Cichy

LASERYLASERYOpracowaOpracowałłPiotr CichoszPiotr Cichosz

Instytut Technologii Maszyn i AutomatyzacjiInstytut Technologii Maszyn i AutomatyzacjiPolitechniki WrocPolitechniki Wrocłławskiejawskiej

W 1917 roku Einstein opublikowaW 1917 roku Einstein opublikowałł teoretyczne podstawy emisji wymuszonejteoretyczne podstawy emisji wymuszonej śświatwiatłła.a.LaserLaser jest akronimem angielskiej nazwy procesu wykorzystujjest akronimem angielskiej nazwy procesu wykorzystująącego wzmocnieniecego wzmocnienieśświatwiatłła za pomoca za pomocąą wymuszonej emisji promieniowaniawymuszonej emisji promieniowania (ang.(ang. LLightight AAmplificationmplificationbyby SStimulatedtimulated EEmission ofmission of RRadiation).adiation).

LASERYLASERY

2

Pierwszy rubinowy laser skonstruowaPierwszy rubinowy laser skonstruowałł Amerykanin Teodor Maiman (1960).Amerykanin Teodor Maiman (1960).

Lata 60Lata 60--te zainicjowate zainicjowałły szereg odkryy szereg odkryćć i dokonai dokonańń w technice laserowej:w technice laserowej:

•• 19611961 –– konstrukcja pierwszego lasera gazowego Hekonstrukcja pierwszego lasera gazowego He –– Ne,Ne, Ali JavanAli Javan(USA),(USA),

•• 19621962 –– wysywysyłłanie i odbianie i odbióór wir wiąązki laserowej z ksizki laserowej z księżężyca,yca, MassachusettsMassachusettsInstitute of Technology (USA),Institute of Technology (USA),

•• 19621962 –– wywiercenie promieniem lasera otworu owywiercenie promieniem lasera otworu o śśrednicy 0,05 mm wrednicy 0,05 mm wdiamencie,diamencie, General Elektric Company (USA),General Elektric Company (USA),

•• 19641964 –– konstrukcja pierwszego molekularnego lasera COkonstrukcja pierwszego molekularnego lasera CO22,, C.K.N. PatelC.K.N. Patel(USA),(USA),

•• 19651965--6767 –– rozwrozwóój cij cięęcia laserem COcia laserem CO22 ,,•• 19721972 –– pierwszy laser ekscymerowy, H. A. Kohler,pierwszy laser ekscymerowy, H. A. Kohler,•• 19861986 –– opracowanie metody selektywnego spiekania laserowegoopracowanie metody selektywnego spiekania laserowego

OBSZARY ZASTOSOWAOBSZARY ZASTOSOWAŃŃ::•• Pomiary (odlegPomiary (odległłoośści, przemieszczeci, przemieszczeńń, chropowato, chropowatośści, skanowanie przestrzenne,ci, skanowanie przestrzenne, ……))•• WskaWskaźźniki, celowniki, poziomice,niki, celowniki, poziomice, ……•• Wykrywanie obiektWykrywanie obiektóów, identyfikacja,w, identyfikacja, ……•• Transmisja danych,Transmisja danych, ……•• HolografiaHolografia•• Pokazy wizualne, rozrywkaPokazy wizualne, rozrywka•• GGłłowice odczytujowice odczytująącoco--zapisujzapisująące (CD, DVD, do kodce (CD, DVD, do kodóów kreskowych,w kreskowych, ……))•• Medycyna (skalpel, naMedycyna (skalpel, naśświetlania, korekcja wzroku, stomatologia,wietlania, korekcja wzroku, stomatologia, ……))•• KosmetykaKosmetyka•• Wojsko (celowniki,Wojsko (celowniki, „„dziadziałłaa”” laserowe, sterowanie bombami,laserowe, sterowanie bombami, ……))•• Technika (ciTechnika (cięęcie, spawanie, napawanie, lutowanie, obrcie, spawanie, napawanie, lutowanie, obróóbka cieplna, znakowanie,bka cieplna, znakowanie,

toczenie, frezowanie, wykonywanie otwortoczenie, frezowanie, wykonywanie otworóów, wspomaganie oddzielaniaw, wspomaganie oddzielaniamateriamateriałłóów, inw, inżżynieria powierzchni, mikroobrynieria powierzchni, mikroobróóbka, stereolitografia laserowa ibka, stereolitografia laserowa ispiekanie proszkspiekanie proszkóóww àà szybkie prototypowanie RP/RT,szybkie prototypowanie RP/RT, ……))

•• Chemia (selektywna kataliza reakcji chemicznych)Chemia (selektywna kataliza reakcji chemicznych)

LASERYLASERY

3

LASERYLASERY

4

Podstawowe cechy charakteryzujPodstawowe cechy charakteryzująące wice wiąązkzkęę laserowlaserowąą to:to:•• elektromagnetyczne promieniowanie monochromatyczne,elektromagnetyczne promieniowanie monochromatyczne,•• fotony poruszajfotony poruszająące sice sięę z prz pręędkodkośściciąą śświatwiatłła,a,•• promieniowanie rpromieniowanie róównolegwnoległłe i spe i spóójne,jne,•• podlega ona prawom optyki,podlega ona prawom optyki,•• olbrzymia golbrzymia gęęstostośćść mocy, do 10mocy, do 101515 W/cmW/cm22 (ma(małła sprawnoa sprawnośćść 0,10,1--2020--50%)50%),,•• koncentracja wikoncentracja wiąązki w ognisku ozki w ognisku o śśrednicy <0,001rednicy <0,001 –– 0,5 mm,0,5 mm,•• zrzróóżżnicowana strefa oddzianicowana strefa oddziałływaywańń cieplnychcieplnych.

LASERYLASERY

5Zakresy fal elektromagnetycznych stosowane w laserachZakresy fal elektromagnetycznych stosowane w laserach

LASERYLASERY

6Zakresy fal elektromagnetycznychZakresy fal elektromagnetycznych

LASERYLASERY

7Zakresy fal elektromagnetycznychZakresy fal elektromagnetycznych

LaserLaser to urzto urząądzenie mechaniki kwantowej, generujdzenie mechaniki kwantowej, generująące lub wzmacniajce lub wzmacniająące spce spóójnejnepromieniowanie elektromagnetyczne.promieniowanie elektromagnetyczne.

Zasada dziaZasada działłania laseraania lasera polega na wymuszonym wzmocnieniu promieniowaniapolega na wymuszonym wzmocnieniu promieniowaniaelektromagnetycznego, zachodzelektromagnetycznego, zachodząącym w ukcym w ukłładach atomadach atomóów, jonw, jonóów lub molekuw lub molekułł..

Do pompowania uDo pompowania użżywa siywa sięę źźrróódedełł energiienergii::•• WyWyłładowania elektryczne (w gazach)adowania elektryczne (w gazach)•• PrPrąąd elektrycznyd elektryczny•• WiWiąązka elektronzka elektronóóww•• Procesy chemiczneProcesy chemiczne•• Promieniowanie laserowePromieniowanie laserowe•• SilneSilne źźrróóddłłaa śświatwiatłłaa•• Promienie XPromienie X

LASERYLASERY

8

< 20 000< 1000

(Q-switching)< 10Moc szczytowa

impulsu, kW

do 0,25do1,5do 25Moc średnia,kW

EkscymerowyND:YAGCO2Laser

Zasada dziaZasada działłania laseraania lasera

LASERYLASERY

Efekt kaskadowyEfekt kaskadowy

LASERYLASERY

10

RodzajRodzajóów laserw laseróóww(Podzia(Podziałł ze wzglze wzglęędu nadu na

oośśrodek rodzaj rezonatora)rodek rodzaj rezonatora)

Lasery na ciele staLasery na ciele stałłymymnp. rubinowy, neodymowy na szkle lub YAGnp. rubinowy, neodymowy na szkle lub YAG--u, erbonowy na YAGu, erbonowy na YAG--u, tytanowyu, tytanowyna szafirze,na szafirze,

Lasery gazoweLasery gazowenp. COnp. CO22, helowo, helowo--neonowy, argonowy, kryptonowy, azotowy, ekscimeroweneonowy, argonowy, kryptonowy, azotowy, ekscimerowe

Lasery na cieczyLasery na cieczynp. barwnikowynp. barwnikowy

Lasery pLasery póółłprzewodnikoweprzewodnikowenp. lasery znp. lasery złąłączowe diodowe, bezzczowe diodowe, bezzłąłączowe oraz na wolnych elektronachczowe oraz na wolnych elektronach

%%--towy udziatowy udziałł rróóżżnych rodzajnych rodzajóów laserw laseróóww

LASERYLASERY

11

12

LASERYLASERY -- Zasada dziaZasada działłaniaania

FFÖÖRSTER D. MRSTER D. MÜÜLLER W.LLER W.

13


FILM (30s)FFÖÖRSTER D. MRSTER D. MÜÜLLER W.LLER W.

14

11 -- prpręęt laserowy, 2t laserowy, 2 -- zwierciadzwierciadłło nieprzepuszczalne, 3o nieprzepuszczalne, 3 -- zwierciadzwierciadłło czo częśęściowociowoprzepuszczalne (przepuszczalne (okookołło 5%o 5%), 4), 4 -- lampa blampa błłyskowo pompujyskowo pompująąca, 5ca, 5 -- reflektor,reflektor,

66 -- wiwiąązka laserowa, 7zka laserowa, 7 -- zwierciadzwierciadłło kierunkowe,o kierunkowe,88 -- ukukłład optyczny, ogniskujad optyczny, ogniskująący wicy wiąązkzkęę laserowlaserowąą, 9, 9 -- przedmiotprzedmiot



15

Schemat lasera COSchemat lasera CO22 pracujpracująącego wg zasady powolnego przepcego wg zasady powolnego przepłływuywu11--zwierciadzwierciadłło odbijajo odbijająące, 2ce, 2--dopdopłływ mieszaniny gazyw mieszaniny gazóów, 3w, 3--odpodpłływ gazyw gazóów,w,

44--dopdopłływ cieczy chyw cieczy chłłodzodząącej, 5cej, 5--odpodpłływ cieczy, 6yw cieczy, 6--zwierciadzwierciadłło odchylajo odchylająące, 7ce, 7--rezonator,rezonator,88--elektrody, 9elektrody, 9--zwierciadzwierciadłło czo częśęściowo przepuszczajciowo przepuszczająące, 10ce, 10--wiwiąązka laserowazka laserowa [Oczo[Oczośś]]

WW laserach molekularnych COlaserach molekularnych CO22 wzbudzane swzbudzane sąą czcząąsteczki COsteczki CO22 na skutek zderzena skutek zderzeńń zz powstajpowstająącymi przycymi przywywyłładowaniach elektrycznych rozpadowaniach elektrycznych rozpęędzonymi elektronami oraz ze wzbudzonymi czdzonymi elektronami oraz ze wzbudzonymi cząąstkami Nstkami N22. Wzbudzone. Wzbudzoneczcząąsteczki dwutlenku wsteczki dwutlenku węęgla wracajgla wracająąc do poziomu podstawowego emitujc do poziomu podstawowego emitująą promieniowanie podczerwonepromieniowanie podczerwoneoo ddłługougośści fali 10,63ci fali 10,63 mmmm. O. Ośśrodek czynny lasera jest pobudzany przez pole elektryczne powstarodek czynny lasera jest pobudzany przez pole elektryczne powstałłe wskuteke wskutekdoprowadzenia elektroddoprowadzenia elektrod wysokiego napiwysokiego napięęcia stacia stałłegoego bbąąddźź przezprzez szybko zmienne pole elektromagnetyczneszybko zmienne pole elektromagnetyczne oowielkiej czwielkiej częęstotliwostotliwośści. Moc laserci. Moc laseróów COw CO22 500500--20 000W20 000WSprawnoSprawnośćść laserlaseróów COw CO22 jest stosunkowo wysoka i wynosi do 20%.jest stosunkowo wysoka i wynosi do 20%.

Zasada dziaZasada działłania Lasera COania Lasera CO22

16

1.1. WiWiąązka laserazka lasera2.2. ZwierciadZwierciadłłoo

przepuszczajprzepuszczająącece3.3. ZwierciadZwierciadłło odbijajo odbijająącece4.4. Odprowadzenie wodyOdprowadzenie wody

chchłłodzodząącejcej5.5. ŹŹrróóddłło pro prąądudu6.6. Doprowadzenie wodyDoprowadzenie wody

chchłłodzodząącejcej7.7. ZwierciadZwierciadłło odbijajo odbijająącece8.8. Strefa wyStrefa wyłładowaadowańń

elektrycznychelektrycznych9.9. ElektrodyElektrody



17Zasada dziaZasada działłania Lasera COania Lasera CO22 [3][3]

20

LASERYLASERY -- Zasada dziaZasada działłaniaaniaPrzesyPrzesyłłanie wianie wiąązki laserazki lasera [3][3]

21

LASERYLASERY -- Zasada dziaZasada działłaniaaniaMonitorowanie procesuMonitorowanie procesu


22

Lasery ekscymeroweLasery ekscymerowe ssąą laserami wzbudzanymi wylaserami wzbudzanymi wyłładowaniem elektrycznym i pracujadowaniem elektrycznym i pracująątylko w retylko w reżżimie impulsowym. Simie impulsowym. Sąą to lasery oparte na klasycznym COto lasery oparte na klasycznym CO22 z domieszkz domieszkąą NN22 i He ii He idodatkowo z Ododatkowo z O22, CO i XE. Wytwarzaj, CO i XE. Wytwarzająą śświatwiatłło w pao w paśśmie ultrafioletowym i ultrafioletumie ultrafioletowym i ultrafioletuprpróóżżniowego o dniowego o dłługougośćść fali w zakresie 157fali w zakresie 157--351 nm. Wykorzystywane s351 nm. Wykorzystywane sąą one przedeone przedewszystkim do mikroobrwszystkim do mikroobróóbki, znakowania i wykonywania otworbki, znakowania i wykonywania otworóów.w.SprawnoSprawnośćść wynosi okowynosi okołło 1%.o 1%.

Ogniskowanie wiOgniskowanie wiąązkizki śświatwiatłłaa

LASERYLASERY

23PrzykPrzykłłady ksztaady kształłtowania laserami ekscymerowymitowania laserami ekscymerowymi


24

Lasery diodoweLasery diodowe

Laser Nd:YAG pompowany laserem diodowym

25


Laser Nd:YAG

LASERYLASERY

26

Laser Nd:YAG

LASERYLASERY

27

Laser włóknowy, dwupłaszowy pompowany diodowo [Oczoś]

LASERYLASERY

28

Lasery femtosekundowe (w wiLasery femtosekundowe (w więększokszośści szafirowe):ci szafirowe):•• Szeroka krzywa wzmocnienia.Szeroka krzywa wzmocnienia.•• PPłłynne przestrajanie dynne przestrajanie dłługougośści generowanej fali (700ci generowanej fali (700--950nm).950nm).•• Czas impulsu zaledwie kilkadziesiCzas impulsu zaledwie kilkadziesiąąt femtosekund (femtot femtosekund (femto àà 1010--1515).).•• Niskoenergetyczne impulsy.Niskoenergetyczne impulsy.•• Moc szczytowa 15 GW.Moc szczytowa 15 GW.•• Bardzo dobra jakoBardzo dobra jakośćść powierzchni.powierzchni.

Lasery z krLasery z króótkimi i ultrakrtkimi i ultrakróótkimi czasami trwania impulsutkimi czasami trwania impulsu [Oczo[Oczośś]]

LASERYLASERY

29

LaserDługość fali

nmCzas trwania

impulsuCzęstotliwość

kHz

CO2 10600 200 ms 5

ND:YAG1064, 532355, 266

100 ms10 ms

50

Ekscymerowy 193 - 351 20 ms 0,5

Femtosekundowy 775 100 fs 1

[3][3]

LASERYLASERY

30

PorPoróównanie laserwnanie laseróów z rw z róóżżnymi czasami trwania impulsu oraz ichnymi czasami trwania impulsu oraz ichwydajnowydajnośści i kosztci i kosztóóww [Oczo[Oczośś]]

LASERYLASERY

31

Porównywany parametrTyp lasera na ciele stałym

Nd:YAGNd:YAG

Q-switched1)

Nd:YAGCPA2)

Czas trwania impulsu 1 ms 100 ns 100 fs

Natężenie, W/cm2 106 108 1015

Moc średnia, W 100 -1000 100 -1000 1 -10

Jakość obróbki słaba dobra doskonała

Wydajność/prędkość wysoka wysoka bardzo niska

Koszty własne niskie średnie wysokie1) Laser Nd:YAG z modulacją dobroci rezonatora (Q-switching)2) Laser szafirowy, domieszkowany jonami tytanu z techniką wzmacniania impulsów z modulacjączęstotliwości – CPA (chiped pulse amplification)

LASERYLASERY -- ZastosowaniaZastosowania

32

nagrzewanienagrzewanie topienietopienie topienie itopienie iodparowanieodparowanie

odparowanieodparowanie odparowanieodparowaniei jonizacjai jonizacja

sublimacja isublimacja ibezpobezpośśredniarednia

dysocjacjadysocjacja

30 W/mm30 W/mm22 1 kW/mm1 kW/mm22 10 kW/mm10 kW/mm22 1 MW/mm1 MW/mm22 10 MW/mm10 MW/mm22 10 GW/mm10 GW/mm22

ss msms msms msms nsns psps

hartcowanie,hartcowanie,lutowanielutowanie

strukturyzowaniestrukturyzowaniewierceniewiercenie

wg Buchfink [3]

hartowanie,hartowanie,lutowanielutowanie

spawaniespawanie ablacja,ablacja,grawerowaniegrawerowanie

OddziaOddziałływanie wiywanie wiąązkizki śświatwiatłła zalea zależży od:y od:-- pochpochłłanialnoanialnośści (kolor, chropowatoci (kolor, chropowatośćść, itp.),, itp.),-- przewodnoprzewodnośści cieplnej materiaci cieplnej materiałłu ksztau kształłtowanego,towanego,-- parametrparametróów wiw wiąązki (dzki (dłługougośści fali , natci fali , natężężenia laser, cienia laser, ciąąggłła, impulsowa,a, impulsowa,itp.)itp.)

LASERYLASERY -- CICIĘĘCIECIE

33

W roku 1971 wprowadzono dodatkowo do procesu ciW roku 1971 wprowadzono dodatkowo do procesu cięęcia strumiecia strumieńń gazu. Poprawigazu. Poprawiłłooto usuwanie stopionego metalu ito usuwanie stopionego metalu i żżuużżla ze szczeliny. Dzila ze szczeliny. Dzięęki czemu uzyskanoki czemu uzyskanoznaczne podwyznaczne podwyżższenie prszenie pręędkodkośści cici cięęcia i wcia i wężęższsząą szczelinszczelinęę. Szczelina ci. Szczelina cięęciaciawiwiąązkzkąą lasera mielasera mieśści sici sięę w granicach 0,1w granicach 0,1--0,70,7 mm. Jako gazy umm. Jako gazy użżywane do cieciaywane do cieciametali stosuje simetali stosuje sięę powszechniepowszechnie azot i tlenazot i tlen. Do niemetali mo. Do niemetali możże bye byćć stosowanestosowanepowietrzepowietrze.. CiCięęcie:cie: -- z utlenianiem,z utlenianiem,

-- ze stapianiem,ze stapianiem,-- z odparowaniemz odparowaniem.


34

CiCięęcie promieniem lasera jestcie promieniem lasera jestjednym z najbardziejjednym z najbardziejenergooszczenergooszczęędnych procesdnych procesóów cieciaw cieciatermicznego w portermicznego w poróównaniu z innymiwnaniu z innymimetodami.metodami.ZuZużżycie energii na przeciycie energii na przecięęcie blachycie blachystalowej o grcbostalowej o grcbośści 5ci 5 –– 6 mm6 mmii ddłługougośści 1m.ci 1m.


35PrzykPrzykłład urzad urząądzenia do wycinania laserowegodzenia do wycinania laserowego


36

PrzykPrzykłład urzad urząądzenia do wycinania laserowegodzenia do wycinania laserowego

37

Laser do spawania o szerokoLaser do spawania o szerokośści stoci stołłu 30 mu 30 m [Trumpf][Trumpf]



38Widok przedmiotu ksztaWidok przedmiotu kształłtowanego witowanego wiąązkzkąą śświatwiatłła laserowegoa laserowego


39

Wycinanie z duWycinanie z dużążą prpręędkodkośściciąą

FILMFILM (1min20s)(1min20s)


40

WyglWygląąd powierzchni przecid powierzchni przecięęcia dla rcia dla róóżżnychnych prpręędkodkośści cici cięęciacia::a)a) vvcc = 1 m/min= 1 m/min, b), b) vvcc = 3 m/min= 3 m/min, c), c) vvcc = 3,6 m/min= 3,6 m/min,,

materiamateriałł –– stal;stal; gg=2 mm;=2 mm; PP=450 W;=450 W; ppgg=0,5 MPa=0,5 MPa

Zmiany jakoZmiany jakośści powierzchni przecici powierzchni przecięęcia w zalecia w zależżnonośści odci od czasu trwania impulsuczasu trwania impulsu::a)a) tt =1,25 ms=1,25 ms, b), b)tt =1,75 ms=1,75 ms, c), c)tt =2 ms=2 ms;; ffreprep=400 Hz=400 Hz


41

CiCięęcie z utlenianiemcie z utlenianiem -- spala i wydmuchuje roztopiony materiaspala i wydmuchuje roztopiony materiałł::•• MateriaMateriałł cicięęty powinien byty powinien byćć: podatny na utlenianie, mie: podatny na utlenianie, miećć dudużże ciepe ciepłłoowwłłaaśściwe, maciwe, małąłą przewodnoprzewodnośćść cieplncieplnąą..•• DuDużża wydajnoa wydajnośćść cicięęcia do 10 m/min.cia do 10 m/min.

CiCięęcie ze stapianiemcie ze stapianiem -- gaz obojgaz obojęętny (azot, argon) wydmuchuje roztopionytny (azot, argon) wydmuchuje roztopionymateriamateriałł::•• GazGaz obojobojęętny zapobiega utlenianiu.tny zapobiega utlenianiu.•• Wymagana wiWymagana więększa moc lasera ze wzglksza moc lasera ze wzglęędu na brak ciepdu na brak ciepłła spalania.a spalania.•• Nieutlenione powierzchnie i krawNieutlenione powierzchnie i krawęędzie.dzie.

CiCięęcie z odparowaniemcie z odparowaniem -- gazgaz obojobojęętny (azot, argon) wydmuchuje odparowanytny (azot, argon) wydmuchuje odparowanymateriamateriałł::•• GazGaz obojobojęętny zapobiega utlenianiu.tny zapobiega utlenianiu.•• Wymagana wiWymagana więększa moc lasera ze wzglksza moc lasera ze wzglęędu na brak ciepdu na brak ciepłła spalania.a spalania.•• Nieutlenione powierzchnie i krawNieutlenione powierzchnie i krawęędzie.dzie.


42

Blacha ze stali nierdzewnejo grubości 3/8’’, ½’’, 1’’cięta laserem o mocy 6kW


43


Przykłady wykonywanianacięć odprężających, np.w tarczach do przecinaniaściernego [EDESSÖ]

44


45


46


Wycinanie materiałów niemetalowych [Fraunhofer IWS]

LASERYLASERY -- CICIĘĘCIE PRZESTRZENNECIE PRZESTRZENNE

47

Profil wycięty laserem

Schemat głowicy laserowej do cięcia

Cięcie spienionego materiałusandwiczowego (dwie zewnętrzne blachy zAl w środku pianoaluminium) [Kaufman]


48

PrzykPrzykłłady usytuowania laserady usytuowania laseróów do wycinania przestrzennegow do wycinania przestrzennego

55--oośściowy robotciowy robotportalowyportalowy

Roboty laserowe (CORoboty laserowe (CO22) usytuowane na r) usytuowane na róóżżnychnychramionach robota + zintegrowane prowadzenie wiramionach robota + zintegrowane prowadzenie wiąązkizki


49

Widok gWidok głłowicy laserowej i urzowicy laserowej i urząądzenia do wycinania (3D)dzenia do wycinania (3D)


50PrzykPrzykłład wycinania przestrzennego i pad wycinania przestrzennego i płłaskiegoaskiego [wg DMG][wg DMG]


51

StentyStenty[Forschungszentrum Karlsruhe GmbH][Forschungszentrum Karlsruhe GmbH]

Frez do koFrez do kośścici [3]][3]]

StentyStenty[Rofin][Rofin]


52

PrzykPrzykłład wycinania przestrzennegoad wycinania przestrzennego



LASERYLASERY -- DrDrążążenie otworenie otworóóww

53

Wykonywanie otworu smarowniczego (20Wykonywanie otworu smarowniczego (20oo wzglwzglęędem powierzchni)dem powierzchni) [3][3]


54Odmiany laserowego drOdmiany laserowego drążążenia otworenia otworóóww [wg. Oczosia][wg. Oczosia]

PrecyzjaPrecyzjadrdrążążeniaenia

Energia impulsuEnergia impulsuCzas impulsuCzas impulsu

DrDrążążenie jednoenie jedno--impulsoweimpulsowe

DrDrążążenieeniewieloimpulsowewieloimpulsowe

DrDrążążenieenietrepanacyjnetrepanacyjne

DrDrążążenieeniespiralnespiralne


55

Metalowy filtr z otworamiMetalowy filtr z otworami(500 otwor(500 otworóów/s z tolerancjw/s z tolerancjąą ±±1010mmm)m) [[Deiter]Deiter]

Otwory oOtwory o śśrednicyrednicy 2828mmmmwykonane w folii Al o grubowykonane w folii Al o grubośścici

0,1mm0,1mm[[Baumeister]]Baumeister]]


56

OtwOtwóór wykonanyr wykonanydrdrążążeniem spiralnymeniem spiralnym

(d=70(d=70 mmm i l=1mm)m i l=1mm) [[Deiter]Deiter]

OtwOtwóór wykonany drr wykonany drążążeniem spiralnymeniem spiralnym(d=70(d=70 mmm i l=1mm)m i l=1mm) [[Deiter]Deiter]

[3]


57

Dysze przDysze przęędzalnicze wykonane w materialedzalnicze wykonane w materialeceramicznym w porceramicznym w poróównaniu z wielkownaniu z wielkośściciąą

mikroukmikroukłładu scalonegoadu scalonego [Laserzentrum FH Munster][Laserzentrum FH Munster]

LASERYLASERY -- CiCięęcie diamentcie diamentóóww

58

Schemat dziaSchemat działłania obrania obróóbki hybrydowejbki hybrydowejWiWiąązkazka śświatwiatłła w strudze wodneja w strudze wodnej [wg SYNOVA][wg SYNOVA]

Woda20-500 bar

Dysza D=25-120µm

Dysza

Kształtowanyprzedmiot

Soczewka

Wiązka światłalaserowego

Okno

Struga wodna o średnicymniejszej o 15% od dyszy D

Całkowitewewnętrzneodbicie

Powietrznaszczelina

D+2-5µm

Max

~10

00D

Dysza


59

Widok i dane techniczne obrabiarkiWidok i dane techniczne obrabiarki[SYNOVA][SYNOVA]


60

PorPoróównanie ksztawnanie kształłtowaniatowanialaserem diamentlaserem diamentóów metodw metodąątradycyjntradycyjnąą i MikroJeti MikroJet [SYNOVA][SYNOVA]

Zmiennaszerokośćcięciazależna odgłębokościcięcia

stała szerokość cięciaprzy każdej głębokości

Wymagane precyzyjneogniskowanie wiązkidostrajane do głębokościcięcia

Nie ma wymagań co do precyzyjnegoogniskowania wiązki, możliwe jestprzecinanie 3D, głębokość cięcia do kilkucm

Stożkowy kształt wiązkilaserowej pozostawia nierównoległe krawędzie

Cylindryczny kształt wiązki laserowejpozostawia równoległe krawędzie

Uzyskane krawędzie zawszebędą pod pewnym kątem

Duża równoległość brzegów, bardzo małaszczelina cięcia, minimalne stratymateriału, możliwość cięcia na większągłębokość przy zachowaniu stałejszczeliny cięcia

Strefa wpływu ciepła Chłodzenie wodą pozwala uniknąćuszkodzeń termicznych i zmian w materiale

Niesprawne usuwaniemateriału powodujepowstawanie nierówności(prążków)

Dzięki wysokiej energii kinetycznejstrumienia wody stopiony materiał jestusuwany ze szczeliny, dobra jakośćpowierzchni

Duża wydajność cięcia (obróbki)Mała wydajność cięcia(obróbki)


61

PrzykPrzykłłady monokrysztaady monokryształłóówwsyntetycznego diamentusyntetycznego diamentu

[ELEMENTSIX][ELEMENTSIX]

LASERYLASERY -- GrawerowanieGrawerowanie

62

LASERYLASERY -- StrukturyzowanieStrukturyzowanie

63

PrzykPrzykłłady wzorady wzoróów powierzchniw powierzchniwykonywanych laserowymwykonywanych laserowym

strukturyzowaniemstrukturyzowaniem

Strukturyzowanie zakotwiczenia protezy stawuStrukturyzowanie zakotwiczenia protezy stawubiodrowegobiodrowego [3][3]


64DMGDMG


65

DziaDziałłanie udaroweanie udarowelaseralasera

LASERYLASERY -- Usuwanie materiaUsuwanie materiałłuu

66

KanaKanałłki izolujki izolująącece śściecieżżekekprzewodzprzewodząących mikroukcych mikroukłładadóóww [IPKF][IPKF]

KanaKanałłki izolujki izolująące baterii sce baterii słłonecznejonecznej [3][3]

LASERYLASERY -- Usuwanie materiaUsuwanie materiałłuu

67

PrzykPrzykłłady wzorady wzoróów powierzchni wykonywanychw powierzchni wykonywanychlaserowym strukturyzowaniemlaserowym strukturyzowaniem

[Forschungszentrum Karlsruhe GmbH][Forschungszentrum Karlsruhe GmbH]

LASERYLASERY -- PolerowaniePolerowanie

68„„PolerowaniePolerowanie”” wiwiąązkzkąą śświatwiatłła laserowego powierzchni materiaa laserowego powierzchni materiałłu spiekanego laserowou spiekanego laserowo [2][2]

LASERYLASERY -- „„GGłładzenieadzenie””

Spiralne, klasyczne gSpiralne, klasyczne głładzenieadzenie((śślizgowe) powierzchni cylindrlizgowe) powierzchni cylindróówwspalinowego silnika tspalinowego silnika tłłokowegookowego

Powierzchnia plateau

10÷60 μm 125÷600 μm

4÷10 μm

1÷3 μm

2a =60÷80˚

Oś tulei

Głębokierysy

Powierzchniaplateau

6969

LASERYLASERY -- „„GGłładzenieadzenie””

70

GGłłowica laserowa wykonujowica laserowa wykonująącacanacinacięęcia w tulei cylindrowej silnikacia w tulei cylindrowej silnika

spalinowegospalinowego[3]

kieszenie

LASERYLASERY -- SPAWANIESPAWANIE

71


72

Spawanie czSpawanie częśęści maszynci maszyn

Spawanie wieSpawanie wieńńca koca kołłaazzęębategobatego


73

Spawanie rurSpawanie rur


74

Spawanie karoserii samochodowychSpawanie karoserii samochodowych

PrzykPrzykłład spawania przestrzennegoad spawania przestrzennego

FILMFILM (20s)(20s)

FILMFILM (55s)(55s)


75

Spawanie laserem diodowymSpawanie laserem diodowym

FILMFILM (32s)(32s)


Spawanie laserem diodowymSpawanie laserem diodowym

FILMFILM

RofinRofin


LASERYLASERY -- NAPAWANIENAPAWANIE

PrzykPrzykłłady napawanychady napawanychczczęśęścici

gazowegazowelaserowelaserowe

76


77PrzykPrzykłłady napawanych czady napawanych częśęścici

FILMFILM (1min30s)(1min30s)FFÖÖRSTER D. MRSTER D. MÜÜLLER W.LLER W.

gazowegazowe laserowelaserowe

laserowelaserowe

78



79

FILMFILM


LASERYLASERY -- NATAPIANIENATAPIANIE

80

NadtapianieNadtapianie.. Obejmuje grupObejmuje grupęętechnologii realizowanych przytechnologii realizowanych przywiwięększych gkszych gęęstostośściach mocy iciach mocy iszybkoszybkośściach nagrzewania,ciach nagrzewania,polegajpolegająących na gwacych na gwałłtownymtownymprzetopienie cienkiej warstwyprzetopienie cienkiej warstwywierzchniej materiawierzchniej materiałłu podu podłłoożża luba lubnaniesionej na niej pownaniesionej na niej powłłoki i roki i róówniewniegwagwałłtownie po nim nasttownie po nim nastęępujpująącejcejkrystalizacji. Natapianie powodujekrystalizacji. Natapianie powodujezmianzmianęę chropowatochropowatośści powierzchni.ci powierzchni.Dzieli siDzieli sięę na:na:-- hartowanie przetopieniowe,hartowanie przetopieniowe,-- szkliwienie,szkliwienie,-- zagzagęęszczanieszczanie..

[Burakowski]


81

Szkliwienie [Burakowski]

SzkliwienieSzkliwienie, czyli uzyskiwanie warstw, czyli uzyskiwanie warstwamorficznych, polega na nagrzaniuamorficznych, polega na nagrzaniuii nastnastęępnym bardzo szybkim ochpnym bardzo szybkim ochłłodzeniuodzeniustali.stali.


82

11 -- wiwiąązka laserowa,zka laserowa,22 -- porowata powporowata powłłoka natryskiwana cieplnie ooka natryskiwana cieplnie o

grubogrubośści dci dnn,,33 -- strefa przetopiona o grubostrefa przetopiona o grubośści dci dpp<d<dnn,,44 -- strefa postrefa połąłączenia metalurgicznego ,czenia metalurgicznego ,55 -- strefa wpstrefa wpłływu ciepywu ciepłła,a,66 -- podpodłłoożżee [Burakowski][Burakowski]

ZagZagęęszczanieszczanie polega napolega naprzetopieniu na pewnprzetopieniu na pewnąą ggłęłębokobokośćśćwarstwy wierzchniej lub nawarstwy wierzchniej lub nałłoożżonej naonej naniniąą powpowłłoki w celu uzyskaniaoki w celu uzyskaniamateriamateriałłu ou o wiwięększej gkszej gęęstostośści.ci.Towarzyszy temu ujednorodnienieTowarzyszy temu ujednorodnieniestruktury i zmiana stanu naprstruktury i zmiana stanu naprężężeeńńwwłłasnych, a w przypadku powasnych, a w przypadku powłłokokuzyskanie lepszego niuzyskanie lepszego niżż przy samymprzy samymnatryskiwaniu, metalicznegonatryskiwaniu, metalicznegopopołąłączenia powczenia powłłoki z podoki z podłłoożżem.em.Stosuje siStosuje sięę do uszczelnianiado uszczelnianiapowierzchni:powierzchni:-- spiekanych stali z wspiekanych stali z węęglikami,glikami,-- powpowłłok natryskiwanych cieplnie.ok natryskiwanych cieplnie.

LASERYLASERY -- STOPOWANIESTOPOWANIE

83

Schemat stopowania laserowego:Schemat stopowania laserowego:a) przetapianie b)a) przetapianie b) wtapianie:wtapianie:11 -- obiektyw lasera,obiektyw lasera,22 -- wiwiąązka laserowa,zka laserowa,33 -- materiamateriałł stopowany,stopowany,44 -- materiamateriałł stopujstopująący,cy,zzss -- grubogrubośćść warstwy stopowanej,warstwy stopowanej,zzpp -- grubogrubośćść powpowłłoki stopujoki stopująącejcej [Burakowski][Burakowski]

Stopowanie pStopowanie polega naolega najednoczesnym topieniu ijednoczesnym topieniu imieszaniu materiamieszaniu materiałłuustopujstopująącego icego istopowanego (podstopowanego (podłłoożża).a).W wyniku oddziaW wyniku oddziałływaniaywaniawiwiąązki laserowejzki laserowejmateriamateriałły topiy topiąą sisięę

LASERYLASERY -- WTAPIANIEWTAPIANIE

84

WtapianieWtapianie jest procesem jednostopniowym polegajjest procesem jednostopniowym polegająącym na wprowadzeniucym na wprowadzeniuww obszar dziaobszar działłania wiania wiąązki laserowej i w utworzone jeziorko przetopionego materiazki laserowej i w utworzone jeziorko przetopionego materiałłuustopowegostopowego –– materiamateriałłu stopuju stopująącego w postaci czcego w postaci cząąstek stastek stałłych albo wych albo w postaci gazu.postaci gazu.

Schemat wtapiania: a)Schemat wtapiania: a) proszkowego, b)proszkowego, b) gazowego:gazowego:11 -- wiwiąązka laserowa, 2zka laserowa, 2 -- zasobnik proszku, 3zasobnik proszku, 3 -- proszek stopujproszek stopująący,cy,

44 -- nadmuch gazu ochronnego, 5nadmuch gazu ochronnego, 5 -- gazy stopujgazy stopująące jeziorko,6ce jeziorko,6 -- warstwa stopu,warstwa stopu,77 -- strefa wpstrefa wpłływu ciepywu ciepłła, 8a, 8 -- materiamateriałł stopowany (podstopowany (podłłoożże)e) [ Burakowski, Wierzcho[ Burakowski, Wierzchońń]]

LASERYLASERY -- LUTOWANIELUTOWANIE

85

FILMFILM (18s)(18s)FFÖÖRSTER D. MRSTER D. MÜÜLLER W.LLER W.

LASERYLASERY -- HARTOWANIEHARTOWANIE

FILMFILM (35s)(35s)FFÖÖRSTER D. MRSTER D. MÜÜLLER W.LLER W.

8686


87

Hartowanie laserem diodowymHartowanie laserem diodowym

FILMFILM (50s)(50s) FILMFILM (30s)(30s)


88


Hartowanie łopatek turbin[Fraunhofer IWS DRESDEN]

Hartowanie [3]

LASERYLASERY -- FREZOWANIEFREZOWANIE

89

Schemat frezowaniaSchemat frezowania

Sterowanie wiSterowanie wiąązkzkąą śświatwiatłłaa

FILMFILM (8s)(8s)



90

FILMFILM (15s)(15s)



91


92

LASERYLASERY -- TOCZENIETOCZENIE

93

LASERYLASERY -- WSPOMAGANIE SKRAWANIAWSPOMAGANIE SKRAWANIA

94

strumień światła

strumień światła

Wspomaganie toczeniaWspomaganie toczenia Wspomaganie szlifowaniaWspomaganie szlifowania

LASERYLASERY -- WSPOMAGANIE SKRAWANIAWSPOMAGANIE SKRAWANIA

95

Toczenia samToczenia samąą wiwiąązkzkąą śświatwiatłłaalaserowegolaserowego

tlen wiór

topienie

strumień światła

LASERYLASERY -- WSPOMAGANIE NAGNIATANIAWSPOMAGANIE NAGNIATANIA

96

Schemat stanowiska doSchemat stanowiska donagniatania wspomaganegonagniatania wspomaganego

laseremlaserem


97

po toczeniupo toczeniu

po nagniataniupo nagniataniukonwencjonalnymkonwencjonalnym

po nagniataniupo nagniataniuwspomaganymwspomaganymlaseremlaserem


98

RozkRozkłład twardoad twardośści w warstwieci w warstwiewierzchniej po nagniataniuwierzchniej po nagniataniu

konwencjonalnym i wspomaganymkonwencjonalnym i wspomaganymlaseremlaserem


99

LASERYLASERY -- RAPID PROTOTYPINGRAPID PROTOTYPING

100

Spiekanie proszkSpiekanie proszkóów metalowych wiw metalowych wiąązkzkąą laserowlaserowąą

101

Spiekanie proszkSpiekanie proszkóów metalowych wiw metalowych wiąązkzkąą laserowlaserowąą


102Utwardzanie cieczy fotopolimerowych wiUtwardzanie cieczy fotopolimerowych wiąązkzkąą laserowlaserowąą


LASERYLASERY -- ZNAKOWANIEZNAKOWANIE

103

GrawerowanieGrawerowaniePodczas grawerowania materiaPodczas grawerowania materiałł jest odparowywany przez wijest odparowywany przez wiąązkzkęęlaserowlaserowąą. Aby osi. Aby osiąągngnąćąć taki wynik, moc witaki wynik, moc wiąązki laserowej przekraczazki laserowej przekraczapewnpewnąą wartowartośćść progowprogowąą. Ta warto. Ta wartośćść progowa jest szczegprogowa jest szczegóólnielniewysoka w przypadku materiawysoka w przypadku materiałłóów, ktw, któóre przewodzre przewodząą prprąąd elektryczny,d elektryczny,np. metali. Wynikiem tego jest stonp. metali. Wynikiem tego jest stożżkowe wgkowe wgłęłębienie wywobienie wywołłaneaneprofilem wiprofilem wiąązki laserowej, oraz przewodnozki laserowej, oraz przewodnośściciąą cieplncieplnąąmateriamateriałłu.u. Technika ta jest najszybszTechnika ta jest najszybsząą metodmetodąą obrobróóbki materiabki materiałłu.u.

AblacjaAblacjaPodczas ablacji odparowuje siPodczas ablacji odparowuje sięę powpowłłokokęę wierzchniwierzchniąą materiamateriałłu. Dou. Dograwerowania laserowego nadajgrawerowania laserowego nadająą sisięę zwzwłłaszcza cienkie powaszcza cienkie powłłoki, jak np.oki, jak np.warstwy kolorowe lub anodowane. Wysoki kontrast mowarstwy kolorowe lub anodowane. Wysoki kontrast możżna osina osiąągngnąćąć jujużżprzy niskiej mocy lasera, poniewaprzy niskiej mocy lasera, ponieważż cienka warstwa dobrze pochcienka warstwa dobrze pochłłaniaaniapromieniowanie. W przypadku lakierowanego plastiku po usunipromieniowanie. W przypadku lakierowanego plastiku po usunięęciuciujednej warstwy koloru mojednej warstwy koloru możżna osina osiąągngnąćąć wyglwygląądd „„noc i dzienoc i dzieńń”” –– tablicatablicawskawskaźźniknikóów samochodu.w samochodu.

WyWyżżarzaniearzanieKontrastowy znak moKontrastowy znak możżna utworzyna utworzyćć poprzez wypoprzez wyżżarzanie naarzanie namateriamateriałłach metalicznych. Wiach metalicznych. Wiąązka laserowa podgrzewa metal,zka laserowa podgrzewa metal,tworztworząąc strukturalne zmiany na jego powierzchni. Kolor znaku zalec strukturalne zmiany na jego powierzchni. Kolor znaku zależżyyod temperatury maksymalnej uzyskanej wod temperatury maksymalnej uzyskanej w metalu, wmetalu, włłaaśściwociwośścicimetalu i parametrmetalu i parametróów lasera. Wyw lasera. Wyżżarzanie umoarzanie umożżliwia uzyskanieliwia uzyskaniekontrastowego znaku bez niszczenia wykokontrastowego znaku bez niszczenia wykońńczenia metalu.czenia metalu.


104

WypalanieWypalanieGrawerowanie metalu moGrawerowanie metalu możżna uzyskana uzyskaćć poprzez wypaleniepoprzez wypaleniepowpowłłoki wierzchniej wykorzystujoki wierzchniej wykorzystująąc proszki ceramiczne.c proszki ceramiczne.Warstwa wierzchnia jest natryskiwana iWarstwa wierzchnia jest natryskiwana i usuwana pousuwana pozakozakońńczeniu procesu grawerowania. Ta procedura umoczeniu procesu grawerowania. Ta procedura umożżliwialiwiagrawerowanie powierzchni metalu przy pomocy lasera COgrawerowanie powierzchni metalu przy pomocy lasera CO22..W przypadku metali utlenianie odbywa siW przypadku metali utlenianie odbywa sięę na jego powierzchni.na jego powierzchni.DostDostęępne spne sąą taktakżże inne proszki, np. pozwalaje inne proszki, np. pozwalająące na grawerowace na grawerowa--nie szknie szkłła laserem Nd:YAG.a laserem Nd:YAG.

SpienianieSpienianieSpienianie jest czSpienianie jest częęsto usto użżywanywanąą techniktechnikąą ww przypadku pewnychprzypadku pewnychtyptypóów plastiku; mow plastiku; możżna jna jąą łłatwo rozpoznaatwo rozpoznaćć, gdy, gdyżż spienianaspienianapowierzchnia podnosi sipowierzchnia podnosi sięę. Spotkanie wi. Spotkanie wiąązki laserowej izki laserowej i powierzchnipowierzchnimateriamateriałłu powoduje jego topienie. Podczas tego procesu wytwarzaju powoduje jego topienie. Podczas tego procesu wytwarzająąsisięę ppęęcherzyki gazu, ktcherzyki gazu, któóre pozostajre pozostająą w materiale podczas jegow materiale podczas jegoschschłładzania, dajadzania, dająąc efekt podniesienia powierzchni materiac efekt podniesienia powierzchni materiałłu.u.

Zmiana koloru i wybielanieZmiana koloru i wybielanieTaki efekt jest moTaki efekt jest możżliwy do uzyskania wyliwy do uzyskania wyłąłącznie zcznie z plastikiem i zaleplastikiem i zależżyyod dod dłługougośści fali lasera. Wci fali lasera. W wiwięększokszośści przypadkci przypadkóów taki efekt jestw taki efekt jestmomożżliwy wyliwy wyłąłącznie z laserem Nd:YAG. W trakcie tego procesu wicznie z laserem Nd:YAG. W trakcie tego procesu wiąązkazkalasera penetruje plastik i jest pochlasera penetruje plastik i jest pochłłaniana przez pigment. Pigmentyaniana przez pigment. Pigmentyssąą modyfikowane chemicznie, co powoduje zmianmodyfikowane chemicznie, co powoduje zmianęę koloru materiakoloru materiałłu.u.PoniewaPonieważż wiwiąązka lasera wchodzi wzka lasera wchodzi w ggłąłąb plastiku, jego powierzchniab plastiku, jego powierzchniapozostaje niezmieniona. Zmiana koloru jest uzyskiwana zarpozostaje niezmieniona. Zmiana koloru jest uzyskiwana zaróówno wwno wpigmencie jak w materiale.pigmencie jak w materiale.


105

PrzykPrzykłłady znakowania czady znakowania częśęści maszyn [3]ci maszyn [3]


106

FILMFILM (32s)(32s) FILMFILM (15s)(15s)


LASERYLASERY -- ZASTOSOWANIEZASTOSOWANIE

107

RofinRofinPrzykPrzykłłady zastosowaady zastosowańń laserlaseróóww

DziDzięękujkujęę za uwagza uwagęę

108

LITERATURALITERATURA[1] F[1] FÖÖRSTER D., MRSTER D., MÜÜLLER W.: Laser in der Metallbearbeitung, Fachbuch LepzigLLER W.: Laser in der Metallbearbeitung, Fachbuch Lepzig[2] LAMIKIZ A., SNACHEZ J.A., LOPEZ de LAKALLE L.N., ARANA J.K.;[2] LAMIKIZ A., SNACHEZ J.A., LOPEZ de LAKALLE L.N., ARANA J.K.; Laser polishing of parts builtLaser polishing of parts built

up by selup by seleective laser sintering, Machine tools & Manufacture 48(2008)ctive laser sintering, Machine tools & Manufacture 48(2008)[3] BUCHFINK G.: The Laser as a tool, Vogel Buchverlag, W[3] BUCHFINK G.: The Laser as a tool, Vogel Buchverlag, Wüürzurg 2007.rzurg 2007.[4] Materia[4] Materiałły informacyjne firm (Rofin, Trumpf, Synova)y informacyjne firm (Rofin, Trumpf, Synova)

Cichy

Documents

Transcript of Cichy