Verfügbarkeit: Materialbearbeitung mit Laser | Technische Universität München

Materialbearbeitung mit Laser: Grundlagen und Verfahren

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Vorheriger Titel:	Hügel, Helmut Laser in der Fertigung
Beteiligte Personen:	Hügel, Helmut 1936- (VerfasserIn), Graf, Thomas 1966- (VerfasserIn)
Format:	Buch
Sprache:	Deutsch
Veröffentlicht:	Wiesbaden Springer Vieweg 2022
Ausgabe:	4., überarbeitete und erweiterte Auflage
Schlagwörter:	Laserbearbeitung Laser Bearbeitungsverfahren Lasermaterialbearbeitung Fertigungswerkzeug Laser Industrie 4.0 gepulster Betrieb kontinuierlicher Betrieb Lehrbuch
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Umfang:	XIII, 552 Seiten Illustrationen, Diagramme 24 cm x 16.8 cm
ISBN:	9783658372507 3658372508

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adam_text	INHALT 1 EINFUEHRUNG: STRAHLWERKZEUG LASER ........................................................................ 1 TEIL I DAS WERKZEUG .......................................................................................................... 9 2 DER LASERSTRAHL ......................................................................................................... 11 2.1 AUSBREITUNG UND CHARAKTERISIERUNG VON LASERSTRAHLEN ............................................. 11 2.1.1 DIE ENERGIE DES ELEKTROMAGNETISCHEN FELDES ........................................................ 11 2.1.2 ELEKTROMAGNETISCHE WELLEN ................................................................................... 12 2.1.3 DIE INTENSITAET ELEKTROMAGNETISCHER WELLEN ........................................................... 17 2.1.4 DIE KOHAERENZ .......................................................................................................... 18 2.1.5 PARAXIALE WELLEN ..................................................................................................... 19 2.1.6 DURCHMESSER UND DIVERGENZ VON LASERSTRAHLEN .................................................. 25 2.1.7 DIE BEUGUNGSMASSZAHL ........................................................................................... 27 2.1.8 BERECHNUNG DER STRAHLAUSBREITUNG MIT HILFE DER STRAHLMATRIZEN ........................ 29 2.1.9 DIE FOKUSSIERUNG VON LASERSTRAHLEN ..................................................................... 37 2.1.10 LICHT IM ABSORBIERENDEN MEDIUM ......................................................................... 44 2.1.11 ZUSAMMENFASSUNG VON ABSCHNITT 2.1 ................................................................... 46 2.2 ERZEUGUNG VON LASERSTRAHLUNG ................................................................................... 47 2.2.1 DIE ENERGIEQUANTELUNG ELEKTROMAGNETISCHER STRAHLUNG ....................................... 47 2.2.2 DIE DISKRETEN ENERGIEZUSTAENDE ATOMARER SYSTEME ............................................... 49 2.2.3 ABSORPTION UND EMISSION VON STRAHLUNG .............................................................. 51 2.2.4 ERZEUGUNG DER LASERAKTIVITAET ................................................................................. 54 2.2.5 DER LASER-RESONATOR .............................................................................................. 62 2.2.6 BETRIEBSARTEN VON LASERN ....................................................................................... 64 2.2.7 ZUSAMMENFASSUNG VON ABSCHNITT 2.2 ................................................................... 65 2.3 STRAHLQUELLEN FUER DIE FERTIGUNG ................................................................................... 66 2.3.1 FESTKOERPERLASER ........................................................................................................ 66 2.3.2 GASLASER .................................................................................................................. 81 2.3.3 ZUSAMMENFASSUNG VON ABSCHNITT 2.3 ................................................................... 87 3 DIE SYSTEMTECHNIK .................................................................................................... 89 3.1 OPTISCHE KOMPONENTEN ZUR STRAHLFUEHRUNG UND STRAHLFORMUNG .............................. 89 3.1.1 SPIEGEL UND LINSEN ALS ELEMENTE DER STRAHLFUEHRUNG UND -FORMUNG ................... 91 3.1.2 FOKUSSIERENDE OPTIKEN .......................................................................................... 95 3.1.3 STRAHLFUEHRUNG IN FREIER PROPAGATION ......................................................................... 97 3.1.4 LEISTUNGSUEBERTRAGUNG DURCH FLEXIBLE GLASFASERN ................................................ 106 3.2 GASDYNAMISCHE KOMPONENTEN .................................................................................. 109 3.2.1 DUESEN .................................................................................................................... 109 3.2.2 AERODYNAMISCHE FENSTER ...................................................................................... 109 3.2.3 QUERJET .................................................................................................................... 111 3.3 BEARBEITUNGSSTATIONEN ................................................................................................ 114 3.3.1 ANLAGEN MIT KARTESISCH ERZEUGTEN BEARBEITUNGSBAHNEN .................................... 114 3.3.2 ROBOTERBASIERTE BEARBEITUNGSSTATIONEN ............................................................... 116 3.3.3 ANLAGENTECHNISCHES ENTWICKLUNGSPOTENTIAL ....................................................... 118 3.4 LASERINTEGRATION IN WERKZEUGMASCHINEN ................................................................. 119 3.5 ZUSAMMENFASSUNG VON KAPITEL 3 .............................................................................. 122 TEIL II DIE GRUNDLAGEN DER WECHSELWIRKUNG LASERSTRAHL-WERKSTUECK ............. 125 4 ENERGIEEINKOPPLUNG ................................................................................................ 127 4.1 LEISTUNGSBILANZ IN DER WECHSELWIRKUNGSZONE .......................................................... 127 4.1.1 WIRKUNGSGRADE ..................................................................................................... 133 4.2 ENERGIEDEPOSITION IM WERKSTUECK .............................................................................. 134 4.3 FRESNELABSORPTION ...................................................................................................... 137 4.3.1 ABSORPTIONSGRAD VON METALLEN ............................................................................ 142 4.3.2 OPTISCHE DATEN KERAMISCHER WERKSTOFFE ............................................................ 147 4.3.3 EINKOPPELGRAD AN MODELLGEOMETRIEN .................................................................. 149 4.4 ZUSAMMENFASSUNG VON KAPITEL 4 .............................................................................. 163 5 WAERMEWIRKUNGEN IM WERKSTUECK ........................................................................ 165 5.1 WAERMELEITUNGSEFFEKTE ................................................................................................ 166 5.1.1 RUHENDE WAERMEQUELLEN ....................................................................................... 168 5.1.2 BEWEGTE WAERMEQUELLEN ........................................................................................ 175 5.1.3 KURZZEITIG WIRKENDE WAERMEQUELLEN AUF HALBUNENDLICHEM KOERPER .................... 185 5.1.4 WAERMEAKKUMULATION DURCH WIEDERHOLTE, KURZZEITIGE ENERGIEEINTRAEGE .............. 188 5.1.5 WAERMELEITUNGSBASIERTE BERECHNUNG DES WAERMEWIRKUNGSGRADS ....................... 191 5.1.6 DAS ZWEI-TEMPERATUREN-MODELL .......................................................................... 194 5.1.7 MATERIAL ABTRAG MIT ULTRAKURZEN PULSEN ................................................................ 198 5.2 EINFLUSS VON PHASENUEBERGAENGEN UND MATERIALSTROEMEN ........................................... 201 5.2.1 EINFLUSS DER LATENTEN WAERMEN AUF DEN TEMPERATURVERLAUF ................................. 201 5.2.2 DRUCKABHAENGIGKEIT DER VERDAMPFUNGSTEMPERATUR .............................................. 203 5.2.3 VERDAMPFUNG: MASSENSTROMDICHTE UND RUECKSTOSSDRUCK ..................................... 205 X 5.2.4 AENDERUNGEN DES ENERGIETRANSPORTS IM WERKSTUECK ............................................ 207 5.2.5 GEOMETRISCHE VERAENDERUNGEN DER WECHSELWIRKUNGSZONE ................................. 207 5.2.6 WIRKUNG DER OBERFLAECHENSPANNUNG .................................................................... 208 5.3 ZUSAMMENFASSUNG VON KAPITEL 5 ............................................................................. 213 6 MODIFIKATION DES EINFALLENDEN LASERSTRAHLS ..................................................... 215 6.1 LASERINDUZIERTE PLASMEN ........................................................................................... 215 6.1.1 ENTSTEHUNG LASERINDUZIERTER PLASMEN .................................................................. 216 6.1.2 ABSORPTION VON LASERSTRAHLUNG ........................................................................... 218 6.1.3 BRECHUNGSEFFEKTE ................................................................................................. 221 6.1.4 DYNAMISCHE EFFEKTE ............................................................................................. 223 6.2 STREU UND ABSORPTIONSVORGAENGE AN PARTIKELN ........................................................232 6.2.1 STRAHLUNGSEXTINKTION ............................................................................................ 232 6.2.2 BEEINFLUSSUNG DER STRAHLGEOMETRIE .................................................................... 234 6.3 ABSORPTION AN MOLEKUELEN ......................................................................................... 235 6.4 ZUSAMMENFASSUNG VON KAPITEL 6 .............................................................................237 7 ABSCHAETZUNG ERZIELBARER PROZESSERGEBNISSE AUS DER LEISTUNGSBILANZ ....... 239 TEIL III DIE VERFAHREN ................................................................................................... 245 8 SCHNEIDEN ................................................................................................................. 247 8.1 VERFAHREN ...................................................................................................................249 8.2 LEISTUNGSBILANZ UND DARAUS ABLEITBARE PROZESSERGEBNISSE ...................................... 251 8.2.1 LEISTUNGSEINKOPPLUNG DURCH FRESNELABSORPTION ............................................... 253 8.2.2 ENERGIEZUFUHR INFOLGE OXIDATION ........................................................................ 256 8.2.3 VERLUSTLEISTUNG ..................................................................................................... 260 8.2.4 EXPERIMENTELLER VERGLEICH DER ENERGIEZUFUHR BEIM SCHMELZ UND BRENNSCHNEIDEN ............................................................... 262 8.3 EINFLUSS DER LASERSTRAHLEIGENSCHAFTEN ..................................................................... 266 8.3.1 LASERLEISTUNG ........................................................................................................ 267 8.3.2 POLARISATION ......................................................................................................... 268 8.3.3 WELLENLAENGE ........................................................................................................ 269 8.3.4 STRAHLGEOMETRIE UND FOKUSLAGE .......................................................................... 272 8.4 SCHMELZEAUSTRIEB ..................................................................................................... 273 8.4.1 SCHNEIDDUESEN UND CHARAKTERISTISCHE STROEMUNGSFELDER ...................................... 273 8.4.2 GASSTROEMUNG UND SCHMELZESTROEMUNG IM SCHNITTSPALT ...................................... 282 8.5 ZUSAMMENFASSUNG VON KAPITEL 8 ............................................................................ 294 XI 9 SCHWEISSEN ................................................................................................................. 297 9.1 SCHWELLE ZWISCHEN WAERMELEITUNGS UND TIEFSCHWEISSEN ......................................... 298 9.2 VERFAHRENSPRINZIP ....................................................................................................... 307 9.3 LEISTUNGSEINKOPPLUNG AN DER KAPILLARWAND ............................................................. 310 9.3.1 LEISTUNGSBILANZ .................................................................................................... 310 9.3.2 KAPILLARGEOMETRIE ................................................................................................. 311 9.3.3 FRESNELABSORPTION ................................................................................................. 315 9.3.4 MODIFIKATION DER ENERGIEEINKOPPLUNG DURCH PLASMA IN DER KAPILLARE .............319 9.4 FLUIDMECHANISCHE EFFEKTE ......................................................................................... 320 9.4.1 AUSWIRKUNGEN GLEITENDER STUFEN AN DER KAPILLARFRONT ...................................... 322 9.4.2 UMSTROEMUNG DER KAPILLARE .................................................................................. 325 9.4.3 EFFEKTE DER OBERFLAECHENSPANNUNG ....................................................................... 331 9.4.4 DAMPFSTROEMUNG IN DER KAPILLARE ......................................................................... 342 9.5 EINFLUSS DER UMGEBUNGSATMOSPHAERE ........................................................................ 344 9.5.1 METALLDAMPF UND SCHUTZGASPLASMA ................................................................... 345 9.5.2 STREUUNG IN METALLDAMPFFACKEL ........................................................................... 348 9.5.3 ZUSTAND DER SCHMELZEBADOBERFLAECHE ...................................................................349 9.5.4 REDUZIERTER UMGEBUNGSDRUCK ............................................................................. 349 9.6 PROZESSERGEBNISSE ....................................................................................................... 351 9.6.1 PROZESSWIRKUNGSGRAD UND ENERGIESPEZIFISCHES VOLUMEN ................................... 352 9.6.2 EINFLUSS VON VORSCHUBGESCHWINDIGKEIT UND STRAHLEIGENSCHAFTEN AUF DIE NAHTGEOMETRIE .................................................................................................................... 356 9.7 PROZESSINSTABILITAETEN ................................................................................................. 361 9.7.1 SPRITZER UND AUSWUERFE, PORENBILDUNG ................................................................. 361 9.7.2 SCHMELZEBADINSTABILITAETEN : HUMPING ..................................................................367 9.8 MODIFIKATIONEN DES SCHWEISSPROZESSES .................................................................... 370 9.8.1 MODIFIKATION DER ENERGIEEINKOPPLUNG ................................................................ 371 9.8.2 MODIFIKATION DES KRAEFTEGLEICHGEWICHTS MITTELS ELEKTROMAGNETISCHER VOLUMENKRAEFTE .................................................................................................................... 374 9.9 LASERSTRAHLSCHWEISSEN TRANSPARENTER WERKSTOFFE ...................................................... 378 9.10 ZUSAMMENFASSUNG VON KAPITEL 9 ............................................................................. 380 10 OBERFLAECHENMODIFIKATIONEN - HAERTEN .......................................................... 383 10.1 UEBERSICHT: VERFAHREN ZUR OBERFLAECHENMODIFIKATION ............................................... 383 10.2 MARTENSITISCHES RANDSCHICHTHAERTEN .......................................................................... 386 XII 10.2.1 VERFAHRENSPRINZIP ................................................................................................. 387 10.2.2 ENERGIEEINKOPPLUNG UND WAERMELEITUNG .............................................................. 391 10.2.3 PROZESSERGEBNISSE ................................................................................................ 406 10.2.4 TEMPERATURGEREGELTES HAERTEN .............................................................................. 410 10.3 ZUSAMMENFASSUNG VON KAPITEL 10 .......................................................................... 413 11 ADDITIVE VERFAHREN ........................................................................................... 415 11.1 BESCHICHTEN ................................................................................................................ 415 11.1.1 VERFAHRENSMERKMALE ............................................................................................ 416 11.1.2 ENERGIEEINKOPPLUNG .............................................................................................424 11.1.3 PROZESSERGEBNISSE ................................................................................................ 431 11.1.4 EINFLUSS DER PROZESSPARAMETER AUF DIE SPURGEOMETRIE ...................................... 433 11.1.5 PROZESSOPTIMIERUNGEN ..........................................................................................437 11.2 AUFTRAGSSCHWEISSEN .................................................................................................... 440 11.3 PULVERBETTBASIERTES SELEKTIVES LASERSTRAHLSCHMELZEN .............................................. 442 11.3.1 VERFAHRENSGRUNDLAGEN UND PHAENOMENOLOGIE .....................................................442 11.3.2 ENERGIEEINKOPPLUNG UND SPURAUFBAU ..................................................................447 11.3.3 QUALITAETSBEEINFLUSSENDE EFFEKTE .......................................................................... 450 11.4 ZUSAMMENFASSUNG VON KAPITEL 11 ........................................................................... 453 12 ABTRAGENDE VERFAHREN ..................................................................................... 455 12.1 THERMISCHE ABLATION ................................................................................................. 457 12.1.1 ENERGETISCHE ABSCHAETZUNG DER ERZIELBAREN ABTRAGSRATEN .................................. 458 12.1.2 DEN ABTRAG MODIFIZIERENDE EINFLUESSE ................................................................. 474 12.2 ABTRAGEN .................................................................................................................... 477 12.2.1 MU STERPR OJ EKTI ON S VERFAHR EN ................................. 478 12.2.2 SCHREIBENDE VERFAHREN ......................................................................................... 480 12.3 SPANENDES ABTRAGEN ...................................................................................................484 12.4 BOHREN ....................................................................................................................... 487 12.4.1 EINZELPULSBOHREN ................................................................................................. 488 12.4.2 PERKUSSIONSBOHREN ............................................................................................... 491 12.4.3 WENDELBOHREN ...................................................................................................... 502 12.5 ZUSAMMENFASSUNG VON KAPITEL 12 ........................................................................... 506 LITERATUR ......................................................................................................................... 509 SACHWORTVERZEICHNIS ..................................................................................................... 553 XIII
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