Leistungsübersicht
Unabhängige Beratung
Quelle: Mann LaserApps
Herstellerunbhängige Beratung für Laseranwendungen in der mikroMaterialbearbeitung
30 Jahre Anwendungserfahrung in der Bearbeitung von Metallen, Kunststoffen und biologischen Materialien mit Laserquellen von 193 nm bis 10600 nm
Prozessentwicklung
Auftragsfertigung
Quelle: Mann LaserApps
Im Kundenauftrag
entwickeln wir Laserprozesse
für die MikroMaterialbearbeitung
und bearbeiten Produkte
mit eigenen und Laserquellen
aus unserem Kompetenznetzwerk.
Mikroschneiden & Schweißen
Abtragen & Strukturieren
Markieren & Gravieren
Auftragsfertigung
Quelle: Mann LaserApps
Wir bearbeiten im Kundenauftrag Produkte mit unseren eigenen Laser und in Kooperation Produktbearbeitung mit Faserlaser im Kundenauftrag
Lasermarkieren und Strukturieren von Metall-, Kunststoff- und Flachglasprodukten, Laserschneiden von metallischen Folien mit Faserlaser
Über Mann LaserApps
Mann LaserApps ist ein Ingenieurbüro und Dienstleister für
mit Sitz in Reutlingen, Baden-Württemberg. Ich bearbeite Einzelstücke und Kleinserien für Industrie- und Privatkunden und habe mir ein Kompetenznetzwerk aus Partnerfirmen für Projekte aufgebaut, die ich nicht mit meinen Laser bedienen kann
Zu meinem Leistungsportfolio gehören:
Über den Gründer
Rainer Mann, Diplom-Physiker
30 Jahre Anwendungserfahrung
in:
Lasermaterialbearbeitung
– Lasermarkieren
– Laserstrukturieren
– Lasermikroschneiden
– Lasermikroschweißen
Lasermesstechnik
– Laserleistung und Pulsenergie
– Pulslänge und Form
– Strahlprofil
Meine Faszination für Laser begann während meines Studiums, als ich einen Vortrag über den ersten Laser (Rubin-Laser) ausarbeitete. In der Folge spezialisierte ich mich auf Laser und schrieb meine Diplom-Arbeit über Halbleiterlaserdioden. 1996 begann ich meine Laser-Karriere im Vertrieb für Lasermarkiersysteme. Ab 2002 erweiterte ich meinen Erfahrungshorizont um die Lasermesstechnik, was mir das Tor für die gesamte Lasertechnologie in nahezu allen Branchen öffnete. Ich lernte alles über die Eigenschaften und Anwendungen von DPSS-Laser, Faserlaser bis Ultrakurzpulslaser in Industrie und Wissenschaft.
Meine Motivation
Nach sehr spannenden 30 Berufsjahren in der Lasermaterialbearbeitung und Lasermesstechnik nehme ich mir nun die Freiheit, mich ausschließlich meinem Lieblingsthema zu widmen: Der Entwicklung und Optimierung von Laserprozessen für die Feinbearbeitung von Produkten und Umsetzung in der Laserauftragsfertigung.
Willkommen bei Mann LaserApps! Ich freue mich auf Sie und Ihre Laseranwendung!
Ihr Rainer Mann
Kann Ihr Produkt mit Laser bearbeitet werden?
Dazu müssen zunächst folgende Fragen geklärt werden:
1. Bei welcher Lichtwellenlänge absorbiert das Material Lichtenergie?
2. Welche Pulsspitzenleistung erzeugt die gewünschte Reaktion des Materials?
1. Das Absorptionsverhalten des Materials
Jedes Material absorbiert Licht in dem Wellenlängenbereich der typischen Laserquellen zwischen 193 nm (UV) und 10600 nm (IR). Falls es für das Material noch keine Informationen hinsichtlich seines Absorptionsverhaltens gibt, kann dies mit Hilfe eines Spektrometers ermittelt werden.
Beispiel 1: Edelstahl absorbiert Lichtenergie der Wellenlängen 1030-1080 nm. Typische Vertreter sind Festkörperlaser (Scheibenlaser, 1030 nm, Nd:YAG-Laser, 1064 nm) sowie Faserlaser (1070-1080 nm).
Beispiel 2: Kupfer absorbiert besonders gut grünes Licht, weshalb für die Bearbeitung frequenzverdoppelte Scheibenlaser (515 nm) und Nd:YAG-Laser (532 nm) verwendet werden.
Beispiel 3: Viele Kunststoffe reagieren besonders gut auf Wellenlängen des UV-Bereichs. Hier kommen frequenzverdrei- und vervierfachte Laser zwischen 266 nm und 355 nm zum Einsatz.
2. Wie sieht die Materialreaktion aus?
Fokussierung. Eine besondere Eigenschaft des Laser ist die Fokussierbarkeit, d.h. die Verkleinerung des Strahldurchmessers durch optische Linsen ohne erwähnenswerten Energieverlust. Ein Laserstrahl, dessen Durchmesser 1 mm beträgt, kann z.B. auf 50 µm verkleinert werden.
Intensität. Der Laserstrahl transportiert Energie. Die Intensität ist dabei die Energie im Querschnitt des runden Laserstrahls. Wird der Strahldurchmesser von 1 mm auf 50 µm verkleinert (Faktor 20), nimmt die Intensität um den Faktor 202=400 zu! Die Laserenergie wird auf kleinste Flächen konzentriert und ist damit in der Lage, Metall zu schmelzen. Diese Eigenschaft wird in der Materialbearbeitung genutzt.
Beispiel 1: Oberflächenreaktion. Bei geringer optischer Laserleistung bis 100 W werden nur Oberflächenschichten erhitzt. Typische Reaktionen sind Farbänderungen, das Aufschäumen oder geringer Abtrag der Oberfläche. Durch die hervorgerufene Kontraständerung hebt sich der bearbeitete Bereich von der Umgebungsoberfläche ab und wird „lesbar“. Dieser Umstand wird bei der Lasermarkierung, Laserstrukturierung und Lasergravur genutzt. Dieser Prozess funktioniert auf nahezu allen Materialien (Metalle, Kunststoffe, biologische Materialien wie Glas, Holz, etc.).
Beispiel 2: Volumenreaktion. Bei höherer optischer Laserleistung von 200 W bis zu 10 kW wird das gesamte Material im Strahlbereich aufgeschmolzen.
Beim Laserschweißen werden die beteiligten Materialien im Kontaktbereich aufgeschmolzen, damit sie sich vermischen und beim Abkühlen eine feste Verbindung zwischen beiden Materialien bilden. Dies funktioniert sowohl bei Metallen (Festkörper- und Faserlaser) als auch bei Kunststoffen mit Diodenlaser.
Anders beim Laserschneiden von metallischen Folien und Blechen. Hier wird die Materialschmelze gezielt durch den Strahldruck des Laser (Folien) bzw. mit Druckluft (Bleche) ausgetrieben, um einen Schnittspalt zu erzeugen und das Material zu trennen.
Kontakt
Mann LaserApps
Ingenieurbüro für Laseranwendungen
Inhaber Dipl.-Phys. Rainer Mann
Sebastian-Kneipp-Strasse 62
72762 Reutlingen
E-Mail: mail@mann-laser.de
Tel.: +49 177 20 62 106
Schicken Sie mir eine Anfrage und ich nehme umgehend Kontakt mit Ihnen auf.
AUFTRAGSFERTIGUNG
Lasermarkieren
ist die flexibelste Methode für die berührungslose und dauerhafte (abriebfeste) Kennzeichnung und Veredelung von Materialien und Produkten.
Der Laserstrahl wird mittels zweier Spiegel mit hoher Geschwindigkeit und µm-genau über die Materialoberfläche bewegt. Die Lichtenergie des Laserstrahls wird vom Material absorbiert und in Wärme umgewandelt. Die Laserenergie ist so eingestellt, dass sie nur zu einer Reaktion auf der Materialoberfläche führt; diese Materialreaktion ist scharf auf den Wirkungsbereich des Laserstrahls (Faserlaser: ca. 40 µm) begrenzt.
Mit Laser können beliebige und variierende Inhalte – Texte, Seriennummern, Scancodes, Logos und Grafiken – schnell, kontrastreich und dauerhaft markiert werden.
Üblicherweise werden industrielle Teile mit Produkt- und Herstellerdaten zur Produktidentifikation markiert, z.B. Bezeichnung, Seriennummer, Scancodes (Barcode, QR-Code), technische Symbole, Herstellerdaten und -logo. Lasermarkierung dient auch dem Zweck der Produktveredelung durch wertsteigernde, dekorative, individuelle und künstlerische Markierungen.
Markierung von Flachglas mit Faserlaser
Glas ist transparent für Faserlaser: Bei dieser Wellenlänge (1070 nm) absorbiert Glas keine Energie und ist daher mit Faserlaser nicht markierbar.
Ich habe eine Methode entwickelt, bei der Flachglas mit einem Faserlaser auf der Oberfläche sehr fein, detailliert und materialschonend markiert werden kann!
Glas wird bisher hauptsächlich mit CO2-Laser bearbeitet, da Glas dessen Wellenlänge von 10600 nm sehr gut absorbiert. Diese Vorteile bieten Faserlaser gegenüber CO2-Laser:
Überzeugen Sie sich selbst! Scannen Sie den QR-Code oder Barcode (128) mit Ihrem Smart Phone! Unsere Methode ermöglicht auch die Markierung von Graustufen-Bitmaps auf Flachglas!
Metallprodukte
Nahezu alle Metalle können mit Laser sehr fein und kontrastreich markiert oder graviert werden: Eisen, Stahl, Edelstahl, Aluminium, Buntmetalle (Kupfer, Bronze, Zinn, Zink, Nickel) und Edelmetalle (Gold, Silber). Edelstahl besitzt darüber hinaus die Besonderheit, dass es in Anlassfarben markiert werden kann.
Bei beschichteten Metallen wie z.B. eloxiertem Aluminium kann die Beschichtung sehr präzise und selektiv abgetragen und eine sehr feine Markierung erzeugt werden.
Kunststoffprodukte
Eine Vielzahl von Kunststoffen kann mit der Wellenlänge des Faserlaser markiert werden. Die Markierung erfolgt durch Farbänderung, kontrastreiches Aufschäumen der Oberfläche oder selektiven Abtrag einer Beschichtung.
Beispiele für lasermarkierbare Kunststoffe:
AUFTRAGSFERTIGUNG
Laserstrukturieren
Laser eignen sich hervorragend für die Bearbeitung von metallischen Oberflächen. Dabei geht es um das Glätten bzw. Polieren von Oberflächen und den flächigen Abtrag von Verunreinigungen (z.B. Oxidschichten), Beschichtungen (z.B. Eloxalschichten) und den direkten Materialabtrag zur Erzeugung von Tiefenstrukturen. Wir ordnen diese Anwendungen folgenden Abtragtiefen zu:
AUFTRAGSFERTIGUNG
Laserfeinschneiden
Das Laserschneiden erfolgt berührungslos und ist wegen des feinen Laserstrahles und der exakten Strahlführung präzise. Dies ist entscheidend beim Laserschneiden von dünnen Metallfolien mit Dicke < 50 µm sehr leicht verformt und beschädigt werden können.
Beim Laserschneiden von dünnen Metallfolien fällt sehr wenig Schmelze an, die durch den Strahlungsdruck des Lasers entfernt wird. Eine Nachbearbeitung, d.h. Entfernung von Schneidgraten, entfällt.
Zusammengefasst sind die Vorteile des Lasermikroschneidens:
Prozessentwicklung
Laserprozesse
Wie beginnt man einen Laserprozess?
Bei einem Laserprozess in der Materialbearbeitung geht es um die Reaktion des Materials auf einen Laserstrahl. Zunächst werden die Eigenschaften des Materials unter die Lupe genommen, um dann die richtige Laserquelle dafür auszuwählen.
Materialeigenschaften
Absorption. In welchem Wellenlängenbereich absorbiert das Material Lichtenergie? Wie stark ist die Absorption?
Jedes Material absorbiert und reflektiert Licht in einem oder mehreren Wellenlängenbereichen. Je höher der Absorptionsanteil, desto mehr Lichtenergie wird im Material in Wärme umgewandelt. Diese Wärme verursacht die gewünschte Reaktion.
Materialreaktion. Welche Materialreaktion ist gewünscht und wie reagiert das Material auf die eingebrachte Wärme?
In der Mikromaterialbearbeitung werden im wesentlichen zwei Materialreaktionen betrachtet: Chemische und thermische Prozesse.
Chemisch: Lokales Aufschäumen und Farbänderung der Oberfläche.
Thermisch: Lokales Schmelzen und Verdampfen des Materials wie beim Materialabtrag, Schneiden und Schweißen.
Laserparameter
Wellenlänge. Jeder Laser besitzt eine charakteristische Wellenlänge. Ob dieser Laser für den Laserprozess geeignet ist, hängt davon ab, wie stark die Lichtenergie durch das Material absorbiert und in Wärme umgewandelt wird.
Betriebsart. Es gibt kontinuierliche (sog. CW-Laser, CW = Continuous Wave), die eine konstante Leistung abgeben, und gepulst betriebene Laser, die Laserpulse bestimmter Länge und Energie emittieren. Welche Laserbetriebsart zum Einsatz kommt, hängt von der zu erzielenden Materialreaktion ab. Der größte Anteil der Laserprozesse erfolgt mit gepulsten Laser.
Laserleistung. Die Laserleistung bestimmt, ob eine Reaktion aus energetischer Betrachtung stattfinden kann. Ist die Absorptionsrate des Materials hoch (z.B. 80-90%), reicht eine geringere Laserleistung aus als bei nur 40-50%.
Bei CW-Laser wird die kontinuierlich, bei gepulsten Laser die mittlere emittierte Leistung (das Produkt aus Pulsenergie und Pulsfrequenz) betrachtet.
Pulsspitzenleistung. Die Pulsspitzenleistung, das Verhältnis aus Pulsenergie zu Pulsdauer bestimmt, wie eine Reaktion stattfindet.
Pulsenergie und Pulslänge geben an, welche Lichtenergie ein Puls transportiert und wie lange dieser Puls dauert bzw. wieviel Zeit das Material hat, auf diesen Puls zu reagieren.
Pulsenergie. Je höher die Pulsenergie, desto höher die im Material absorbierte und in Wärme umgewandelte Energie.
Pulslänge. Je länger / kürzer ein Puls, desto länger / kürzer wirkt der Puls auf das Material. Das Material hat „viel“ / „wenig“ Zeit, die Lichtenergie aufzunehmen und in Wärme umzuwandeln.
Lange Pulse (µs-ms, 10-6-10-3s): Das Material hat genügend Zeit, um eine lokal homogene Schmelzzone auszubilden.
Beispiele:
Laserschneiden: Das Material wird im Schnittspalt aufgeschmolzen und die Schmelze mit Druckluft aus dem Schnittspalt getrieben.
Laserschweißen: Die beteiligten Materialschmelzen vermischen sich und gehen beim Abkühlen eine feste Verbindung ein.
Lasergravur: Eine oberflächlich aufgeschmolzene Materialmenge wird durch den Strahlungsdruck des Laserstrahls aus dem erzeugten Graben getrieben.
Kurze Pulse (ns-fs, 10-9-10-15s): Die Wirkzeit des Pulses reicht nicht aus, um eine Materialschmelze zu erzeugen. Der Laserpuls wirkt entweder nur rein oberflächlich oder verdampft Materialpartikel, bevor diese überhaupt in den Schmelzzustand übergehen können.
Beispiele:
Lasermarkieren: Die Materialobefläche ändert durch Aufschäumen oder Farbänderung ihren Kontrast, wodurch der bearbeitete Bereich lesbar wird.
Laserabtrag: Die Pulsspitzenleistung ist so hoch, dass die eingebrachte Energie in Menge und Wirkzeit ausreicht, um die Schmelzphase des Materials zu überspringen und Materialpartikel zu verdampfen, d.h. die Partikel gehen direkt in die Gasphase über. Da der Wärmeeintrag hier relativ gering ist, spricht man auch von kalter Bearbeitung.
Prozessperipherie
Welche Bedeutung haben Schutzgase, die Absaugung der Prozessgase und die Laserkühlung für den Laserprozess? Schutzgase schützen die Materialoberfläche vor Korrosion. Prozessgase können Laserleistung absorbieren und beeinflussen die Bearbeitungsqualität. Eine konstante Betriebstemperatur ist entscheidend für die Laserqualität.
