Poprawe Lasertechnik für die Fertigung

Grundlagen, Perspektiven und Beispiele für den innovativen Ingenieur
2005
ISBN: 978-3-540-26435-4
Verlag: Springer
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark

E-Book, Deutsch, 528 Seiten, eBook

Reihe: VDI-Buch

Es gibt viele Bücher über Lasertechnik. Schwerpunktmäßig behandeln sie die Physik des Lasers und haben zum Ziel, Grundlagen zu vermitteln und Theorien zur Beschreibung von Entstehung und Ausbreitung von Laserstrahlung zu dokumentieren. Das vorliegende Buch bezieht sich auf die Anwendung von Lasertechnik. Auch dies ist ein sehr breites Thema, das nicht erschöpfend in einem Werk zusammengefasst sein kann. Aus diesem Grund wird hier der Fokus auf Anwendungen in der Fertigungstechnik gelegt. Dies betrifft insbesondere Bearbeitungsverfahren, wie sie in der heutigen Produktionstechnik eingesetzt werden können. Das Buch ist in zwei Teile gegliedert. Für den interessierten Fachmann, der ingenieurswissenschaftlich oder physikalisch vorgebildet ist, sind die wesentlichen Phänomene, die bei der Werkstoffbearbeitung mit Laserstrahlung auftreten, formelmäßig quantifiziert und in entsprechenden Modellen beschrieben. Diese Grundlagen ermöglichen eine systematische Einordnung der unterschiedlichen Bearbeitungsverfahren und stellen immer wieder die Möglichkeit dar, die verschiedenen Anwendungen auf eine einheitliche wissenschaftliche Basis abzubilden. Von praxisbezogener Bedeutung sind die dann in den verschiedenen Kapiteln zu Bearbeitungsverfahren beschriebenen Prozesse, die auf leicht verständlichem Niveau die Grundprinzipien und wesentlichen quantitativen Zusammenhänge von Prozessparametern erläutern. Jeweils angeführt sind zahlreiche Beispiele, die die Phantasie des Lesers anregen und zu neuen Anwendungsideen verhelfen sollen. Das Alleinstellungsmerkmal dieses Buches ist daher die Dokumentation einer Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten und Perspektiven der Lasertechnik in der Fertigung in direkter Abbildung auf systematisch aufgezeigte physikalische und technische Grundlagen. Auf diese Weise soll ein individueller Tiefgang des Lesers im Prozessverständnis für die jeweils interessierende Anwendung ermöglicht werden.

Zielgruppe

Research

Autoren/Hrsg.

Poprawe, Reinhart

Inhaltsverzeichnis

Das Verhalten elektromagnetischer Strahlung an Grenzflächen.- Absorption von Laserstrahlung.- Energietransport und Wärmeleitung.- Thermomechanik.- Phasenumwandlungen.- Schmelzbadströmung.- Laserinduziertes Verdampfen.- Plasmaphysik.- Laserstrahlquellen.- Oberflächentechnik.- Umformen.- Rapid Prototyping, Rapid Tooling.- Fügen.- Abtragen und Bohren.- Schneiden.- Systemtechnik.- Lasermesstechnik.

Leseproben

6 Phasenumwandlungen (S. 55-56)

Viele neue Metalllegierungen, Keramiken und Kunststoffe halten Einzug in die Produktion. Dennoch sind Werkstoffe auf Eisenbasis wegen ihrer vielfältigen Eigenschaften nach wie vor eine der gebräuchlichsten. Reines Eisen selbst ist wegen seiner unzureichenden Festigkeit zwar nicht sehr bedeutsam, Eisen-Kohlenstoff- Legierungen erlauben es jedoch, Stähle und Gusseisensorten in einer großenVielfalt von gewünschten Eigenschaften zu erzeugen. Darüber hinaus werden neben den stets durch den Herstellungsprozess enthaltenen Begleitelementen Si, Mn, P und S noch weitere Legierungselemente, wie Cr,Ni, Mo, V,W, etc. bewusst zur Erzielung bestimmter Eigenschaften beigegeben. Berücksichtigt man noch die Möglichkeiten, durch Wärmebehandlung vor allem die mechanischen Eigenschaften in weiten Grenzen zu verändern, so ergibt sich eine reiche Palette von Anwendungsbereichen. Es gibt Eisenwerkstoffe von niedrigen bis höchsten Festigkeiten (340– 2000 N/mm2 Zugfestigkeit), mit ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit, guter Zunderbeständigkeit, erhöhter Warmfestigkeit, gutem Verformungsvermögen auch bei tiefsten Temperaturen, hoherVerschleißbeständigkeit, gutem Gießverhalten, mit Warm- und Kaltverformbarkeit, Schweißbarkeit, usw. Alle diese günstigen Eigenschaften lassen sich nicht in einem einzigen Werkstoff vereinigen, meist sind eine oder einige wenige davon jeweils in einemWerkstoff besonders ausgeprägt. Grundsätzlich ist zu unterscheiden zwischen:

• Stahl oder Stahlguss, das sind ohne Nachbehandlung schmiedbare Fe-CLegierungen mit weniger als 2.06% C.

• Gusseisen, das sind Fe-C-Legierungen mit mehr als 2.06%C, (praktisch zwischen 2.5 und 5% C). Sie können nicht geschmiedet, sondern nur durch Gießen in die gewünschte Form gebracht werden.

6.1 Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

6.1.1 Reines Eisen

Eisenatome bilden unterhalb der Schmelztemperatur Kristalle. Allerdings werden im makroskopischen Bereich keine Einkristalle gebildet, sondern kleine Kristallite, die an den Korngrenzen zusammenstoßen. Eisen kann in zwei unterschiedlichen Kristallformationen vorliegen. Unterhalb 911.C bildet Eisen ein kubisch raumzentriertes Gitter (krz-Gitter) (Abb. 6.1). Hierbei be.nden sich an den vier Ecken eines gleichseitigen Kubus Fe-Atome und ein weiteres im Mittelpunkt des Kubus.

Diese Form des Eisens wird a-Eisen oder Ferrit genannt. Unterhalb 769.C, der Curie-Temperatur, ist Eisen ferromagnetisch, oberhalb paramagnetisch, die Kristallstruktur ändert sich an dieser Temperaturgrenze allerdings nicht. Oberhalb 911.C formen sich die Fe-Kistallite zu einem kubisch .ächenzentrierten Gitter (kfz-Gitter) um (Abb. 6.2). Hierbei sitzen außer an den vier Ecken des Kubus je ein Atom auf den acht Flächen des Kubus. Diese Gitterform besitzt eine geringere Dichte als das krz-Gitter und wird ? -Eisen oder Austenit genannt. Bei einer Temperatur von 1392. wird das kfz-Gitter wieder in ein krz-Gitter umgewandelt, dem d-Eisen oder d-Ferrit. Der Grund für die Phasenumwandlungen bei 911.C bzw. 1392. ist, dass die jeweilige Gitterform bei der gegebenen Temperatur energetisch günstiger ist. Die Umwandlung durch Änderung der Kristallstruktur wird allotrope Umwandlung genannt (Abb. 6.3). Die Umwandlung erfolgt nicht gleichzeitig im ganzen Material, sondern es liegt im Übergangsbereich ein Gemisch beider Phasen vor. Bei 1536.C lösen sich die Kristallite auf und gehen in die .üssige Phase über.

Über Autor(innen)

Prof. Dr. Reinhart Poprawe studierte Physik an der Universität Mainz, an der California State University in Fresno und an der Technischen Hochschule Darmstadt, wo er 1984 auch promovierte. Er war Abteilungsleiter im neu gegründeten Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (Aachen) und Geschäftsführer der Thyssen Laser-Technik GmbH (Aachen). Nach dem Ruf an die RWTH übernahm er sowohl die Leitung des Lehrstuhls für Lasertechnik als auch die des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik. Er gilt national und international als ausgewiesener Experte auf diesem Gebiet.