5 Een generiek mechanisatieplatform

7 Een flexibele pick-and-place unit

10 Gaslagers: ontwerp en berekening

16 Laserconfiguratie en technologie gaan om

MIK

RO

NIE

K I

S H

ET

OF

FIC

IEL

E O

RG

AA

N V

AN

DE

NV

PT

M i k r oM i k r o n i e kn i e kVA K B L A D OV E R P R E C I S I E T E C H N O L O G I E J A A R G A N G 4 1 - N U M M E R 6

5 Een generiek mechanisatieplatform

7 Een flexibele pick-and-place unit

10 Gaslagers: ontwerp en berekening

16 Laserconfiguratie en technologie gaan om

HAAS-LASER levert:

Laserlas snij- en boorinstallaties in Nd:YAG uitvoering gepulst

en continu.

Gepulste laserlas- en snij-installaties van 20 tot 500 Watt.

Continu laserlas- en snij-installaties van 350 tot 6000 Watt.

Boorlaser 100 en 200 Watt met een maximum pulsvermogen

van 18 kW.

Bewerkingsstations LASMA met of zonder draaitafel.

Optieken voor het lassen en snijden.

Programmeerbaar lasoptiek PFO voor gepulste en CW laser.

Laser-lichtkabel LLK.

HAAS-LASER Nederland

Postbus 2123

2400 CC Alphen aan de Rijn

Telefoon 0172-495345

Telefax 0172-495871

E-mail joop.dijk@de.haas-laser.com

Een onderneming van TRUMPF-groep

GEBR. REINFURT GmbH & Co.WÜRZBURG

HOCHPRÄZISIONSKUGELLAGERMINIATURE PRECISION BALL BEARINGS

MINIATUUR PRECISIEKOGELLAGERS

GRW is fabrikant en leverancier van (miniatuur) precisiekogel-lagers, keramische kogellagers, precisie draaidelen, samen-stellingen van lagereenheden zg. ‘assemblies’, leverancier vanprecisiekogels en miniatuur druklagers.

GRW is 60 jaar actief op het gebied van lagers, heeft ISO 9001erkenning en diverse bedrijfserkenningen. De fabrieken staan inWürzburg en Rimpar, Duitsland. GRW heeft 450 vaste medewer-kers in dienst.

De markten waarin GRW zich begeeft zijn de volgende:

Medische apparatuur, Machinebouw, Robotica, Plotters, Auto-motive, Optische industrie, Vlieginstrumenten, Defensiesystemen,Computerrandapparatuur, Meet- en Regeltechniek, Communicatie-apparatuur, (Mikro)Motoren, Audio- & Video apparatuur, Verpak-kingsmachines, Mikro Straalturbines, Ruimte- & Luchtvaart, Prin-ters, Pick & Place machines, Wafersteppers, Scanners, Encoders,Document printing systems, Fuel injection systems, etc., etc.

GRW - BENELUX Telefoon: 0162-510910Pijperhof 6 Telefax: 0162-580095NL 4941 WR Raamsdonksveer Internet: http://www.grw.de

HA

AS

-LA

SE

R

6 In dit nummerIn dit nummerMik

ro

nie

k

-

20

01

4

5

7

10

16

Vakblad voor precisietechnologie en fijnme-chanische techniek en orgaan van de NVPT.Mikroniek geeft actuele informatie over tech-nische ontwikkelingen op het gebied vanmechanica, optica en elektronica.Het blad wordt gelezen door functionarissendie verantwoordelijk zijn voor ontwikkeling en fabricage van geavanceerde fijnmechani-sche apparatuur voor professioneel gebruik,maar ook van consumentenproducten.

Uitgave:Twin Design bvPostbus 3174100 AH CulemborgTelefoon: 0345-519525Fax: 0345-513480E-mail: mikroniek@twindesign.nl

Uitgever:Andries Harshagen / Renate Mouton

Abonnementen:Twin Design bv, Culemborg

Abonnementskosten:Nederland: fl. 120,- per jaar ex BTWBuitenland: fl. 150,- per jaar ex BTW

HoofdredactieDirk ScheperE-mail: info@rbe.nl

Redactiesecretariaat/eindredactieMikroniek/ Renate MoutonTwin Design bvE-mail: redactie@twindesign.nl

Advertentie-acquisitie:Waterfront mediaHenk van der BruggeTel: 06-29574666 of 078-622 7770

Secretariaat NVPTParallelweg 30Postbus 705775201 CZ Den BoschTel: 073-6233562Fax: 073-6441949E-mail: office@NVPT.nl

Vormgeving en realisatie:Twin Design bv, Culemborg

Mikroniek verschijnt zes maal per jaar© Niets van deze uitgave mag overgenomen ofvermenigvuldigd worden zonder nadrukkelijketoestemming van de redactie.

ISSN 0026-3699

Coverfoto: Trumpf GmbH & Co., Ditzingen(D)

M i k r oM i k r o n i e kn i e kN r . 6 2 0 0 13

Editorial

Een generiek mechanisatieplatformIn dit artikel van ir. Markjan Vermeer wordt een mechanisatie-platform beschreven dat gericht is op assemblage van productenen componenten met een maximale afmeting van 100 mm3.

Een flexibele pick-and-place unitIn relatie tot zijn vorige artikel ‘Een generiek mechanisatieplat-form’, beschrijft Markjan Vermeer het ontwerp en de realisatievan een flexibele pick-and-place unit.

Gaslagers: ontwerp en berekeningMet de huidige stand van de fabricagetechniek kunnen tegenbeperkte kosten gaslagers worden gefabriceerd met zeer dunneluchtfilms. In combinatie met de vele gunstige eigenschappen vangaslagers mag worden verwacht dat deze de komende jarensteeds vaker zullen worden toegepast. In dit artikel van dr.ir.Anton van Beek zullen de mogelijkheden van gaslagers duidelijknaar voren komen.

Laserconfiguratie en technologie gaan omVeelzijdige laserbronnen van verschillendesoort en sterkte spelen in toenemendemate een bepalende rol in de hedendaagseindustrie. Lasers zijn immers essentiële,hoogst flexibele gereedschappen diegemakkelijk te integreren zijn in productie-opstellingen. Zeer uiteenlopende, schijnbaaronmaakbare zaken zijn contactloos terealiseren middels dergelijke geconcentreer-de lichtbundels met hoge vermogensdicht-heid. Er komt dan ook geen eind aan destroom innovaties in de vorm van bruikbarelaservarianten en economisch-technischaantrekkelijke toepassingen, gericht opzowel metalen, kunststoffen, hybride materialen en laminaten, alstechnische kramieken. Ing. Jan Wijers verschaft de lezer middelsdit artikel inzicht in al die innovaties.

M i k r oM i k r o n i e kn i e kN r . 6 2 0 0 1 4

edit

ori

alIn mijn boekenkast staan zes delen van het Handboek van de

Fijnmechanische Techniek, onder redactie van A. Davidson. Naar rechtsworden de delen steeds dunner en deel 3 ontbreekt. Jammer, want het wasin de jaren zestig best moedig zo’n serie te starten.Moet je zo’n boek van bijna veertig jaar oud langzamerhand niet eens weg-gooien? Ik vind van niet, want nog regelmatig blader ik erin. Veel waarhe-den van toen gelden immers nog steeds. Het ijzer-koolstofdiagram is in dezenieuwe eeuw nog steeds hetzelfde en de thermische uitzetting van alumi-nium gaat nooit verloren, om maar eens een paar dwarsstraten te noemen.Toch is er in die veertig jaar wel het een en ander gebeurd, want om op eencomputer te rekenen moest je toen eerst een ponsband met het programmamaken. Als daar dan een fout in zat, kon je opnieuw beginnen met hetrisico dat er weer nieuwe fouten bij kwamen. Wat een zegen waren toen delosse ponskaarten voor iedere programmaregel.Bij Philips werd er gewerkt aan het mechaniseren van de montage vanprintplaten. Met veel geweld kwam er een volledig bestückte plaat uit een rijmachines met afmetingen die de totstandkoming van een compleet auto-mobiel deden vermoeden. De transistor was net uitgevonden, maar vooreen hifi-versterker moest je beslist nog penthodes toepassen. Van miljoenenfuncties op een vierkante millimeter droomden zelfs de stoutste elektronica-ontwerpers nog niet.Toen heette precisietechnologie nog fijnmechanische techniek. Maar is ervandaag de dag in dat vak zoveel veranderd? Ja, want de computer heeft hetleven een stuk makkelijker gemaakt. Meetresultaten schrijf je niet meer opeen papiertje en je hoeft het gemiddelde en de standaarddeviatie niet meerop je handgeslingerde facitje uit te rekenen. De computer presenteertimmers alle mogelijke en onmogelijke statistische resultaten in fraaiekleurendruk. En de bewegingen in het meetapparaat worden met een laser-straal gemeten en door een computer gestuurd.Of is het antwoord op die vraag toch ontkennend? Nog steeds moet jemachineonderdelen draaien, frezen en slijpen. En nog steeds weten we nietprecies wat er zich afspeelt daar bij die beitelpunt en slijpkorrel, als spanenzich met moeite losscheuren uit hun ondergrond. Nog steeds moetenmechanismen nauwkeurig bewegen om dichtbeschreven informatiedragersuit te lezen, al heten die nu geen langspeelplaat maar Compact Disc enDVD. Een elektronenmicroscoop kan details kleiner dan een nanometerzien, maar toch zijn daarvoor poolschoenen nodig die mechanisch bewerktzijn met een precisie van een tiende micrometer. Kortom, de precisietechno-logie is vandaag de dag springlevend en daarom praten we nu even makke-lijk over nanometers als veertig jaar geleden over microns.

Lang leve de precisietechnologie!

Frans Zuurveen

Andere tijden

M i k r oM i k r o n i e kn i e kN r . 6 2 0 0 1 5

MECHANISATIEPLATFORM

Het ontwerpen en bouwen van machines voor het assembleren van fijnmechanische

en elektronische componenten is een specialisme op zichzelf. De klant die de machi-

nes gebruikt voor productie vraagt naar steeds hogere productiesnelheden, hogere

bewerkingsnauwkeurigheden en lagere productiekosten.

Tegelijkertijd is ‘Time To Market’, de tijd waarin een eindproduct op de markt wordt

gezet, een belangrijke factor geworden. De doorlooptijd van de ontwikkeling van een

productiesysteem staat daarmee onder druk.

Naast de korte ontwikkelingstijden van machines wordt tevens steeds meer de

nadruk gelegd op flexibiliteit, dat wil zeggen: het kunnen hergebruiken of het kunnen

aanpassen van een productiesysteem. Immers, bij relatief kleine productverande-

ringen zou het gunstig zijn als het nieuwe product gemaakt kan worden met reeds

bestaande productiesystemen.

O• Ir. Markjan Vermeer •

Om de ontwikkeltijd van machines te bekorten kunnenin twee richtingen oplossingen worden gezocht. De eer-ste richting is het beperken van het aantal alternatievenvoor processen en bewerkingen, gevolgd door het vin-den van een standaardisatie voor die processen enbewerkingen die bij een zo breed mogelijk scala aanproducten kan worden toegepast.De tweede richting is het opbouwen van een machineuit standaardeenheden. Zo’n verzameling functioneleeenheden kan het niveau van een mechanisatieplatformbereiken. Het mechanisatieplatform dat hierna wordtbeschreven is gericht op assemblage van producten en componenten met een maximale afmeting van 100 mm3.

Het hier beschreven mechanisatieplatform bestaat uit:1) een tafel;2) taakspecifieke werkstations;3) een transportmechanisme.

Ad 1) De tafel heeft een standaardlengte, in dit geval isgekozen voor 6 maal de ‘steek’. De steek geeft de onder-linge afstand tussen twee werkstations weer. Op deze tafelkunnen (op eenvoudige wijze) 6 verschillende werkstationsin lijn worden bevestigd. Er is gekozen voor een steek van120 mm. Dit betekent dat een werkstation een breedte van120 mm of een veelvoud daarvan zal hebben (figuur 1).Ad 2) Er is een standaardinterface tussen het werkstationen de tafel. Deze interface definieert de statisch bepaalde

Een generiek mechanisatieplatform

plaats van het werkstation op de tafel. Heeft een werksta-tion eenmaal deel uitgemaakt van een mechanisatiesys-teem, dan is het terugplaatsen van het werkstation in hetsysteem zeer eenvoudig. Immers, zijn plaats is eenduidigbepaald in termen van 6 coördinaten.Ad 3) Behalve werkstations draagt de tafel ook eentransportmechanisme voor de productdragers. De pro-ducten worden op productdragers van het ene werksta-tion naar het andere getransporteerd. Het transportwordt centraal gerealiseerd. Het transportmechanismebrengt de productdragers slechts in de omgeving van derespectievelijke werkstations. Bij een werkstation aange-komen worden de productdragers overgenomen in eenfixeersysteem dat bij het besproken werkstation hoort.Pas dan vindt het nauwkeurig positioneren van een pro-ductdrager ten opzichte van een werkstation plaats. Hetgrote voordeel van dit concept is dat er nauwelijks eennauwkeurigheidseis gesteld hoeft te worden aan de inter-face tussen het transportmechanisme en de werkstations;immers, elke productdrager wordt individueel in positiegebracht.

Figuur 1. Opbouw mechanisatieplatform.

Om flexibiliteit te waarborgen, moeten de werkstationsop eenvoudige wijze kunnen worden aangebracht op detafel. Dit mag niet te veel tijd kosten en ook niet ten kostegaan van de bewerkingsnauwkeurigheid. De opbouwzoals weergegeven in figuur 2 laat een geschikte oplossingzien. De tafel is uitgevoerd als 4 rechtopstaande platen A,B, C en D. Hier bovenop wordt het werkstation bevestigd.Het werkstation rust met twee korte V-groeven op de dra-ger (B) en met één vlakje op de drager (A). Op deze wijzezijn 5 coördinaten vastgelegd. Het enige dat het werksta-tion dan nog kan, is schuiven in de langsrichting van detafel (dat wil zeggen in de x-richting van figuur 2. De x-positie van het werkstation wordt nu gedefinieerd doorhet aanbrengen van een aanslag op de drager (B).In het mechanische deel van de interface is geen aandrij-ving gedefinieerd. In dit concept zal elk werkstation zijn

eigen servosystemen hebben. Dit betekent dat in de inter-face een bussysteem is opgenomen. Een hostcomputerkan met elk werkstation communiceren en zodoendeonder andere de synchronisatie bewaken.Bij het werkstation behoort een hulpstuk (figuur 2) aande andere zijde van de transportbaan. De plaats van hethulpstuk op de platen C en D wordt middels een dummy-productdrager (hier niet getekend) vastgelegd.

Figuur 2. Doorsnede mechanisatieplatform.

Het werkstation bevat, samen met het hulpstuk, drie V-groeven. Na het transport van de productdragers moetendeze met een zekere nauwkeurigheid ten opzichte van derespectievelijke werkstations hun plaats innemen. Zijworden daarom gefixeerd door ze vanaf de transport-baan omhoog te tillen en aan te drukken, zodanig datdrie halve bollen van een productdrager vallen in drie V-groeven, aangebracht in een werkstation en zijn hulp-stuk. Hiermee zijn alle vrijheidsgraden van de product-drager vastgelegd. Dit principe wordt beschreven in V4.6[1].Op deze wijze wordt een rechtstreekse relatie tussen deproductdrager en het werkstation gelegd. De tafel speeltin deze relatie geen rol. Op deze manier kunnen werksta-tions in korte tijd worden uitgewisseld en vervangen,zonder daarbij in te leveren op de kwaliteit van de bewer-king op het betreffende werkstation.

Literatuur

[1] Koster, M.P. (1998). Constructieprincipes voor het

nauwkeurig bewegen en positioneren. Twente UniversityPress, Enschede, ISBN 90 3651 1364.

M i k r oM i k r o n i e kn i e kN r . 6 2 0 0 1 6

MECHANISATIEPLATFORM

M i k r oM i k r o n i e kn i e kN r . 6 2 0 0 1 7

FLEXIBELE PICK-AND-PLACE UNIT

Een van de meest voorkomende handelingen bij het assembleren is het plaatsen van

componenten.Als eerste werkstation in het mechanisatieplatform (zie het vorige

artikel) is daarom een pick-and-place unit ontworpen en gerealiseerd. Deze pick-

and-place unit moet aan een aantal eisen voldoen:

- hij moet aan de interfacevoorwaarden van het platform voldoen;

- hij moet flexibel zijn ten aanzien van zijn bewegingen. Deze moeten namelijk vrij

programmeerbaar zijn binnen gedefinieerde uiterste standen.

M• Ir. Markjan Vermeer •

Met bovenstaande eisen als basis kan een richting in hetontwerpen van een concept worden bepaald. Beginnendbij de aandrijving kan worden gezegd dat luchtcilindersniet geschikt zijn. Zij hebben twee nauwkeurige eindstan-den en zijn daarom niet vrij programmeerbaar. Aan-drijving via een nokmechanisme is eveneens niet vrij pro-grammeerbaar. De vastgelegde vorm van een nokschijfbepaalt immers op eenduidige wijze de beweging.Servomotoren zijn daarentegen volledig vrij program-meerbaar. Er kan een keuze worden gemaakt uit lineaireservo’s of roterende servo’s. Aangezien lineaire servo’srelatief kostbaar zijn, wordt een concept gezocht met rote-rende servo’s als aandrijving.Op verschillende manieren kan de rotatiebeweging vaneen servomotor worden omgezet in een lineaire bewe-ging. Met behulp van spindels wordt de aandrijving,ondanks de goedkopere roterende servomotoren, tochnog kostbaar. Als alternatief kan een tandriem wordentoegepast.

De vraag luidt nu of een tandriem voldoende stijfheidkan bieden om met de pick-and-place unit aan de speci-ficaties te kunnen voldoen. De situatie kan worden

ingeschat door de benodigde systeemstijfheid te vergelij-ken met de stijfheid van een mogelijke tandriem.De situatie kan worden vergeleken met het verplaatsenvan een massa van m= 3 kg (bewegende massa) intm= 0,3 seconde (een deel van de 1 seconde cyclustijd)over een afstand van hm= 150 mm (maximale slag). Demassa moet met een nauwkeurig van u0= 0,01 mm degewenste positie aannemen. Met deze gegevens kan eeninschatting worden gemaakt [1].De relatieve plaatsfout U0 wordt gedefinieerd doorU0=u0/hm. Voor een 3e-graads bewegingsvoorschrift kanvoor de dimensieloze periode τm de volgende relatie wor-den gebruikt, τm=3√1,66U0. Wil de constructie geschiktzijn voor het behalen van de beoogde prestaties, danmoet de constructie stijf genoeg zijn. Dat wil zeggen datin dit geval de laagste mechanische eigenfrequentie ωmbij geblokkeerde motor minimaal ωm=2π/(τmtm) [rad s-1]moet bedragen. De benodigde stijfheid c van de tandriemdie hiermee overeenkomt, bedraagt dan c=m·ωm

2=57·104

[N m-1]. Deze stijfheid lijkt goed te bereiken met eentandriemconstructie. Ter indicatie, een halve meter tand-riem van het type T5 met een breedte van 30 mm heefteen stijfheid van 5·105 [N m-1].

Een flexibelepick-and-place unit

De pick-and-place unit moet voldoen aan de interface-voorwaarden van het mechanisatieplatform. Dit bete-kent onder andere dat de unit maximaal 120 mm breedmag zijn. Het plaatsen van componenten vraagt eenbeweging met twee graden van vrijheid. Het ligt voor dehand twee motoren te kiezen, met aan iedere motor eentandriem. Door deze twee samenstellingen haaks opelkaar te plaatsen kan een pick-and-place beweging wor-den gecreëerd. Het nadeel is de benodigde breedte voorzo’n opstapeling van bewegingsassen. Het zou mooierzijn de twee bewegingsrichtingen via één tandriem aan tekunnen sturen. Deze mogelijkheid wordt weergegevendoor het principe in figuur 1, beschreven in V9.8 [2].

De twee bewegingsrichtingen y en z worden door ééntandriem aangedreven. Er zijn twee servomotoren aan detandriem gekoppeld. Door de motoren tegen elkaar in ofmet elkaar mee te laten draaien, wordt respectievelijk eenbeweging in de y-richting of de z-richting gerealiseerd.Met deze manier van aandrijven kan elk punt in het werk-vlak via elk gewenst pad worden bereikt. Het is een vrijprogrammeerbaar systeem, zoals ook wordt geïllustreerddoor de kinematische overdrachtfunctie tussen de motor-rotaties (ϕ1, ϕ2) en de endeffector coördinaten (y, z). Deendeffector die de interface vormt tussen het werkstationen het product wordt hier uitgevoerd als grijper.

Mechanische constructieHet prototype kan een slag maken van 150 mm in de y-richting en 60 mm in de z-richting. De cyclustijd bedraagt1 seconde. De tandriem is het bepalende onderdeel voor desysteemstijfheid. In het prototype is een tandriem van het

y

z

⎡

⎣ ⎢ ⎤

⎦ ⎥ = r ⋅

+ 12 − 1

2

− 14 − 1

4

⎡

⎣ ⎢

⎤

⎦ ⎥ ϕ1

ϕ2

⎡

⎣ ⎢

⎤

⎦ ⎥

type T5 met een breedte van 30 mm toegepast. Met behulpvan een Ideaal Fysisch Model (IFM) kan het dynamischgedrag van de constructie worden berekend. Het IFM isvoor de twee bewegingsrichtingen verschillend, zie figuur2. Als de endeffector op de minst gunstige positie staat,wordt voor de systeemstijfheid in de y- en z-richting,respectievelijk 3,4·106 [N m-1] en 3,2·106 [N m-1] gevonden.Hieruit blijkt dat met een eenvoudige tandriem toch eensysteem met een hoge stijfheid kan worden ontworpen.

Figuur 3 toont het prototype van de overzetter. Om inhet optimaal werkgebied van de motoren te komen is ereen haakse tandwieloverbrenging van 1:3 gekozen. Demassaverhouding α kan worden gedefinieerd als demassa aan de motorzijde van de overbrenging tenopzichte van de totale massa. Bij een massaverhoudingvan α=0,5 (inertial match) leidt het beschikbare motor-koppel tot maximale versnelling [1]. Uit het IFM en dekinematische overdrachtsfunctie blijken voor de y- en z-richting verschillende overbrengingen te gelden. Voor dey- en z-richting wordt een massaverhouding gevondenvan respectievelijk αy=0,52 en αz=0,79.Om speling te vermijden worden de motoren verendopgehangen met aan weerskanten van de motor eenkruisveerscharnier, zie V3.7 [2]. Een lichte veer houdt detanden spelingvrij voorgespannen. De voorspanningbedraagt net genoeg om bij maximaal koppel de tandenprecies in elkaar gedrukt te houden.

Als rechtgeleiding in de z-richting is een kogelomloop-wagen met rail gebruikt. Twee kogelomloopeenhedenmaken deel uit van de wagen. De rail aan boord van dewagen kan vrij bewegen in de z-richting. Aan de rail wor-den de bovenste en onderste tandriemschijven bevestigd.De rail is op deze wijze de drager van de endeffector.

M i k r oM i k r o n i e kn i e kN r . 6 2 0 0 1 8

FLEXIBELE PICK-AND-PLACE UNIT

Figuur 1. Principe pick-and-place unit. Figuur 2. Ideaal Fysisch Model Pick-and-place unit.

Bij de y-gelei-ding van de wa-gen is gekozenvoor een loop-wielconstructiemet drie loop-wielen, zie figuur4. De twee on-derste loopwie-len (1) zijn recht-streeks op de

assen bevestigd waarop ook de twee spanrollen zitten. Hetderde loopwiel (2) is verend opgehangen. Door het hartvan de onderste twee assen van de wagen is een bladveergeschoven (4). Ditzelfde is gedaan bij de bovenste tweeassen (3). De twee bladveren zijn onderling verbondendoor een verticaal geplaatste balk (5) in het midden. Hetbovenste loopwiel (2), bevestigd aan de bovenkant vanbalk, heeft nu slechts één graad van vrijheid waarin bewe-ging mogelijk is, namelijk in de langsrichting van balk (5).De onderste en bovenste loopwielen worden onder voor-spanning tussen twee horizontale, parallel liggende railsop het frame geplaatst. De voorspanning geleverd doorde bladveren zorgt ervoor dat in alle mogelijke belas-tingssituaties de twee onderste loopwielen op de rail blij-ven gedrukt. De stijfheid wordt dan bepaald door de con-tactstijfheid van de onderste loopwielen op de rail. Dezezeer goedkope constructie levert een stijve en lichtlopen-de rechtgeleiding.

PrestatiesDe metingen die zijn verricht aan het prototype bewijzende mogelijkheden van de pick-and-place unit. De geme-ten herhaalnauwkeurigheid heeft een waarde van ± 3μm. Deze prestatie is beter dan de voorspelde ± 0,01 mmnauwkeurigheid.

De spelingvrije tandwieloverbrenging blijkt zeer gunstigvoor wat betreft de nauwkeurigheid. Of de overbrengingook aan duurzaamheid voldoet, zou verder moeten wor-den onderzocht.

Toekomstplannen Aan het prototype zijn verschillende metingen verricht.De meetresultaten hebben er mede toe geleid dat de pick-and-place unit inmiddels aan een redesign is onderwor-pen. Bij het redesign zal met name gekeken worden naarde duurzaamheid en de betrouwbaarheid van de unit.Ook wordt er gekeken naar de mogelijkheden voor hetvergroten van de slag naar 400x80 mm. Het wachten isop een geschikt project om ook het mechanisatieplat-form toe te passen. Naarmate het platform vaker wordttoegepast, zal het gunstig zijn om voor andere bewer-kingsprocessen ook een standaardunit te ontwerpen. Opdeze manier kan in steeds kortere tijd de basis van eenmachine worden neergezet. De ontwikkelingstijd van eentotale mechanisatielijn wordt dan voornamelijk bepaalddoor de ontwikkelingstijd van sterk productspecifiekebewerkingen.

VerantwoordingHet resultaat van het project, dat een afstudeerprojectwas van ir. Markjan Vermeer, wordt neergezet door eensamenspel van wetenschap en praktijk. Binnen de murenvan het bedrijf IMS (Integrated Mechanization Solu-tions B.V.) is het project uitgevoerd. IMS, dat hightechspeciaalmachines ontwikkelt en bouwt, was een inspire-rende omgeving met een rijke ervaring op het gebied vansnelle en nauwkeurige bewerkingen. In het bijzonderheeft de coachende rol van mededirecteur ir. C.G.Huiberts bijgedragen aan het project. Vanuit deUniversiteit Twente heeft prof.dr.ir. M.P. Koster, totseptember 2001 deeltijdhoogleraar bij de vakgroepWerktuigbouwkundige Automatisering, het gehele pro-ject op zeer constructieve wijze ondersteund.

Literatuur

[1] Koster, M.P., W.T.C. van Leunen en T.J.A. de Vries(1998), ‘Mechatronica’, Collegedictaat 124151, Univer-siteit Twente, Enschede.[2] Koster, M.P. (1998), Constructieprincipes voor het

nauwkeurig bewegen en positioneren, Twente UniversityPress, Enschede, ISBN 90 3651 1364.

M i k r oM i k r o n i e kn i e kN r . 6 2 0 0 19

2

1

3

5

14

Figuur 4.Achterzijde wagen.

Figuur 3. Prototype Pick-and-place unit.

M i k r oM i k r o n i e kn i e kN r . 6 2 0 0 1 10

GASLAGERS

Gaslagers: ontwerp Met de huidige stand van de fabricagetechniek kunnen tegen beperkte kosten gas-

lagers worden gefabriceerd met zeer dunne luchtfilms. In combinatie met de vele

gunstige eigenschappen van gaslagers mag worden verwacht dat deze de komende

jaren steeds vaker zullen worden toegepast, ook in minder hightech-toepassingen.

Aan de hand van de beschrijving van het ontwerp en de berekening van de in dit

artikel beschreven gaslagers zullen de mogelijkheden van gaslagers duidelijk naar

voren komen.

H

• Dr.ir.A. van Beek TU Delft,Werktuigonderdelen en Tribotechniek •

Het meest bekende voordeel van gaslagers is het ontbre-ken van contact waardoor er geen wrijving en geen slij-tage optreedt. De levensduur van gaslagers is hierdooronbeperkt en volledig onderhoudsvrij. In principe wor-den gaslagers gesmeerd met lucht waardoor vervuilingvan de omgeving door smeermiddelen als olie en vet ofslijtagedeeltjes niet voorkomt. Extreme omstandighedenals hoge temperaturen zijn geen enkel probleem. Met eenzeer dunne luchtfilm wordt nog nauwelijks lucht ver-bruikt, en is het vrijkomen van verbruikte lucht niet ofnauwelijks hoorbaar. Met gaslagers kunnen uiterstnauwkeurige bewegingen worden gerealiseerd doordatstick-slip ontbreekt, er geen vrije lagerspeling bestaat,een hoge stijfheid te realiseren is en geen mechanischetrillingen worden opgewekt. Verder zijn zeer hoge bewe-gingssnelheden mogelijk door het ontbreken van rol-lichamen of warmteontwikkeling.Na deze indrukwekkende lijst van voordelen wordt mis-schien een lijst met nadelen verwacht. De nadelen zijnechter zeer beperkt en liggen meer in het vlak van: andersdan het selecteren van kogellagers moeten gaslagers inhet algemeen worden ontworpen en geoptimaliseerd

voor specifieke toepassingen. Hierbij worden hoge eisengesteld aan de fundamentele kennis en creativiteit van deconstructeur. In dit artikel zal deze beperking al voor eengroot deel worden weggenomen.

Principe en werking van gaslagersBij de meeste gaslagers wordt perslucht via een zoge-naamde voorweerstand tussen de te scheiden oppervlak-ken geperst, waarna dit aan de omtrek van het lager vrijkomt (figuur 1).

Figuur 1. Filmdruk bij twee verschillende belastingen.

ps

h

A1

A2

ps pr papa

pspr,2pr,1

pa

pr

M i k r oM i k r o n i e kn i e kN r . 6 2 0 0 111

De gasdruk valt over de voorweerstand (Eng. restrictor)af van de toevoerdruk ps (Eng. supply pressure) tot dedruk na de voorweerstand pr. Vervolgens valt de drukover de dunne film die gevormd is tussen de oppervlak-ken af tot de omgevingsdruk pa (Eng. ambient pressure).Als gevolg van een toename in de belasting zullen deoppervlakken naar elkaar toe bewegen. Hierdoor neemtde stromingsweerstand door de dunne film toe, hetdebiet neemt af. Over de voorweerstand, gevormd dooreen stromingsweerstand zal de drukval afnemen. Defilmdruk kan hierdoor het evenwicht met de nieuwebelasting herstellen (stippellijn in figuur 1).De meest voorkomende voorweerstanden worden ge-vormd door een viskeuze voorweerstand gevormd dooreen poreus materiaal, of door een traagheidsvoorweer-stand gevormd door een kort gaatje (Eng. orifice). Bijeen traagheidsvoorweerstand (figuur 1) wordt nogonderscheid gemaakt tussen een vaste traagheidsvoor-weerstand waarbij oppervlak A1 bepalend is voor dedoorstroming en een inherente traagheidsvoorweerstandwaarbij oppervlak A2 bepalend is.

Bij een inherente traagheidsvoorweerstand is zowel defilmweerstand als de voorweerstand afhankelijk van defilmdikte (ongunstig). Immers, oppervlak A2 is afhanke-lijk van de filmdikte. Doordat de filmweerstand evenredigis met de filmhoogte h3, terwijl de voorweerstand evenre-dig is met h, zal bij een kleinere filmdikte de filmweerstandtoch toenemen ten aanzien van de voorweerstand. Echter,door de minder gunstige filmdikteafhankelijkheid van deinherente voorweerstand is de stijfheid die wordt verkre-gen circa 30% lager dan met de andere voorweerstanden.Bij de vaste traagheidsvoorweerstand worden meerderegaatjes aan het oppervlak veelal verbonden door sleufjes(figuur 2 rechts). Traagheidsvoorweerstanden, zowel de

vaste als de inherente voorweerstanden, komen door deconstructieve eenvoud het meest voor.

Berekening axiaal gaslager met poreuze voorweerstandIn figuur 3 is een axiaal gaslager weergegeven, bestaandeuit een glad oppervlak waarvan een ringvormig gedeeltevervaardigd is uit een poreus materiaal. Via dit poreusmateriaal wordt perslucht tussen de oppervlakken ge-perst. Hierbij worden de oppervlakken uit elkaar gedruktwaardoor een dunne luchtfilm ontstaat.

Figuur 3.Axiaal gaslager met poreuze voorweerstand.

De toevoerdruk ps valt door de stromingsweerstand vanhet poreus materiaal af tot de filmdruk pr. Voor de vis-keuze massastroom door poreuze materialen geldt deempirische relatie ‘wet van d’Arcy’ [lit.1].

(1)

Hierin is A het poreus oppervlak, s de dikte en kp de per-meabiliteit of doorlaatbaarheid van het poreus oppervlak.De filmdruk valt vervolgens, afhankelijk van de stro-mingsweerstand van de film af tot de omgevingsdruk pa.Voor een radiale stroming door een lange dunne paral-lelle film geldt [lit.1]:

(2)

Om de drukverdeling in de film te berekenen wordt destroming door de voorweerstand gelijkgesteld aan die

M =π h

3

12 ln(r0 / r1)pr

2− pa

2

ηRT

M =kp Ap

2 s

ps

2− pr

2

ηRT

en berekening

Figuur 2. Poreuze voorweerstand, inherente traagheidsweer-stand, vaste traagheidsweerstand.

ps

pa

pr

2R2

2R1

2R0

door de film. Uit de vergelijking die dan wordt verkregenwordt vervolgens de druk pr na de voorweerstand opge-lost.In de film ter plaatse van het centrale gedeelte van hetoppervlak vindt geen stroming plaats, waardoor daareen constante druk pr heerst (figuur 2). De belasting dieevenwicht maakt met de drukverdeling volgt uit de somvan de druk op het centrale gedeelte en het ringvormigoppervlak. Uit het oppervlak onder de curve van dedrukverdeling volgt voor de belasting die evenwichtmaakt met de drukverdeling, als benadering:

(3)

Hierin is Ae het zogenaamde effectief oppervlak. Om degrootte van een willekeurig axiaal gaslager te bepalenkan als vuistregel uitgegaan worden van F/A=0.3(ps-pa).Deze vuistregel is gebaseerd op een praktische waardevan de drukverhouding β=(pr -pa)/(ps -pa)=0.6 en eeneffectief oppervlak van circa 50%. Voor een meer nauw-keurige berekening wordt verwezen naar een eenvoudigprogrammaatje dat zonder installeren kan worden uitge-voerd. Dit programma is te vinden op www.tribologie.nlonder gaslagers (figuur 4).

Wanneer de belasting toeneemt zal de filmdikte kleinerworden waardoor ook de stromingsweerstand en dedrukval over de film toeneemt. Hierdoor neemt de film-druk pr toe tot de maximale waarde ps. Dit betekent datde maximale belastbaarheid, waarbij voor het eerst

F = Ae(pr − pa ) Ae = π (R 0+ R1

2)2

mechanisch contact ontstaat (pr =ps) een factor 1/0.6hoger ligt. De maximale belastbaarheid zal slechtsgevonden worden bij een perfecte vlakheid en uitlijning.In figuur 5 is de drukverdeling gegeven die ontstaat wan-neer het lager excentrisch wordt belast. De drukverdeling

M i k r oM i k r o n i e kn i e kN r . 6 2 0 0 1 12

GASLAGERS

Bereken van een axiaal gaslager de benodigde diameter, degrootte van het poreus ringvormig oppervlak (R0) en hetdebiet wanneer gegeven is:F = 600 NR1 /R0 = 2/3R2 /R0 = 1/2

ps /pa = 6pa = 10 5 Paβ = 0.6h = 8 10 -6 mkp = 2.5 10 -15 m2

η = 18 10 -6 Pa sR = 287 m2/(s2K)T = 293 KDe draagkracht kan dan worden benaderd door: F=π((R0+R1)/2)2(pr -pa). Hieruit volgt de benodigde diameter van2R0 =60 mm.Gekozen wordt voor R0=30 mm.Het debiet volgtuit verg.(2), M=3.3·10 -5 kg/s, omgerekend met de gaswetPV=MRT levert dit een debiet van 1.65 liter/min. Na gelijkstel-len van het debiet door het poreus oppervlak aan het radiaaldebiet door de buitenring, kan de dikte van het poreus opper-vlak s worden berekend, s=2.77 mm.

Uit de berekening met de exacte drukverdeling volgt F(h=8µm)=630 N en F(h=8.85 µm)=600 N. De filmhoogte verkregenmet de benaderingsformule blijkt 10% groter dan met de meerexacte berekening!

Voorbeeld 1: Ontwerp en berekening axiaal gaslagermet poreuze voorweerstand:

Figuur 5. Drukverdeling bij scheefstelling.Figuur 4. Een van de gaslagerprogramma’s beschikbaar viawww.tribologie.nl.

past zich door scheefstelling automatisch aan waardooropnieuw evenwicht ontstaat.

Berekening axiaal gaslager met traagheidsvoorweerstandVoor de massastroom door een traagheidsvoorweerstandgeldt [lit.1]: (4)

Hierin is A het oppervlak A1 voor de vaste traagheids-voorweerstand of A2 voor de inherente traagheidsvoor-weerstand, CD is de insnoeringscoëfficiënt en κ de isen-troopexponent.De berekening van het gaslager met traagheidsvoorweer-stand verloopt gelijk aan de eerder beschreven berekeningvan het lager met poreuze voorweerstand, behalve dat voorhet debiet door de voorweerstand een andere relatie geldt.

Ontwerp en berekening radiaal gaslagerDe werking van het radiaal gaslager lijkt op een dubbel uit-gevoerd axiaal gaslager. De persluchtdruk valt weer af viahet poreus oppervlak en de dunne luchtfilm tot de omge-

vingsdruk. Wanneer de as onder belasting vanuit de con-centrische positie excentrisch wordt gedrukt, dan neemt destromingsweerstand van de luchtfilm ter plaatse van deminimale filmdikte toe. Dit resulteert lokaal in een toena-me van de drukval over de luchtfilm en dus een afname vande drukval over het poreus oppervlak. Aan de andere zijdevan de as gebeurt dit net andersom. Er ontstaat een druk-verdeling over de as als weergegeven in figuur 6.

Bij een concentrische aspositie is de drukverdeling rond-om de as gelijk (gestippelde curve). Deze positie zalslechts in onbelaste toestand voorkomen. Wanneer de asuit het midden wordt gedrukt, dan stelt de drukverdelingzich zo in dat er een kracht ontstaat, tegengesteld gerichtaan de uitwijking. De as wordt teruggedrukt naar deconcentrische positie. Het quotiënt van de kracht en deuitwijking ten gevolge van deze kracht wordt de stijfheidgenoemd. Een hoge stijfheid heeft een relatief kleine ver-plaatsing tot gevolg.Een voorweerstand als het poreus oppervlak blijkt nodigom de drukverdeling rond de as afhankelijk te makenvan de uitwijking. Zonder voorweerstand zou de druk-verdeling rond de as altijd overal gelijk zijn waardoordeze niet gecentreerd zou blijven. Om de afmetingen vande voorweerstand te berekenen wordt in concentrischepositie de stroming door de voorweerstand gelijkgesteldaan die door de film. Voor een longitudinale stromingdoor een lange dunne parallelle film geldt [lit.1]:

(5)

Om de benodigde grootte van een radiaal gaslager in teschatten kan gebruik gemaakt worden van de vuistfor-mule F= 0.25D2(Ps-Pa). De waarde 0.25 is gebaseerd op

M =h

3B

24 L

pr

2− pa

2

ηRT

M i k r oM i k r o n i e kn i e kN r . 6 2 0 0 113

Beschouw het axiaallager beschreven in voorbeeld 1, echter uitge-voerd met drie vaste traagheidsvoorweerstanden of zes inherentevoorweerstanden als weergegeven in figuur 2.

De draagkracht en het debiet zijn onafhankelijk van het typevoorweerstand en kunnen dus overgenomen worden uit hetvoorgaande voorbeeld. Na gelijkstellen van het radiaaldebietdoor de buitenring aan het debiet door de voorweerstandenkan de diameter d van de gaatjes worden berekend.

Met κ=1.4 voor lucht, CD=0.9 voor d/l=2 [lit.1] en 3 vastetraagheidsvoorweerstanden volgt voor de diameter van degaatjes, d=0.073 mm. Met 6 inherente traagheidsvoorweer-standen volgt voor de diameter van de gaatjes d=0.084 mm.Met dergelijke kleine gaatjes is de kans op verstopping groot.Er zal voor een grotere filmdikte gekozen moeten wordenwaardoor een eveneens groter debiet ontstaat. Hier blijktdirect de beperking van traagheidsvoorweerstanden bij zeerdunne luchtfilms.

Voorbeeld 2: Ontwerp en berekening axiaal gaslagermet traagheidsvoorweerstanden.

Figuur 6.Drukverdeling bij excentrischeaspositie.

M=CDAps

2κ(κ −1)RT

(pr

ps

)2κ −(

pr

ps

)κ +1

κ⎡

⎣ ⎢

⎤

⎦ ⎥

pr

ps

)krit > (2

κ +1)

κ

κ +1(pr

pa

ps

h1>h0

h0

pfilm

een optimale drukverhouding β=0.5, een lagerbreedteB=D en een belasting F waarbij de uitwijking van de aszo groot als de halve lagerspleet bij concentrische asposi-tie. Voor andere lagerbreedtes wordt verwezen naar lit.1of het programmaatje voor radiale gaslagers dat te vin-den is op www.tribologie.nl onder gaslagers.

Omdat het luchtverbruik evenredig is met de lagerspleettot de derde macht wordt deze zo klein als fabricage-

technisch haalbaar is gemaakt. Verder moet rekeninggehouden worden met stofdeeltjes en maatveranderingendie kunnen optreden door bijvoorbeeld temperatuurver-schillen. Als vuistregel kan voor de lagerspleet wordenuitgegaan van ΔR=1/2000 Ras. Dit is half zo groot als bijzelfwerkende oliegesmeerde lagers gangbaar is.

Wrijvingsloze persluchtcilinderConventioneel uitgevoerde persluchtcilinders met af-dichtringen om de zuiger en om de as komen vaak meteen schok in beweging. Dit is het gevolg van een hogestatische wrijving tussen de afdichting en de cilinder-wand. Doordat de zuiger al een zekere tijd stil staat is hetsmeermiddel dat zich mogelijk op het oppervlak bevindtvolledig uit het contact weggedrukt. Er is sprake van eenzogenaamd droog contact met een hoge wrijving. Wan-neer de zuiger in beweging komt kan het droge contactovergaan in een grensgesmeerd contact waarbij de wrij-ving lager is. Met het terugvallen van de wrijving zal degecomprimeerde lucht achter de zuiger expanderenwaardoor de zuiger met een schok in beweging komt.Wanneer de persluchtcilinder zonder beweging of hoog-uit met een kleine beweging een constante kracht moetblijven uitoefenen, dan is dit door de statische wrijving ofstick-slip niet mogelijk. Een variatie op de kracht tergrootte van 10 tot 20% van de toevoerdruk is nietondenkbaar.

Een persluchtcilinder is een goed voorbeeld waarbij pers-lucht toch al aanwezig is en dus tevens kan worden benut

M i k r oM i k r o n i e kn i e kN r . 6 2 0 0 1 14

GASLAGERS

Bereken van een radiaal gaslager met viskeuze voorweerstand(figuur 6) de afmetingen van de voorweerstand, het debiet ende draagkracht. Gegeven is:

D = 50 10 -3 m

Lp = B/10

ΔR = 10 10 -6 m

B/D = 1

ps /pa = 6

pa = 10 5 Pa

β = 0.5

εmax = 0.5

F* = 0.247

kp = 2.5 10 -15 m2

η = 18 10 -6 Pa s

R = 287 m2/(s2K)

T = 293 K

Gelijkstellen van het debiet door het poreus oppervlak aan hetdebiet door de parallelle film levert een vergelijking met alsenige onbekende de dikte van het poreus oppervlak s die nukan worden berekend, s=3.6 mm. Het debiet volgt nu uitverg.(1) of (5), M=4.3·10 -5 kg/s, omgerekend met de gaswetPV=MRT levert dit een debiet van 2.2 liter/min. Met de vuist-formule voor F volgt voor de draagkracht F=310 N.

Voorbeeld 3: Ontwerp en berekening radiaal gaslagermet poreuze voorweerstand:

Figuur 7. Drukverdeling radiaal gaslager bij excentrische aspositie.

Figuur 8. Drukverdeling radiaal gaslager bij scheefstelling.

Figuur 9. Luchtgesmeerde, wrij-vingsloos werkende perslucht-cilinder, zuigerdiameter 50 mm,toevoerdruk 6 baro, radialebelasting tot 500 N, lagerspleet10 µm, luchtverbruik gaslager 5

liter/min.Totaal luchtverbruik persluchtcilinder bij maximale aan-drukkracht van 1200N, 10 liter/min.

1

000.02

0.040.06 0.16

0.140.12

0.10.08

0.060.04

0.020

1

000.02

0.040.06 0.16

0.140.12

0.10.08

0.060.04

0.020

om de interne wrijving te elimineren. In figuur 9 is eenafbeelding gegeven van een persluchtcilinder die doorluchtsmering volledig wrijvingsloos werkt.

De wijze waarop de zuiger in de persluchtcilinder kanworden gecentreerd door perslucht is niet anders dan bijeen radiaal gaslager. In de uitvoering zoals toegepast bijde persluchtcilinder wordt de perslucht via een poreusoppervlak (A) tussen de zuiger en de cilinder geperst(figuur 10).De drukzijde rechts van zuiger (C), waarmee de effec-tieve zuigerkracht wordt aangebracht, is gescheiden vanhet gaslager door een ringvormige uitsparing in hetoppervlak (B), die in open verbinding staat met de omge-vingsdruk.

Figuur 10. Doorsnede tekening van de luchtgesmeerde perslucht-cilinder.

Met enige aanpassingen in de bewegende massa van dezuiger bleek deze luchtgelagerde persluchtcilinder ookgeschikt voor zeer hoge bewegingssnelheden (10 – 20Hz). Bij conventionele persluchtcilinders werden deafdichtingen te warm waardoor een ernstige vorm vanslijtage optrad met een zeer korte levensduur tot gevolg.

SlotbeschouwingHet ontwerpen van gaslagers is een creatieve bezigheid.In dit artikel is slechts een beperkt aantal uitvoerings-vormen van voorweerstanden gegeven. Door te werkenmet basisvergelijkingen heeft de constructeur goedinzicht in de parameters waarmee een optimaal ontwerpkan worden gerealiseerd.Tot nu toe zijn gaslagers veelal daar toegepast waar zeerhoge eisen aan de bewegingsnauwkeurigheid gesteldworden. Er zijn tal van andere redenen om voor gasla-gers te kiezen. Met de huidige stand van de fabricage-techniek vormen de hoge eisen aan de nauwkeurigheidvan de onderdelen vaak geen belemmering meer.Hierdoor vormen gaslagers bij de keuze van lageringenen rechtgeleidingen een serieus alternatief.

Lit.1. De inhoud van dit artikel is ontleend aan hoofd-stuk 10 van het boek Tribologie, Levensduur en Prestatie.In dit boek zijn tal van basisvergelijkingen terug te vin-den waarmee de constructeur in staat is alle mogelijkegeleidingen te ontwerpen en berekenen. Onderwerpendie verder in dit boek aan bod komen zijn: statisch endynamisch draaggetal van punt- en lijncontacten onderinvloed van tractie, tandwielen, beheersing van wrijvingen slijtage, stick-slip, smeringsregimes, slijtvaste materia-len en materiaalkeuze, eigenschappen en selectie vancoatings, hydrodynamische en hydrostatische smering etcetera.Prijs € 45.- Voor meer informatie of bestel gegevens ziewww.tribologie.nl of mail a.vanbeek@wbmt.tudelft.nlen vraag naar de promotiefolder.

M i k r oM i k r o n i e kn i e kN r . 6 2 0 0 115

Conventioneel uitgevoerdepersluchtcilinders komen vaak

met een schok in beweging

A CB

M i k r oM i k r o n i e kn i e kN r . 6 2 0 0 1 16

LASERCONFIGURATIE

Laserconfiguratie en Veelzijdige laserbronnen van verschillende soort en sterkte spelen in toene-

mende mate een bepalende rol in de hedendaagse industrie. Lasers zijn

immers essentiële, hoogst flexibele gereedschappen die gemakkelijk te inte-

greren zijn in productieopstellingen. Zeer uiteenlopende, schijnbaar onmaak-

bare zaken zijn contactloos te realiseren middels dergelijke geconcentreerde

lichtbundels met hoge vermogensdichtheid. Er komt dan ook geen eind aan

de stroom innovaties in de vorm van bruikbare laservarianten en econo-

misch-technisch aantrekkelijke toepassingen, gericht op zowel metalen,

kunststoffen, hybride materialen en laminaten, als technische keramieken.

D

• Ing. Jan L.C.Wijers •

Duidelijk is dat in de 21e eeuw licht op vele gebieden degangmaker wordt voor een keur van innovaties. Deskun-digen schatten realistisch in dat 30% van de elektronischetechnologieën nu door optische vervangen zal worden. Losvan de wankele telecommunicatiesector volgen hier enkeleaansprekende voorbeelden van wat fotonen gaan brengen.Om de volgende stap te realiseren in de microminiaturise-ring van de komende generatie nog krachtigere en snellerechips zoekt men de grenzen van optische belichting op, metextreem ultraviolet straling tussen 11-14 nanometer(Fraunhofer Instituut Laser Techniek). Opereren met lichtgaat sterk toenemen. In de auto zullen meer functies perglasvezel verlopen en wordt ‘intelligent licht’ geïntrodu-ceerd, dat zich aan telkens veranderende omgevingssitu-aties zal aanpassen. Dit gaat bijvoorbeeld via adaptieve endraaibare koplampen, mede dankzij programmering vangeavanceerde elektronica. Lasers passen naadloos tussen aldie vernieuwingen gebaseerd op licht.

Laser dringt door in het leven van alledagAl lange tijd is de mens flink op gang met vernieuwingendie gebaseerd zijn op licht. Einstein werkte anno 1917 alaan ‘gestimuleerde emissie’ plus theorie, Gould introdu-ceerde het begrip ‘laser’ anno 1957, terwijl Maiman op 16mei 1960 de eerste laser daadwerkelijk op gang kreeg en deeerste CO2- en Nd:Yag-lasers in 1964 uitkwamen, gevolgddoor de excimeerlaser in 1980. De meesten van ons besef-fen dat nog niet zo duidelijk, maar denk ondermeer eensaan de laserpointer in plaats van de aanwijsstok, de glas-fiber met fiberlasers voor snelle en storingsvrije lokale enintercontinentale telecommunicatie (zelfs op de oceaanbo-dem), de barcodelezer bij winkelaankopen, gelaserde per-foratiepatronen in het nieuwe paspoort, de laserprinter encd-recorder thuis, met als laatste de ‘rewritable DVD’(Digital Versatile Disc) voor dataopslag. En vergeten we niet de diverse bewakingsfuncties, zoals de beveili-ging in de werkplaats rondom kantbanken en persen.

Laserconfiguratie enVeelzijdige laserbronnen van verschillende soort en sterkte spelen in toene-

mende mate een bepalende rol in de hedendaagse industrie. Lasers zijn

immers essentiële, hoogst flexibele gereedschappen die gemakkelijk te inte-

greren zijn in productieopstellingen. Zeer uiteenlopende, schijnbaar onmaak-

bare zaken zijn contactloos te realiseren middels dergelijke geconcentreerde

lichtbundels met hoge vermogensdichtheid. Er komt dan ook geen eind aan

de stroom innovaties in de vorm van bruikbare laservarianten en econo-

misch-technisch aantrekkelijke toepassingen, gericht op zowel metalen,

kunststoffen, hybride materialen en laminaten, als technische keramieken.

M i k r oM i k r o n i e kn i e kN r . 6 2 0 0 117

Contactloos verlopende laserbewerkingen als snijden enlassen vormen in onze maatschappij een drijvende krachtgekoppeld aan hoogstaande technische innovaties, zoalsde lineaire motoren en dito geleidingen, naast hun recht-streekse bijdrage aan de versterkte toepassing van alumi-nium in de auto-industrie. Als gevolg van deze ‘EnablingTechnology’ (zie figuur 1) zijn al duidelijk verschuivingenin applicatiegebied te bespeuren. Lasers vervangen tradi-tionele technieken in de metaalsector en/of vullen dezeaan (zie figuur 2). Het afgelopen decennium groeide hetgebruik van lasers in de metaalindustrie substantieel,vooral het aandeel van CO2-lasers (tabel 1).

Essentiële achtergrondenMomenteel is sprake van een stille strijd tussen vaste-stoflaser en gaslaser, en wel zodanig dat in het algemeende concurrentiepositie van genoemde kooldioxydelaser

technologie gaan omtechnologie gaan om

Figuur 1. Overzicht van lasertoepassingen naar vermogensdicht-heid en (interactie)tijd. Buiten de gangbare lasertoepassingen dietot voorkort eindigden bij 10-8 s, liggen de potentiële mogelijk-heden van de Femtosecondenlaser. De doorgetrokken lijn in hetmidden is de lijn van 1 kJ/cm2 constante energiedichtheid.

Figuur 2. Door de uitermate compacte vorm van hoogvermogendiodelasers, past zo’n HVDL boven de revolver van een precisie-draaibank. Door opwarmen van het werkstuk is keramiek op 0,3µm Ra te draaien.

Foto

:Ben

zing

er

snijdenlassen

markeren

microbewerken

oppervlakte-

behandelingen

0%5%

10%15%20%25%30%35%40%

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

CO2 laser

sealed-off

Nd:YAG lampgepompt

Nd:YAG diodegepompt

excimeerlaser

60% van de genoemde lasers vindt toepassing in materiaalbewerking, naar de verhouding:

Tabel 1 (cijfers Frost & Sullivan)25% van alle materiaalbewerkingen verloopt via gebruikmaking vanlasers.De ingeschatte verdeling over de verschillende lasertypes ligt als volgt:

Ultra short

schokharden

micromachining

boren/snijden

lassen

cladden/legeren

harden

verglazen

“smeltlijn”

licht μm

licht mm

licht m

licht km

1000 Zonnebaden10-15 10-12 10-9 10-6 10-3 1fs ps ns μs ms s

1 10 100 1000

1 10 100 1000

1 10 100 1000

1 10 100 1000

interactietijd [s]

Verm

ogen

sdic

hthe

id [

W/c

m2 ]

1012

109

106

103

1

in gevaar komt. Bij metalen geeft de golflengte van deYAG-laser een betere absorptie van het geconcentreerdelicht aan het oppervlak, zodat met lager vermogen het-zelfde resultaat wordt bereikt. In de praktijk verschiltbovendien de bruikbare wijze van straalgeleiding sterkper lasersoort, opnieuw ten gunste van de vastestof-laserdankzij de flexibele glasvezelsystemen (CO2 via dure enrelatief zware, al of niet gekoelde GaAs- of Ge-spiegels).Daarnaast komen er alternatieve configuraties en bewer-kingsmachines uit, berustend op zowel industrieel bewe-zen CO2-lasers (hetzij als fast/slow axial flow, sealed off,

TEA of cross flow en wave guide uitvoering) als opNd:YAG-versies. Tot voor kort vormden buisvormigeversies van de CO2- en de Nd:YAG-laser de standaard-uitvoering, wat gaat veranderen. Enkele vooraanstaandelasergebruikers in de auto-industrie hebben intussen ookal eerste modellen hoogvermogen halfgeleiderlasersopgesteld in de productielijnen. Binnen alle toepassingenvormt CAD/CAM de sleutel tot hoge laserproductiviteit.Een gegeven blijft dat, om er maximaal profijt uit te trek-ken, men moet construeren op de bijzondere eigenschap-pen van lasers (separate afdichting vervalt bijvoorbeelddoor de lasnaad van een braamloos lasergesneden half-product hermetisch gesloten door te trekken, bijvoor-beeld in pacemakers). Verbetering via systeemintegratiebrengt nog grotere winst in eigentijdse laserinstallaties.Zo zorgt lasersnijden en -lassen van buisvormige pro-ducten voor een opmerkelijke stroomlijning van het hui-dige productieproces. Dankzij de enorme hoeveelheidkennis die intussen systematisch is opgebouwd gaanlasersystemen zichzelf in de toekomst monitoren enadaptief kritische procesgrootheden bijregelen, zoalsvermogen, focuspositie en bewegingssnelheid, via geslo-ten regelkringen. Ook lost geïntegreerde on line vermo-gensmeting een sluipend verlopende degradatie over detijd op. In principe zijn de hier beschreven evolutiesmeestal het resultaat van gericht onderzoek om bepaaldeminpunten weg te nemen (zie tabel 2).Als voorbeeld: bij zogenaamde vlakbed snijmachinesmet een werkbereik van gemiddeld 4x6m gaf de tijdensbedrijf variabele bundellengte aanleiding tot ongelijkecondities, resulterend in wisselende productkwaliteit.Door integratie van een speciale installatie die automa-tisch de optische weg constant houdt komt dat verschijn-sel niet meer voor op moderne lasermachines (figuur 3).Het dure imago van lasers gaat men beantwoorden metacties die de bedrijfskosten omlaag brengen, de installa-tie bedrijfszekerder en onderhoudsarmer maken en dieeen verbeterde straalkwaliteit opleveren, zelfs bij hogervermogen. Stijgende kwaliteit betekent een op een: bete-re focusseerbaarheid, groter mogelijke werkafstand enbetere efficiëntie, wat rechtstreeks hogere processnelheidof diepere penetratie oplevert of lager benodigd vermo-gen. Tot zo’n 500W gemiddeld vermogen ligt de bestestraalkwaliteit momenteel aan de kant van de HVDL-gepompte vastestoflaser, daarboven excelleren CO2-lasers. Vroegere CO2-lasers werden overwegend continugebruikt met een DC-voeding en elektroden in het laser-gas. Overgang op hoogfrequente excitatie levert, naastgestegen vermogensdichtheid, verbeterde pulsatie enmodulatie en minder behoefte aan onderhoud op (figuur4). Doordat de elektroden buitenom de laserbuis zitten

M i k r oM i k r o n i e kn i e kN r . 6 2 0 0 1 18

LASERCONFIGURATIE

Plus: Min:-Contactloze actie -Hoge initiële investering-Meestal geen (slijtend) -Hoog energiegebruikgereedschap nodig

-Supersnelle interactie -Laag tot zeer laag rendement-Hoge energiedichtheid -Over het algemeen

dikte-gelimiteerd-Hoge bewerkingssnelheid -Hoogwaardig vormgeven:

nauwe toleranties-Effectief onafhankelijk van -Exacte geometrie en spleetmateriaalhardheid bij lassen vraagt aandacht

-Zeer goed stuur-, regel-, -Dampvorming als gevolgdoseer- en focusseerbaar van bewerking(minimale vervorming)

-Laserstraal op te splitsen -Lasergesteunde processen meestal nogal complex van aard

-Uitermate reproduceerbaar -Prijs en levensduur van de-Minieme warmte- pomplampen (bijbeïnvloede zone conventionele YAG-laser)

-Grote vrijheid in positie spot en geometrie

-Hoge flexibiliteit -Optisch (ander) karakter(uiteenlopende processen, van de laser(technologie):materialen, diversiteit aan speciale opleidingtoepassingen)

-Lassen zonder -Beperkte beschikbaarheidtoevoegmateriaal bruikbare lasertechnologie

-Minimale nabewerking vereist -Routineonderhoud(hoge zuiverheid + bijvoorbeeld braamloos snijden)

-Hoge nauwkeurigheid -Veiligheidsaspecten (straling,te behalen hoogspanning, damp)

-Processen uitstekend te automatiseren

Tabel 2 Plus- en minpunten van de inzet van lasers

en inkoppeling capacitief gebeurt, worden lasergas enresonator niet meer verontreinigd en ontstaat een meeruniforme ontlading. Voortaan levert daarom marktleiderTrumpf de serie HQ TLF-turbo CO2-lasers met HF-pompbron met een ongekend hoge k-factor van 0,9(dicht tegen de fysisch haalbare grenswaarde) en metonderhoudsvrije magneet-gelagerde turbo-radiaalpom-pen. Eveneens komen de excimeerlaser, koperdamplaser(golflengte 578nm) en ultrakort pulserende femtosecon-denlasers opzetten. Deze types zullen zich vooral mani-festeren in het microbewerken, wel de snelst groeiendetoekomstmarkt genoemd. Daarnaast is al lange tijd devrije-elektronenlaser en (voor militaire doeleinden) dechemische laser (golflengte 1-3µm, MW-vermogenbereik) onderwerp van wetenschappelijk onderzoek.Beide zijn nauwelijks van belang voor metaalbewerking,hoewel er ongetwijfeld een zekere spin-off zal volgen.

In de praktijk beschouwt men een laser veelal als eenblackbox. In de configuratie (figuur I/1) is echter mini-maal een drietal basiselementen te onderscheiden, name-lijk het actieve medium dat de laserende actie mogelijkmaakt (via spontane en gestimuleerde emissie), een pomp-bron voor de daarbij benodigde energietoevoer in opti-sche, elektrische of chemische vorm en een resonator (ofcaviteit of trilholte, tussen een 100% reflecterende eind- eneen gedeeltelijk doorlatende uitkoppelspiegel met identie-ke optische as) waarbinnen de heen en weer gaande laser-bundel wordt opgewekt en versterkt.Het doorgelaten gedeelte van de straling vormt het uit-gangsvermogen van de betreffende laser. Opmerking:veelal is door het in het algemeen lage laserrendementeen fors gedimensioneerde koeling voor de afvoer van derestenergie noodzakelijk. Ten opzichte van de lichtemis-sie van andere thermische lichtbronnen als de zon engloeilampen onderscheidt deze jonge, universeel bruik-bare lichtbron zich door een aantal typerende eigen-schappen. Het gegenereerde laserlicht wordt slechts in

M i k r oM i k r o n i e kn i e kN r . 6 2 0 0 119

Het principe van de laser is een lichtversterker die ingaandeelektrische energie omzet in straling, volgens de begrippendie staan voor het acronym LASER:

Light lichtAmplification by versterkt doorStimulated ofwel: gestimuleerdeEmission of emissie vanRadiation straling

Laser: principe en eigenschappen

Figuur 3. De nubij veel lasersnij-machines voorplaatwerk voor-komende oplos-sing om destraallengtevoor- en achter-aan op groteplaatlengtes con-stant te houden(en daarmee desnijcondities enkwaliteit).

Figuur 4.Twee voorkomende principes van ontladingssystemenbij CO2 lasers. Boven een hoogspanning DC-uitvoering: beideelektroden in rondstromend lasergas. Onder de fraaiere hf-con-structie met gedeelde metalen mantelelektrode buiten om deglazen laserbuis.

Figuur I/1. De drie basiselementen van elke laser:het laserende materiaal, de pompbron en de trilholte.

x-as

x-as

vliegende optiek

vliegende optiek

y-as

y-as

min.straallengte Servo-Motor

Servo-Motor

osci

lato

ros

cila

tor

Compensatie-eenheidstraallengte

Compensatie-eenheidstraallengte

max.straallengte

Gelijkstroom voeding

Hoogfrequent voeding

Gas in Gas uit

Gas in Gas uit

Optische Resonator

Laseractief medium,waarin de lichtbundel door

gestimuleerd emissie versterkt wordtuitgekoppelde

laserstraal

glas-schijfspiegel

eindspiegel (100% reflectie)

Energietoevoer door pompen uittredespiegel(gedeeltelijk doorlatend)

één richting uitgestraald, waarbij de stralen in hoge mateparallel blijven, ofwel de stralenbundel divergeert mini-maal. Daarmee gaat in de praktijk een uitstekende focus-seerbaarheid gepaard. Standaard wordt slechts stralingmet een eigen specifieke golflengte uitgestraald, wat wilzeggen dat de laserbundel monochromatisch is. Naast degolflengte zijn ook richting en fase gelijk, met anderewoorden: de spectraal gezien elektromagnetische golvenzijn coherent. Dit alles resulteert erin dat een krachtigestraal ontstaat met een hoge vermogensdichtheid op eenklein vlak, zeker als die geconcentreerd wordt in hetbrandpunt. Voor laserbewerken is het vermogen dat nodigis, de focusseerbaarheid en de straalkwaliteit van de uit-tredende bundel van het grootste belang. Bij de wisselwer-king van de intensieve lichtbundel met het materiaalop-pervlak brengen thermische processen een materiaalver-wijdering (door smelten, verbranden of sublimeren) ofeen structuurverandering tot stand. Van invloed op dekwaliteit zijn verder de golflengte, de mode waarin wordtgelaserd en CW (continu) of gepulst bedrijf. Er bestaannogal wat verschillende configuraties van lasers, waarvanmomenteel de meest gebruikte zijn: de CO2 (‘gaslaser’genoemd, immers met een gasvormig actief medium),Nd:YAG (medium vaste stof) en excimeerlaser (gaslaser)waarvan tabel 3 de belangrijkste specificaties geeft.

Spreken over ‘de laser’ toont dan ook weinig begrip overdit zeer verscheiden gebied. Figuur I/2 geeft de verdelingvan de verschillende lasertypes over het golflengtespec-trum. Verschillen in de absorbtiekarakteristiek van CO2,YAG en excimeerlaser worden zichtbaar in figuur I/3.Hieruit blijkt duidelijk dat, afhankelijk van onder ande-re de golflengte, oppervlaktestructuur, ruwheid, oxyde-huid wel of niet, coating, invalshoek en temperatuur, perlaser een onderling afwijkend percentage van de uittre-dende stralingsenergie wordt geabsorbeerd door hetmateriaaloppervlak. Nd:YAG-straling koppelt daarbijbijvoorbeeld aanzienlijk beter in op de meeste metalendan licht van de CO2-concurrent.

Remote laserweldingRecent zijn enige veelbelovende nieuwe ontwikkelingennaar buiten gekomen die het laserlassen sterk kunnenpromoten. Beide ontwikkelingen komen rechtstreekstegemoet aan een tweetal klassieke minpunten van hetlaseren. Zo moest tot voor kort vlak boven de werkzonenog scherpgesteld worden met een focusseerkop om hetfocus al naar gelang de gebruikte technologie-instellin-gen op, in of onder het werkstukoppervlak te leggen.Extra maatregelen moeten dan getroffen worden ter

M i k r oM i k r o n i e kn i e kN r . 6 2 0 0 1 20

LASERCONFIGURATIE

CO2 (kooldioxyde) Nd:YAG ExcimeerXeF KrF ArF

Aggregatietoestand gas vaste stof gas gas gasActief lasermedium CO2 Nd + + + XeF KrF ArFGolflengte (nm) 10.600 (Infra-Rood) 1.064 (IR) 350(UV) 248(UV) 193(UV)Bundelkwaliteit 0,9 (3kW HQ Trumpf) 0,02 (100-400W)Pompbron Elektrisch: HF/DC Optisch (lamp/diode) ElektrischMaximumvermogen 25 kW 4,5-5 kW (CW) 1 kWPiekvermogen 40kW-20MW ± 20 kW (Q-sw 500kW) 50 MWRendement ≥10% ca. 3% ≤ 2% < 2% 2%Mode CW/Puls CW/Puls (evt. Q-sw) Puls Puls PulsPulsfrequentie 100 Hz - 100 kHz 1 kHz <1000 HzBundeldiam. (mm) 0,2-0,4 0,04 - 0,6 Straalgeleiding optieken (flying optics/ optische vezels fiberbundel

robot; niet met glas-vezel aangezien CO2inkoppelt op glas)

opmerking hoog vermogen precisie-lassen/ UV-lasers met hogehoog rendement -snijden/-boren energie en grote spot

Tabel 3 Overzicht gangbare lasertypen

bescherming van de dure optiek om een bedrijfszekerverloop te garanderen in de tijd (tegen te hoge lichtinten-siteit (ook vanuit het plasma), hoge temperatuur, rond-vliegende metaalspetters en metaaldamp). Ondermeerpast men daarvoor gasbescherming om de lens toe, als-mede een snel wisselbaar schermglaasje bij uittrede vande straal. Binnenkort lost Remote Laserwelding dit pro-bleem, voor 2D-, 21/2D- en 3D-toepassingen, direct opdoor letterlijk met de laserbron afstand te nemen van hetwerkstuk. Door middel van een nieuw, zeer dynamischscannend systeem, met een zeer lange brandpuntsafstanden hoog liggende, bewegende spiegels op razendsnelreagerende galvanometerspiegels ontstaan geheel nieuwe

M i k r oM i k r o n i e kn i e kN r . 6 2 0 0 121

Figuur I/3.Absorptie van uiteenlopende materialen afgezet tegende golflengte.

(direct of ondersteund door een laser):• LASER-snijden• -verbinden (lassen en solderen van metalen en kunststoffen)• -markeren en -graveren• -boren• -perforeren• -trimmen• -frezen (lasercaving)• -ritsen (scriben)• -balanceren• -(draad)strippen• -materiaaldepositie/opgroeien (zie figuur I/4)• -microbewerken• -microstructureren• -microlithografie• -warmtebehandelingen ((transformatie)-harden, gloeien et

cetera)• -oppervlakteveredeling (legeren, dispergeren, cladden cq

bekleden)• -justeren• -reinigen (matrijzen, restauratie kunstwerken, steriliseren)• -ablatie• -dressen (slijpschijven)• -scannen• -meten (geometrie, afstand, aantal deeltjes, debiet, gasanalyse,

machineafname cq uitrichten met behulp van een laserinterfe-rometer)

• -buigen/ 3D omvormen van plaat• -holografie• -chirurgie (contactloos: schoonheidscorrectie waaronder lipo-

suctie en oogheelkundige correcties)• lasergesteund (hard)draaien (keramiek), frezen en etsen.

Tabel 4: Industriële, wetenschappelijke en medischelaserapplicaties in metaal, kunststof en overige tech-nische materialen

Figuur I/2.Typerende lasergolflengten van de meest toegepastelasertypes in relatie met het oog.

Figuur I/4. RP geeft door middel van een scannende laserstraal,laag voor laag uithardend, een CAD-model.

Figuur 5. Het ruimtelijkescansysteem zoals markt-leider Trumpf dat recentpresenteerde ter versnel-ling van lasbewerking(naad-, punt- en ‘step’las)en vergroting van hetapplicatiebereik.

eximeerargon HeNe robijn Nd:YAG CO2

zichtbaar golflengte (μm)

UV focussering door ooglens IR

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 10,5 10,6

Eximer (KrFλ = 0,248

Diodenlaserλ = 0,8ο80,980 μm

Nd:YAGλ = 1,064 μm

CO2λ = 10,6 μm

Figu

ur:T

rum

pfFo

to:E

OS

mogelijkheden, met grotere vrijheid in opspannen en las-techniek (figuur 5). Tevens vergroot, bij de op de jongsteEMO getoonde CO2-machines met de zeer snelle ruimte-lijke positionering (neventijden drastisch omlaag) van despot op de hoogte van het stilliggende product, het werk-veld enorm tot typisch 1000x1000mm. Door het ‘onge-dwongen’ karakter verloopt het scannend naad-/puntlas-proces aanzienlijk sneller (50%) dan traditioneel, met spe-ciale optieken of met een karthesisch systeem, die beidede toegankelijkheid tot nu toe bepalen. Demonstratiesmet onderbroken naadlassen (step welding) leverden ooknog eens een sterk verminderd uitvalspercentage, doordatde meest ideale lasvolgorde ter voorkoming van onge-wenste vormverandering te volgen is.

Dubbelfocus of Twin spotWil men lassen leggen van hoge kwaliteit dan vraagt datdoor de kleine laserspot (0,1-1mm diameter) een meerdan normale afwerking van de te verbinden delen, als-mede een passende naadconfiguratie. De combinatie metlasersnijden levert daarvoor in de praktijk vaak een ade-quate oplossing: complexe geometrieën zijn exact pas-send, braamloos en met minimale oxydatie op de snij-kant te snijden. Gewoonlijk vereist de nauwe lassspleetbij laseren dat er met behulp van relatief dure mallenwordt aangedrukt en geklemd. Uiteraard zijn slimmeoplossingen ook in de constructie te vinden: bijvoorbeeldsimpelweg daar waar mogelijk een stompnaad, diegevoelig is voor processtoringen, vervangen door een(over)lapnaad. Een andere, enigszins complexe mogelijk-heid is de laserstraal als het ware ‘pendelend’ over denaad te bewegen. Met behulp van een simpelere, zoge-naamde dubbelfocus uitvoering, met een spot links enrechts van de naad, verbetert de situatie aanzienlijk(figuur 6a). Realisatie van een twin spot is eenvoudig uit-voerbaar via het opsplitsen van een laserbron met eenprisma of een afbuigspiegel met twee ten opzichte vanelkaar onder een kleine hoek staande vlakken. Driemogelijkheden bieden zich daarmee aan, namelijk gesu-perponeerd op elkaar, in tandem of parallelbedrijf(figuur 6b). De afstand tussen beide focussen is in-proceste sturen, terwijl indien gewenst het laservermogen perspot ruimtelijk en in de tijd apart is te regelen. Intussenheeft een project bewezen dat twin spots beter voldoendan één brandvlek: het smelt materiaal aan beide kantenaf (zonder optreden van insnoering of explosieve uit-worp van materiaal), er gaat geen energie door de spleetverloren en het lasproces verloopt aantoonbaar rustiger.Dat het uitgangsvermogen verhoogd moet wordenspreekt voor zich.

Vaste stof: staaf, buis, slab en/of schijfYAG-lasers boden vanaf het begin interessante moge-lijkheden, die bij andere laservarianten ontbraken. Hetsucces baseert zich vooral op de superieure inkoppelingop metaal en de grote vrijheid in manipuleren van delichtbundel die geleiding middels glasfibers geeft, al ofniet met een meervoudig gesplitste straal of getakt aan-stralen. Daarnaast biedt frequentieverdubbeling (532 nm)en verviervoudiging (266nm) weinig problemen, waar-door laservarianten ontstaan met kenmerkend andereeigenschappen, ideaal voor fijnsnijden, microboren engraveren. Ook Q-switching is mogelijk, waarbij een op-tische schakelaar periodiek de uittredende bundel blok-keert. In die pauzes wordt de toegevoerde energie tijde-lijk opgeslagen en vervolgens doorgelaten in effectief ver-sterkte pulsen (vermogen 0-150W, pulstijd 100ns). Depotentie van dit gerijpte type vastestoflaser neemt nogsteeds toe, vooral nu multi-kW-versies te koop zijn. Eenbeperking lag in de pompbron die tot nu toe berustte opkrachtige Xe of Kr flitslampen met een vrij beperktelevensduur (circa 500 uur), waarvan verwisselen boven-dien tijdrovend is en geregeld storingen oplevert. Dievorm van energie-inbreng neemt de diodelaser (met10.000 bedrijfsuren gegarandeerd; wel tegen een hogerprijskaartje!) meer en meer over. Het laseractief mediumin een vastestoflaser bestaat nu nog meestal uit een kris-tal (Y3Al5O12 Yttrium Aluminium Granaat met ca. 1%Neodymium dope) in de vorm van oorspronkelijk eenstaafje (typisch Ø 6-8mm bij 100-150mm lengte). Deslanke ronde vorm van het lasermedium komt voort uitde fabricagewijze, waarbij uit een opgetrokken kristaldoor middel van een kernboor meerdere volkomen iden-tieke staafjes te halen zijn. Veelbelovende ontwikkelingendoen zich nu voor in de richting van een rechthoekigestaaf (slab) of een buisvorm (figuur 7) en kort geleden alsschijf. Natuurlijk gegeven is namelijk dat als gevolg vanaanzienlijke verschillen in temperatuur tussen kern enbuitenwand door warmte die het laserproces genereert debrekingsindex verandert. Het overtollige deel van deenergie (zuiver verlies) moet worden weggekoeld, watalleen aan de omtrek mogelijk is. In de praktijk werkt datbij een cilinder uit in de vorm van een zekere lenswerking(toepasselijk met thermal lensing aangeduid). De sindseen tiental jaren bekende rechthoekige slabuitvoeringkent een zigzagvormige stralengang (figuur 8). De plattebrede begrenzingsvlakken met afgeschuinde eindvlakken(onder Brewster-hoek) warmen gelijkmatig op door vol-ledige aanstraling door de pompbron, reflecteren inwen-dig 100% (maar niet asparallel) en bieden bovendien eenzeer groot koelend oppervlak. Inwendig ontstaat ookhier een verandering in breking. Over de totale lengte

M i k r oM i k r o n i e kn i e kN r . 6 2 0 0 1 22

LASERCONFIGURATIE

resulteert echter een vrijwel constante gemiddelde bre-kingsindex die onafhankelijk is van het vermogen. Metandere woorden: de slab is thermisch stabieler, wat kwa-liteit betreft minstens 2 maal beter dan de conventionelestaaf en hij levert een grotere indringdiepte op. Ook deCO2-laser is nu als slabtype op de markt gebracht.

Innovatieve variantenEnige tijd geleden zagen Zwitserse technici van Synova ende ETH Lausanne kans een nieuwe veelbelovende laser-variant voor precisiesnijden, boren en ablatie te ontwik-kelen, door een YAG-laserstraal van hoge kwaliteit(gemiddeld vermogen 150-500 W, spotgrootte 50-150µm,pulsfrequentie tot 4kHz) in het binnenste van een flinter-dunne laminaire waterstraal van 100 µm (gefilterd op0,2µm, bij 20-500bar druk en circa 20l/min debiet) in tevoeren en te geleiden over een lengte van meerdere centi-meters. Zodoende kan, door de totale reflectie van hetomhullende scheidingsvlak tussen water en lucht, hetfocus als het ware ‘opgerekt’ worden tot een lengte tussen30 en 100mm, afhankelijk van waterdruk en diameter vande waterstraal. Zonder hoogteverstelling is nu snijdenmogelijk van teruggelegde of gewelfde vlakken. Na zo’nvier jaar ontwikkeling is een gepatenteerde, industriëleLaserµJet machine uitgebracht, die heet en koud in eenstraal verenigt (figuur 9). Specifieke voordelen van samen-smelting van de twee concurrerende straaltechnieken voorde micro-elektronica, sensortechnologie, medische, lucht-en ruimtevaart applicaties noemt men:het koud bewerken dankzij een zeer efficiënte koeling doorde ‘lichtgeleidende’ waterstraal (absoluut geen thermischebeschadiging in bijvoorbeeld silicium, geheugenmateriaal,composieten, keramiek, verdere halfgeleiders als GaAs(-wafers), maar ook niet in RVS of Inconel, of in het alge-meen in hoogreflecterende en transparante materialen)een zuiver parallelle, dunnere laserstraal als gevolg vangeleiding door de waterstraal en de zuivere en span-ningsvrije producten.Veel wordt voor de toekomst (zeg vijf jaar) eveneens ver-wacht van de schijflaser (figuur 10). Deze werkt alleendankzij koppeling aan diodelasers. Praktijkproeven vande eerste fabrikant Haas-Laser bewijzen dat op ditmoment een dun schijfje uit Yb-YAG kristal van 0,3 mmdikte en 7 mm in diameter, frontaal gepompt, typisch al1,3 kW maximaal vermogen levert. Een probleem vormtdaarbij nog de koeling, alhoewel die makkelijker is aan tebrengen op een platte schijf dan op een dun staafje.Bekend is intussen wel dat zich praktisch geen thermal

lensing voordoet. De kwaliteit van de straal is met eenzeer hoge M2-factor = 1.1 vrijwel optimaal en nagenoeg

M i k r oM i k r o n i e kn i e kN r . 6 2 0 0 123

Figuur 6a. Het opsplitsen van één laserbundel met behulp vaneen prisma of een speciaal gevormde afbuigspiegel opent doorde gescheiden energie-inbreng om de lasplaats nieuwe mogelijk-heden.

Figuur 6b. Drie toepassingen met duofocus, laatste (parallel) voorlassen.

Figuur 7. Drie verschillende uitvoeringen van een lampgepomptevastestoflaser: staaf, slab en buis.

Figuur 8. Kenmerkende opbouw en stralengang van de slablasermet een rechthoekig kristal.

vermogen

polarisatie

straalkwaliteit

mode

onafhankelijk van het laservermogen. Inkoppeling vande lichtenergie in een glasfiber verloopt goed, aangeziende golflengte vrijwel dezelfde is als die van een Nd:YAG-laser. Ongekend hoog voor welke laser dan ook is hetrendement dat kan oplopen tot 50% (bij koeltempera-tuur tussen 0-20ºC, bij -74ºC 64%). Ondermeer de hogekostprijs zal ervoor zorgen dat de applicaties in eersteinstantie voornamelijk in nichemarkten zullen liggen,gebaseerd op de excellente straalkwaliteit. Deskundigenzien een sterke evolutie, hoewel de industrie zelfs met fac-toren opgeschaalde schijflasers op zich eerder een extramogelijkheid in handen krijgt dan een vervanger voor destandaard Nd:YAG laser.

Hoogvermogen diodelaser (HVDL)In 1975 bracht de IC-industrie diodelasers van betrekkelijklaag vermogen op de markt. Piepjonge halfgeleiderlasers(golflengte 670-950 nm in het nabije IR, uit GaAlAs-/GaInP materiaal) maken de laatste jaren een ongekendsnelle opmars van minuscule lichtbron van milliwatts tothoogvermogen kilowattversies (figuur 11) en zijn zich van-daag de dag aan het bewijzen. Het eerste voordeel van eendergelijke HVDL ligt in de enorme ruimtewinst. Een tradi-tionele laser neemt met voeding veel plaats in. Zo’n moder-ne hoogvermogen diodelaser van acceptabel vermogenbestaande uit een compacte stapeling van diodes, vultdaarentegen amper een fatsoenlijke schoenendoos. Tenopzichte van de CO2 met 5-10%, lampgepompte 2-5% endiodegepompte Nd:YAG 10-15% heeft de HVDL eenenorm hoog energetisch rendement van 30-50% bij eenduidelijk lager energieverbruik en hoge absorptie. Ook delevensduur is hoog, >10.000 bedrijfsuren, wat tot uitingkomt in lage bedrijfskosten. Op vermogensdichtheid schietde vrij dure diodelaser echter te kort (104-105 W/cm2), ter-wijl ook de straalkwaliteit nog onder de maat blijft dieindustrieel als gangbaar wordt geaccepteerd. Tegenovernormaal één bundel met het hele vermogen, bestaat eensterke diodestraal uit een groot aantal afzonderlijke, sterkdivergente lichtbundels van maximaal ongeveer 100mW,die ook nog eens asymmetrisch zijn (haaks en evenwijdigmet de staaf verschillende karakteristiek). De achtergrondvormt de karakteristieke HVDL-opbouw: afzonderlijkelaseremitters (p-n overgang) voegt men op een heatsinksamen tot een staafvormig geheel (afmetingen 10.000 x 600x 115 µm), vervolgens meervoudig gestapeld tot stacks(gelamineerde blok), al naar gelang de uitvoering gecombi-neerd met microlenzen of direct gekoppeld aan fibers toteen laserkop. Fijn focusseren van de van nature rechthoe-kige brandvlek van vrij forse afmeting (0,6x0,8mm) ver-loopt relatief moeilijk. Er wordt gewerkt met een zeer korte

werkafstand (ca 35mm). Diodelasers zijn te koppelen aanfibers, zij het van grotere afmetingen (300-1500µm). Opverbetering van de negatieve aspecten zijn internationale,maar vooral in Duitsland lopende ontwikkelingsprojectengericht. Het grootste probleem, namelijk het koppelen van

M i k r oM i k r o n i e kn i e kN r . 6 2 0 0 1 24

LASERCONFIGURATIE

Bij laserfrezen (vroeger ook wel lasercaving genoemd) gaat heterom rechtstreeks een vormholte met een geconcentreerdelaserbundel de gevraagde maat, vorm en oppervlakte-gesteld-heid te geven, zonder tussenkomst van bijvoorbeeld slijtendeelektrodes. Drie verschillende principes zijn mogelijk, namelijk:smelten en wegblazen, verdampen en oxyderen/verbranden.Laserfrezen is bedoeld als stap om afwerken en nabewerken(nu deels nog handmatig) van vormgevend gereedschap auto-matisch te laten verlopen met alle voordelen van dien. Pers-,smeed-, (spuit- en druk-)gietmatrijzen vormen het einde van degereedschapfabricage en tegelijk het begin van de productiefasevan het product. Dat gebeurt tegenwoordig door met eengepulste energiebron plaatselijk gerichte oxydatie in te leiden(figuur 12). Zijn de vele onderling nauw verweven parameterszoals het ingekoppelde vermogen, de gastoevoer en de bewe-gingssnelheid correct op elkaar afgesteld, dan zorgen ontstanespanningen in het metaal ervoor dat zich een soort spaantjesvormt. Die spaantjes springen weg en leggen het onderliggen-de onveranderde metallische oppervlak vrij. De dikte van delaag is typisch circa 0,1mm, de breedte 0,3mm. Essentieel voorde nauwkeurigheid is het juist genereren van laserfreesbanenop basis van CAD (STL-formaat) en het exact aanhouden vande geometrie via een sensorgestuurde, in-proces teruggekop-pelde diepteregeling.Voor de fabricage van prototypes is dit nual een economisch alternatief voor meer gangbare methodes,met afhankelijk van de materiaalsoort een verspaningscapaci-teit tot 25mm2/min, zoals bewezen door WTCM Verspaning (inDiepenbeek bij Hasselt, België).

Laserfrezen terug van weggeweest

Figuur 12. Spaanvorming tijdens laserfrezen door sterke verhit-ting in het focus (onder metaaloppervlak), de gerichte gastoe-voer en de verplaatsing van de laserbundel.

de afzonderlijke diodes tot een array en een stack, is intus-sen opgelost. Ook voor de noodzakelijke gedwongen koe-ling (voor de overtollige helft van de toegevoerde energie)zijn praktische oplossingen voorhanden, zoals bijvoor-beeld microkanaal water-luchtkoeling. Op het ogenblik isde toepassing nog beperkt tot de zijdelingse pompfunctiebij YAG-lasers en in direct gebruik tot die sectoren waar denog geringe straalkwaliteit en -intensiteit voldoen, dat wilzeggen in het harden, cladden, lassen van kunststof en inhet solderen. Ondertussen past men al 3-6kW-uitvoeringentoe in productielijnen voor oppervlakteharden. Met eeniets hogere intensiteit dan nu normaal is komt zelfs diep-lassen binnen bereik.

ExcimeerlasersDe naam excimeerlaser is ontstaan uit de verkorte samen-voeging van de woorden EXCIted diMER. Lasermediumzijn edelgashalogenen als ArF met een kortste golflengtevan 193nm, XeCl (308), KrF (248) of XeF (351), metandere woorden 3 tot 6 maal kleiner dan een Nd:YAG.Pompenergie is uitsluitend elektrisch van aard. Het totalerendement is heel laag, Bijzonderheid is dat deze hoogren-dements uv-laser uitsluitend wordt gebruikt met gepulst uit-gangsvermogen (0-1000W, energiedichtheid >10 8W/ cm 2 ),en wel met zeer korte pulstijden tot 20 ns, tot een piekver-mogen in het MW-bereik. Een rechthoekige straal treedtuit met afmetingen in centimeters, met een uniforme inten-siteitverdeling, waarbinnen naar behoefte speciale maskersworden geplaatst. De meeste materialen kennen een sterkeabsorptie voor dergelijke UV-straling. Excimeerlasers heb-ben intussen hun industriële geschiktheid bewezen voorspeciale oppervlaktebehandelingen op (sub)micronschaal;zij het vlak of 3D, onder andere fijn en nauwkeurig struc-tureren, ablatie, markeren (on the fly, zelfs in transparantestoffen), boren diamant (ook mogelijk met Q-switchedYAG) en microperforeren in uiteenlopende materialen alskeramiek en glas alsmede polymeren. Vooral worden suc-cesvolle toepassingen gemeld op stoffen die uiterst gevoeligzijn voor temperatuurverhoging of slecht tegen snelle ther-mische effecten kunnen. Voor bewerking van metalen is deexcimeerlaser momenteel niet zo geschikt. Het oplossendvermogen van dergelijke bewerkingen is zeer groot, opmicrometers. Fotochemische omzetting is eveneens moge-lijk. Nog maar kort geleden maakte een Frans consortiumbestaande uit Onectra (nucleaire installaties), CNRS(Centre National de Recherche Scientifique) en de beken-de laserfabrikant Cilas (Compagnie Industriel des Lasers)het door specialisten onmogelijk geachte bekend. Men is ernamelijk met behulp van een unieke experimentele opstel-ling in geslaagd de lichtbundel van een excimeerlaser met

M i k r oM i k r o n i e kn i e kN r . 6 2 0 0 125

Figuur 9. LaserμJet. Opzich valt nauwelijks opdat in de professioneelgebouwde laserµjetma-chine zowel een water-straal als een laserstraalgecombineerd voorko-men.

Figuur 10. Principe (boven) en gerealiseerde opbouw van de eerste Haas schijflaser.

Figuur 11.Boven: com-plete dio-denlaser-(stack) metfocusoptiek.Onder:enkelvoudi-ge staaf.

Foto

:Wis

e 20

00fiberbundel

laserkristal

uitkoppelspiegel

reflektorpompstraling

heat sink

HR coating

Sferischespiegels voorpompenergie

uitkoppel-spiegel

Schijfvormigelaser op heat-sink

Fibers

VlakkeSpiegel

20f

20 s

P-zijde

flink vermogen te geleiden door optische vezels. Het gingdaarbij om een met 500 Hertz gepulste 500 Watt Cilaslasermet een samengestelde bundel van 90 glasfibers. Het werk-bereik vergroot aanzienlijk door de mogelijkheid om eenindustrieel gestuurde robot te gebruiken. De robotopstel-ling met directe afzuiging, via een aangepaste conus metdoorlaat voor de laserbundel (zie figuur 13), test men uitvoor gedefinieerde ablatie van atomaire laagjes op radioac-tief vervuilde metalen vlakken.

Ultrakorte pulslasersDe femtosecondenlaser is op dit moment typisch eenoplossing die vraagt om een passend probleem. Toch bie-den puntvormige gefocusseerde fs-pulsen met hoog ver-mogen optimale condities voor (sub)micronbewerken metongekende precisie. Immers, hoe korter de golflengte hoebeter absorptie en resolutie. Bovendien geldt: hoe korterde pulstijd, des te beter de kwaliteit. Wel is een enorm hogevermogensdichtheid vereist. De pulsfrequentie is nu geli-miteerd tot 5kHz waardoor de haalbare ‘verspaningsca-paciteit’ nog laag is. Industrieel gebruik van de hoogver-mogen ultrakorte pulslasers, aangeboden door Spectra-Physics, Clark MXR en Thomson, blijft tot nu toe beperkttot haalbaarheidsstudies en uitzonderlijke applicaties (alsreparatie en reiniging van IC-maskers) in wetenschappelij-ke en industriele laboratoria. Dit is mede te wijten aan dehoge initiële investering. Stabiliteit en focusseerbaarheidvan de niet-homogene straal vormen eveneens een drem-pel. Verder is het werkgebied vrij klein. De medischewereld (stents) en de auto-industrie (injectieboringen) ver-wacht er veel van. Dergelijke supersnelle pulsen in hetnabije IR met een pulsduur in femtoseconden (10-15s) ope-nen een nieuwe wereld doordat ze voldoende kort zijn omde intermoleculaire binding te verbreken, analoog aanexcimeerlasers. Opbouw en overdracht van hitte komenniet voor, dus er bestaan geen warmtebeïnvloede zone,thermoshock of smeltverschijnselen. Ablatie van diame-ters <100 µm blijkt haalbaar zonder inwendige degradatievan de oppervlaktestructuur. Een nadeel is dat onderbepaalde omstandigheden materiaal op het substraatterug kan slaan. FS-lasers bieden unieke mogelijkheden;door exact focusseren zijn bijvoorbeeld bewerkingen uit-voerbaar direct onder een glasoppervlak.

ReferentiesFraunhofer ILT Instituut, Aken, dr. P. Loosen;Universiteit Twente, Enschede, prof. J. Meijer;Katholieke Universiteit Leuven (B), prof. J.P. Kruth /prof B. Lauwers;Laser Centrum VITO, dr. J. Gedopt, Mol (B)

Literatuur‘Licht Werk’, inaugurele rede 2000 prof. J. Meijer, UTVM-80 ‘Laserbewerkingen’ FME, ZoetermeerWorkshop ‘Anwendung von HLDL’Fraunhofer Institut Werkstoff- & Strahltechnik, DresdenProc 5e Int. Laser Marketplace/Laser 2001, München Bedrijfsdocumentatie Haas-Laser, Alphen a/d RijnTrumpf machines Möller Metaal, Hengelo‘Laserlexikon’, Fraunhofer IWS ‘Lasersicherheit’, cd-rom, Fraunhofer IWSEurolaser, internationaal vakblad over lasers, GrütterVerlag, Augsburg

M i k r oM i k r o n i e kn i e kN r . 6 2 0 0 1 26

LASERCONFIGURATIE

In dit leerboek, op basis van het dictaat van professor Förster,Hogeschool Keulen, afdeling Constructietechniek, staat eenbeschrijving van de fysische kenmerken en eigenschappen vanhet tegenwoordig overal in ons leef- en werkdomein voorko-mende begrip laser, de verschillende laserbronnen en bijbeho-rende componenten. Het grootste deel van de tekst concen-treert zich op de verschillende laserbewerkingsmethoden in demetaalindustrie. Daarbinnen laat de eigenlijke doorbraak nogaltijd op zich wachten.Vervolgens krijgen in het boek daadwer-kelijk gebouwde lasermachines een korte behandeling alvorensaf te sluiten met veiligheidsaanbevelingen. Bij dit multimedialeboek, dat een bruikbare verzameling bijdetijdse basiskennispresenteert, verduidelijkt met vele afbeeldingen zonder zwarenatuurkundige en mathematische theorie, wordt een cd-romgeleverd die het daadwerkelijk gebruik van lasers in alle berei-ken van de machinebouw laat zien met behulp van audiovisuelemiddelen als foto’s, video’s en animaties.Auteurs: Dieter Förster en Wolfgang Müller, uitgeverij Fach-buchverlag Leipzig (Hanser Verlag), 2001, ISBN 3-446-21672-3,A5-formaat, 122 blz., 110 afbeeldingen, prijs: € 20,35.

Laser in der Metallbearbeitung

Figuur 13. Franse opstelling die voor het eerst lichtgelei-ding met glasfibers in de praktijk mogelijk maakte vooreen excimeerlaser.

dampafzuiging

focusseerlensvervuild oppervlak

optische fibers

� hoekmeetsystemen� lengtemeetsystemen� contourbesturingen� digitale uitlezingen �meettasters� impulsgevers

hoeveel tijd levert een absoluut meetsysteem op?

Absolute lengte- en hoekmeetsystemen

Tijd is onbetaalbaar. Daarom zet HEIDENHAIN met absolute lengte-en hoekmeetsystemen voor gereedschapsmachines nieuwe maat-staven voor wat betreft tijd en functionaliteit – zonder méér te

kosten. Want het aanlopen van de referentiepunten is niet meer nodig en de neventijden van uw machine worden gereduceerd. Dat speelt in het bijzonder bij de inbedrijfname en het opnieuw opstarten van achter elkaar gekoppelde installaties een centrale rol. En in het geval van een storing zenden onze meetsystemen waarschuwingssignalen uit, die u nietalleen de mogelijkheid geven tijdig te reageren, maar ook om beter te plannen. Daarmee geven wij u en uw machine iets meer tijd. HEIDENHAINNEDERLAND B.V., Postbus 107, 3900 AC Veenendaal. Telefoon: (03 18) 54 03 00, telefax: (03 18) 51 72 87 verkoop@heidenhain.nl, www.heidenhain.nl