Moderne Lasertechnologien gelten als zukunftsweisende Schlüsseltechnologien mit einem breiten Anwendungspotential in der Technik. Dieses moderne Lehrbuch gibt einen Überblick über
- die Grundlagen der Lasertechnik, die für das Verständnis der Lasermaterialbearbeitung notwendig sind,
- Laserstrahlungsquellen und die für die Lasermaterialbearbeitung wichtigen Laserarten,
- Laserstrahleigenschaften und Wechselwirkungsprozesse zwischen Laserstrahlung und Materie,
- typische Materialbearbeitungsanlagen sowie Strahlformungs- und Strahlführungselemente,
- alle Verfahren der Lasermaterialbearbeitung (Abtragen, Bohren, Beschriften, spannungsinduziertes Trennen, Schneiden, Schweißen, Löten, Härten, Generieren, lasergestützte RP-Verfahren),
Die beigefügte DVD enthält Videos zu Verfahren und Grundlagen des Fachgebietes.
Inhaltsverzeichnis
1;Inhalt;11 2;1 Einleitung;17 3;2 Grundlagen der Lasertechnik;23 3.1;2.1 Licht als elektromagnetische Welle;23 3.2;2.2 Emission und Absorption;25 3.3;2.3 Grundanordnung eines Lasers;27 3.3.1;2.3.1 Erzeugung einer Besetzungsinversion;29 3.3.2;2.3.2 Linienbreite und Linienform;31 3.3.3;2.3.3 Strahlungsverstärkung;32 3.4;2.4 Optische Resonatoren;33 3.4.1;2.4.1 Grundformen;34 3.4.1.1;2.4.1.1 Stabiler Resonator;35 3.4.1.2;2.4.1.2 Instabiler Resonator;36 3.4.2;2.4.2 Resonatoranforderungen;36 3.4.3;2.4.3 Eigenschwingungen des Resonators (Moden);37 3.4.3.1;2.4.3.1 Transversale Moden;37 3.4.3.2;2.4.3.2 Axiale Moden;39 3.4.4;2.4.4 Die Gute des Resonators;40 3.4.5;2.4.5 Zeitliche und räumliche Kohärenz;41 3.4.6;2.4.6 Kopplung von Eigenschwingungen (Modenkopplung);42 3.5;2.5 Betriebsarten des Lasers;43 3.5.1;2.5.1 Kontinuierlicher Betrieb;43 3.5.2;2.5.2 Impulsbetrieb;44 3.5.2.1;2.5.2.1 Elektrische Anregung;44 3.5.2.2;2.5.2.2 Guteschaltung;44 3.5.2.3;2.5.2.3 Methoden der Modenkopplung;47 3.5.2.4;2.5.2.4 Pulskompressionen;48 3.5.2.5;2.5.2.5 Frequenzvervielfachte Lasersysteme;48 4;3 Laserstrahlungsquellen;50 4.1;3.1 Gaslaser;50 4.1.1;3.1.1 CO_2-Laser;50 4.1.1.1;3.1.1.1 Geströmte Systeme;52 4.1.1.2;3.1.1.2 Quasistationäre Systeme;54 4.1.1.3;3.1.1.3 Stationäre Systeme (Sealed-Off);55 4.1.2;3.1.2 Excimerlaser;57 4.2;3.2 Halbleiterlaser;60 4.3;3.3 Festkörperlaser;65 4.3.1;3.3.1 Stablaser;67 4.3.2;3.3.2 Slablaser;70 4.3.3;3.3.3 Scheibenlaser;71 4.3.4;3.3.4 Faserlaser;73 4.3.5;3.3.5 Oszillator-Verstärker-Anordnungen;77 4.3.6;3.3.6 Kurzpulslaser;79 5;4 Laserstrahleigenschaften und -parameter;84 5.1;4.1 Wellenlänge und Bandbreite;85 5.2;4.2 Laserleistung, Energie und Impulsparameter;88 5.3;4.3 Polarisation;97 5.4;4.4 Strahlausbreitung und -geometrie;99 5.5;4.5 Intensität und Intensitätsverteilung;100 5.6;4.6 Fokussieren von Laserstrahlung;101 5.7;4.7 Strahlqualität;104 5.8;4.8 Laserstrahlstabilität;112 6;5 Wechselwirkungsprozesse;114 6.1;5.1 Reflexion, Absorption, Transmission;116 6.2;5.2
Thermische Wechselwirkungsvorgänge;125 6.2.1;5.2.1 Wärmeeinflusszone;125 6.2.2;5.2.2 Wärmeleitungsvorgänge;126 6.2.3;5.2.3 Wärmeleitungsgleichungen;127 6.2.4;5.2.4 Temperaturmessung;129 6.3;5.3 Athermische Wechselwirkungsvorgänge;132 6.4;5.4 Wechselwirkungsprozess Energieeinkopplung;133 6.4.1;5.4.1 Schmelzbaddynamik;135 6.4.2;5.4.2 Laserinduziertes Plasma;137 6.4.3;5.4.3 Abtragsmodelle;137 6.4.4;5.4.4 Geometrieausbildung infolge der Wechselwirkung;140 6.4.4.1;5.4.4.1 Ausbilden eines Bohrloches;140 6.4.4.2;5.4.4.2 Ausbilden einer Dampfkapillare (Keyhole);141 6.4.4.3;5.4.4.3 Ausbilden eines Schneidspaltes;142 7;6 Lasermaterialbearbeitungsanlagen;144 7.1;6.1 Grundaufbau von Lasermaterialbearbeitungsanlagen;144 7.2;6.2 Strahlfuhrung und Strahlformung;145 7.2.1;6.2.1 Optische Komponenten;145 7.2.1.1;6.2.1.1 Planparallele Platten;146 7.2.1.2;6.2.1.2 Linsen;147 7.2.1.3;6.2.1.3 Spiegel;149 7.2.1.4;6.2.1.4 Diffraktive Elemente;150 7.2.1.5;6.2.1.5 Optische Fasern;151 7.2.1.6;6.2.1.6 Sonderformen;152 7.2.2;6.2.2 Opto-mechanische Komponenten;153 7.2.3;6.2.3 Anordnungen zur Strahlfuhrung;155 7.2.3.1;6.2.3.1 Grundanordnungen;155 7.2.3.2;6.2.3.2 Strahlteilung;157 7.2.4;6.2.4 Anordnungen zur Strahlformung;158 7.2.4.1;6.2.4.1 Strahlaufweitung;158 7.2.4.2;6.2.4.2 Strahlfokussierung;160 7.2.4.3;6.2.4.3 Formung der Intensitätsverteilung;163 7.2.4.4;6.2.4.4 Strahluberlagerung;165 7.3;6.3 Bearbeitungseinrichtung;167 7.3.1;6.3.1 Grundanordnungen;167 7.3.2;6.3.2 Bewegungseinheiten;169 7.3.2.1;6.3.2.1 Eindimensionale Bearbeitung;169 7.3.2.2;6.3.2.2 Zweidimensionale Bearbeitung;170 7.3.2.3;6.3.2.3 Dreidimensionale Bearbeitung;171 7.4;6.4 Gesamtsystemlösungen;174 8;7 Verfahren der Lasermaterialbearbeitung;177 8.1;7.1 Abtragen und Strukturieren;177 8.1.1;7.1.1 Grundverfahren des Abtragens;177 8.1.2;7.1.2 Ausgewählte Verfahren des Abtragens und Strukturierens;183 8.1.2.1;7.1.2.1 Laserstrahlentschichten;184 8.1.2.2;7.1.2.2 Laserstrahlflächenabtragen;188 8.1.2.3;7.1.2.3 Laserstrahlformabtragen;1
91 8.1.2.4;7.1.2.4 Laserstrahlsublimationsabtragen;192 8.2;7.2 Laserstrahlbohren;195 8.2.1;7.2.1 Grundlagen des Laserstrahlbohrens;196 8.2.2;7.2.2 Bohrverfahren;198 8.2.3;7.2.3 Einflussgrößen auf den Bohrprozess;201 8.2.4;7.2.4 Anwendungen;204 8.3;7.3 Beschriften;212 8.3.1;7.3.1 Verfahrensgrundlagen;212 8.3.2;7.3.2 Beschriftungsverfahren;215 8.3.3;7.3.3 Beschriftungsanlagen;219 8.3.4;7.3.4 Lasertypen und Leistungsklassen;222 8.3.5;7.3.5 Beschriftungsparameter;223 8.3.6;7.3.6 Ausgewählte Beschriftungsmethoden und Applikationsbeispiele;227 8.3.6.1;7.3.6.1 Anlassbeschriften;227 8.3.6.2;7.3.6.2 Farbumschlag von Kunststoffen;229 8.3.6.3;7.3.6.3 Abtragen von Oberflächenschichten;232 8.3.6.4;7.3.6.4 Gravur;234 8.4;7.4 Laserstrahlschneiden;236 8.4.1;7.4.1 Verfahrensgrundlagen;237 8.4.2;7.4.2 Schneidverfahren;240 8.4.2.1;7.4.2.1 Sublimationsschneiden;240 8.4.2.2;7.4.2.2 Schmelzschneiden;243 8.4.2.3;7.4.2.3 Brennschneiden;247 8.4.2.4;7.4.2.4 Spezielle Schneidverfahren;251 8.4.2.4.1;7.4.2.4.1 Hochgeschwindigkeitsschneiden;251 8.4.2.4.2;7.4.2.4.2 Präzisionsschneiden;253 8.4.2.4.3;7.4.2.4.3 Schneiden mit Scansystemen (Remoteschneiden);257 8.4.2.4.4;7.4.2.4.4 Wasserstrahlunterstutztes Schneiden;260 8.4.3;7.4.3 Schneidsysteme;262 8.4.3.1;7.4.3.1 Laserstrahlungsquellen und -komponenten;262 8.4.3.2;7.4.3.2 Schneidanlagen;265 8.4.3.3;7.4.3.3 NC-Programmerstellung;266 8.4.4;7.4.4 Schneidstrategien;267 8.4.5;7.4.5 Schnittkantendarstellung und -bewertung;272 8.4.6;7.4.6 Fehlergrößen und -ursachen;274 8.5;7.5 Schweißen;277 8.5.1;7.5.1 Schweißtechnische Grundlagen;278 8.5.2;7.5.2 Grundlegende Schweißverfahren;280 8.5.2.1;7.5.2.1 Wärmeleitungsschweißen;281 8.5.2.2;7.5.2.2 Tiefschweißen;282 8.5.3;7.5.3 Einflussgrößen der Schweißverfahren;284 8.5.3.1;7.5.3.1 Absorption der Laserstrahlung, Intensität und Einschweißtiefe;284 8.5.3.2;7.5.3.2 Nahtform und -qualität;286 8.5.3.3;7.5.3.3 Prozessgase;288 8.5.4;7.5.4 Ausgewählte Verfahren;293 8.5.4.1;7.5.4.1 Schweißen mit hoher Brillanz;293 8.5.4.2;7
.5.4.2 Feinschweißen / Mikrobearbeitung;295 8.5.4.3;7.5.4.3 Schweißen beschichteter Werkstoffe;299 8.5.4.4;7.5.4.4 Schweißen artfremder Materialien;300 8.5.4.5;7.5.4.5 Schweißen mit Zusatzwerkstoffen;300 8.5.4.5.1;7.5.4.5.1 Schweißen mit Zusatzdraht;301 8.5.4.5.2;7.5.4.5.2 Schweißen mit Pulver;302 8.5.4.5.3;7.5.4.5.3 Automatisiertes Laserauftragsschweißen;304 8.5.4.5.4;7.5.4.5.4 Handgefuhrtes und teilautomatisiertes Laserstrahlschweißen;305 8.5.4.5.5;7.5.4.5.5 Mikropulverauftragsschweißen (Micro-Cladding);308 8.5.4.6;7.5.4.6 Hybridschweißen;309 8.5.5;7.5.5 Ausgewählte Lasersysteme fur das Schweißen;310 8.5.6;7.5.6 Ausgewählte Anwendungen;313 8.5.7;7.5.7 Schweißnahtqualitäten und -kontrolle;315 8.6;7.6 Löten;316 8.6.1;7.6.1 Grundlagen des Lötens;317 8.6.2;7.6.2 Verfahren des Laserstrahllötens;318 8.6.2.1;7.6.2.1 Weichlöten;319 8.6.2.2;7.6.2.2 Hartlöten;322 8.6.2.3;7.6.2.3 Hochtemperaturlöten;328 8.7;7.7 Oberflächenbehandlung mit Laserstrahlung;331 8.7.1;7.7.1 Laserstrahlhärten;332 8.7.2;7.7.2 Umschmelzen und Glasieren;336 8.7.3;7.7.3 Legieren, Beschichten, Dispergieren;338 8.7.4;7.7.4 Spezielle Verfahren des Funktionalisierens von Bauteiloberflächen;342 8.7.5;7.7.5 Thermochemische Laserstrahlbehandlung von SiC-Oberflächen;344 8.8;7.8 Lasergestutzte generative Fertigungsverfahren;346 8.8.1;7.8.1 Verfahrensgrundlagen;348 8.8.2;7.8.2 Laserstrahlungsquellen;350 8.8.3;7.8.3 Verfahren;351 8.8.3.1;7.8.3.1 Generieren aus der flussigen Phase;351 8.8.3.2;7.8.3.2 Generieren aus der pulverförmigen Phase;357 8.8.3.2.1;7.8.3.2.1 Direktes Selektives Lasersintern;359 8.8.3.2.2;7.8.3.2.2 Indirektes Lasersintern;368 8.8.3.3;7.8.3.3 Selektives Laserschmelzen (SLM);371 8.8.3.4;7.8.3.4 LaserCUSING / Concept Modelling;374 8.8.3.5;7.8.3.5 Layer Laminate Manufacturing;377 9;8 Bearbeitung von Glaswerkstoffen;384 9.1;8.1 Grundlagen;384 9.1.1;8.1.1 Werkstoffeigenschaften;384 9.1.1.1;8.1.1.1 Transmission, Absorption und Reflexion;386 9.1.1.2;8.1.1.2 Ausdehnungskoeffizient;387 9.1.1.3;8.1.1.3 Vi
skosität;387 9.1.1.4;8.1.1.4 Wärmeleitfähigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit;388 9.1.1.5;8.1.1.5 Festigkeit;389 9.1.1.6;8.1.1.6 Spannungszustände;389 9.1.2;8.1.2 Verfahren und ausgewählte Wechselwirkungsprozesse;390 9.2;8.2 Abtragen und Strukturieren;392 9.2.1;8.2.1 Direktes Abtragen;392 9.2.2;8.2.2 Indirektes Abtragen;400 9.3;8.3 Bohren;402 9.4;8.4 Schneiden;405 9.5;8.5 Absprengen und Separieren;409 9.5.1;8.5.1 Spannungsinduziertes Separieren von Flachgläsern;409 9.5.2;8.5.2 Absprengen und Separieren rotationssymmetrischer Gläser;414 9.6;8.6 Beschriften;419 9.6.1;8.6.1 Direkte Laserkennzeichnung;419 9.6.2;8.6.2 Indirektes Laserstrahlbeschriften;421 9.7;8.7 Laserstrahlpolieren;422 9.8;8.8 Fugen;428 9.8.1;8.8.1 Schweißen von Glaswerkstoffen;428 9.8.1.1;8.8.1.1 Schweißen mit angepassten Strahlparametern;429 9.8.1.2;8.8.1.2 Bearbeiten mit mehreren Arbeitsstrahlen;431 9.8.1.3;8.8.1.3 Hybrides Laserstrahlschweißen;434 9.8.2;8.8.2 Löten;436 9.9;8.9 Umformen;441 10;9 Bearbeitung von Kunst- und Verbundwerkstoffen;449 10.1;9.1 Grundlagen;449 10.2;9.2 Laserstrahlschweißen von Kunststoffen;454 10.2.1;9.2.1 Verfahrensprinzip;454 10.2.2;9.2.2 Materialeignung und Auswahl der Farbstoffe und Pigmente;456 10.2.3;9.2.3 Schweißtechnologien;458 10.2.4;9.2.4 Laserstrahlungsquellen und Systeme;461 10.2.5;9.2.5 Prozesskontrolle;462 10.2.6;9.2.6 Ausgewählte Prufverfahren;464 10.2.7;9.2.7 Anwendungsbeispiele;465 10.3;9.3 Laserstrahltrennen;468 10.3.1;9.3.1 Grundlagen;468 10.3.2;9.3.2 Laserstrahlungsquellen und Systeme;469 10.3.3;9.3.3 Ausgewählte Anwendungen;470 10.3.4;9.3.4 Trennen von Verbundwerkstoffen;473 10.3.5;9.3.5 Schadstoffemissionen;479 10.4;9.4 Beschriften;480 10.5;9.5 Abtragen und Strukturieren;484 11;10 Lasersicherheit;492 11.1;10.1 Laserklassen und Gefährdungspotenzial;493 11.2;10.2 Schutzmaßnahmen;493 11.2.1;10.2.1 Technische und bauliche Schutzmaßnahmen;493 11.2.2;10.2.2 Persönliche Schutzmaßnahmen;494 11.2.2.1;10.2.2.1 Schutz der Augen;494 11.2.2.2;10.2.2.2 Schutz der
Haut;496 11.2.3;10.2.3 Organisatorische Maßnahmen;496 11.3;10.3 Normen und Richtlinien;497 11.4;10.4 Ausgewählte Laserschutzkomponenten;498 12;Literaturverzeichnis;500 13;Sachwortverzeichnis;520
