Die Lasertechnologie ist seit langem für ihren umfangreichen Einsatz beim Schweißen, Schneiden und Markieren bekannt, und erst in diesen zwei Jahren, mit der allmählichen Popularisierung der Laserreinigung, hat sich das Konzept der Laseroberflächenbehandlung immer mehr durchgesetzt in den Fokus der Aufmerksamkeit und tauchte in den Köpfen der Menschen auf. Berührungslose Laserbearbeitung, hohe Flexibilität, hohe Geschwindigkeit, kein Lärm, kleine Wärmeeinflusszone ohne Beschädigung des Substrats, keine Verbrauchsmaterialien und umweltfreundlich.
Tatsächlich gibt es bei der Laser-Oberflächenbehandlung neben der Laserreinigung noch sehr viele Anwendungskategorien, wie etwa Laserpolieren, Laserauftragsschweißen, Laserabschrecken usw. Diese Methoden werden verwendet, um die spezifischen physikalisch-chemischen Eigenschaften der Materialoberfläche zu verändern, beispielsweise um die Oberfläche hydrophob zu machen, oder um mit Laserimpulsen kleine Vertiefungen mit einem Durchmesser von etwa 10 Mikrometern und einer Tiefe von nur wenigen Mikrometern zu erzeugen , um die Rauheit zu erhöhen, die Oberflächenhaftung zu verbessern usw.
Kennen Sie neben der Laserreinigung noch folgende Arten der Laseroberflächenbehandlung?
Laserhärten
Laserhärten ist eine der Lösungen für die Bearbeitung hochbeanspruchter und komplexer Teile, die es ermöglicht, Teile mit höherem Verschleiß wie Nockenwellen und Biegewerkzeuge höheren Belastungen auszusetzen und so eine längere Lebensdauer zu erreichen.
Dabei wird die Haut eines kohlenstoffhaltigen Werkstücks auf eine Temperatur leicht unter der Schmelztemperatur (900 - 1400 Grad, 40 Prozent der eingestrahlten Leistung wird absorbiert) erhitzt, sodass die Kohlenstoffatome im Metallgitter neu angeordnet werden ( Austenitisierung) und dann erhitzt der Laserstrahl die Oberfläche gleichmäßig in Vorschubrichtung, und das Material um den Laserstrahl herum kühlt bei der Bewegung des Laserstrahls so schnell ab, dass das Metallgitter nicht in seine ursprüngliche Form zurückkehren kann, was zu Martensit führt Es entsteht eine Martensitbildung und eine deutliche Härtesteigerung.
Die durch Laserhärten erreichte Härtungstiefe der äußeren Schichten von Kohlenstoffstahl beträgt typischerweise 0,1-1,5 mm und kann bei einigen Materialien 2,5 mm oder mehr betragen. Die Vorteile gegenüber herkömmlichen Härtemethoden sind:
- Der gezielte Wärmeeintrag ist auf einen lokalen Bereich begrenzt, sodass es bei der Bearbeitung praktisch zu keinem Bauteilverzug kommt. Nacharbeitskosten werden reduziert oder entfallen sogar ganz;
- Härten auch bei komplexen Geometrien und Präzisionsbauteilen, wodurch eine präzise Härtung lokal begrenzter Funktionsflächen möglich ist, die mit herkömmlichen Härteverfahren nicht gehärtet werden können;
- ohne Verzerrung. Bei herkömmlichen Härteverfahren kommt es aufgrund des höheren Energieeintrags und des Abschreckens zu Verzügen. Beim Laserhärten lässt sich der Wärmeeintrag jedoch dank Lasertechnologie und Temperaturführung präzise steuern. Das Bauteil bleibt nahezu makellos;
- Die Härtegeometrie des Bauteils lässt sich schnell und „on the fly“ ändern. Dadurch entfällt der Umbau der Optik bzw. des Gesamtsystems.
Laser-Haarschneiden
Das Lasergrobschneiden ist eines der Verfahren zur Oberflächenmodifizierung metallischer Werkstoffe. Beim Strukturierungsprozess erzeugt der Laser regelmäßig angeordnete Geometrien in Schichten oder Substraten, um gezielt Änderungen technischer Eigenschaften und die Entwicklung neuer Funktionen zu ermöglichen. Bei dem Verfahren werden in der Regel mittels Laserstrahlung (meist kurze Laserlichtimpulse) regelmäßig angeordnete Geometrien auf einer Oberfläche reproduzierbar erzeugt. Der Laserstrahl schmilzt das Material kontrolliert auf und verfestigt sich durch entsprechende Prozessführung zur definierten Struktur.
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Hydrophobe Oberflächenstrukturen beispielsweise ermöglichen das Abfließen von Wasser von der Oberfläche. Durch die Erzeugung von Strukturen im Submikrometerbereich auf Oberflächen mit ultrakurzgepulsten Lasern lässt sich diese Eigenschaft realisieren und die zu erzeugende Struktur durch Variation der Laserparameter präzise steuern. Auch der gegenteilige Effekt, z. B. hydrophile Oberflächen, ist realisierbar.
Beim Lackieren von Autoblechen ist es notwendig, „Mikrolöcher“ gleichmäßig auf der Oberfläche des Blechs zu verteilen, um die Haftung des Lacks zu verbessern. Ein gepulster Laserstrahl mit Tausenden bis Zehntausenden Impulsen pro Sekunde wird fokussiert und trifft dann auf die Oberfläche der Rollen, um am Fokussierungspunkt einen winzigen löslichen Pool auf der Oberfläche der Rollen zu bilden und gleichzeitig seitliche Blasen auf den winzigen löslichen Pool, so dass sich das geschmolzene Material im löslichen Pool entsprechend den angegebenen Anforderungen so weit wie möglich im löslichen Pool ansammelt. Der Rand der Bildung bogenförmiger Laschen, dieser kleinen Laschen und Mikrogruben kann nicht nur die Rauheit der Materialoberfläche erhöhen, um die Haftung von Farbe zu erhöhen, sondern auch die Oberflächenhärte des Materials verbessern, um die Lebensdauer zu verlängern.
Durch die Laserstrukturierung werden bestimmte Eigenschaften erzeugt, beispielsweise die Reibungseigenschaften oder die elektrische und thermische Leitfähigkeit einiger metallischer Werkstoffe. Darüber hinaus erhöht die Laserstrukturierung die Verbindungsfestigkeit und Lebensdauer des Werkstücks.
Im Vergleich zu herkömmlichen Methoden ist die Laserstrukturierung von Oberflächen umweltfreundlicher und erfordert keine zusätzlichen Strahlmittel oder Chemikalien; Wiederholbar und präzise erzeugen Laser kontrollierte Strukturen, die bis auf den Mikrometer genau sind und sehr einfach zu reproduzieren sind; wartungsarm, Laser sind berührungslos und daher im Vergleich zu schnell verschleißenden mechanischen Werkzeugen absolut verschleißfrei; und es ist keine Nachbearbeitung erforderlich, da keine Schmelzen oder andere Bearbeitungsrückstände auf dem laserbearbeiteten Teil zurückbleiben.
Laser-Flare-Oberflächenbehandlung
Das Laserhärten wird üblicherweise bei der Laserfarbauftragsbearbeitung, auch Laserfarbmarkierung genannt, eingesetzt. Das Prinzip des Prozesses besteht darin, dass beim Erhitzen des Materials durch den Laser das Metall lokal bis leicht unter seinen Schmelzpunkt erhitzt wird. Bei den entsprechenden Prozessparametern ändert sich zu diesem Zeitpunkt die Struktur des Angusses. In der Oberfläche des Werkstücks bildet sich eine Oxidschicht, diese Filmschicht wird bei der Lichtbestrahlung und dem einfallenden Licht interferiert, so dass zu diesem Zeitpunkt eine Vielzahl von Temperfarben entsteht und auf der Oberfläche eine Schicht aus farbigen Markierungsschichten entsteht Ohne dass der Betrachtungswinkel geändert werden muss, wird das Markierungsmuster in verschiedene Farben geändert.
Droplet Laser veröffentlicht Bericht über die ultraschnelle farbige Oberflächenbehandlung mit Laser
Diese Farben bleiben bis etwa 200 Grad temperaturstabil. Bei höheren Temperaturen ist das Tor temperaturstabilisiert. Bei höheren Temperaturen kehrt das Tor in seinen ursprünglichen Zustand zurück – die Markierung verschwindet. Die Oberflächenqualität bleibt erhalten. Ein hohes Maß an Sicherheit und Rückverfolgbarkeit bei Fälschungsschutzanwendungen. Neben der neuen Schwarzmarkierung mit Ultrakurzpulslasern eignet es sich auch hervorragend zur Produktkennzeichnung und damit zur eindeutigen Rückverfolgbarkeit gemäß UDI-Richtlinie.
Laserauftragschweißen
ist ein additives Fertigungsverfahren für Metall- und Cermet-Hybridmaterialien. Damit können 3D-Geometrien erstellt oder verändert werden. Bei dieser Fertigungsmethode kann der Laser auch zur Reparatur oder Beschichtung eingesetzt werden. Im Luft- und Raumfahrtsektor wird die additive Fertigung daher zur Reparatur von Turbinenschaufeln eingesetzt.
Im Werkzeug- und Formenbau können rissige oder abgenutzte Kanten und geformte Funktionsflächen repariert oder sogar lokal gepanzert werden. Um Verschleiß und Korrosion vorzubeugen, werden in der Energietechnik oder Petrochemie Lagerstellen, Rollen oder Hydraulikkomponenten beschichtet. Und auch im Automobilbau kommt die additive Fertigung zum Einsatz. Hier werden zahlreiche Komponenten verbessert.
Beim herkömmlichen Laserschmelzen von Metall erhitzt der Laserstrahl zunächst lokal das Werkstück und bildet dann ein Schmelzbad. Aus der Düse des Laserbearbeitungskopfes wird dann feines Metallpulver direkt in das Schmelzbad gesprüht. Beim Hochgeschwindigkeits-Lasermetallschmelzen werden die Pulverpartikel bereits über der Substratoberfläche nahezu auf Schmelztemperatur erhitzt. Dadurch wird weniger Zeit zum Schmelzen der Pulverpartikel benötigt.
Der Effekt: eine deutliche Steigerung der Prozessgeschwindigkeit. Aufgrund der geringeren thermischen Wirkung ermöglicht das Hochgeschwindigkeits-Lasermetallschmelzen auch die Beschichtung sehr hitzeempfindlicher Materialien wie Aluminiumlegierungen und Gusseisenlegierungen. Mit dem HS-LMD-Verfahren können hohe Oberflächengeschwindigkeiten von bis zu 1500 cm²/min auf rotationssymmetrischen Oberflächen erreicht werden, während Vorschubgeschwindigkeiten von bis zu mehreren hundert Metern pro Minute realisiert werden können.
Teure Teile oder Formen können mit der Laser-Pulverlaser-Metallauftragsschweißung schnell und einfach repariert werden. Schäden, ob groß oder klein, können schnell und nahezu spurlos repariert werden. Auch Designänderungen sind möglich. Das spart Zeit, Energie und Material. Gerade bei teuren Metallen wie Nickel oder Titan lohnt es sich durchaus. Typische Anwendungsbeispiele sind Turbinenschaufeln, verschiedene Kolben, Ventile, Wellen oder Formen.
Laser-Wärmebehandlung
Tausende Miniaturlaser (VCSELs) sind auf einem einzigen Chip montiert. Jeder Emitter ist mit 56 solcher Chips ausgestattet, während ein Modul aus mehreren Emittern besteht. Die rechteckige Strahlungsfläche kann Millionen von Mikrolasern enthalten und mehrere Kilowatt Infrarot-Laserleistung abgeben.
VCSELs erzeugen mittels eines großen, gerichteten rechteckigen Strahlquerschnitts Nahinfrarotstrahlen mit einer Strahlungsintensität von 100 W/cm². Prinzipiell eignet sich diese Technologie für alle industriellen Prozesse, die eine äußerst präzise Oberflächen- und Temperaturkontrolle erfordern.
Laser-Wärmebehandlungsmodule eignen sich besonders für großflächige Erwärmungsanwendungen, bei denen Präzision und Flexibilität erforderlich sind. Im Vergleich zu herkömmlichen Heizmethoden bietet dieses neue Heizverfahren ein höheres Maß an Flexibilität, Präzision und Kosteneinsparungen.
Mit der Technologie können Beutel mit Batteriezellen versiegelt werden, wodurch Faltenbildung in der Aluminiumfolie verhindert und so die Lebensdauer der Batterie verlängert wird. Es kann auch in Anwendungen wie dem Trocknen von Zellfolien, der Fotoimprägnierung von Solarmodulen und der präzisen Behandlung des zu erwärmenden Bereichs mit bestimmten Materialien wie Stahl- und Siliziumwafern eingesetzt werden.
Laserpolieren
Der Mechanismus der Laserpoliertechnologie besteht in der Oberflächenverengung und dem Überschmelzen der Oberfläche, was auf dem erneuten Aufschmelzen der Oberfläche und dem erneuten Erstarren der laserumgeschmolzenen Schicht beruht. Wenn eine Metalloberfläche von einem Laser mit ausreichend hoher Energie bestrahlt wird, erfährt die Oberfläche einen gewissen Grad an Umschmelzen, Umverteilung und glatte Oberflächen werden durch Oberflächenzugspannung und Schwerkraft vor der Erstarrung erreicht.
Die Gesamtdicke der Schmelzschicht ist geringer als die Höhe von Wanne zu Spitze, sodass das gesamte geschmolzene Metall die nahegelegenen Wannen füllen kann, eine Füllung, die durch den Kapillareffekt verursacht wird, während eine dickere Schmelzschicht das flüssige Metall dazu veranlasst, nach außen zu fließen aus der Mitte des Schmelzbades, angetrieben durch den Thermokapillareffekt oder den Marconi-Effekt, der seine Umverteilung ermöglicht.
Anwendungsbeispiele wie Siliziumkarbidkeramik, das Material für leichte große Teleskopoptiken (insbesondere große und komplex geformte Spiegel). RB-SiC ist als typisches hochhartes, komplexphasiges Material technisch schwierig oberflächenpräzise zu polieren geringe Effizienz. Durch die Modifizierung der Oberfläche von mit Si-Pulver vorbeschichtetem RB-SiC durch einen Femtosekundenlaser kann nach nur 4,5 Stunden Polieren eine optische Oberfläche mit einer Oberflächenrauheit Sq von 4,45 nm erhalten werden, was die Poliereffizienz im Vergleich zu um mehr als das Dreifache verbessert direktes Schleifen und Polieren. Laserpolieren wird auch häufig beim Polieren von Formen, Nocken und Turbinenschaufeln eingesetzt.
Laserstrahlstrahlen
Beim Laser-Schlagstrahlen, auch Laser-Kugelstrahlen genannt, handelt es sich um eine hochenergetische, hochfokussierte Kurzpulslaserbestrahlung (λ=1053nm) der Oberfläche von Metallteilen, des Oberflächenmetalls (oder der Absorptionsschicht) im Hohe Leistungsdichte des Lasers unter der Wirkung der sofortigen Bildung der Plasmaexplosion, der Explosion der Stoßwelle in den Zwängen auf der Grenzschicht der Grenzschicht der internen Übertragung der Metallteile, so dass die Oberflächenschicht von Die Körner erzeugen eine plastische Druckverformung in den Teilen der Oberflächenschicht mit einem dickeren Bereich von Restdruckspannung, Kornverfeinerung und anderen Oberflächenverstärkungseffekten. Im Vergleich zum herkömmlichen mechanischen Kugelstrahlen ergeben sich folgende Vorteile:
- Starke Ausrichtung: Der Laser wirkt in einem kontrollierten Winkel auf die Metalloberfläche, hohe Energieumwandlungseffizienz, während der mechanische Auftreffwinkel des Projektils zufällig ist;
- Große Kraft: Laserstrahl-Plasmastoß, erzeugt durch den momentanen Druck von bis zu mehreren GPa; Leistungsdichte: Spitzenleistungsdichte des Laseraufpralls von einigen bis mehreren Dutzend GW/cm2;
- Gute Oberflächenintegrität: Der Lasereinschlag auf die Oberfläche erzeugt nahezu keinen Sputtereffekt, während beim mechanischen Kugelstrahlen die Oberflächenmorphologie beschädigt wird und eine Spannungskonzentration entsteht.
Der Lasereinschlag nach Erreichen des maximalen Druckspannungswerts ist besser, die Oberflächeneigendruckspannung ist um etwa 40 bis 50 Prozent gestiegen, die Ermüdungslebensdauer des Werkstücks, die Beständigkeit gegen hohe Temperaturen und das Biegeformen sowie andere damit verbundene Indikatoren mit numerischem Wert wurden erheblich verbessert . Derzeit wird es im Bereich der Oberflächenbehandlung von Flugzeugen, Flugzeugtriebwerken usw. eingesetzt. Übersetzt mit www.DeepL.com/Translator (kostenlose Version)
