Energiestrahlverfahren Strahlbearbeitung, Elektronenstrahlverfahren EB - Verfahren

Energiestrahlverfahren (Strahlbearbeitung)

Wir unterscheiden zwischen Elektronenstrahl (EBM, Electron Beam Machining) und Photonenstrahl (Laser, LBM)

Im Prinzip wird durch Bündelung von Strahlen hoher Energiedichte (Elektronen, Protonen) der zu bearbeitende Werkstoff örtlich aufgeschmolzen oder verdampft und durch einwirkende Kräfte abgetragen. Beliebige Werkstoffe können bearbeitet werden. Die entstehende Strahlung muß durch Schutzvorrichtungen abgefangen werden.

Elektronenstrahlverfahren (EB- Verfahren)

Das Verfahren beruht darauf, daß die kinetische Energie beschleunigter Elektronen sich in Wärme umwandelt, wenn die Teilchen im Vakuum auf einen festen Stoff aufprallen. Der Stoff kann auch elektr. Nichtleiter sein.

Zur Strahlungserzeugung benötigen wir eine Kathode (Wehnelt- Elektrode) und eine Anode, zwischen denen eine Hochspannung liegt, welche die Elektronen beschleunigt. Der Strahl durchläuft elektronenoptische Systeme, von denen er gebündelt wird, daß er stark fokusiert auf das Werkstück auftrifft. Dadurch wird eine hohe Energiedichte erreicht und das Verfahren  für die Verwendung im kleinen Größenbereich bestimmt.

Die konzentrierte Wärme darf nur kurz einwirken, weil sonst durch Wärmeleitung ein Schmelzen der Nachbarzonen auftreten würde. Man läßt deshalb den Strahl nur Impulsen von wenigen Mikrosekunden Dauer einwirken.

Bohrdurchmesser bis 0,2 mm werden durch Vergrößerung des Brennfleckes erreicht. Bei stärkere Fleckvergößerung würde die Energiedichte zu klein, deshalb wird dann bei kreisförmigen Durchbrüchen mit Strahlenablenkung verfahren (gesteuerte Strahlensonde). Bestimmte symmetrische Formen werden durch entsprechende Ablenkspulen programmiert. Es gibt auch numerische Steuerung des Strahles. Formerzeugung durch Verfahren des Spanntisches sind nicht üblich, da sich die Abmessungen in sehr kleinen Dimensionen halten.

Beim Bohren mt Elektronenstrahl wird ein Teil der gebündelten Strahlen mit zunehmender Tiefe vom Bohrungsgrad abgedeckt. Die Bohrungen werden kegelig und sollten nicht länger als der 80fache Durchmesser sein.

Photonenstrahlverfahren (LB- Verfahren oder Laser)

Strahlerzeugung

Laser ist die Abkürzung für "light amplification by stimulated emission of radiation" (Lichtverstärkung durch angeregte Strahlung). In der Technik wird darunter jedoch ein Gerät der Strahlenerzeugung verstanden, der energiereiche gebündelte elektromgnetische Strahlen (Laserstrahlen) aussendet.

Die Lichtverstärkung erfolgt in einem Resonator innerhalb des Strahlenerzeugers. (Bild)

In ihm befindet sich ein laseraktives Medium, das dem Lasertyp einen entsprechenden Namen gibt: Gas (Lasertyp: Gaslaser), Neodym (in Kristall oder Glas, deshalb Festkörperlaser), Flüssigkeit (Flüssigkeitslaser), Hlableiter (Halbleiter- oder Diodenlaser), Farbstoff- oder DYE- Laser) Dem Medium wird Energie zugeführt, z.B. mit Blitzlampe (bei Festkörperlasern), durch Gleichstrom- oder Hochfrequenz- Gasladungen (z.B. bei Gaslasern), durch Gleich- oder Wechselstrom (bei Halbleiterlasern). Der Vorgag wird Pumpen genannt.

Der optische Resonator besteht an einem Ende aus einem totalreflektierenden Spiegel und an der Austrittsöffnung aus einem teildurchlässigen Spiegel, dem sog. Auskoppelspiegel.

Im Resonator wird ein elektromagnetisches Strahlungsfeld aufgebaut, das notwendig ist, um die stimulierte (induzierte) Emission zu bewerkstelligen. Dies geschieht durch Reflexion des Teiles der Strahlung in den Resonatorraum, während ein anderer Teil durch den Auskoppelspiegel nach außen gelangt und für die Anwendung zur Verfügung steht.

Strahlhandhabung

Der Laserstrahl wir über (evtl. gekühlte) Spiegelsysteme oder (z.B. bei Nd- Yag- Lasern möglich) durch Lichtleiter zur Bearbeitungsstation geführt, wo er durch eine Sammellinse auf das Werkstück fokussiert wird (das ergibt weitere Energieverdichtung).

Für Laserstrahlen gelten die Gesetze der Optik.

Wenn Dauerleistung (auch Cw genannt, continuous wave) nicht gewünscht ist, kann durch Strahlenmodulation (periodisches Verändern der Laserausgangsleistung auf Null und wieder steigend) gepulst werden. Dies kann durch Modulation der Anregungsenergie oder mit Hilfe von optischen u/o mechanischen Schaltelementen in- und außerhalb des Resonators geschehen. Dabei sind Pulsdauer t und Pulsfrequenz f bzw. Periodendauer T = 1/f variabel. (Bild)

Für Entfernungsmessungen (ein gesendeter Impuls und dessen reflektiertes Signal ergeben über die Ziele die Entfernung) und zur Informationsübertragung werden ausschließlich gepulste oder modulierte Laser verwendet.

Merkmale der Strahlen

Besondere Merkmale der Laserstrahlen gegenüber Licht aus thermischen Strahlen oder Entladungslampen:

Sie sind

einfärbig (monochromatisch, weil nicht aus verschiedenen Wellenlängen gemischt)

kohärent (zusammenbleibend, wegen gleichphasiger Schwingungen)

normalerweise Strahl mit geringer Differenz

sehr gut fokussierbar (aus den vorherigen Gründen)

Sie lassen sich Hochfrequenz pulsen.

Beurteilung des Strahlenerzeugers

Sie erfolgt nach:

Lasertyp

Laserausgangsleistung

Stabilität der Leistungsabgabe

Intensitätsverteilung

Polarisationsebene

Der Lasertyp wird meist nach dem laseraktiven Medium benannt. Er strahlt mit einer bestimmten Wellenlänge.

Für Trennen und Schweißen wird vor allem der CO₂ - Laser (das ist der Laser mit der höchsten maximalen mittleren Leistung), für feine Schnitte und Bohrungen auch der Neodym- oder der Excimerlaser (Kunstwort aus dem Englischen "exited Dimers", d.s. angeregte Dimere; Dimere sind zwei gleiche, zu einem größeren Teil vereinigte Moleküle) benutzt. In der Meßtechnik (Interferometrie) wird der He-Ne- Laser eingesetzt, der dafür wegen der gewünschten Interferenzfähigkeit über Strahlenteiler (beamsplitter, d.i. hier eine teildurchlässige Schicht) in zwei Teilbündel zerlegt.

Die vielseitigste Lasergruppe sind Glaslaser (Bild)

Der CO₂ Gaslaser wird am häufigsten verwendet.

Der Nd- YAG Laser ist der meistverwendete Festkörperlaser.

Bei den Festkörperlasern besteht der aktive Stoff aus durch Dotierten eingebrachten Atomen, z.B. Neodym in einem Stab aus Yttrium. Aluminium- Granat (YAG) oder in Glas eingebettet.

Festkörperlaser besitzen eine geringere Kohärenz und damit eine kontinuierliche Leistung von < 1kW. Anwendung: Biochemie und Biophysik, Fluoreszenzuntersuhung, Plasmaerzeugung, Spektrokopie, Photographie bei Kurzbelichtung; Laser im oberen Leistungsbereich: Schneiden auch von engen, spitzen Konturen im Blech bis zu einigen Millimetern Dicke.

Halbleiterlaser oder Diodenlaser sind Dioden mit integriertem Resonator, die im sichtbaren und im infraroten Spektalbereich wirken. Aktiver Soff sind GaAs, InP, InAs, InSb und deren Mischkristalle. Halbleiter sind durch die unkomplizierte Pumpbarkeit leicht modulierbar. Die Lebensdauer ist - wie bei Dioden üblich- lang. Monomodelaser erreichen bei Dauerstrichleistung den mW- Bereich, Multimodelaser kommen in den W- Bereich, Diodenarrays (gepulst) kommen auf einige kW.

Anwendungen: Interferometrie, Lichtschranken, Informationsübertragung, Speicherung, Diodenlaser sind immer mehr im Kommen.

Bei Farbstofflasern oder DYE- Lasern (dye, engl., Farbschtoff) ist das aktive Medium ein Farbstoff, der in einer Flüssigkeit gelöst ist. (Bild)

Die verfügbare Laserausgangsleistung bestimmt vor allem die schneibare Werkstoffdicke.

I.a. ist die gepulste mittlere Leistung höher als die Dauerstrichleistung (Bild)

Die Stabilität der Leistungsangabe ist die in einer maximalen Leistungsbandbreite liegende Abweichung von der Nennleistung. Bei > 5% leidet die Schnittqualität deutlich.

Die Intesitätsverteilung im Strahlenquerschnitt wird Mode genannt.

Sie ist abhängig von der transversalen Eigenschwingung des Resonators. Transversale Elektromagnetische Moden (TEM)  werden für die Kennzeichnung der Modenstruktur verwendet. Es gibt auch Longitudinalschwingungsmoden, die aber wesentlich geringere Beudeutung haben.

Der Grundmode bildet um die Strahlenachse einen Intensitätspeak (peak: Spitze) und fällt zur Außenfläche des Strahles hin in einer Gauschen Glockenkurve ab. Ein Strahl im Grundmode wird deshalb auch Gauscher Strahl genannt. Räumlich bildet die Intensitätskurve also eine Glocke. Für Schneiden und Bohren wird diese Strahlenform bevorzugt. Der Grundmode ist vorwiegend mit Lasern bis 1 kW ( 1,5 kW) erzielbar; für eine Realisierung bei höheren Leistungstufen würde der Strahlenerzeuger zu unhandlich.

Beu Multimoden treten mehrere, meist unterschiedlich hohe Intesitätsgipfeln auf. Zwischen ihnen liegen die Intensitätsminima. Solche Strahlen sind für Verfahren der Oberflächenbehandlung, wie Härten, Umschmelzen, -legieren, Beschichten, geignet.

Bei rotationssymetrischer Anordnung (r, j- Symmetrie) bilden sich bei den einfachen Fällen um den gleichhochgebliebenen aber schlanker gewordenen Peak kreisförmige Intensitätswälle. Bei achsensymetrischer Anordnung (X,Y Symmetrie) werden die Peaks mit zunehmender Anzahl niedriger und schmaler, und die Intensitätsminima bilden parallele Gräben.

Bei der Bezeichnung der Modenformen gibt die erste Indexzahl die Anzahl der Minima bei Rotationssymetrie und die zweite die Minimaanzahl bei Achsensymmetrie an. Demnach bedeutet z.B. TEM₀₀ Grundmode (keine Minima) und TEM₃₀ drei rotationssymmetrische Intensitätsminima.

Die Strahlungsabsorption des Werkstückes hängt auch von der Lage der Polarisationsebene zur Einfallsebene der Strahlung ab.

Vorgänge zwischen Strahl und Werkstück

Laserbearbeitung ist meist ein thermisches Abtragen. Dabei führt das Einkoppeln der Lichtenergie in das Werkstück zur Erhöhung der Bewegungsenergie freie Elektronen (Metalle). Je nach der aufgenommenen Energiemenge und den Eigenschaften des Werkstückes verbrennt, verdampft oder verflüssigt sich der Werkstoff.

Die geringe Wellenlänge von Excimerlasern und damit ihre hohe Photonenenergie, führt jedoch zu photochemischen Reaktionen in Werkstück. Insbesondere brechen bei Nichtmetallen die Molekülbindungen unter der Photonenenergie auf, die Moleküle dissozieren und nehmen die ganze Energie in sich mit. Dadurch bleibt für den Restwerkstoff keine Energie mehr (z.B. für Erwärmung) übrig (sogenannter Kalter Abtrag)

Wenn der Strahl beim Schneidprozeß an engen Kurven z.B. Ecken, auch nur sehr kurzzeitig stehen bleibt, entstehen Einbrennecken. Vermeidung: Reduzieren der Dauerstrichleistung (dadurch aber such Verringerung der schneidbaren Werkstückdicke) oder- besser- Normalpulsen bei unveränderter Leistung (vor allem für wärmeempfindliche Zonen in Baustahl) oder Superpulsen (d.i. mit deutlich erhöhter Pulsleistung), z.B. bei Edelstahl (kein Grat, keine Schlacke).

Schneiden mit dem Laser

Drei Schneidverfahren werden unterschieden:

Schmelzschneiden
Dabei wird der Werkstoff durch den Laserstrahl lokal geschmolzen. Ein Gasstrom (N₂ oder Edelgas), der mit 15 bar aus einer Düse mit kegelförmiger Öffnung (Düsenöffnungsdurchmesser 12 mm) strömt, bläst die Schmelze aus.

Brennschneiden
Anstelle des inaktiven Gases beim Schmelzschneiden wird hier mit Schneidgas O₂ gearbeitet. Dadurch wird exotherme Wärme erzeugt, wodurch höhere Vorschubgeschwindigkeit (35fach) möglich sind. Nachteile: Wärmeflußzone, Rauheit und Schnittfugenbreite sind eventuell größer. Darum besser Pulsen mit Verhältnis Pulsdauer: Pausendauer <= 1:1, bei Nd- YAG: <=1:10.

Sublimationsscheiden
Das ist Werkstoffverdampfung und erfordert deshalb bei Metallen eine Leistungsdichte von 10⁷ bis 10⁸ W/cm². Das ist nur gepulst bei kleiner Pulsdauer erreichbar. Das Verfahren ist für Metalle wenig geeignet, weil in der Scnittfuge Kondensation des Metalldampfes eintritt, wodurch die Fuge im oberen Teil verschlossen werden kann; darum höchstens bei dünnen Blechen einsetzbar. Gut geeignet für Werkstoffe, die keine schmelzflüssige Phase haben, z.B. verschiedene Nichtmetalle.

Prozeßparameter bezogen auf

Laser 
Mode, Polarisationsebene, Strahldivergenz, Fokuslage zur Werkstückoberfläche (über, auf, unter der Oberfläche), Fokusdurchmesser (er beträgt etwa 0,1 mm; d.i. abhängig von der Wellenlänge und der Modenstruktur) und die Laserwellenlänge bestimmen den Absorptionsgrad.

Werkstoff
Absorptionsfähigkeit: Aluminium, Kupfer und die Edelgase lassen sich mit CO₂- oder Nd-YAG- Laser nur schwer bearbeiten, weil ihre Absorbtionsfähigkeit unter Normalbedingungen nur einige Prozent beträgt. Sie kann jedoch wesentlich verbessert werden durch: Modifikation der Oberfläche (Rauheit, Oxidation, Beschichtung), höhere Werkstücktemperatur (sie ergibt sich auch durch entsprechende Modewahl), durch verstärkte Absorption in einem Kanal, der durch verfahrenstypisch entstehende Metallschmelze entsteht (sog. key-hole-Effekt) oder durch Einkoppelung unter einem speziellen Auftreffwinkel des Strahles (Brewster- Effekt).

Weitere Werkstoffparametersind: Wärmeleitfähigkeit, -kapazität, Schmelzpunkt, Verdampfungstemperatur.

Die Werkstoffhärte hat keinen Einfluß auf die Schneidbarkeit.

Kunststoffe werden vorwiegend mit CO₂- Lasern bearbeitet. Dabei muß auf eventuell auftretende Gase von karzinogenen Kohelnwasserstoffverbindungen geachtet werden. Sie müssen abgesaugt und gefiltert werden.

Keramik wird mit kleiner Pulsdauer und hoher Energie verdampft, so daß keine Risse entstehen können.

Schneidgas
Parameter sind: Gasart und -druck, Düsengeometrie und -Anordnung. Der Gasdruck und die Düsengeometrie haben. haben Einfluß auf die Schneidkantenrauheit. Ein möglichst kleiner Abstand der Düse von der Werkstückoberfläche (0,1 1mm) ergibt guten Gaseintritt in die Fuge.

Kriterien für die Schnittflächengüte sind:

Fugenrauheit, -geometrie, Schmelzbart- und Grathöhe, Wärmeeinflußzone, Gefügeänderung, Härteanstieg durch Selbstabschreckung.

Bohren mit dem Laser

Vorteile des Bohrens mit Laser sind vor allem: Die meisten Werkstücke können gebohrt werden; keine Krafteinwirkung auf das Werkstück (Folien, dünnwandige Teile), sehr kurze Bearbeitungszeit, eine Neigung der Bohrachse zum Werkstück bis zu 10⁰ ist möglich (ein Spiralbohrer würde dabei verlaufen).

Für Metalle werden vor allem Nd-YAG- Laser eingesetzt, meist gepulst. Sonst kommen auch CO₂- und Excimerlaser

zum Einsatz. Meist entsteht leichte Konizität.

Drei unterschiedliche Bohrverfahren werden unterschieden:

Einzelpulsbohren:
Die Bezeichnung rührt daher, daß mit jeweils einem Puls die Bohrung hergestellt wird. Bohrungsdurchmesser ab 5mm bis etwa 0,3mm sind möglich, die erreichbare Bohrungstiefe beträgt etwa 2,5mm bei einem Schachtverhältnis I/d=10:1.

Perkussionsbohren
Hier wird mit einer Pulsfolge gearbeitet. Die Bohrungsdurchmesser sind <= 1mm, die Bohrungstiefe bis l=10mm bei einem Schachtverhältnis von 10:1

Trepanning (Trepannieren)
Es handelt sich praktisch um ein Ausschneiden, denn der Strahl wird entweder optisch ausgelenkt oder durch Werkstückführung über CNC zum kreisförmigen Schnitt gebracht. Darum ist das Verfahren nur für Durchgangsbohrungen geeignet. Bohrungsdurchmesser ab etwa 0,6 mm sind möglich.

Verfahrensvorteile

Die Bearbeitung erfolgt berührungsfrei und ohne Krafteinwirkung. Eine große oder Härte des Werkstückes (von Keramik und Kristallen bis zu weichen Folien und Schaumstoff) spielt keine Rolle. Kein Werkstückverzug, weil die Wärmefeinflußzone gering ist. Wegen der guten Oberflächenqualität sind keine oder geringe Nachbearbeitungen erforderlich. Kein Werkzeugverschleiß, also wird dafür keine Maßkorrektur erforderlich. Hohe Reproduzierbarkeit. Große Vorschubgeschwindigkeiten. Kleine Losgrößen sind wirtschaftlich zu bearbeiten. Durch unkomplizierte Steuerung sind die beeinflußbaren Parameter und die zu schneidenden Kurven ohne Aufwand einstellbar. Auch an schwer zugänglichen Stellen einsetzbar. Der Vorgang ist geräuschlos und- wenn man von bestimmten Werkstücken absieht- umweltfreundlich.

Verfahrensnachteile

Hohe Anschaffungskosten. Geringer Wirkungsgrad, deshalb und wegen der besonderen Energieform: hohe Energiekosten. Werkstofftypische Grenzen. Schutzmaßnahmen gegen Gefärdungsmöglichkeit durch Strahlen.

Anwendungen

Schneiden aller Werkstoffen, z.B. Metalle, Papier, Karton, Keramiken, Kunststoffe, Gläser, Diamant, Textilien, Leder, Gummi, Folien, Styropor, Schaumstoff, Verbundwerkstoffe, Bohren in Keramiken, Kristallen, Steinen, Papier, , von Rohren, Blechen (auch sehr dünnwandigen) in rascher Folge; (Kühlbohrungen, auch geeignet (z.B. in Turbinenschaufeln, Kurbelwellen). Darüber hinaus: Entgraten, Trimmen (Unwuchten), Schweißen, Löten, Oberflächenveredeln, Beschichten.

Gefährdung durch Laserstrahlen

Die Gefahren bestehen für Menschen und für Stoffe. Bei Menschen treten je nach Dauer und Intensität der Einwirkung sowie Laserwellenlänge Gewebeschädigungen auf. Bei der Arbeit sollten nicht mehr Mitarbeiter als erforderlich (aber mindestens zwei) anwesend sein, Sie müssen über die Gefahren ausreichend aufgeklärt sein.

Der Strahl darf nicht ungeschützte Menschen treffen. Besonders gefährdet sind die Augen.

Der Strahl kann die Augen direkt oder reflektiert (Werkstück) treffen. Deshalb müssen die Mitarbeiter z.B. durch Laserschutzbrillen geschützt sein. Justieren und Probelauf sollten mit durch Graufilter geminderte Energie im Sichtbaren Bereich des Lichtes erfolgen, z.B. mit He-Ne- Laser.

Da der energiereiche Laserstrahl auch auf große Strecken noch wirksam ist, muß die Gefahr in weiterer Entfernung bedacht werden. Brennbare Stoffe dürfen nicht in der Richtung des Strahles stehen. Sehr gefährlich sind explosive Flüssigkeiten und Gase, und auch Flaschen. Sie können durch den auftreffenden Laserstrahl so aufgeheizt werden, daß sie sich entzünden.