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In welche Teile wird auf eine Oberfläche einfallende Laserstrahlung aufgeteilt?
- reflektierte Strahlung
- absorbierte Strahlung
- transmittierte Strahlung
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Wie unterscheidet sich das Absorbtionsverhalten von Laserstrahlung in unterschiedlichen Materialien?
- Strahlung führt zu lokaler Aufheizung am Absorbtionsort
- In guten Wärmeleiter:
- Strahlung bereits nahe der Oberfläche vollständig absorbiert
- flache Wärmequelle an der Materialoberfläche (Oberflächenquelle)
- Von hier aus Wärmeausbreitung durch Wärmeleitung
- In Isolator mit großer Eindringtiefe:
- Wärmequelle eine große Ausdehnung in das Materialinnere (Volumenquelle)
- Form eines Kanals durch das gesamte Werkstück hindurch
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Welche Absorptionsarten werden im Blick auf die Werkstoffbausteine unterschieden?
- Absorption durch Atom (Anregung)
- Absorption durch Molekül (Molekülschwingung-, rotation)
- Absorption durch Festkörper (Gitterschwingung)
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Nach welchem Gesetz erfolgt Absorption (auch Formel)?
- Lambert-Beer'sche Gesetz
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Wofür ist optische Eindringtiefe Maßzahl?
- charakteristisches Maß dafür, wie weit die auf die Materialoberfläche auftreffende Strahlung in das Material eindringt
- Gleichzeitig gibt die Eindringtiefe damit an, wie dick die Materialschicht ist, in der der wesentliche Teil der Strahlungsenergie absorbiert wird.
- Eindringtiefe umgekehrt proportional zum Absorptionskoeffizienten => Strahlungsenergie in Materialien mit hohem Absorptionsindex weitgehend im Oberflächenbereich absorbiert (Oberflächenquelle)
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Durch welche Maßnahmen kann Absorptionsgrad verändert werden (5)?
- Stoffwechsel
- Wechsel der Wellenlänge
- Einfallwinkel ändern
- Temperatur ändern
- Oberflächenbehandlung
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Stelle die für meisten Metalle typische Wellenlängenabhängigkeit der Absorption in einem Diagramm dar!
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Trage Einflüsse von Temperaturen und Arten der Oberflächenbehandlungen eines Stahl auf den Absorptionsgrad auf!
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Warum ist der senkrechte Einfall von Strahlung ein Sonderfall?
In diesem Falle entfällt die Abhängigkeit des Reflexionsgrades von der Polarisation der Laserstrahlung
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Wie berechnet man den Reflexionsgrad bei senkrechtem Einfall unter Sauerstoffumgebung (Formel)?
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Wovon ist der Reflexionsgrad abhängig?
- Material: Bei Metallen sehr hoher Reflexionsgrad
- Wellenlängenabhängig: da Brechungsindex und Absorptionsindex wellenlängenabhängig
- Temperaturabhängig: Im Allgemeinen nimmt Reflexionsgrad mit zunehmender Temperatur ab
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Welche Modifikation bzgl. der idealen Oberflächenstruktur müssen bei der Energieeinkopplung berücksichtigt werden?
- Rauheiten
- Plasmabildung
- Deckschichten
- Periodische Strukturen
- Mehrfachreflexionen
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Was bewirken Rauhigkeiten im Bezug auf die Reflexion?
Welche Art von Rauhigkeiten hat den größten Einfluss auf die Reflexion?
- Rauheiten in der Größenordnung der Wellenlänge der Laserstrahlung
- Die Reflexion an einer rauhen Oberfläche ist nicht mehr spiegelnd, sondern diffus
- Die Reflexion ist gegenüber der idealen Oberfläche im allgemeinen verringert
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Wie kommen Mehrfachreflexionen zustande und was bewirken sie?
- Bei Oberflächenstrukturen, die deutlich größer als die Wellenlänge der Laserstrahlung sind, zum Beispiel Vertiefungen, kann es zu Mehrfachreflexionen kommen
- gesamte Energieeinkopplung in das Werkstück erhöht
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Was bewirken Deckschichten und wo werden sie eingesetzt?
- vor allem in der Oberflächentechnik
- Energieeinkopplung erfolgt durch Wärmeleitung der in der Schicht absorbierten thermischen Energie in das zu bearbeitende Werkstück
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Was bewirkt eine Plasmabildung und wo tritt sie häufig auf?
- Bei Bearbeitungsverfahren wie dem Schweißen und Schneiden, die mit ausreichend hoher Intensität erfolgen
- starke Abschwächung der Strahlung bereits oberhalb der Werkstückoberfläche durch Absorption und Streuung im Plasma
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Nenne die Stationen der Plasmabildung und ordne Intensitäten zu!
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Trage den Oberflächentemperaturverlauf über der Bestrahldauer eines Werkstoffes auf!
Was fällt hierbei auf?
- Es treten Unstetigkeiten im Temperaturverlauf auf, die auf dem Phasenwechsel des Stoffes liegen
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Wovon hängt der Fokusdurchmesser d ab?
- Rohdurchmesser D
- Wellenlänge
- Brennweite
- Strahlqualität
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Wie verändert sich im folgenden Strahlverlauf d1 wenn D! verdoppelt wird?
d1 halbiert sich
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Was ist sphärische Aberration?
- Abbildungsfehler bei verwendung breiter Strahlbündel
- die der optischen Achse ferneren Strahlen werden stärker gebrochen als die nahen
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Wodurch wird ein rotationssymmetrischer Laserstrahl chrakterisiert?
- Lage der Strahltaille z0
- Radius der Strahltaille w0
- Divergenzwinkel 0
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Durch welche Größen kann Strahlqualität beurteilt werden?
Nenne auch die Formeln!
- Strahlpropagationsfaktor K
- Strahlparameterprodukt q
M 2=1/K
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Trage das SPP über die Leistung auf und kennzeichne die Bereiche der verschiedenen Fertigungsverfahren!
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Nenne die Hauptgruppen der Parameter der Laserstrahlbearbeitung!
- Laserstrahleigenschaften
- Strahlformung
- Materialeigenschaften
- dynamische Prozesse im Werkstoff
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Nenne Parameter der Laserstrahleigenschaften (7)!
- Wellenlänge
- Leistung
- Pulsdauer
- Strahlqualität
- Polarisation
- Modenordnung/ Strahlverteilung
- Räumlich-zeitliche Fluktuationen
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Nenne Parameter der Materialeigenschaften (7)!
- Absorptionsfähigkeit
- Wärmeleitfähigkeit
- Dichte
- Wärmekapazität
- Schmelzwärme
- Verdampfungswärme
- Werkstückgeometrie
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Nenne Parameter der Strahlformung (3)!
- Brennweite
- Apertur
- Abbildungsfehler
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Nenne Parameter der dynamischen Prozesse im Werkstoff (9)!
- Schmelze
- Oberflächenspannung
- Viskosität
- Dampfphase
- Dampfdichte
- Elektronendichte
- Temperatur (Gradient)
- Plasmaabsorption
- Streuung, Linsenwirkung
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Nenne die Hauptgruppen der Materialbearbeitung, die mit Lasern durchgeführt werden können!
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Wie unterteilt sich die Hauptgruppe Trennen (5)?
- Zerteilen
- Zerspanen mit geom. bestimmter Schneide
- Zerspanen mit geom. unbestimmter Schneide
- Abtragen
- Berührungsloses Trennen
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Nenne die wichtigsten, konventionellen Verfahren der Fertigungsgruppe Trennen (6)!
- Stanzen
- Fräsen
- Sägen
- Plasmaschneiden
- Drahterodieren
- Brennschneiden
- Wasserstrahlschneiden
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Nenne Vor- und Nachteile vom Stanzen!
- Vorteile:
- gute Automatisierbarkeit
- gut geeignet für groß Serien
- kaltes Trennverfahren
- hohe Schneidgeschwindigkeiten
- Nachteile:
- Werkzeugherstellung für kleine Serien zu aufwendig
- Werkzeuge geben Schnittformen vor
- durch Umformungen bedingte Erscheinungen (z.B. Ziehriefen) sind unvermeidlich
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Nenne Vor- und Nachteile des Fräsens!
- Vorteile:
- Ausgereifte Technik
- Werkzeugvielfalt
- Vollautomatische Maschinen
- Nachteile:
- Werkzeugverschleiß
- Kühlung und Schmierung erforderlich
- Kontrollmessungen nötig (um z.B. Verschleiß zu kompensieren)
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Nenne Vor- und Nachteile des Sägens!
- Vorteile:
- geringe Anschaffungskosten
- Nachteile:
- Werkzeugverschleiß
- Kühlung und Schmierung notwendig
- vorwiegend lineare Schnitte möglich
- niedrige Schneidgeschwindigkeiten
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Was funktioniert das Plasmaschneiden?
- thermisches Verfahren
- Werkstoff mittels Plasmaschneider auf Schmelz- und Zündtemperatur erhitzt und anschließend durch Schneidgas aus Fuge getrieben und verbrannt
- Plasmalichtbogen von Stromquelle mit Energie versorgt
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Nenne Vor- und Nachteile des Plasmaschneidens!
- Vorteile:
- hohe Schneidgeschwindigkeiten
- niedriger Wärmeeintrag (Unterwasser-Plasmaschneiden)
- Werkstücke nahezu nachbearbeitungsfrei
- Nachteile:
- nur elektrisch leitende Materialien
- breitere Schnittfuge als Laser
- Schnittqualität bei kleinerer Dicke dem Laser unterlegen
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Wie lautet das Prinzip des Drahterodierens?
- Draht positiv, Werkstück negativ gepolt => für Abtrag erforderliche Elektromigration vom Werkstück weg
- Werkstücke in flüssigem Dielektrikum geschnitten (permanente Spülung)
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Nenne Vor- und Nachteile des Drahterodierens!
- Vorteile:
- auch bei extremgroßen Schnittdicken kleine Schnittbreiten
- Bearbeitung aller leitfähigen Materialien unabhängig von Härte
- Nachteile:
- für höhere Geschwindigkeiten mehrmaliges Nachschneiden erforderlich
- nur bei leitenden Materialien
- Rostansatz und Lochfraß bei längeren Verweilzeiten im Becken
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Wie funktioniert das Prizip des Brennschneidens?
- Erhitzen der Werkstückoberfläche auf Zündtemperatur durch Heizflamme
- Verbrennung des Werkstoffen unter Sauerstoffzufuhr
- keine weitere Energiezufuhr notwendig, da restlicher Prozess exotherm
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Nenne Vor- und Nachteile des Brennschneidens!
- Vorteile:
- geringe Investitions- und Verschleißkosten
- wirtschaftliches Verfahren bei geringen Anforderungen an die Schnittkanten
- Nachteile:hoher Wärmeeintrag
- geringe Schneidgeschwindigkeit
- Nacharbeitung notwendig (Oxidation, Bartbildung)
- Vielzahl an Oberflächenfehlern z.B. Rillenbildung
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Nenne das Prinzip des Wasserstrahlschneidens!
- Abrasivschneiden mit Hochdruckwasserstrahl bis 4000 bar
- Strahlvernichter zum Abbau der Restenergie
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Nenne Vor- und Nachteile des Wasserstrahlschneidens!
- Vorteile:
- kaltes Trennverfahren
- kein Werkzeugverschleiß
- Nachteile:
- sehr langsame Schneidgeschwindigkeit
- direkter Wasserkontakt
- Schalldruck bis 130 bar
- Schnittgüte sinkt mit steigender Schnittgeschwindigkeit
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