Neue Technologien für innovative Produkte 3D Lasermaterialbearbeitung Institut für Produkt- und Produktionsengineering (IPPE) 26. September 2008 Neue Technologien für innovative Produkte 3D Lasermaterialbearbeitung Fachhochschule Nordwestschweiz Hochschule für Technik Dipl.-Ing. Markus C. Krack Steinackerstrase 5 CH - 5210 Windisch markus.krack@fhnw.ch Markus C. Krack

Was möchten ich Ihnen mit diesem Vortrag heute vermitteln? Eine kurze Einführung in die Technologie des 3D-Lasermaterialabtrags geben Aufzeigen der Einsatzgebiete mit aktuelle Beispielen Aufzeigen von zukünftige Entwicklung dieser Technologie Institut für Produkt- und Produktionsengineering (IPPE) 26. September 2008

Produktionsvolumen Photonik Standort Schweiz 2007 Total Schweiz 3.1 Mrd. CHF ~1.4 Mrd. CHF Quelle: Swisslaser.net Institut für Produkt- und Produktionsengineering (IPPE) 26. September 2008

Einsatzgebiete von Lasern in der Materialbearbeitung Trennende Laserbearbeitung Abtragen Zerteilen Kavitäten Schneiden Strukturieren Bohren Institut für Produkt- und Produktionsengineering (IPPE) 26. September 2008

Definition 3D-Lasermaterialabtrag (Laserengraving) Geometrisch exakter schichtweiser Materialabtrag mittels eines Laserstrahls Laserengraving EDM Fräsen Verfahren Prinzip Institut für Produkt- und Produktionsengineering (IPPE) 26. September 2008

Prozessablauf z Abtragstiefe bei Stahl ca. 0.5 mm bis 1.0 mm / Schicht Vorschub des Laserstahls ca. 150 - 300 mm/s Abtragsrate bis ca. 1mm3 / min x y vf Institut für Produkt- und Produktionsengineering (IPPE) 26. September 2008

Anlagenaufbau Lasereinheit (Diodengepumptes System Nd:Vanadat) Pumpmodul 2 Scannerkopf Strahlaufweitung Auskoppelspiegel Ablenkspiegel (2x) X- Y-Achse l =1064 nm l = 950nm Laserstab Nd:Vanadat Akustooptischer Modulator (Q-Switch) l = 950nm Endspiegel Verfahreinheit Fokusebene Werkstück Pumpmodul 1 x / y Tisch Institut für Produkt- und Produktionsengineering (IPPE) 26. September 2008

Anlagenaufbau Anlage für 3D Laserabtrag (l =1064nm) FOBA GP 9000 Institut für Produkt- und Produktionsengineering (IPPE) 26. September 2008

Beispiele 3D-Lasermaterialbearbeitung Spritzgusskavität für einen Kugelschreiberklipp (@1064nm) 5 mm Institut für Produkt- und Produktionsengineering (IPPE) 26. September 2008

Beispiele 3D-Lasermaterialbearbeitung 5 mm Spritzgusskavität (@1064nm) Institut für Produkt- und Produktionsengineering (IPPE) 26. September 2008

Beispiele 3D-Lasermaterialbearbeitung 0.5 mm Mikrokavität für Spritzguss (@355nm) Institut für Produkt- und Produktionsengineering (IPPE) 26. September 2008

Beispiele 3D-Lasermaterialbearbeitung Mikrokavität für Spritzguss (@355nm) Institut für Produkt- und Produktionsengineering (IPPE) 26. September 2008

Beispiele 3D-Lasermaterialbearbeitung Mikrostruktur für Prägung (@355nm) Institut für Produkt- und Produktionsengineering (IPPE) 26. September 2008

Zielsetzung der Mikrobearbeitung mit Laser Exakte Positionierung Kleine Strahldurchmesser Sehr gute Strahlqualität Hohe Puls zu Puls Stabilität Optimale Pulslängen Präzise Fein Kein Aufwurf X Y Z Institut für Produkt- und Produktionsengineering (IPPE) 26. September 2008

Wellenlänge als Basis für die Feinheiten l = 1064 nm Wellenlänge l = 532 nm Wellenlänge l = 355 nm Fokusebene Laserstrahl Fokusebene Laserstrahl Fokusebene Laserstrahl ØFokus ~ 0.3 mm ØFokus ~ 0.02 mm ØFokus ~ 0.005 mm  Je kleiner die Wellenlänge, desto kleiner ist der erreichbar Fokusdurchmesser! Institut für Produkt- und Produktionsengineering (IPPE) 26. September 2008

Zukunft in der 3D-Lasermaterialbearbeitung Hohe Verdampfung Guter Abtrag MHz Höhere Pulsfrequenz Pulsfrequenz kHz Kürzere Pulsdauer Geringer Abtrag ms 10-6 ns 10-9 ps 10-12 fs 10-15 Pulsdauer Institut für Produkt- und Produktionsengineering (IPPE) 26. September 2008

Zukunft in der 3D-Lasermaterialbearbeitung Pulslänge im Nanosekundenbereich Pulslänge im Pikosekundenbereich Institut für Produkt- und Produktionsengineering (IPPE) 26. September 2008

Zusammenfassung 3D-Lasermaterialbearbeitung wird bereits standardmässig zur Herstellung von kleinen Kavitäten und Strukturen eingesetzt. Durch neue Maschinenkonzepte (FOBA & DMG Sauer) wurde das Verfahren industrialisiert. Durch den Einsatz von Laserquellen mit einer sehr hohen Strahlqualität und kurzen Wellenlängen können immer kleinere und filigranere Bearbeitungsaufgaben ausgeführt werden. Ultrakurz gepulste Laser öffnen neue Anwendungsgebiete und unterstützten die fortschreitende Miniaturisierung. Es besteht jedoch noch Forschungs- und Entwicklungsbedarf im Bereich der Materialbearbeitung mit ultrakurz gepulsten Lasern Institut für Produkt- und Produktionsengineering (IPPE) 26. September 2008

Besten Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Formen aus Licht… …wir machen es! Besten Dank für Ihre Aufmerksamkeit! IPPE der FHNW Institut für Produkt- und Produktionsengineering (IPPE) 26. September 2008