Optische Systemlösung für die Laserbearbeitung

Optische Systemlösung für die Laserbearbeitung
Die Bestimmung derLaserbearbeitungDie Lösung des optischen Systems hängt vom jeweiligen Anwendungsszenario ab. Unterschiedliche Szenarien erfordern unterschiedliche Lösungen für das optische System. Für jede Anwendung ist eine spezifische Analyse notwendig. Das optische System ist in Abbildung 1 dargestellt:

Der Denkansatz lautet: konkrete Prozessziele –LaserCharakteristika – Entwurf optischer Systemkonzepte – Realisierung des Endziels. Im Folgenden werden verschiedene Anwendungsgebiete aufgeführt:
1. Präzisionsmikrobearbeitung (Markieren, Ätzen, Bohren, Präzisionsschneiden usw.) Typische Verfahren in der Präzisionsmikrobearbeitung sind die mikrometrische Bearbeitung von Materialien wie Metallen, Keramik und Glas, beispielsweise das Markieren von Logos auf Mobiltelefonen, die Herstellung von medizinischen Stents oder die Fertigung von Mikrobohrungen für Kraftstoffeinspritzdüsen. Die Kernanforderungen an den Bearbeitungsprozess sind: extrem kleine fokussierte Lichtpunkte, extrem hohe Energiedichte und eine minimale thermische Einflusszone. Für die genannten Anwendungen und Anforderungen ist die Auswahl und Konstruktion von...Laserlichtquellenund weitere Komponenten werden ausgeführt.
a. Laserauswahl: Die bevorzugte Verwendung eines ultravioletten/grünen Festkörperlasers (Nanosekunden) oder eines ultraschnellen Lasers (Pikosekunden, Femtosekunden) beruht im Wesentlichen auf zwei Gründen. Erstens ist die Wellenlänge proportional zum fokussierten Lichtfleck, weshalb im Allgemeinen kurze Wellenlängen gewählt werden. Zweitens weisen Pikosekunden-/Femtosekundenpulse die Eigenschaft der „Kaltverarbeitung“ auf, da die Energie vor der thermischen Diffusion vollständig verarbeitet wird. Im Allgemeinen wird eine Laserlichtquelle mit räumlicher Lichtabgabe und einem Strahlqualitätsfaktor M² von in der Regel unter 1,1 gewählt, um eine überlegene Strahlqualität zu gewährleisten.
b. Strahlaufweitungssysteme und Kollimationssysteme verwenden üblicherweise Strahlaufweitungslinsen mit variabler Vergrößerung (2x – 5x), um den Strahldurchmesser so weit wie möglich zu vergrößern. Der Strahldurchmesser ist umgekehrt proportional zum fokussierten Lichtfleck, weshalb in der Regel eine Galilei-Strahlaufweitung zum Einsatz kommt.
c. Das Fokussiersystem verwendet üblicherweise Hochleistungs-F-Theta-Linsen (für Scans) oder telezentrische Fokussierlinsen. Die Brennweite ist proportional zum fokussierten Lichtfleck, und im Allgemeinen werden Objektive mit kurzer Brennweite (z. B. f = 50 mm, 100 mm) verwendet. Wie in Abbildung 1 dargestellt: Das Feldobjektiv besteht üblicherweise aus einer Linsengruppe mit mehreren Elementen (Anzahl der Linsen ≥ 3), wodurch ein großes Sichtfeld, eine große Apertur und geringe Abbildungsfehler erzielt werden. Bei allen optischen Linsen muss die Zerstörschwelle des Lasers berücksichtigt werden.
d. Koaxiales optisches Überwachungssystem: Im optischen System ist üblicherweise ein koaxiales Bildverarbeitungssystem (CMOS) integriert, das für eine präzise Positionierung und Echtzeitüberwachung des Verarbeitungsprozesses sorgt.
2. Makromaterialbearbeitung Typische Anwendungsgebiete der Makromaterialbearbeitung sind das Schneiden von Automobilblechen, das Schweißen von Stahlplatten für Schiffsrümpfe und das Schweißen von Batteriegehäusen. Diese Prozesse erfordern hohe Leistung, hohe Eindringtiefe, hohe Effizienz und Prozessstabilität.
3. Laserbasierte additive Fertigung (3D-Druck) und Beschichtungsanwendungen umfassen typischerweise die folgenden Prozesse: komplexer Metalldruck für die Luft- und Raumfahrt, Reparatur von Triebwerkschaufeln usw.
Die Auswahl der Kernkomponenten erfolgt wie folgt:
a. Laserauswahl: Im AllgemeinenHochleistungs-Faserlaserwerden ausgewählt, wobei die Leistung typischerweise 500 W übersteigt.
b. Strahlformung: Dieses optische System muss ein Licht mit flacher Strahlformung erzeugen, daher ist die Strahlformung die Kerntechnologie. Dies kann mithilfe diffraktiver optischer Elemente erreicht werden.
c. Fokussiersystem: Spiegel und dynamische Fokussierung sind Grundvoraussetzungen im 3D-Druck. Gleichzeitig muss die Scanlinse telezentrisch auf der Objektseite konstruiert sein, um eine gleichmäßige Bearbeitung am Rand und in der Bildmitte zu gewährleisten.