Gerätetechnische Spezifizierung der Hochleistungslaseranlage im mollier-Bau Labor Raum 109a

Die Hochleistungslaseranlage besteht aus vier Lasergeräten: einem 10 kW Diodenlaser, einem 3 kW Diodenlaser , einem 2 kW CO2-Laser und einem Excimerlaser mit einer Pulsenergie >1 J . Die Wellenlängen und Strahlführungs- und –formungseinrichtungen der Hochleistungslaser sind speziell für ihren Einsatz zum Hochtemperaturfügen von Keramik und der Dekontamination von Oberflächen ausgelegt. Zwei CNC-Steuerungen erlauben die Ansteuerung und Programmierung aller Einzelkomponenten der Anlage sowie die zeitgleiche Ansteuerung aller Laser inklusive Relativbewegung (Koordinatentische und Scanner). Thermokameras dienen der Erfassung laserinduzierter Temperaturfelder. Ein Strahlungspyrometer erlaubt die temperaturabhängige Laserleistungsregelung. Die Excimerlaseranlage mit ihren optischen Komponenten und einer Vakuumkammer ist für das Verfahren der Pulsed Laser Deposition von keramischen Schichten ausgelegt.

1) Diodenlaser Laserline GmbH  Wellenlängen:           (915, 940, 980, 1030) nm Leistung:                  10,2 kW nach Faser 2) Diodenlaser Rofin Sinar GmbH Wellenlängen:           (808, 940) nm Leistung:                  3,1 kW direkt                                2,75 kW nach Faser 3) CO2-Laser Feinmechanische Werke Halle GmbH Wellenlänge:             10600 nm Leistung:                  2,0 kW 4) Excimerlaser LPXPro 305 F Coherent GmbH Wellenlänge:            248 nm max. Pulsenergie:     1,1 J 5) Galvanoscanner Scanlab A] 3-D-Scansystem für 2 kW CO2-Laser 6) Galvanoscanner Scanlab AG 2-D-Scansystem mit Breitbandbeschichtung für Diodenlaserstrahlung bis 6 kW 7) Feste Optik 3 kW Diodenlaser f = 66                      Spot = (1,3 x 1,3) mm f = 165                    Spot = (3,3 x 3,3) mm f = 508                    Spot = (10 x 10) mm 8) LLF Fokussiermodul 3 kW Diodenlaser f = 160                    Spot = 1,0 mm f = 300                    Spot = 7,6 mm f = 400                    Spot = 10 mm 9) LLF Fokussiermodul 10 kW Diodenlaser inklusive Teleskop f = 200 mm              Spot = 7,5 mm f = 300 mm              Spot = 11 mm f = 500 mm              Spot = 19 mm Rechteckoptik f = 400 mm              Spot = (45 x 10) mm

10) Feste Optik CO2-Laser f = 140 mm              Spot < 100 µm 11) Optische Bank Excimerlaser Abschwächer Teleskop Fokussierlinse Maske Projektion f = 500                     Spot = (1,5 x 1,5) mm Q > 20 J/cm² 12) Vakuumkammer V = 30 l pmax< 10-5 mbar 13) 4-Achs-Koordinatentisch  (x-y-z-a) v = 10 m/min / 100.000 °/min Positioniergenauigkeit 5 µm Wiederholgenauigkeit 1 µm (0,1 °) 14) 4-Achs-Koordinatentisch  (x-z-a-c) v = 10 m/min / 100.000 °/min Positioniergenauigkeit 5 µm Wiederholgenauigkeit 1 µm (0,1 °) achssynchrone Rotation von a und c möglich 15) Steuerung Laservorm GmbH CNC-basierte Steuerung zur kompletten Regelung und Steuerung von 3 kW Diodenlaser, CO2-Laser und deren Komponenten, Koordinatentisch (13) und allen damit verbundenen Arbeitsabläufen 16) Steuerung Laservorm GmbH übergeordnete CNC - zur kompletten Regelung und Steuerung des 10 kW Diodenlasers, Excimerlasers und deren Komponenten, Koordinatentisch (14) und allen damit verbundenen Arbeitsabläufen Verknüpfung mit der LVS 405 (15)

Diodenlaser Laserline

Der Diodenlaser „LDF 1500-10000, VG4L“ ist ein Produkt der Firma Laserline GmbH. Er ist direkt mit einer 15 m langen Lichtleitfaser gekoppelt (Kerndurchmesser 1,5 mm). Die maximale Strahlleistung am Bearbeitungsort beträgt 10,2 kW. Er emittiert die Wellenlängen 915 nm, 940 nm, 980 nm und 1030 nm, wobei alle Wellenlängen auch einzeln nutzbar sind. Die Intensitätsverteilung über den Strahlquerschnitt ist im Fokus nahezu konstant. Entsprechend der Arbeitsaufgaben wurden Optiken gewählt, die im Fokus über einen Durchmesser von 7,5 mm, 11,0 mm, 15,0 mm und 19,0 mm verfügen. Vorrangig zum Abtrag von Oberflächen werden Rechteckoptiken eingesetzt, die in Abhängigkeit von deren Aspektverhältnis und Fokussieroptik zu insgesamt zwölf verschiedenen Rechteckfoki einer maximalen Ausdehnung von 113 mm führen.

Diodenlaser Rofin

Der Diodenlaser „Rofin DL 031 Q“ ist ein Produkt der Firma ROFIN-SINAR Laser GmbH. Die maximale Laserleistung am Bearbeitungsort beträgt 3100W durch Wellenlängenkopplung: (808nm und 940nm) ±10nm. Um die unterschiedliche Wirkung beider Wellenlängen auf das Material untersuchen zu können, lassen sich beide Wellenlängen getrennt voneinander ansteuern. In diesem Fall kann bei 808nm eine Laserleistung von 1350W und bei 940nm 1750W genutzt werden.



Die Strahlung steht direkt nach dem Laser und am Ende einer 10m langen und 1,5mm starken Lichtleitfaser zur Verfügung. Da es sich bei Diodenlaserstrahlung um die mehrfach geformte Abbildung der einzelnen Diodenstacks handelt, kann mit einer geometrisch bestimmten Intensitätsverteilung auch nur in der Abbildung gerechnet werden. Nach der Faser ist diese über einer kreisförmigen Fläche nahezu konstant. In Anlehnung an die Arbeitsaufgabe wurden Optiken gewählt, deren Abbildung einen verhältnismäßig große Fläche beschreiben. Das sind für die statischen, transmissiven Optiken am Laser Brennweiten von 66mm (Abbildung ca. 0,8x1,3mm²), 165mm (Abbildung ca. 2x2,3mm²) und 500mm (Abbildung ca. 6,1x10mm²) und nach der Faser von 160mm (Abbildung Æ4,1mm),  300mm (Abbildung Æ7,6mm) und 400mm (Abbildung Æ10mm). Trotz der nach wie vor relativ schlechten Strahlqualität der Diodenlaser im Hochleistungsbereich (hier K=0,0014!) steht ein an die Faseroptik adaptives 2D-Scansystem  zur Verfügung.

CO₂- Laser

Der CO2-Laser „SM 2000 E“ ist ein Produkt der Firma FEHA Feinmechanische Werke Halle GmbH mit einer Wellenlänge von 10,6µm. Seine maximale kontinuierliche Laserleistung am Resonatorausgang beträgt min. 2000W und lässt sich ab 100W bis zum Maximum stufenlos einstellen. Die Intensitätsverteilung über den Strahlquerschnitt ist gaußförmig. Bei einer Resonatorlänge von 17,5m wird eine Strahlkennzahl von >0,8 garantiert. Der Strahl ist linear polarisiert. Der Laser kann alternativ im gepulsten Betrieb gefahren werden. Die geringst mögliche Pulsbreite beträgt 250µs und die maximal mögliche Pulsfrequenz 1kHz. Es können Pulsspitzen von >6kW erzeugt werden.


Der Laserstrahl wird über goldbeschichtete Planspiegel an zwei Bearbeitungsstationen reflektiert. Dort dienen eine statische Parabolspiegeloptik und eine Scanneroptik der Fokussierung (und Ablenkung) des Laserstrahls. Mit einer Brennweite von 150mm kann bei gegebener Strahlqualität ein Fokusradius von 42µm erreicht werden. Das führt zu maximal möglichen Intensitäten von 25MW/cm² im kontinuierlichen und 80MW/cm² im gepulsten Betrieb.

Excimerlaser

Der Excimerlaser „LPX Pro 305i“ der Firma Coherent GmbH emittiert eine Wellenlänge von 248 nm bei einer maximalen Pulsfrequenz von 50 Hz und einer Pulsdauer von 25 ns. Die maximale Pulsenergie beträgt 1,1 J. Der vorrangig zum Pulsed Laser Deposition von Hochleistungskeramik eingesetzte Laser wurde mit optischen Komponenten ausgestattet, die eine Energiedichte von >20 J/cm² im Fokus ermöglichen.

Scanner

Die drei Hochleistungsscanner der Firma Scanlab (für 2kW CO2-Laser ,3kW und 6 kW Diodenlaser)  lenken den Strahl zweidimensional über einen Winkel von 34,5° ab, wodurch sich im Fokus ein Bearbeitungsfeld von 170x170mm² ergibt. In dieser Ebene lässt sich eine typische Scangeschwindigkeit von 1,6m/s erreichen. Die Ablenkung des Laserstrahles würde zur winkelabhängigen Änderungen der Größe des Bearbeitungsfleckes auf der Ebene führen. Diese Änderungen können im CO2-Scanner durch eine der Fokussieroptik vorgelagerte axial flexible plan-konkav-Optik kompensiert werden, wodurch während der Bearbeitung der Fleckdurchmesser auf der Ebene konstant bleibt.

Koordinatentisch

Die Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Werkstück kann neben den Scannerspiegeln über zwei interpolierende 4-Achs-Koordinatensysteme (x-y-z-Linear, a- Rotation sowie x-z-Linear, a und c Rotation) der Firma Laservorm realisiert werden (Achsen Bosch, Antriebe Motorola). Die Verfahrstrecken betragen x= 320mm, y=220mm, z=220mm bei einer maximalen Geschwindigkeit von 10m/min und einer Positioniergenauigkeit von 1µm, die Rotationsachsen können unbegrenzt rotieren bei einer Positioniergenauigkeit von 0,1° und einer maximalen Rotationsgeschwindigkeit von 100.000 °/min. Die a- und c-Rotationsachsen sind synchronisiert. In Abhängigkeit von der Verfahrgeschwindigkeit der Achsen kann die Laserleistung beider Laser geregelt werden, um eine konstante Streckenenergie zu sichern.

Strahlungspyrometer

Zur Temperaturmessung und Laserleistungsregelung dient ein Strahlungspyrometer der Firma Heitronics. Bei Messwellenlängen zwischen 7,2…8,5µm (außerhalb aller gängigen Laserwellenlängen) lassen sich Temperaturen zwischen 500…2500°C kontinuierlich messen. Der Messfleck beträgt 1mm im Durchmesser. Bei vorgegebener Temperatur-Zeit-Kurve können sowohl CO2- als auch Diodenlaser geregelt werden.

Thermografiesysteme

Für die Erfassung von Temperaturfeldern der bestrahlten Keramikflächen dienen zwei Thermokameras der Firma Infratec. GmbH. Die Kameras messen im Wellenlängenbereich von 7,5…14 µm (die CO2-Wellenlänge ist ausgeblendet) Temperaturen im Bereich von -40…>2000 °C bei einer Auflösung von 1280 x 960 Pixeln. Die Software erlaubt die umfassende Analyse der Temperaturverteilung auf der Keramik zu jedem Zeitpunkt und Pixel während der Bearbeitung.


                                                                       Quelle: www.infratec.de

Steuerung

Zwei CNC-basierte SPS Steuerungen als Sondermaschinen der Firma Laservorm dienen der vollständigen und reproduzierbaren Regelung und Steuerung aller Arbeitsabläufe der Anlage über zwei Bedienpulte bzw. IPCs. Es werden alle Laser, die Scanner, Koordinatentische und Pyrometer in Abhängigkeit von Verfahrgeschwindigkeit, Temperatur und Relativposition des Bearbeitungswerkstückes geregelt und verschiedene Prozessgase sowie Absaugvorrichtungen angesteuert.





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