wellenlänge = 1064 nm
Wellenlänge = 532 nm
Wellenlänge = 355 nm
Fokusebene
Laserstrahl
ØFokus ~ 0.3 mm
Fokusebene
Laserstrahl
ØFokus ~ 0.005 mm
Fokusebene
Laserstrahl
ØFokus ~ 0.02 mm
Je kleiner die Wellenlänge, desto kleiner ist der erreichbar Fokusdurchmesser!
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Zukunft in der 3D-Lasermaterialbearbeitung
s10-6
ns10-9
ps10-12
fs10-15
Pulsdauer
Pu
lsfr
equ
enz
kHz
MHz
Geringer Abtrag
Hohe VerdampfungGuter Abtrag
Kürzere Pulsdauer
Höhere Pulsfrequenz
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Zukunft in der 3D-Lasermaterialbearbeitung
Pulslänge im Nanosekundenbereich Pulslänge im Pikosekundenbereich
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Zusammenfassung
• 3D-Lasermaterialbearbeitung wird bereits standardmässig zur Herstellung von kleinen
Kavitäten und Strukturen eingesetzt.
• Durch neue Maschinenkonzepte (FOBA & DMG Sauer) wurde das Verfahren industrialisiert.
• Durch den Einsatz von Laserquellen mit einer sehr hohen Strahlqualität und kurzen Wellenlängen
können immer kleinere und filigranere Bearbeitungsaufgaben ausgeführt werden.
• Ultrakurz gepulste Laser öffnen neue Anwendungsgebiete und unterstützten die fortschreitende
Miniaturisierung. Es besteht jedoch noch Forschungs- und Entwicklungsbedarf im Bereich der
Materialbearbeitung mit ultrakurz gepulsten Lasern
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Besten Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Formen aus Licht…
…wir machen es!
IPPE der FHNW
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