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Erzeugung prozessangepasster Leistungsdichteverteilungen für die Lasermaterialbearbeitung

ISBN: 978-3-86359-869-3

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Kurzübersicht

Das Einsatzspektrum moderner Festkörper- und Faserlaser kann durch die Erzeugung prozessangepasster Leistungsdichteverteilungen wesentlich erweitert werden. In der vorliegenden Arbeit werden Verfahren zur Anpassung hochmodiger Ausgangsverteilungen untersucht. Die diskutierten Ansätze ermöglichen die Homogenisierung von Leistungsdichteverteilungen und die Erzeugung von Verteilungen mit großen Aspektverhältnissen. Für die Anwendungsbereiche Maskenbelichtung und Entschichten mittels Laserstrahlung werden umgesetzte Systeme vorgestellt.

Erzeugung prozessangepasster Leistungsdichteverteilungen für die Lasermaterialbearbeitung

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Details

Festkörper- und Faserlaser erreichen Ausgangsleistungen im Multi-kW-Bereich und sind somit für viele industrielle Anwendungen attraktiv. Neben klassischen Applikationen wie Schneiden und Schweißen, bei denen in der Regel eine rotationssymmetrische und gaußförmige Leistungsdichteverteilung erwünscht ist, werden für viele Applikationen hiervon abweichende Verteilungen benötigt. Bei relativ langsamen Prozessen kann die gewünschte Energieverteilung durch eine vergleichsweise schnelle Ablenkung des Strahls erreicht werden, woraus allerdings Einschränkungen resultieren. Zum einen ist die Ablenk- und somit die Prozessgeschwindigkeit limitiert, zum anderen sind solche Optiken mechanisch kompliziert und nur eingeschränkt bei starken mechanischen Belastungen wie Vibrationen und Schock einsetzbar. In der vorliegenden Arbeit werden zunächst verschiedene Verfahren zur Erzeugung prozessangepasster Leistungsdichteverteilungen diskutiert und anschließend zwei realisierte Systeme vorgestellt.
Mit den beschriebenen optischen Ansätzen zur Homogenisierung können ein- und zweidimensionale tophatförmige Verteilungen aus beliebigen Ausgangsverteilungen generiert werden, sofern die verwendete Strahlquelle ausreichend hochmodig ist. Mit Hilfe dieser Optiken wird eine Anpassung der Leistungsdichte an die Anforderungen der Applikation erreicht, da z. B. beim Härten, Kunststoffschweißen und bei der Maskenbelichtung Maxima und Minima einer modulierten Leistungsdichteverteilung zu unerwünschten Effekten wie lokalem Aufschmelzen, zu kleiner Härte und Über- bzw. Unterbelichtung führen.
Neben der Homogenisierung erlaubt auch die Strahltransformation eine Erweiterung der möglichen Applikationen von Hochleistungslasern, da bei vielen Anwendungen eine asymmetrische Leistungsdichteverteilung gefordert ist. Bei der Strahltransformation erfolgt eine Segmentierung der Apertur, allerdings werden anders als bei der Homogenisierung die Subaperturen nicht überlagert, sondern gedreht. Somit wird eine Asymmetrisierung der Strahlqualität erreicht. Hierdurch kann bei gleicher bzw. ähnlicher numerischer Apertur in den senkrecht zur Propagationsrichtung stehenden Richtungen eine linienförmige Leistungsdichteverteilung mit hohem Aspektverhältnis erzielt werden.
Abschließend werden die vorgestellten Verfahren zur Homogenisierung und zur Strahltransformation anhand von zwei Umsetzungsbeispielen diskutiert. Das erste vorgestellte Optiksystem findet Einsatz im Bereich der Maskenbelichtung, das zweite wird für das Entschichten mittels Laserstrahlung eingesetzt.

 

Zusatzinformation

Autor Traub, Martin
ISBN/Artikelnr. 978-3-86359-869-3
Gewicht 0.274 kg
Erscheinungsdatum 13.07.2020
Lieferzeit 3-4 Tage
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