5 Innovative Anwendungen der Lasertechnologie in der industriellen Produktion

5 Anwendungen der Lasertechnik in der industriellen Produktion (2018)

Mitte des 20. Jahrhunderts kam die Lasertechnologie auf. Im Laufe der Jahre hat sich die Lasertechnik dank der harten Arbeit und des Engagements von Generationen von Wissenschaftlern und Technikern weiterentwickelt und verfeinert. Von den Anfängen der Entwicklung bis zur praktischen Anwendung in verschiedenen Bereichen hat die Lasertechnologie ein bedeutendes Wachstum und große Erfolge erlebt.

Im 21. Jahrhundert ist die Lasertechnologie, insbesondere die Laserbearbeitung Technologie, die im industriellen Bereich angewandt wird, hat große Popularität erlangt und erhebliche wirtschaftliche und soziale Auswirkungen gehabt. Sie hat den Fortschritt der Naturwissenschaften und der Technik sowie die Entwicklung der Sozialwirtschaft maßgeblich vorangetrieben.

Das Prinzip der Laserbearbeitung

Bei der Laserbearbeitungstechnologie, wie in Abbildung 1 dargestellt, wird ein Laserstrahl mit hoher Energiedichte erzeugt, indem die Lichtenergie durch eine Linse gebündelt wird. Diese Technologie nutzt die einzigartigen Eigenschaften der Wechselwirkung von Laserstrahl und Material für eine Vielzahl von Zwecken, einschließlich Schneiden und Schweißen, OberflächenbehandlungStanzen und Mikrobearbeitung von metallischen und nicht-metallischen Werkstoffen.

Schematische Darstellung der Laserbearbeitung

Abb.1 Schematische Darstellung der Laserbearbeitung

Als hochmoderne Fertigungstechnologie ist die Laserbearbeitung in Branchen wie der Automobil-, Elektronik-, Luftfahrt-, Metallurgie- und Maschinenbauindustrie weit verbreitet. Sie spielt eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Produktqualität, der Steigerung der Arbeitsproduktivität, der Förderung der Automatisierung und der Reduzierung von Umweltverschmutzung und Ressourcenverbrauch.

Zu den verschiedenen Anwendungen gehören das Laserschneiden, die Lasermarkierung und die Laserschweißen sind die am häufigsten verwendeten.

Anwendung der Lasertechnologie

Laserschneiden

Traditionelle Schneidetechniken, wie BrennschneidenDas maschinelle Schneiden, das Stanzschneiden und das Plasmaschneiden haben alle ihre Grenzen. Obwohl sie hohe Schnittgeschwindigkeiten und die Möglichkeit bieten, dickere Materialien zu schneiden, ist die Präzision des Schnittgröße ist oft schlecht. Dies führt zu höheren Schnittkosten und zusätzlichem Bearbeitungsaufwand.

Die spanabhebende Bearbeitung bietet eine hohe Genauigkeit, aber ihre langsames Schneiden Geschwindigkeit begrenzt seine Fähigkeit, komplexe Kurven zu schneiden. Außerdem kommt es beim Schneiden zu einem erheblichen Materialverlust.

Das Stanzen ist effizienter und kostengünstiger, aber seine Bearbeitungsqualität ist begrenzt und sein Anwendungsbereich ist eng. Die Schnittqualität ist mangelhaft, insbesondere bei der Bearbeitung dicker Bleche und komplexer Kurvenformen.

Während Plasmaschneiden ist effizienter und erzeugt einen besseren Schnitt als die anderen Methoden, aber die Schnittgenauigkeit ist auf den Millimeterbereich beschränkt. Sie ist daher nur für die Grob- und Halbfertigbearbeitung geeignet.

Laserschneiden

Abb.2 Laserschneiden

Im Vergleich zur traditionellen Schneidetechnik liegen die Vorteile der Laserschneidetechnik (Abbildung 2) auf der Hand:

  • Schnelle Schnittgeschwindigkeit
  • Hohe Effizienz
  • Breites Bearbeitungsspektrum
  • Bei der Bearbeitung ist der Einschnitt glatt, da das traditionelle Werkzeug oder die Flamme durch einen Lichtstrahl ersetzt wird. Eine weitere Bearbeitung ist nicht erforderlich.
  • Der von der Schneidewärme betroffene Bereich ist klein.
  • Kleine Blechverformung
  • Kleine Schnittfuge (hoher Nutzungsgrad)
  • Es gibt keine mechanische Belastung im Einschnitt
  • Kein Schergrat
  • Hohe Bearbeitungsgenauigkeit
  • Gute Wiederholbarkeit
  • Oberfläche der Platte nicht beschädigen
  • CNC-Programmierung
  • Sie müssen die Form nicht öffnen
  • Wirtschaftlich und zeitsparend

Die Vorteile des Laserschneidens sind besonders bei der Bearbeitung von Kurven zu beobachten. Im Vergleich zum Stanzen ist die durch das Laserschneiden erzeugte Oberfläche glatt und weist keine offensichtlichen Messerspuren an gekrümmten Teilen auf. Da die Platte während der Bearbeitung unbeweglich bleibt, wird außerdem die Gefahr von Kratzern durch Bewegungen vermieden.

Beim Laserschneiden wird ein fokussierter, hoherLeistungsdichte-Laser Strahl auf das Werkstück, wodurch das Material schnell schmilzt, verdampft, ablatiert oder sich entzündet. Das Werkstück wird dann durch Abblasen des geschmolzenen Materials mit einem Hochgeschwindigkeitsluftstrom entlang der gleichen Achse wie der Strahl geschnitten.

Das Laserschneiden gilt als eines der thermischen Schneidverfahren.

Das Laserschneiden kann in vier Kategorien unterteilt werden:

  1. Laser-Vaporisationsschneiden
  2. Laserschmelzschneiden
  3. Laser-Sauerstoff-Schneiden
  4. Laserritzen und Risskontrolle

(1) Laserschneiden durch Verdampfung

Das Laserverdampfen ist ein Verfahren, bei dem das Werkstück durch einen Laserstrahl mit hoher Energiedichte erhitzt wird. Die Temperatur des Materials steigt schnell an und erreicht innerhalb kurzer Zeit den Siedepunkt, wodurch das Material verdampft und sich Dampf bildet. Der Dampf wird schnell ausgestoßen, wodurch ein Einschnitt im Material entsteht. Diese Methode wird vor allem zum Schneiden von extrem dünnen Metallen und Nichtmetallen verwendet.metallische Werkstoffe.

(2) Laserschmelzen und Schneiden

Beim Laserschmelzschneiden wird die Metallmaterial wird durch Lasererwärmung geschmolzen. Ein nicht oxidierendes Gas wie Ar, He oder N2 wird dann aus der Düse entlang der gleichen Achse wie der Strahl gesprüht. Das flüssige Metall wird durch den starken Druck des Gases herausgeschleudert, wodurch ein Einschnitt entsteht. Dieses Verfahren benötigt nur 1/10 der Energie, die für die Verdampfung erforderlich ist, da das Metall nicht vollständig verdampft werden muss. Es wird hauptsächlich zum Schneiden nicht oxidierbarer oder aktiver Metalle, wie z. B. Edelstahl, verwendet, Titan, Aluminium und Legierungen.

(3) Laser-Sauerstoffschneiden

Das Laserbrennschneiden funktioniert nach einem ähnlichen Prinzip wie das Autogenschneiden. Der Laser dient als Vorwärmquelle, und als Schneidgas werden Sauerstoff oder andere aktive Gase verwendet. Das vom Strahl erzeugte Gas reagiert mit der Oxidation und erzeugt eine große Menge an Wärme. Das geschmolzene Oxid und das geschmolzene Material werden aus dem Reaktionsbereich ausgestoßen, wodurch ein Einschnitt im Metall entsteht. Das Laser-Sauerstoffschneiden benötigt nur die Hälfte der Energie, die für das Schmelzschneiden erforderlich ist, hat aber eine viel höhere Schnittgeschwindigkeit. Es wird hauptsächlich zum Schneiden von Kohlenstoffstahl, Titanstahl, Wärmebehandlungsstahl und anderen leicht oxidierbaren Metallwerkstoffen eingesetzt.

(4) Laserritzen und Risskontrolle

Beim Laserritzen tastet ein Laser mit hoher Energiedichte die Oberfläche von spröden Materialien ab und erhitzt das Material so, dass eine kleine Rille entsteht. Wird Druck ausgeübt, bricht das spröde Material entlang der Rille. Von den drei erstgenannten Schneidverfahren wird das Laserritzen und die Bruchkontrolle weniger häufig eingesetzt.

Gegenwärtig ist das Laserschneiden am effektivsten für das Schneiden von schwarzem Metall, mit hoher Schneidgeschwindigkeit und der Möglichkeit, bis zu einer Dicke von 20 mm oder mehr zu schneiden. Aufgrund des Reflexionseffekts der Molekularstruktur von Nichteisenmetallen auf den Laserstrahl ist die Schneidwirkung bei diesen Materialien jedoch etwas schwächer. Die Maschine muss mit einem Reflektor ausgestattet sein.

Nach den Statistiken ist die maximale Dicke, die für Aluminiumlegierungen ist nicht mehr als halb so groß wie die für Schwarzmetall, und die Schneidwirkung auf Kupferlegierungen, insbesondere Kupfer, ist noch schlechter.

Das Herzstück der Laserschneidtechnologie ist der Lasergenerator, den es in zwei Formen gibt: CO2-Laser und Faserlaser Generator.

CO2-Laser-Generator: Der CO2-Lasergenerator wird erzeugt, indem ein Gemisch aus CO2, He und N2 unter hohem Druck in der Laserkavität entladen wird. Durch diesen Vorgang werden die Atome in dem Gemisch zur Freisetzung von Energie angeregt, die dann in Form von Photonen oder Elektronen zur Erzeugung des Lasers abgegeben wird. Der vom CO2-Laser emittierte Laser ist sichtbares Licht, das leichte Schäden an der Netzhaut und der Haut verursachen kann. Es wird daher empfohlen, bei der Anwendung eine Schutzbrille zu tragen.

Faserlaser-Generator: A Faserlaser Generator verwendet eine mit Seltenerdmetallen dotierte Glasfaser als Verstärkungsmedium. Unter der Einwirkung von Pumplicht kann sich in der Glasfaser leicht eine hohe Leistungsdichte bilden, die bewirkt, dass das Laserenergieniveau der Arbeitssubstanz die Teilchenzahl umkehrt. Eine positive Rückkopplungsschleife wird hinzugefügt, um den Ausgang des Laseroszillators zu bilden. Der Ausgang ist kein sichtbares Licht, das schwere Schäden an der Netzhaut und der Haut verursachen kann, weshalb der Bediener während des Betriebs eine spezielle Schutzbrille tragen muss.

Der CO2-Laser hat eine komplexere Struktur des optischen Weges und einen größeren Verlust der optischen Linse mit höheren Umweltanforderungen (weniger Staub). Die Maschine muss von Erdbebenherden isoliert und in einer trockenen Umgebung mit konstanter Temperatur aufbewahrt werden. Die Faserlaserhat dagegen eine einfache Struktur des optischen Pfades mit geringeren Umweltanforderungen (hohe Toleranz gegenüber Staub, Vibration, Schock, Temperatur und Feuchtigkeit). Die Faserlaser ist schneller beim Schneiden dünner Bleche, während der CO2-Laser beim Schneiden dicker Bleche stärker ist. Der CO2-Laser kann keine hochreflektierenden Metallplatten schneiden, aber ein Faserlaser kann dünne Kupferplatten schneiden.

Laserschweißen

Das Laserschweißen (Abbildung 3) ist ein wichtiger Bereich der Lasertechnik.

Laserschweißen

Abb.3 Laserschweißen

Das Laserschweißen ist eine neue Art des Schweißens, bei der mit Hilfe von Hochenergie-Laserimpulsen kleine Bereiche des Materials erhitzt werden. Die Energie des Laserstrahlung diffundiert durch Wärmeleitung in das Material, wodurch es schmilzt und ein spezifisches Schmelzbad bildet. Dieses Verfahren wird hauptsächlich für das Schweißen von dünnwandigen Materialien und Präzisionsteilen verwendet und kann für verschiedene Anwendungen eingesetzt werden. Arten des Schweißens wie Punktschweißen, Stumpfschweißen, Stapelschweißen und Dichtschweißen.

Zu den wichtigsten Merkmalen gehören:

  • Hohe Tiefe und breites Verhältnis
  • Geringe Schweißnahtbreite
  • Kleine wärmebeeinflusste Fläche
  • Kleine Verformung
  • Schnelle Schweißgeschwindigkeit
  • Die glatte und schöne Schweißnaht
  • Nach dem Schweißen ist keine Bearbeitung oder einfache Bearbeitung erforderlich
  • Hoch Schweißnaht Qualität
  • Kein Gasloch
  • Präzise Kontrolle
  • Kleine Fokusleuchte
  • Hohe Positionierungsgenauigkeit
  • Einfache Implementierung der Automatisierung

Das Laserschweißen ist aufgrund seiner zahlreichen Vorteile in verschiedenen Bereichen weit verbreitet, insbesondere bei der Herstellung von Hochgeschwindigkeitszügen und Automobilen. Zu diesen Vorteilen gehören:

(1) Minimale Wärmezufuhr, mit einer geringen Bandbreite an metallographischen Variationen im Bereich der thermischen Wirkung und minimaler Verformung durch Wärmeleitung.

(2) Die Fähigkeit zur Bestätigung und Verkürzung der Zeit, die für dicke Blechschweißenund macht sogar den Einsatz von Schweißzusatzwerkstoffen überflüssig.

(3) Es werden keine Elektroden benötigt, und es besteht keine Gefahr der Verunreinigung oder Beschädigung. Außerdem gehört es nicht zum Kontakt SchweißverfahrenDadurch wird der Verlust und die Verformung der Halterung minimiert.

(4) Der Laserstrahl lässt sich mit optischen Instrumenten leicht fokussieren, ausrichten und führen, wobei er in einem angemessenen Abstand zum Werkstück platziert und um Hindernisse herumgeleitet werden kann.

(5) Die Fähigkeit, das Werkstück in geschlossenen Räumen zu platzieren, die durch ein Vakuum oder eine interne Gasumgebung kontrolliert werden.

(6) Der Laserstrahl kann auf kleine Bereiche fokussiert werden, was ihn ideal für das Schweißen von kleinen und weit auseinander liegenden Teilen macht.

(7) Kann eine breite Palette von Materialien schweißen und verschiedene heterogene Materialien vernähen.

(8) Einfaches, schnelles und automatisches Schweißen oder Steuerung durch Digital- oder Computertechnik.

(9) Beim Schweißen von dünnem Material oder dünnem Drahtdurchmesser wird es nicht so einfach sein wie Lichtbogenschweißen.

(10) Unbeeinflusst von Magnetfeldern und in der Lage, Schweißteile genau auszurichten.

(11) Die Fähigkeit, zwei Metalle mit unterschiedlichen Eigenschaften zu schweißen, z. B. mit unterschiedlichen Widerständen.

(12) Die Fähigkeit, beim Lochschweißen ein Tiefenschweißverhältnis von 10:1 zu erreichen.

(13) Die Möglichkeit, den Laserstrahl auf mehrere Arbeitsstationen zu übertragen.

Aufgrund der oben genannten Eigenschaften des Laserschweißens ist das Laserschweißen im zivilen Fahrzeugbau weit verbreitet.

Das Laserschweißen ist das wichtigste Schweißverfahren bei der Herstellung von Hochgeschwindigkeitszügen und Automobilen.

Trotz seiner Vorteile hat das Laserschweißen auch einige Nachteile, die berücksichtigt werden sollten. Zu diesen Nachteilen gehören:

(1) Die Notwendigkeit einer präzisen Positionierung der Schweißteile innerhalb des Fokusbereichs des Laserstrahls.

(2) Die Notwendigkeit von Klemmen, die sicherstellen, dass die endgültige Position der Schweißnaht auf den Schweißpunkt ausgerichtet ist, auf den der Laserstrahl trifft.

(3) Begrenzte maximal schweißbare Dicke, wobei das Laserschweißen für Materialien mit einer Eindringdicke von mehr als 19 mm ungeeignet ist.

(4) Die Auswirkungen des Laserschweißens auf die Eigenschaften von Materialien mit hohem Reflexionsgrad und hoher Wärmeleitfähigkeit wie Aluminium, Kupfer und Legierungen.

(5) Die Verwendung eines Plasmareglers zur Entfernung von ionisiertem Gas um das Schmelzbad beim Schweißen mit Hochenergie-Laserstrahlen.

(6) Geringe Energieumwandlungseffizienz, in der Regel weniger als 10%.

(7) Die schnelle Verfestigung des Schweißraupe die zu Porosität und Versprödung führen können.

(8) Hohe Kosten.

Die hohen Kosten für Laserschweißgeräte stellen eine erhebliche Einschränkung dar und schränken die breite Anwendung ein.

Lasergravur

Bei der Lasergravur schmilzt oder verdampft ein computergesteuerter Laserstrahl mit hoher Energiedichte sofort die Oberfläche eines Produkts und erzeugt den gewünschten Text oder das gewünschte Logo (siehe Abbildung 4).

Laser-Beschriftung

Abb.4 Laserbeschriftung

Die Lasergravur wird auch als Lasermarkierung bezeichnet.

Merkmale des Lasers Kennzeichnung:

  • Ständig fest
  • Wunderschön gestaltet
  • Hochgeschwindigkeit und Effizienz
  • Berührungsloser Modus
  • Hohe Wiederholgenauigkeit
  • Sie müssen das Format nicht ändern
  • Keine Verschmutzung
  • Einfaches Erreichen eines synchronen Flugdrucks mit der Produktionslinie.

Zu den Materialien, die mit Lasergravuren gekennzeichnet werden können, gehören Zahlen, Buchstaben, chinesische Schriftzeichen, Grafiken, Strichcodes und vieles mehr.

Die Lasergravur ist ein weit verbreitetes und fortschrittliches Markierungsverfahren, das sich gut für die moderne Hochgeschwindigkeitsproduktion eignet.

Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, zeigt ein Vergleich verschiedener Markierungstechniken, dass die Vorteile der Lasermarkierungstechnologie eindeutig sind.

Tabelle 1. Der Vergleich verschiedener Markierungstechniken

MarkierungstechnikLeistungWirkung und GenauigkeitMarkierung FarbeGraphische ÄnderungenVerbrauchsmaterial
LasermarkierungGutHohe Genauigkeit und gute WirkungBestimmt durch das MaterialNach BeliebenNein
Chemisches ÄtzenGutGeringe GenauigkeitFarbe des MaterialsNicht einfachJa
TintendruckSchlimmerHohe GenauigkeitBeliebige FarbenEinfachJa
Mechanische GravurBesserGeringe GenauigkeitFarbe des MaterialsNach BeliebenJa
Mechanische PresseSchlimmerSchlechte GenauigkeitFarbe des MaterialsNicht einfachJa

Laser-Rapid-Prototyping-Technologie

Das Laser-Rapid-Prototyping (siehe Abbildung 5) stellt eine bedeutende Veränderung in der modernen Fertigungstechnologie dar.

Sie stellt eine Erweiterung der Lasertechnologie auf industrielle Anwendungen dar.

Laser-Rapid-Prototyping-Technologie

Abb.5 Laser-Rapid-Prototyping-Technologie

Der Wettbewerb in der verarbeitenden Industrie hat sich mit der Beschleunigung des globalen Marktintegrationsprozesses verschärft, und die Geschwindigkeit der Produktentwicklung ist zum Hauptwettbewerbsgegensatz geworden. Um den sich ständig ändernden Bedürfnissen der Nutzer gerecht zu werden, benötigt die verarbeitende Industrie eine flexiblere Technologie, die die Produktion von Kleinserien oder sogar Einzelteilen ermöglicht, ohne die Kosten des Produkts zu erhöhen.

Die Rapid-Prototyping-Technologie (RP) ist ein Fertigungsverfahren, bei dem das Material schichtweise aufgebaut wird, oder, allgemeiner ausgedrückt, computergezeichnete 3D-Grafiken. Die vom Laser erzeugte hohe Temperatur wird zum Sintern von Metallpulver in 3D-Grafiken verwendet, wodurch Metallteile entstehen. Prototypen können direkt aus CAD-3D-Volumenmodellen in nur wenigen Stunden oder in Dutzenden von Stunden hergestellt werden.

Rapid Prototyping bietet eine umfassendere und intuitivere Darstellung als Zeichnungen und Computerbildschirme, insbesondere in der Produktentwicklungsphase, und ermöglicht eine umfassende Berücksichtigung verschiedener Faktoren. Dies führt zu kürzeren Entwicklungszyklen, besserer Produktqualität, niedrigeren Kosten und geringeren Investitionsrisiken.

In Verbindung mit dem Präzisionsguss in der Gießerei ermöglicht die Laser-Rapid-Prototyping-Technologie der Gießerei die schnelle Herstellung aller Arten von Wachsformen, die für den Präzisionsguss großer und komplexer Strukturen verwendet werden, und reduziert so die Kosten für das Outsourcing. Gleichzeitig kann die Produktion von Einzelstücken oder Kleinserien von Präzisionsgussteilen ohne Form erfolgen, was Werkzeugkosten spart und den Produktionszyklus erheblich verkürzt.

Die Entwicklung und Herstellung neuer Produkte spart wertvolle Zeit und senkt die Produktionskosten, und das Niveau des Präzisionsgusses in den Gießereien wurde verbessert, was eine solide Grundlage für erfolgreiche Präzisionsarbeit darstellt. Gussproduktion in künftigen Produkten.

Es liegt auf der Hand, dass der Einsatz der Laser-Rapid-Prototyping-Technologie in Zukunft weiter zunehmen wird.

Laser-Wärmebehandlung

Die Laserwärmebehandlung (siehe Abbildung 6) ist eine Technologie, bei der die Oberfläche von metallischen Werkstoffen mit Hilfe eines Lasers zum Zwecke der Oberflächenwärmebehandlung erhitzt wird.

Laser-Wärmebehandlung

Abb.6 Laser-Wärmebehandlung

Dieses Verfahren kann für eine Reihe von Anwendungen genutzt werden Metalloberfläche Modifikationsbehandlungen, einschließlich Härten (auch bekannt als Oberflächenabschrecken, Oberflächenamorphisierung, Oberflächenumschmelzen und -abschrecken), Oberflächenlegieren und andere Modifikationen.

Das Ergebnis der Laserbehandlung führt zu Veränderungen in der Oberflächenzusammensetzung, -struktur und -leistung, die mit einer herkömmlichen Oberflächenabschreckung nicht möglich sind. Nach der Laserbehandlung ist die Oberfläche Härte von Gusseisen kann 60HRC erreichen, während Kohlenstoffstahl mit mittlerem bis hohem Kohlenstoffgehalt bis zu 70HRC erreichen kann.

Diese Verbesserung der Oberflächenhärte führt zu einer Erhöhung der Verschleißfestigkeit, Ermüdungsbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit und verlängert die Gesamtlebensdauer des Metalls.

Schlussfolgerung

Aufgrund ihrer zahlreichen Vorteile wird die Laserbearbeitungstechnologie in der industriellen Fertigung sehr geschätzt. Sie zeichnet sich durch niedrige Kosten, hohe Effizienz und ein großes Anwendungspotenzial aus. Dies hat zu einem intensiven Wettbewerb zwischen den großen Industrienationen der Welt geführt.

Die Lasertechnologie breitet sich in neue Bereiche aus, und ihre Entwicklung schreitet in erstaunlichem Tempo voran. In wichtigen Fertigungsindustrien wie der Automobil-, Elektronik-, Maschinen-, Luftfahrt- und Stahlindustrie sind einige Länder vollständig von traditionellen Bearbeitungsmethoden auf die Laserbearbeitung umgestiegen und haben das "Zeitalter des Lichts" erreicht.

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Shane
Autor

Shane

Gründerin von MachineMFG

Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.

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