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4-2013

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Fachzeitschrift für Medizintechnik-Produktion, Entwicklung, Distribution und Qualitätsmanagement

Produktion Bild 5:

Produktion Bild 5: Vergleichende Darstellung der Schnittkantenqualität beim Schmelzschneiden (links) mit λ = 10,6 μm, 2 kW quasi-cw, Streckenenergie 241 J/mm und Sublimationsschneiden (rechts) mit λ = 355 nm, 10 ps-Pulse mit Spitzenleistung 4,17 MW, Streckenenergie 12,5 mJ/mm. wird. Im Bild 4 ist der Zusammenhang zwischen der Streckenenergie und den erreichbaren Rauheitswerten der Schnittkante dargestellt. Hohe Werte Der Vorteil des eingesetzten CO 2 -Lasers liegt in der Verfügbarkeit hoher Strahlleistungswerte, was eine sehr schnelle und dynamische Bearbeitung der Folien erlaubt. Aufgrund des unterschiedlichen Absorptionsverhaltens der Wolframkörner im Vergleich zu der niedrig schmelzenden Werkstoffmatrix, kann das Kornmaterial jedoch nicht getrennt werden, was eine erhöhte Schneidkantenrauheit zur Folge hat (Bild 5). Zum Remoteschneiden wurden neben den klassischen Scannerverfahren mit Nd:YAG-Lasers auch Experimente mit einem ps-Laser durchgeführt. Das scannerbasierte Verfahren ist ein Sublimierschneiden, bei dem die Folien durch das Abtragen und die Überlagerung mehrere Abtragspuren getrennt werden. Es zeigte sich hierbei, dass • die Rauheitskennwerte beim Sublimierschneiden 8-fach kleiner sind im Vergleich zum Schmelzschneiden, • für eine optimierte Schnittkantenrauheit sind kleine Streckenenergie und hohe Scangeschwindigkeiten zu wählen sind. Mit ps-Laserimpulsen konnten die besten Schnittergebnisse erzielt werden. Die sehr kurzen Wechselwirkungszeiten schließen Wärmeleitungsverluste nahezu aus. Es ist möglich, das Wolframkorn zu trennen und somit eine sehr hohe Ebenheit der Trennkante zu erzielen (Bild 5). Für diesen Prozess sind jedoch relativ viele Überfahrten erforderlich, was sich in einer höheren erforderlichen Trennzeit widerspiegelt. Zur Verkürzung der Prozesszeiten wurden zusätzlich Remoteschneiduntersuchungen mit einem 3 kW-Single-Mode-Faserlaser durchgeführt. Im Bild 6 sind die funktionalen Verläufe der Schnittkantenrauheit in Abhängigkeit von der Vorschubgeschwindigkeit und exemplarisch eine Vergrößerung des Schnittkantenbereiches dargestellt. Folgende Aussagen können für diese Untersuchungen getroffen werden: • bei maximalen Vorschub müssen lediglich fünf Überfahrten realisiert werden • ein effektiver Vorschub ist bei 3 kW-Laserleistung mit 4 m/s gegeben • erreichbare Oberflächengüten liegen bei Ra ≈ 4 µm Bild 6: Remote-Schneiden mit einem 3-kW-Single-Mode- Faserlaser. Die Grafik links zeigt die Abhängigkeit der Rauheit von der Vorschubgeschwindigkeit, im rechten Bild sieht man die REM-Aufnahme eines Schnittkantenauszuges. 42 meditronic-journal 4/2013

Produktion Verfahren Erodieren CO 2 -Laser ps-Laser ps-Laser ns-Laser Single-Mode-Faserlaser Wellenlänge (nm) - 10600 1030 355 1064 Vorschub [mm/min] 127 500 30 216 200 240.000 Überfahrten 1 1 3000 500 1 1 Ra [µm] 3,06 9,44 1,08 0,85 2,27 4,21 Rt [µm] 21,50 76,08 17,58 9,06 26,82 36,66 Bearbeitungszeit für 48 12 200 27,8 30 0,03 100 mm Konturlänge [s] mittlere Leistung [W] 2000 9,2 12 32,5 3000 Tabelle 2: Vergleich der Verfahren hinsichtlich Laser- und Prozeßparameter. Literatur • die Wolframkörner werden durchtrennt, aber es entsteht ein verstärkter Aufwurf an der Strahleintrittsseite Im Gegensatz zu den Ergebnissen anderer Schneidversuche entsteht der Grat auf der Strahleintrittsseite der Probe aufgrund des fehlenden Prozessgases. Das verflüssigte Material wird nicht aus dem Schnittspalt ausgetrieben, sondern durch den Dampfdruck zur Strahleintrittsseite beschleunigt. Im Vergleich zum ps-System wird ein großes Materialvolumen in kurzer Zeit abgetragen, welches an der Folienoberseite zum Teil kondensiert. Das ausgeworfene Materialvolumen, bezogen auf einen fokussierten Laserstrahldurchmesser von 50 µm, beträgt bei einer Überfahrt des Faserlasers ca. 200 000 µm³. Beim ps-System, welches im UV- Bereich mit einer Spotgröße von ca. 20 µm arbeitet und 300 Überfahrten benötigt, ist das abgetragene Volumen mit ca. 100 µm³ pro Schnitt um das 2000-fache kleiner als beim Faserlaser. Dieser Unterschied erklärt u. a., warum die Gratbildung beim Remoteschneiden mit dem Faserlaser auftritt und Schnitte mit dem ps- System gratfrei sind. Dieser Aufwurf am Trennschnitt ist in Bild 6 deutlich erkennbar. Verfahrensvergleich Es konnte gezeigt werden, dass ein qualitätsgerechter Schnitt mit dem Schmelzschneidverfahren nur mit inertem Schneidgas durchgeführt werden kann. Anderenfalls kommt es zur Bildung einer Wärmeeinflusszone und zu verstärkter Gratanhaftung. Bei allen Schmelzschneiduntersuchungen ist die Geometrie der Schnittkante durch die einzelnen Wolframkörner geprägt. Der Laser schmilzt nur den Binder auf und löst so die Körner vom Folienwerkstoff. Die zurückbleibenden Wolframkörner bilden letztendlich die Schnittkante aus. Prinzipiell ist festzustellen, dass die Bearbeitungsqualität mit kürzer werdender Pulsdauer steigt. Eine Ausnahme bilden die Experimente mit ps-Systemen. In den drei getesteten Wellenlängenbereichen ergeben sich ausnahmslos sehr hohe Schnittkantenqualitäten, sodass keine Nachbearbeitung erforderlich ist. Für die Bearbeitungsdauer ließ sich feststellen, dass ps- und ns-Laser vergleichbare Ergebnisse liefern, jedoch deutlich längere Bearbeitungszeiten bedingen als Faserlaser. Zu einer deutlichen Bearbeitungszeitverkürzung mit ps-Impulsen kommt es allerdings bei der Verwendung der UV-Wellenlänge (Tabelle 2). Ein Grund ist in der höheren verfügbaren Photonenenergie im kurzwelligeren Bereich zu sehen. Die geringste Fertigungszeit für die normierte Konturlänge von 100 mm erreichte der Single-Mode-Faserlaser mit einer umsetzbaren Schnittgeschwindigkeit von 4 m/s und einer Überfahrt. Die Rauheit der Schnittkantenoberfläche von Ra ≈ 4,5 µm liegt im Mittel der untersuchten Bearbeitungsverfahren. [1] Bliedtner, Jens; Müller, H.; Barz, A.: Lasermaterialbearbeitung Grundlagen - Verfahren - Anwendungen – Beispiele: Hanser Verlag München. 2013: ISBN: 978-3-446-42168-4 [2] Küntzel, S.: Simulationsbasierte Untersuchung und Erstellung speziell angepasster Gasdüsen für den Schneidkopf eines industriellen CO 2 -Präzisionslasers. Masterarbeit, Fachhochschule Jena, Fachbereich Maschinenbau; 2011 [3] Shapiro, A.H.: The Dynamics and Thermodynamics of Compressible Fluid Flow. New York: John Wiley & Sons, Inc., puplished online 2006 [4] Herziger, G; Loosen, P.: Werkstoffbearbeitung mit Laserstrahlung: Grundlagen – Systeme – Verfahren. München: Carl Hanser Verlag, 1993 [5] http://www.lpkf.de/produkte/smt-stencils/optionen/sl-autoclamp.htm (Stand 04.07.2013) [6] Güpner, M.: Präzisionsschneiden von hochschmelzenden und legierten Metallfolien mittels Laserstrahlung. Bachelorarbeit, Ernst-Abbe-Fachhochschule Jena. 2010 Zusammenfassung Schnellscannende Laserstrahlverfahren und quasi athermische Bearbeitungsprozesse sind von Vorteil, um hochschmelzende metallische Folienwerkstoffe zu trennen. Bei den Untersuchungen wurden minimale Schnittkantenrauigkeiten von Ra < 1,0 µm erreicht. Allerdings korreliert die Prozesszeit nicht mit den erzielbaren Oberflächengüten. Dennoch sind Laserschneidverfahren für den gezeigten Anwendungsbereich im Vorteil gegenüber den konventionellen Erodierverfahren. Angepasste Laserstrahlschneidverfahren bieten somit die Möglichkeit, metallische, hochschmelzende Folienwerkstoffe in unterschiedlichen Industriebranchen, bspw. der Luft- und Raumfahrt, der Automobilbranche, der Medizintechnik und der Strahltechnik einzusetzen. Danksagung Das Projekt wurde durch Mittel des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung und des Freistaates Thüringens sowie der Thüringer Aufbaubank gefördert. Die Autoren bedanken sich ganz besonders bei Frau Simone Russ, von Trumpf Lasertechnik Schramberg, Herrn Udo Klotzbach vom IWS Dresden und Herrn Florian Oefele von der TU München für die Unterstützung bei der Durchführung der experimentellen Arbeiten. LCP Laser-Cut-Processing GmbH info@lcpgmbh.de www.lcpgmbh.de meditronic-journal 4/2013 43

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