Anzahl Durchsuchen:77 Autor:Site Editor veröffentlichen Zeit: 2019-01-18 Herkunft:Powered
Das Aufkommen zuverlässiger Laserdioden hat die Technologie der Hochleistungs-Festkörperlaser in mehrfacher Hinsicht revolutioniert.Die ursprüngliche Idee, die fast so alt ist wie Diodenlaser und optisch gepumpte Festkörperlaser und darunter Andere haben die Entwicklung von Hochleistungslaserdioden vorangetrieben, nämlich sie als Pumpquelle für Festkörperlaser zu nutzen13, ist Ende des Jahrhunderts Realität geworden: Diodengepumpte Stablaser im kW-Bereich sind auf dem Markt erhältlich als Industrieprodukte ihren Platz finden.Darüber hinaus sind jedoch inzwischen auch neue diodengepumpte Festkörperlaser aufgetaucht, die über kein herkömmliches, also lampengepumptes Gegenstück verfügen.Solche Lasertypen, die ausschließlich (oder zumindest) (vorzugsweise und effizient) durch den Einsatz von Laserdioden als Pumpquelle möglich sind z. B. der Scheibenlaser und der Faserlaser, die jetzt in den Materialbearbeitungsmarkt eindringen.Darüber hinaus hat die Diodenlasertechnologie selbst auf eine so hohe Leistung und Qualität entwickelt, dass sogar direkte Diodenlaser zur Materialbearbeitung eingesetzt werden können.
Die Laserwirkung auf GaAs- oder GaAsP-Laserdioden bei kryogenen Temperaturen wurde bereits im Jahr 1962 nachgewiesen14. Was als physikalische Kuriosität als Grundlage für extrem teure Laser mit sehr kurzer Lebensdauer begann, ist heute die Basis für sehr langlebige und günstige Laserquellen, die mit einem Volumen von 3,10 Mio. den größten Markt an Laserquellen abdeckt.US-Dollar im Jahr 200615: Der Löwenanteil des heutigen Diodenlasermarktes entfällt auf Anwendungen mit eher geringem Stromverbrauch Telekommunikation und optische Speicherung, aber die Technologie hat auch sehr starke Auswirkungen auf die Materialbearbeitung mit Hochleistungslasern.Sorgfältige Untersuchung der kristallinen Strukturen, detailliertes Verständnis der Versagensmechanismen und Eine erhebliche Verbesserung der Herstellungsprozesse hat zu diesem Erfolg geführt.Doch selbst wenn ausgefeilte Kühlkonzepte eine Leistungssteigerung ermöglichen, die weit über den Telekommunikationsbedarf hinausgeht, bleibt die Emission eines einzelnen Emittenten bestehen auf wenige Watt begrenzt (bei angemessener Lebensdauer).Daher werden mehrere Emitter in einem monolithischen Element namens Laserbarren kombiniert, das dann zur effizienten Kühlung auf einem Mikrokanal-Kühlkörper montiert wird16;bis zu 120 W sind a typische Leistung eines handelsüblichen Riegels, aber aus Laborexperimenten wurden kürzlich mehr als 500 W gemeldet17.Zur Kollimation des stark divergenten Strahls werden asphärische zylindrische Mikrolinsen verwendet.Die Brillanz ist jedoch begrenzt aufgrund der Einschränkungen der Strahlqualität der einzelnen Emitter und insbesondere aufgrund ihrer inkohärenten Kopplung18.
Die ursprüngliche und immer noch am häufigsten verwendete Form des aktiven Mediums in einem Hochleistungs-Festkörperlaser (Nd:YAG) ist der zylindrische Stab;Bei einem Hochleistungslaser hat dieser Stab typischerweise einen Durchmesser von 4 bis 8 mm, eine Länge von 150 bis 200 mm Die Anregung erfolgt durch Krypton-Bogenlampen.Auch wenn dieser Festkörperlasertyp in den letzten Jahren der bekannteste Festkörperlaser war, weist er zwei systemimmanente Nachteile auf: Erstens die Lebensdauer des Kryptonlichtbogens Die Lebensdauer der Lampen ist relativ kurz – nur mehrere hundert Stunden – und muss daher häufig ausgetauscht werden.Zweitens und was noch schwerwiegender ist: Nur ein sehr kleiner Teil des von den Krypton-Bogenlampen bereitgestellten Lichts wird tatsächlich zum Pumpen des Lichts verwendet Laserprozess;Der Rest erzeugt Wärme, verschwendet also Energie und verursacht Probleme, insbesondere durch den thermischen Linseneffekt.Durch Diodenpumpen kann man diese Probleme beseitigen: Laserdioden bieten eine lange Lebensdauer von mehr als 10000 Stunden und ihre Emissionswellenlänge kann genau an den Absorptionspeak des aktiven Materials angepasst werden, 808 nm im Fall des Nd:YAG-Kristalls.Die reduzierte Wärmebelastung des Kristalls ermöglicht eine höhere Leistungsabgabe eines Stabes es bietet bessere Ergebnisse Strahlqualität: Typischerweise werden diodengepumpte Stablaser im (Multi-)Kilowattbereich mit einem Strahlparameterprodukt von ≥12 mm Mrad spezifiziert, während lampengepumpte Stablaser etwa 25 mm Mrad aufweisen.Daher kleinere Faserdurchmesser (typischerweise 300 µm) verwendet werden.Darüber hinaus ist für diese Laser ein Wirkungsgrad von 10 % charakteristisch, verglichen mit etwa 3 % bei lampengepumpten Geräten.Ein typischer diodengepumpter Hochleistungsstablaser ist in Abb. 15 dargestellt. Dieser Laser ist das Spitzenmodell einer Serie von 500 W bis 4 kW und ist mit acht Laserkammern ausgestattet.
Neben der Tatsache, dass die bereits bestehenden Anwendungen wie Schneiden und Schweißen von Weichstahl und Edelstahl auf größere Materialstärken oder höhere Geschwindigkeiten ausgeweitet werden könnten, ist die damit erreichbare Steigerung der Leistungsdichte zu nennen Der diodengepumpte Nd:YAG-Stablaser ermöglichte auch das Schneiden und Schweißen von Materialien, die bisher kaum zugänglich waren, wie z. B. insbesondere Legierungen auf Aluminiumbasis.Dies ist in Abb. 16 dargestellt, wo Schweißkurven für AlMg3 (5457) mit einem ROFIN DP 040 (siehe Abb. 15) Laser werden vorgestellt.
Abb. 15: ROFIN DP040HP – diodengepumpt Stablaser mit 4 kW Ausgangsleistung Abb. 16: Schweißkurven zum Schweißen von 8 mm dickem AlMg3 mit einem 4 kW diodengepumpten Nd:YAG-Laser
Als Laborprototyp wurde auf Basis der oben beschriebenen ROFIN DP-Serie ein stabförmiger diodengepumpter Nd:YAG-Laser mit einer Ausgangsleistung von max.8 kW wurde in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Lasertechnik in Aachen realisiert, Deutschland.Ziel des Projekts ist es, ein besseres Verständnis für die Hochleistungsmaterialbearbeitung im 1 µm Wellenlängenbereich zu gewinnen.Die Strahlung des 8-kW-Lasers wird über Fasern mit einem Kerndurchmesser von 600 µm und eine Länge von bis zu 50 m.
Das Schneiden von Edelstahl wurde für Materialstärken zwischen 4 und 10 mm durchgeführt.Die maximale Geschwindigkeit, die für oxidfreie Schnitte erreicht werden konnte, betrug 2,5 m/min;Diese Geschwindigkeit ist mit einem CO2-Laser etwa 20 % höher zu erreichen Trotz der überlegenen Strahlqualität ist Leistung erforderlich19.Schweißversuche haben wurden an Edelstahl- und Weichstahlmaterialien im Bereich zwischen 6 und 10 mm Dicke durchgeführt.Bei diesen Versuchen wurde eine unerwartet starke Dampffahne während der Schweißung festgestellt.Eine ausreichende Unterdrückung der Wolke könnte kann mit herkömmlichen Standarddüsen nicht erreicht werden, ohne das Schweißbad zu stören.Daher bestand die große Herausforderung darin, eine spezielle Düse zu entwickeln, die einerseits die Schweißfahne effektiv unterdrücken kann, andererseits aber das Schweißbad verlässt andererseits ungestört.Ein erfolgreiches neues Düsendesign konnte das Problem nachweislich beheben: Abb. 17 zeigt die tatsächlichen Schweißergebnisse für Weichstahl und Edelstahl.Weitere Untersuchungen der Dampffahne, insbesondere der Wechselwirkungzwischen der Wolke, der Laserstrahlung und dem Prozessgasstrom muss sein weiter untersucht und das Potenzial von Hochleistungs-Festkörperlasern weiter erschlossen.
Abb. 17: Schweißen mit 8 kW Festkörper
Ausgelöst durch eine spezielle Anwendung, nämlich die Entfernung von Blattverunreinigungen von Eisenbahnschienen20, wurde ein gütegeschalteter Nd:YAG-Laser mit hoher Leistung (ROFIN DQx80S) entwickelt.Blattverunreinigungen verursachen vor allem zwei Probleme, die Einfluss haben die Sicherheit des Zugsystems: Geringe Haftung der Räder führt zu Brems- und Beschleunigungsproblemen und Störungen sicherheitsrelevanter elektrischer Gleisstromkreise.Als Verfahren der Wahl hat sich die Laserablation erwiesen effiziente Entfernung dieser Schicht.Für die Laserablation sind bekanntlich kurze Pulse im Bereich von mehreren zehn Nanosekunden erforderlich.Bisher wurden daher überwiegend Excimer-Laser eingesetzt;wie aber die Lasersysteme für diese Anwendung sein müssen Für den Einsatz in Zügen sind Excimerlaser unter anderem aus Sicherheitsgründen ausgeschlossen.Es wurde eine durchschnittliche Leistung von etwa 1 kW gefordert, da die durchschnittliche Leistung die Entfernungsrate der Verunreinigung und einen minimalen durchschnittlichen Zug bestimmt Für den wirtschaftlichen Einsatz des Verfahrens muss eine Geschwindigkeit von ca. 70 km/h erreicht werden.Basierend auf dem oben beschriebenen Design eines diodengepumpten Stablasers wurde eine gütegeschaltete Nd:YAG-Einheit realisiert, die im Güteschaltermodus eine durchschnittliche Leistung von 800 W liefert Impulse von etwa 38 ns und mit einer Wiederholrate von 6 bis 15 kHz.Die Energie wird durch eine 800-µm-Faser in einen speziellen Arbeitskopf geleitet, der einen Linienfokus mit der Breite der Spur und einer Länge bildet,Proz.von SPIE Vol.6735 67350T-7 die überlappende Impulse auch bei höchster Zuggeschwindigkeit gewährleistet, um eine vollständige Reinigung der Gleise durchzuführen;Die Arbeitsköpfe sind unterhalb des Wagens des „Reinigungszuges“ montiert.Das System wurde erfolgreich getestet und erfüllt die technischen Anforderungen und wirtschaftlichen Anforderungen.Der hier beschriebene Laser ist nach unserem besten Wissen der stärkste verfügbare gütegeschaltete kommerzielle Laser.Anwendungen können in den Bereichen Entlackung, Oberflächenreinigung, Hochgeschwindigkeitsstrukturierung, insbesondere für Solarzellen und andere.
Bei longitudinal (oder end-)gepumpten Festkörperlasern wird die Pumpstrahlung entlang des optischen Resonators durch den Endspiegel des Lasers bereitgestellt.Natürlich ist das Pumpen in dieser Geometrie nur möglich, wenn die Strahlqualität der Pumpe stimmt Die Quelle ist gut genug, damit das Pumplicht effizient in den Laserstab eingekoppelt werden kann.Daher ist das Konzept nur mit (Dioden-)Laserpumpen realisierbar;Die rechteckige stark astigmatische Emission der Diodenbarren muss neu angeordnet werden in die runde Form der Stange passen.Im Gegensatz zum seitlich gepumpten Konzept kann in einer solchen Konfiguration der gepumpte Bereich an das Modenvolumen des Resonators angepasst werden und somit eine sehr effiziente Laserquelle mit hoher Strahlqualität entstehen realisiert werden.Durch Diodenpumpen eignen sich auch andere laseraktive Materialien als der bekannte Nd:YAG-Kristall für Laser: Endgepumpte Laser verwenden häufig Nd:YVO4 (Yttrium-Vanadat), das unter anderem ein breiteres Absorptionsband für 808 nm aufweist Strahlung der Dioden und ist daher weniger empfindlich gegenüber Temperaturschwankungen oder Alterung der Dioden.Die hohe Strahlqualität (Grundmode) und die kurze Resonatorkonfiguration des Endpumpkonzepts sowie die kurze Fluoreszenzlebensdauer von Nd:YVO4 machen diesen Aufbau zu einer bevorzugten Kombination für die Erzeugung kurzer Q-Switch-Impulse und auch für die Frequenzumwandlung.
Typische Anwendungen für solche Laser liegen im Bereich der hochpräzisen Markierung und hochpräzisen Bearbeitung.Ein typisches und sehr repräsentatives Beispiel für eine Markierungsanwendung dieses Lasers ist die Generierung von Chipkarten, dargestellt in Abb. 18: Die hohe Pulsspitzenleistung und hohe Wiederholrate des Lasers reduzieren die Druckzeiten bei vielen Anwendungen.ROFIN-Laser für diese Anwendung nutzen eine innovative Graustufensoftware, die unterschiedliche Intensitäten ermöglicht einzelne Laserpulse.Die Graustufenbildgebung ermöglicht es, die Anzahl der Bits in einem bestimmten Bild zu reduzieren, wodurch die Markierungszeit im Vergleich zu herkömmlichen Schwarzweißbildern deutlich verkürzt wird und eine qualitativ hochwertige Fotografie ermöglicht wird Drucken.
Ein Beispiel für die Dünnschichtentfernung ist die Strukturierung von Solarzellenmaterial: Die transparente Elektrode, typischerweise aus Indium-Zinn-Oxid, muss in Streifen mit möglichst schmalen Trennlinien als deren Fläche strukturiert werden Leitungen gehen bei der Energieumwandlung verloren und beeinflussen somit den Wirkungsgrad der Solarzelle.Linien mit einer Breite von nur 10 µm können mit einer Geschwindigkeit von bis zu 1000 mm/s geschrieben werden.Für eine weitere Anwendung ist die vollständige Entfernung der dünnen Schicht erforderlich Es ist eine Folie auf den Solarzellen erforderlich.Der Laser kann diese Aufgabe mit einer Rate von 5 cm²/s erledigen.
Einer der limitierenden Faktoren für Stablaser hinsichtlich der Strahlqualität, selbst wenn Diodenpumpen verwendet wird, ist der „thermische Linseneffekt“.Eine Idee, dies zu umgehen, wurde 1994 von A.Giesen et al. veröffentlicht.al.21, der vorschlug, eine dünne zu verwenden Scheibe (ca. 150 bis 300 µm dick und ca. 7 mm Durchmesser) als Lasermedium.Diese dünne Scheibe ist mit ihrer Rückseite auf einem Kühlkörper montiert und wird so in axialer Richtung gekühlt, wodurch ein radialer Temperaturgradient vermieden wird.Als In diesem Fall wird das aktive Material Yb:YAG verwendet, da dieses Material unter anderem viel höhere Dotierungsniveaus (bis zu 30 %) als Nd-Dotierung ermöglicht;Hohe Dotierungsgrade sind für diese Technologie wichtig, ebenso wie das Volumen, in dem das Laserlicht extrahiert wird ist viel kleiner als beim Stabtyp.Das Pumpen erfolgt selbstverständlich mit Dioden, deren Wellenlänge auf die Hauptabsorption des Yb:YAG-Kristalls (940 nm) abgestimmt ist;da nicht das gesamte Pumplicht auf einem Weg absorbiert werden kann a Es wird eine Konfiguration mit mehreren Durchgängen realisiert.Darüber hinaus ist der Quantendefekt im Yb:YAG-System viel kleiner als im Fall des Nd:YAG, was zu einer weiteren Reduzierung der Wärmebelastung führt.Aus diesen Gründen eine weitere Verbesserung im Vergleich zu diodengepumpten Stablasern wird erwartet und tatsächlich können in einem typischen Scheibenlaseraufbau 7 mm Mrad erreicht werden.Bei der Gleichzeitig wird ein höherer Wirkungsgrad erreicht, der bis zu 50 % von optisch zu optisch beträgt, was einem Wirkungsgrad von etwa 20 % entspricht!
Heutzutage werden Hochleistungs-Scheibenlaser von 750 W (ROFIN DSx75HQ) aus einer Scheibe mit einer 150 µm-Faser bis zu einer Leistung von 3 kW (ROFIN DS030HQ) aus zwei Scheiben und einer 200 µm-Faser geliefert (verwendete NA=0,12).Schweißkurven für einen 1,5 kW Laser und für Zwei unterschiedliche Fokusdurchmesser (100 µm und 300 µm) sind in Abb. 19 für das Edelstahlschweißen im Vergleich zu einem CO2-Plattenlaser (ROFIN DC015, siehe Kapitel 2.1) dargestellt.Der Vorteil des Scheibenlasers bei dünnem Material liegt klar auf der Hand sichtbar.
Ein Beispiel für die industrielle Anwendung ist das Schweißen eines Batteriegehäuses aus Edelstahl 1.4301 (Abb. 20);Mit 700 W und einem Punktdurchmesser von 100 µm lässt sich das Teil mit einer Geschwindigkeit von 5 m/min unter He-Atmosphäre perfekt verschweißen.
Selbstverständlich eignet sich der Scheibenlaser auch gut zum Schneiden: 0,5 mm (4 mm) dicke Edelstahlfolien wurden mit einer Leistung von 1,5 kW und einer Geschwindigkeit von 40 m/min (2 m/min) geschnitten;Das sauerstoffunterstützte Schneiden von Weichstahl wurde bei 1 mm und 10 mm durchgeführt mm dickes Material mit 10 m/min bzw. 1 m/min.
Abb. 19: Schweißkurven für das Edelstahlschweißen mit einem 1,5 kW-Scheibenlaser (DS015) im Vergleich zu einem plattenförmigen CO2-Laser (ROFIN DC015): Deutlich erkennbar ist der Vorteil des Scheibenlasers bei dünnem Material.Durch Plasmaeffekte entsteht das CO2 Laser ist für dickeres Material von Vorteil.
Abb. 20: Batteriegehäuse (1.4301), geschweißt mit einem 750 W Dünnscheibenlaser (ROFIN DSx75HQ), Punktgröße 100 µm, Schweißgeschwindigkeit 5 m/min
Die hohe Strahlqualität des Scheibenlasers basiert auf dem bewährten Aufbau für Markierungsanwendungen und ermöglicht die schnelle Strahlpositionierung durch ein System aus zwei galvanisch angetriebenen Spiegeln (Abb. 21, links).Ein spezielles sogenanntes „Flachfeld“. „Objektiv“ sorgt für den Fokus in einer flachen Arbeitsebene, unabhängig von der Position. Die Strahlführung durch eine optische Faser mit einem typischen Kerndurchmesser von 150 bis 200 µm ermöglicht die einfache Kombination einer solchen Strahlablenkeinheit mit einem Roboter, wie in gezeigt Abb. 21 (rechts).
Dieser Aufbau führt zu einem sehr flexiblen Werkzeug: Während der Roboter eine gleichmäßige Bewegung des Scankopfes entlang der Hauptrichtung der Naht ausführt, lenken die galvanischen Spiegel den Strahl in seine exakte Position und führen ihn gerade aus Stiche, Kreise, Wellen oder jede andere gewünschte Form.Wenn zum Beispiel nur Geradstiche mit 50 % Schweißlänge und 50 % Abständen zum Schweißen erforderlich sind, würde eine Bewegung des Strahls mit konstanter Geschwindigkeit zu einer 50 % Schweißnaht führen. Nutzung des Lasers;Durch den Einsatz des Roboter-Scanner-Schweißsystems kann die Geschwindigkeit (der Roboterbewegung) nahezu verdoppelt werden, da der Scanner den Punkt sehr schnell (dh im Millisekundenbereich) über die Intervalle führen kann.
Somit ist dieser Aufbau eine sehr interessante Möglichkeit zum Schweißen von z. B. Rohkarosserien und ersetzt das elektrische Punktschweißen.
Abb. 21: Links: Skizze eines galvanischen Spiegelsystems mit Flachfeldlinse zur schnellen Strahlpositionierung22.Rechts: Kombination mit einem Roboter Faserlaser
Die andere Möglichkeit, den thermischen Linseneffekt zu vermeiden, besteht darin, den Durchmesser zu verringern und die Länge des Stabes zu vergrößern, so dass das aktive Medium schließlich zu einer optischen Faser degeneriert ist und selbst eine radiale Abkühlung keine Ursache mehr ist Temperaturgradient über den Querschnitt der Faser.Tatsächlich kann der Durchmesser des aktiven Kerns so dünn sein, dass nur eine einzelne Mode verstärkt wird und somit eine Singlemode-Strahlung mit hoher Strahlqualität erzeugt werden kann.Pumpen ist Typischerweise erfolgt dies durch die Verwendung einer sogenannten Doppelmantelfaser: Das Pumplicht wird in den inneren Mantel eingekoppelt, der den aktiven Faserkern umgibt, und über die gesamte Länge des aktiven Faserkerns sukzessive absorbiert Faser.Es gibt zwei allgemeine Proz.von SPIE Vol.6735 67350T-9 Möglichkeiten für die Einkopplung des Pumplichts in den Pumpkern: (a) das endgepumpte Konzept, das einen Diodenstapel mit ziemlich hoher Strahlqualität erfordert, der in den Pumpmantel der Faser passt, und (b) das „ Y'-Kopplung Konfiguration, die eine große Anzahl fasergekoppelter Dioden erfordert, die durch recht komplexe Methoden in den Pumpkern eingespeist werden müssen,zB Faserspleißen oder Bragg-Gitter.
Durch die maximale Leistungsdichte im aktiven Kern in der Faser ist die Leistung, die aus einer einzelnen Faser (nicht unbedingt Singlemode!) entnommen werden kann, begrenzt.In kommerziellen Systemen liegt diese Grenze derzeit bei etwa 800 W etwa das 1- bis 2-fache der beugungsbegrenzten Strahlqualität, während im Labor 3 kW nachgewiesen wurden23, mit einem Strahl, der „nahezu beugungsbegrenzt“ ist.Die Leistungsskalierung erfolgt durch die „Nebeneinander“-Kombination mehrerer Fasern und geht somit mit einem Verlust an Strahlqualität einher.
Faserlaser im Hochleistungsbereich befinden sich derzeit in der Evaluierungsphase für industrielle Anwendungen.Sie stellen eine Technologie mit hohem Potenzial dar, wenn sie zu vertretbaren Kosten hergestellt werden kann und dies auch leisten kann Leistung wie der Scheibenlaser, insbesondere im hohen Leistungsbereich.Eine herausragende Anwendung dieser Laser aufgrund ihrer überlegenen Strahlqualität im niedrigen Leistungsbereich ist das Markieren;Abb. 22 zeigt ein Faserlaser-Markierungssystem mit Galvo Scanner vor dem Faserlaser.
Anstatt den Diodenlaser zum Pumpen von Hochleistungs-Festkörperlasern zu verwenden, können diese auch zur direkten Bearbeitung eingesetzt werden.Solche Geräte bestechen auch bei hoher Leistung durch extrem kleine Abmessungen: Der in Abb. 23 dargestellte 3-kW-Laserkopf ist gerade mal so klein 555 (inklusive optischem Tubus) x 260 x 200 [mm] und das Gewicht beträgt gerade einmal 25 kg.Zur Vervollständigung des gesamten Lasersystems sollen noch eine Steuereinheit und ein Kühler mit einer Größe von jeweils etwa 600 x 800 x 1000 [mm] hinzugefügt werden.Hochleistungsdiodenlaser, können jedoch keine so hohe Strahlqualität liefern wie die oben beschriebenen diodengepumpten Laser.Dies ist eine Folge der inkohärenten Kopplung der einzelnen Emitter der Diodenlaserbarren18.Mit zunehmender Leistung P nimmt die Strahlqualität zu verringert sich um den Faktor ,/P, solange die Brillanz der einzelnen Strahler unverändert bleibt.Dazu werden Polarisationskopplung und Wellenlängenkopplung verwendet die Situation verbessern16, 18: Hochleistungsdiodenlaser sind typischerweise
Abb. 23: Kopf eines Hochleistungsdiodenlasers,3,1 kW (ROFIN DL031Q) unpolarisiert und emittieren bei zwei oder drei Wellenlängen.Der Fleck ist rechteckig (1,3 x 0,8 [mm] bei einer Brennweite von 66 mm für das in Abb. 23 gezeigte 3-kW-System mit einem Zylinderprofil in einer Richtung und einem Gaußschen Profil in der anderen.
Aufgrund der eher schlechten Strahlqualität im Hochleistungsbereich sind traditionelle Laseranwendungen wie Schneiden und Hochgeschwindigkeits-Tiefschweißen als Markt für Hochleistungsdiodenlaser nicht wirklich erschlossen (siehe Kapitel 4, Abb. 27).Die Abbildung zeigt jedoch auch, dass es Anwendungen mit hohem Potenzial für Hochleistungsdiodenlaser gibt: Einige der für Hochleistungsdiodenlaser geeigneten Anwendungen wurden bereits vor Jahren mit Nd:YAG oder CO2 demonstriert Laser, konnten mit diesen Lasern jedoch aus technologischen und vor allem aus Kostengründen nicht in die industrielle Fertigung vordringen.Die Investitionskosten heutiger Hochleistungsdiodenlasersysteme liegen deutlich unter denen von Nd:YAG, Scheiben- oder Faserlaser, die bei nahezu der gleichen oder etwas kürzeren Wellenlänge emittieren;Die Betriebskosten sind aufgrund ihrer hohen Effizienz viel geringer als bei anderen Lasern (normalerweise liegt die Effizienz der Steckdose im Bereich von oder). sogar über 30%) und da sie über die lange Lebensdauer der Dioden nahezu wartungsfrei sind.Mit der Erhöhung der Lebensdauer der Diodenlaserbarren ist aufgrund einfacher Kostenberechnungen eine weitere Reduzierung der Betriebskosten zu erwarten zeigen, dass neben dem Wertverlust der Austausch der Dioden den Löwenanteil der laufenden Kosten verursacht.Nicht zuletzt die geringe Größe nicht nur des Diodenlaserkopfes, sondern auch – basierend auf der hohen elektrischen bis optischen Leistung Effizienz - auch der Stromversorgung und des Kühlers - machen sie zu einem sehr attraktiven Werkzeug für viele Anwendungen, bei denen die Strahlqualität des herkömmlichen Lasers einfach nicht erforderlich ist.
Die Möglichkeit, optisch perfekte Schweißnähte im Wärmeleitungsschweißverfahren herzustellen, hat zur ersten industriellen Anwendung von Hochleistungsdiodenlasern geführt, dem Schweißen von Küchenspülen.Ein Querschnitt durch eine Schweißnaht ist dargestellt in Abb. 24. Der Einsatz des Diodenlasers anstelle des herkömmlichen WIG-Schweißens ermöglichte eine erhebliche Reduzierung der Nacharbeit: Es ist nur Polieren erforderlich, aber fast kein Schleifen oder Reparieren!Dieser Umstand führte zu einem Kostenvorteil, auch wenn die Die Investition für einen 2,5-kW-Diodenlaser ist höher als für ein WIG-Schweißgerät24.
Löten wird immer mehr zu einer attraktiven Verbindungstechnologie im Automobilkarosserienbau sowie beim Abdichten von HF-dichten Abschirmgehäusen für elektronische Komponenten.Experimente in den Anwendungslaboren von ROFIN-SINAR haben es gezeigt das erfolgreiche Hartlöten von Zn-beschichtetem Stahl (0,9 mm) mit CuSi-Hartlot, zugeführt als Draht mit 1 mm Durchmesser.Die Versuche führten zu sehr glatten Nähten (Abb. 25).Die Lötgeschwindigkeit betrug 2-4 m/min bei 2,5 kW Leistung, dies hängt jedoch stark von der Leistung ab individuelle Anforderungen an die Spaltfüllung mit dem Hartlotmaterial.Mit einem Hochleistungsdiodenlaser lassen sich mindestens die gleichen Ergebnisse wie mit einem Nd:YAG-Laser erzielen, allerdings zu deutlich geringeren Kosten!
Aufgrund seiner rechteckigen Form mit einem Zylinderprofil in einer Richtung und einem Gaußschen Profil in der anderen Richtung eignet sich der Hochleistungsdiodenlaserstrahl besonders gut für Oberflächenhärtungsanwendungen.Zusätzlich im Vergleich zu CO2 Die Emissionswellenlänge dieser Laser ist kurz, was zu einer höheren Absorption führt und somit die Notwendigkeit einer Beschichtung zur Verbesserung der Absorption ausschließt.Die höhere Effizienz der Diodenlaser zusammen mit der Die oben genannten Vorteile machen den Hochleistungsdiodenlaser zu einem sehr effizienten, zuverlässigen und kosteneffizienten Werkzeug zum Härten.Ein sehr prominentes Beispiel für eine Fertigungsanwendung von Hochleistungsdiodenlasern ist das Härten von Torsionsfedern, die an den Scharnieren von Autotüren eingesetzt werden (Abb. 26).Der Hochleistungsdiodenlaser bietet nicht nur eine ideale Strahlgeometrie und Intensitätsverteilung, sondern ist auch die kostengünstigste Möglichkeit für die Transformation Härten.Die Torsionsfeder mit einem Durchmesser von 8 mm, dargestellt in Abb. 26 muss über einen Winkel von >170°, über eine Länge von ca.10 mm und eine Tiefe von 0,2 bis 0,4 mm an der markierten Stelle, um den Verschleiß der Feder durch die Klemmrollen, die die Tür in einer bestimmten Position halten, zu reduzieren.In einem Setup, das Verwendet zwei Laser in einem Winkel von ca Einlage: Federquerschnitt: gehärtete Zone 120° kann diese Geometrie homogen gehärtet werden, wenn die Laser über die 10 mm Länge abtasten.Eine aktive Prozesskontrolle, die zwei Pyrometer zur Temperaturerfassung nutzt, sichert die Qualität des Prozesses für jedes einzelne Teil25.
Das Auftragschweißen mit Hochleistungsdiodenlasern wird derzeit untersucht, da für diese Laseranwendung, die heute auch mit CO2- oder Nd:YAG-Lasern durchgeführt wird, auch keine hohen Leistungsdichten erforderlich sind;Die Pulverfütterung erfordert jedoch bestimmte Anforderungen Arbeitsabstand und damit eine gewisse Strahlqualität, die aber von modernen Diodenlasern erfüllt werden können.
Darüber hinaus sind Diodenlaser das perfekte Werkzeug zum Laser-Polymerschweißen, was an anderer Stelle ausführlich beschrieben wird26, 27.
KURZER VERGLEICH VERSCHIEDENER LASERTECHNOLOGIEN
Die endgültige Entscheidung, welcher Laser für eine bestimmte Anwendung ausgewählt werden muss, hängt von vielen Aspekten ab.Natürlich muss zunächst eine Machbarkeitsstudie klären, mit welchem Laser das gewünschte Ergebnis am besten erzielt wird.Allerdings eine typische Klassifizierung B. von P. Loosen28 vorgeschlagen, kann einen Hinweis auf die geeignete Lasertechnologie geben (Abb. 27) und ermöglicht einen Vergleich der bestmöglichen Strahlqualität für jeden Lasertyp.
Abb. 27: Strahlparameterprodukt vs. Laserleistung für mehrere Lasertypen und typische Regime für industrielle Anwendungen28
Die traditionell wichtigsten Anwendungen, die den größten Marktanteil ausmachen (siehe Kapitel 1), nämlich Schneiden und Schweißen, erfordern auch beste Strahlqualität.Eine solche Strahlqualität kann mit dem CO2-Laser erreicht werden diodengepumpte Festkörperlaser.Das Schweißen kann auch mit einem lampengepumpten YAG-Laser durchgeführt werden, wie in vielen Anwendungen in der Industrie gezeigt.Dennoch muss hier erwähnt werden, dass der CO2-Laser, insbesondere in der Slab-Konfiguration (siehe Kap. 2.1) liefert nach wie vor die günstigsten Photonen für Materialbearbeitungsanwendungen und zudem die beste Strahlqualität, also die beste Fokussierbarkeit im Multi-kW-Leistungsbereich.Ökonomische „Cost-of-Ownership“-Überlegungen, Einschließlich der Auswirkungen der einzelnen Technologien auf die Teilekosten wird berücksichtigt, wenn Experimente gezeigt haben, dass verschiedene Laser die Arbeit gleich gut erledigen können.Auch die Darstellung in Abb. 27 zeigt, dass dies trotz des reduzierten Strahls der Fall ist Ein hochwertiger Hochleistungsdiodenlaser kann aufgrund seines hohen Wirkungsgrads von etwa 30 % eine attraktive Photonenquelle für viele Laseranwendungen sein.;Scheiben- und Faserlaser kommen diesem Wert um etwa 20 % nahe, während CO2-Laser etwa 10 % verbrauchen. der verbrauchten Energie im endgültigen Laserstrahlausgang.
Der CO2-Gaslaser dominiert seit langem den Bereich der Hochleistungsmaterialbearbeitung und hält immer noch den mit Abstand größten Marktanteil (41,1 %) im Markt für Lasermaterialbearbeitung4 (1,69 Milliarden US-Dollar für Laserquellen).Bis zum Mit dem Aufkommen zuverlässiger und leistungsstarker Laserdioden als Pumpquelle für Festkörperlaser hat sich dieses Bild leicht verändert und Festkörperlaser holen jedes Jahr auf;dennoch im Jahr 2006 immer noch die höchste Menge an Festkörpern Der Bereich Laser umfasste lampengepumpte Systeme (20,4 %), gefolgt von Faserlasern (8,5 %, Anstieg von 6 % im Jahr 2005) und diodengepumpten Systemen (Stab/Scheibe) (6,4 %).Direkte Diodenlaser decken immer noch nur 1 % des Marktes ab.Es wird erwartet, dass sowohl Scheibenlaser als auch Faserlaser werden wachsen, hauptsächlich auf Kosten von lampengepumpten Einheiten;Dreidimensionale und entfernte Anwendungen werden natürlich von der verbesserten Strahlqualität dieser Laser profitieren und neue Möglichkeiten bieten.Hoch Leistungsdiodenlaser erschließen derzeit Nischen für die Oberflächenbehandlung und das Wärmeleitungsschweißen;Daher konkurrieren Hochleistungsdiodenlaser stärker als andere Laser mit herkömmlichen Technologien.Der CO2-Laser hingegen schon wird auch in den kommenden Jahren das Arbeitspferd für Lasermaterialbearbeitungsanwendungen bleiben, insbesondere für alle zweidimensionalen Aufgaben.
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