Leistungen undErgebnisseJahresbericht 2001
Jahresbericht des Fraunhofer-Institutsfür Lasertechnik ILT2001
Ein Leitbild zum Geleit
Das Fraunhofer ILT trägt seit über15 Jahren im Bereich der angewandtenLasertechnik zur Leistungsfähigkeitinnovativer Unternehmen bei. Dies verlangt zu jedem Zeitpunkt den Einsatz vieler kreativer Kräfte. So sind zahlreiche Neuheiten in der Laser-technik entstanden, die bis heute dieBranche prägen.
Kreativität braucht einen Rahmen und klare Ziele, um ergebnisorientiert wirken zu können. Das ILT hat ent-sprechend in einem aufwendigeninternen Prozess 2001 das eigeneUnternehmens-Leitbild erarbeitet, umZusammenarbeit und -leben effizienter,effektiver und einfach besser zu gestalten. Kunden und Mitarbeiter finden im Leitbild eine übergeordneteOrientierung, unabhängig von derschnelllebigen Technologieentwicklung.Sehen Sie es sich doch einmal an:www.ilt.fraunhofer.de.
Zur Fokussierung im breiten Spektrumder angewandten Lasertechnik ist es absolut notwendig, mittelfristige, konkrete Strategien auf der technolo-gischen Ebene zu erarbeiten, die eineeffektive Nutzung und Bündelung der kreativen Kräfte sichern. Hierzu hat das ILT im Jahr 2001 in einem kontinuierlichen Entwicklungsprozess einerseits die internen Kompetenzenstrukturiert und dokumentiert sowieandererseits die mittelfristigen Kunden-erwartungen analysiert und mit deneigenen Visionen gefaltet. Daraus entstanden vier marktorientierteGeschäftsfelder und sechs Kernkom-petenzen.
Im Ergebnis liegen heute für alle zehnElemente aktuelle Schwerpunkte als auch zukünftige Forschungs- und Entwicklungsinhalte in Form von Technologie- und Produktroadmapsvor. Mit dieser Struktur soll einerseitsdie Kundenansprache noch weiteroptimiert sowie andererseits der Rahmen für die eigenen kreativenExplorationen gesteckt werden. Leit-bild, Strategieplan und zertifiziertesQualitätsmanagementsystem gebennun dem ILT ein fokussiertes, innenund außen wahrnehmbares Profil.Hiermit wollen wir unsere Position als geeigneter Partner für nachhaltige FuE-Entwicklungen im Bereich derLasertechnik ausbauen und unsereMission einer internationalen Spitzen-stellung beim Transfer der Lasertechnikin die industrielle Nutzung erfüllen.
Ich danke vor allem den Mitarbeiternfür ihren unermüdlichen Arbeitsein-satz, der zu einem sehr erfolgreichenJahr und »nebenbei« zu diesen lebens-wichtigen Instrumenten geführt hat.
Aachen, im Februar 2002
IhrProf. Dr. rer. nat. Reinhart Poprawe M.A.
Vorwort
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 3
Fraunhofer-Institutfür Lasertechnik ILT
Steinbachstraße 1552074 AachenTelefon: +49 (0) 241 / 8906 -0Fax: +49 (0) 241 / 8906 -121
E-Mail: [email protected]
4 Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001
Das Institut im Profil 6
Leitbild 7
Geschäftsfelder 8
Gremien 10
Ansprechpartner 11
Kernkompetenzen 12
Dienstleistungsangebot 14
Das Institut in Zahlen 16
Kundenreferenzen 19
Fraunhofer USACenter for Laser Technology CLT 20
Coopération LaserFranco-Allemande CLFA 22
Die Fraunhofer-Gesellschaftauf einen Blick 24
Einige ausgewählte Forschungsergebnisse aus den Geschäftsfeldern des ILT
Laserstrahlquellen und Plasmasysteme 26 - 36
Laserfertigungsverfahren 37 - 60
Laseranlagen und Systemtechnik 61 - 75
Lasermess- und Prüftechnik 76 - 90
Patente 91
Dissertationen 92
Diplomarbeiten 92
WissenschaftlicheVeröffentlichungen 93
Vorträge 95
Messebeteiligungen 97
Kongresse und Tagungen 97
Publikationen 99
Filme und Multimedia-Software 102
Informations-Service 104
Impressum 105
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 5
Inhalt
DQS zertifiziert nach DIN EN ISO 9001Reg.-Nr.: DE-69572-01
Kurzportrait
ILT - dieses Kürzel steht seit über 15Jahren für gebündeltes Know-how imBereich Lasertechnik. Innovative Lösungen von Fertigungs- und Produk-tionsaufgaben, Entwicklung neuertechnischer Komponenten, kompetenteBeratung und Ausbildung, hochspezia-lisiertes Personal, neuester Stand derTechnik sowie internationale Referenzen:dies sind die Garanten für langfristigePartnerschaften. Die zahlreichen Kun-den des Fraunhofer-Instituts für Laser-technik ILT stammen aus Branchen wiedem Automobil- und Maschinenbau,der Chemie und der Elektrotechnik,dem Stahlbau, der Feinmechanik undder Optik.
Mit über 230 Mitarbeitern und 10.000 m2
Nutzfläche zählt das Fraunhofer-Institutfür Lasertechnik ILT weltweit zu denbedeutendsten Auftragsforschungs-und Entwicklungsinstituten seines Fach-gebietes. Die vier Geschäftsfelder desFraunhofer ILT decken ein weites, ver-tikal integriertes Themenspektrum ab.Im Geschäftsfeld »Laserstrahlquellenund Plasmasysteme« konzentrierensich die Entwicklungsaktivitäten aufinnovative Dioden- und Festkörperlaserfür den industriellen Einsatz sowie aufkompakte EUV-Strahlquellen für dieLithographie in der Halbleiterproduktion.Das Geschäftsfeld »Laserfertigungs-verfahren« löst Aufgabenstellungen zum Schneiden, Abtragen, Bohren,Schweißen, Löten sowie zur Ober-flächenbearbeitung und Mikrofertigung.Das Anwendungsspektrum reicht vonder Makrobearbeitung über die Nano-strukturierung bis hin zur Biophotonik.Im Geschäftsfeld »Laseranlagen undSystemtechnik« werden Prototyp-anlagen entwickelt, konstruiert undvor Ort installiert. Prozessüberwachungund -regelung sind ebenso Bestandteil
der Aktivitäten wie Steuerungen undSystemkomponenten. Im Geschäftsfeld»Lasermess- und Prüftechnik« werdenVerfahren und Systeme zur Ober-flächeninspektion, zur Stoffanalyse, zur Prüfung der Maßhaltigkeit undGeometrie von Bauteilen sowie zurAnalyse statischer und dynamischerVerformungen entwickelt.
Unter einem Dach bietet das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik Forschung und Entwicklung, Systemaufbau undQualitätssicherung, Beratung und Aus-bildung. Zur Bearbeitung der Forschungs-und Entwicklungsaufträge stehenindustrielle Lasersysteme verschiedenerHersteller sowie eine umfangreiche Infrastruktur zur Verfügung.
Im Anwenderzentrum des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik arbeiten Gast-firmen in eigenen, abgetrennten Laborsund Büroräumen. Grundlage für diesespezielle Form des Technologietransfersist ein langfristiger Kooperationsvertragmit dem Institut im Bereich der Forschungund Entwicklung. Der Mehrwert liegtin der Nutzung der technischen Infra-struktur und dem Informationsaustauschmit ILT-Experten. Bereits 10 Firmen nut-zen die Vorteile des Anwenderzentrums.Neben Tochterfirmen führender Laser-hersteller und innovativer Laseranwen-der finden hier Neugründer aus demBereich des Sonderanlagenbaus, derLaserfertigungstechnik und der Laser-messtechnik ein geeignetes Umfeld zurindustriellen Umsetzung ihrer Ideen.
Das Institut im Profil
6 Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001
Mission
Wir nehmen beim Transfer der Laser-technik in die industrielle Nutzung eineinternationale Spitzenposition ein.
Wir erweitern nachhaltig Wissen undKnow-How unserer Branche und tragenmaßgeblich zur Weiterentwicklung vonWissenschaft und Technik bei.
Wir schaffen mit unseren Partner ausIndustrie, Wissenschaft und PolitikInnovationen auf Basis neuer Strahl-quellen und neuer Anwendungen.
Kunden
Wir arbeiten kundenorientiert.
Diskretion, Fairness und Partnerschaft-lichkeit haben für uns im Umgang mit unseren Kunden oberste Priorität.Unsere Kunden können sich auf unsverlassen.
Entsprechend der Anforderung undErwartung unserer Kunden erarbeitenwir Lösungen und deren wirtschaflicheUmsetzung. Ziel ist die Schaffung vonWettbewerbsvorteilen.
Wir fördern den Nachwuchs an Fach-und Führungskräften für die Industriedurch projektbezogene Partnerschaftenmit unseren Kunden.
Wir wollen, dass unsere Kunden zu-frieden sind und gerne wiederkommen.
Chancen
Wir erweitern unser Wissen strategischim Netzwerk.
Faszination: Laser
Wir sind fasziniert von den einzigartigenEigenschaften des Laserlichts und derdaraus resultierenden Vielseitigkeit derAnwendungen.
Mitarbeiter
Das Zusammenwirken von Individuumund Team ist die Basis unseres Erfolges.
Stärken
Wir haben ein breites Spektrum anRessourcen und bieten Lösungen auseiner Hand.
Führungsstil
Kooperativ, fordernd und fördernd.Die Wertschätzung unserer Mitarbeiter als Person, ihres Know-Hows und ihresEngagement ist Basis unserer Führung.Wir binden unsere Mitarbeiter in dieErarbeitung von Zielen und in Entschei-dungsprozesse ein. Wir legen Wert aufeffektive Kommunikation, zielgerichteteund effiziente Arbeit und klare Ent-scheidungen.
Position
Wir arbeiten in vertikalen Strukturenvon der Forschung bis zur Anwendung.
Unsere Kompetenzen erstrecken sich entlang der Kette Strahlquelle, Bearbeitungs- und Messverfahren überdie Anwendung bis zur Integrationeiner Anlage in die Produktionsliniedes Kunden.
Leitbild
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Geschäftsfeld »Laserstrahlquellenund Plasmasysteme«
Das Geschäftsfeld umfasst die Entwick-lung von Diodenlaser-Modulen undSystemen sowie diodengepumpterFestkörperlaser, das Design neuerDiodenlaserstrukturen, die Mikromon-tage von Diodenlasern und optischerKomponenten sowie die Entwicklungvon Plasmasystemen. Zu den heraus-ragenden Projektergebnissen, die inenger Kooperation mit den Industrie-Partnern erfolgreich in die Praxis über-führt worden sind, zählen u. a. dertransversal diodengepumpte 5 kW-Festkörperlaser sowie die Diodenlaser-module zum Fügen von Kunststoff-bauteilen. In Kooperation mit demFraunhofer IAF werden neue Strukturenentworfen, die die Herstellung vonDiodenlasern höherer Strahlqualitäterlauben. Zu den Alleinstellungsmerk-malen des Geschäftsfeldes zählt weiter-hin die Montage von Hochleistungs-Diodenlasern und insbesondere dieRealisierung teilautomatisierter Montage-anlagen. Im Bereich Plasmatechnikliegt der Schwerpunkt auf der Entwick-lung von EUV-Strahlquellen für dieHalbleiterlithographie. Die wesentlichenZielmärkte des gesamten Geschäfts-feldes sind die Lasermaterialbearbeitung,die Medizintechnik, die Messtechniksowie der Komponentenmarkt für dieInformations- und Kommunikations-technik.
Geschäftsfeld»Laserfertigungsverfahren«
Zu den Fertigungsverfahren, mit denensich das Geschäftsfeld befasst, zählendie Trenn- und Fügeverfahren in Mikro-und Makrotechnik sowie die Ober-flächenverfahren. Die angebotenenDienstleistungen reichen von der Ver-fahrensentwicklung für die Herstellungbranchenspezifischer Produkte und dieIntegration dieser Verfahren in Produk-tionslinien über Simulationsdienstleis-tungen für Laserapplikationen bis zurMusterfertigung zur Unterstützung des Serienanlaufes. Die Stärke desGeschäftsfeldes beruht auf dem um-fangreichen Prozess-Know-how, dasauf die Kundenanforderungen jeweilszugeschnitten wird. Neben den Prozess-entwicklungen bietet das Geschäfts-feld durch Nutzung ausgewählterTechnologienetzwerke kompletteSystemlösungen an. Dem Kunden werden laserspezifische Problemlösungenangeboten, die Konstruktion, Werk-stoff, Produktdesign, Produktionsmittelund Qualitätssicherung mit einbeziehen.Neben dem Zielmarkt Materialbear-beitung spricht das Geschäftsfeldebenfalls Kunden aus den BereichenMedizintechnik, Biotechnologie undChemie an.
Geschäftsfelder
8 Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001
Geschäftsfeld»Laseranlagen und Systemtechnik«
Das Geschäftsfeld konzentriert sicheinerseits auf die Entwicklung vonPrototypanlagen für Laserapplikationenund plasmatechnische Anwendungenund andererseits auf die Lasersystem-technik mit Schwerpunkt Automationund Qualitätssicherung. Anwendungs-bereiche sind u. a. Schweißen, Schnei-den, Härten, Reparaturbeschichten,Bohren und Mikrofügen. In der System-technik werden Komplettlösungen zurProzessüberwachung, Komponentenund Steuerungen zur Präzisionsbear-beitung, laserspezifische CAD/CAM-Technologiemodule sowie Softwarezum Messen, Steuern, Regeln und Prüfen angeboten. Insbesondere in derProzessüberwachung hält das Geschäfts-feld umfangreiches und bei Bedarfpatentrechtlich geschütztes Know-howvor. Zahlreiche Systeme wurden in diesem Bereich bereits für Unternehmenlizensiert. Zielmärkte sind neben denLaseranlagen- und -komponenten-herstellern sämtliche Branchen der produzierenden Industrie, die Laser inder Fertigungstechnik einsetzen oderbeabsichtigen, dies zu tun.
Geschäftsfeld«Lasermess- und Prüftechnik«
Das Angebotsspektrum des Geschäfts-feldes umfasst die Entwicklung vonMess- und Prüfverfahren sowie ent-sprechender Anlagen zur Stoffanalyseund zur Geometrie- und Oberflächen-prüfung. Auch die erforderliche Mess-und Prüfsoftware wird auf die kunden-spezifischen Problemstellungen zuge-schnitten. Die Stoffanalyse beruht aufdem Einsatz laserspektroskopischer Verfahren. Schwerpunktmäßig befasstsich dieser Bereich mit der Analysemetallischer Werkstoffe, der Verwechs-lungsprüfung hochlegierter Stähle, derSchnellerkennung von Kunststoffensowie der Analyse von Prozessabgasen.Für die parallele Verarbeitung vonDetektorsignalen hoher Bandbreitewerden spezielle Elektronikkomponen-ten entwickelt. Seit kurzem wird dasneue Themenfeld Biophotonik aufge-griffen. Im Rahmen von Verbundpro-jekten wird Expertise im Bereich hoch-sensitiver Fluoreszenzdetektion fürProteinchips systematisch aufgebaut.Im Bereich Geometrie- und Ober-flächenprüfung werden Komponenten,Geräte und Anlagen, mit denen 1- bis3D Informationen über die Geometrie-oder die Oberflächenbeschaffenheitvon Werkstücken gewonnen werdenkönnen, entwickelt. Hierzu zählen beispielsweise Verfahren und Sonder-anlagen für die Prüfung der Topologievon strang- und bandförmigen Produk-ten, Geräte für die 1D- bis 2D-Vermes-sung von Stückgut sowie Elektronik-komponenten für Lasertriangulations-und Laserlichtschnittsensoren. Zielmärktesind sämtliche Branchen der produ-zierenden Industrie, die mess- oderprüftechnische Aufgaben mit hoherZuverlässigkeit durchführen müssen.
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 9
Kuratorium und Gremien
Das Kuratorium berät die Organe der Fraunhofer-Gesellschaft sowie die Institutsleitung und fördert die Verbindung zu den an Forschungs-arbeiten des Instituts interessiertenKreisen. Mitglieder des Kuratoriumswaren im Berichtszeitraum:
Ch. Schneider Dr.-Ing.Vorsitzender
C. BaaselCarl Baasel Lasertechnik GmbH
D. Basting Dr.Lambda Physik GmbH
H. Hornig Dipl.-Ing.BMW AG
G. Marowsky Prof. Dr.Laserlaboratorium Göttingen e. V.
H. Martinen Dipl.-Phys.Rofin Sinar Laser GmbH
T. Monsau MinRat Dipl.-Phys.Ministerium für Wirtschaft und Mittel-stand, Technologie und Verkehr, NRW
G. Müller Prof. Dr.-Ing.Laser-Medizin-Technologie GmbH
R. Müller Dr.Osram Opto Semiconductors GmbH & Co. OHG
H. Opower Prof. Dr. rer. nat.Deutsches Zentrum für Luft- undRaumfahrt e.V.
R. Röhrig MinR Dr. Bundesministerium für Bildungund Forschung (BMBF)
M. Stückradt Dr.Kanzler der RWTH Aachen
R. Wollermann-Windgasse Dr. rer. nat.Trumpf Lasertechnik GmbH
Die siebzehnte Zusammenkunft desKuratoriums fand am 13. September2001 im Fraunhofer ILT in Aachen statt.
Institutsleitungskreis (ILEI)Der Institutsleitungskreis (ILEI) berät die Institutsleitung und wirkt bei derEntscheidungsfindung über die Grund-züge der Forschungs- und Geschäfts-politik des Instituts mit. Mitglieder desILEI sind: Prof. Dr. R. Poprawe, Dr. P. Loosen, Dipl.-Ing. WolfgangOesterling, Dr. E.W. Kreutz, Dipl.-Phys. A. Bauer, Dr. K. Boucke,Dr. K. Du (bis 06.2001), Dr. A. Gillner,Dipl.-Ing. H.-D. Hoffmann (ab 06.2001),Dr. S. Kaierle, Dr. W. Neff, Dr. R. Noll,Dr. D. Petring, Priv.-Doz. Dr. W. Schulz,Dr. B. Weikl, Dr. K. Wissenbach, Dipl.-Phys. G. Vitr, Dr. J. Gottmann.
Arbeitsschutzausschuss (ASA)Der Arbeitsschutzausschuss (ASA) istfür die Lasersicherheit und alle anderensicherheitstechnischen Fragen imFraunhofer ILT zuständig. Mitgliederdes Ausschusses sind: Dipl.-Ing. W. Oesterling, L. Bodelier, M. Brankers, Dr. E. W. Kreutz,A. Lennertz, Dr. W. Neff, Dipl.-Phys. G. Otto, Dipl.-Ing. F. Voigt, Dipl.-Ing. N. Wolf, Dr. G. Kotitschke, Berufs-genossenschaftlicher Arbeitsmedizini-scher Dienst (BAD).
Wissenschaftlich-Technischer Rat (WTR)Der Wissenschaftlich-Technische Rat(WTR) der Fraunhofer-Gesellschaft unterstützt und berät die Organe derGesellschaft in wissenschaftlich-techni-schen Fragen von grundsätzlicherBedeutung. Ihm gehören die Mitglie-der der Institutsleitungen und je Insti-tut ein gewählter Vertreter der wissen-schaftlich-technischen Mitarbeiter an.
Mitglieder im Wissenschaftlich-Tech-nischen Rat sind: Prof. Dr. R. Poprawe,Dipl.-Phys. G. Vitr, Brigitte Theisen.
Lehrstuhl für Lasertechnik (LLT) der RWTH AachenDer Lehrstuhl für Lasertechnik (LLT) ist überwiegend in den Räumen des Fraunhofer ILT untergebracht. Diesermöglicht eine enge wissenschaftlicheZusammenarbeit zwischen FraunhoferILT und dem Lehrstuhl für Lasertechnik,welche durch einen Kooperations-vertrag geregelt ist. Leiter des Lehrstuhlsfür Lasertechnik ist Prof. Dr. rer. nat. R. Poprawe M. A., Akademischer Direk-tor ist Dr. E.W. Kreutz.
Gremien
10 Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001
Ansprechpartner
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 11
Prof. Dr. rer. nat. Reinhart Poprawe M.A. ( -110)Institutsleiter
Dr. Peter Loosen ( -162)stellvertretender Institutsleiter
Dipl.-Phys. Axel Bauer ( -194)Marketing und Kommunikation
Dipl.-Ing. Wolfgang Oesterling ( -185)Verwaltung und Infrastruktur
Dr. Bruno Weikl ( -134)IT-Management
Dr. Konstantin Boucke ( -132)Abt. Laserkomponenten
Dipl.-Ing. Dieter Hoffmann ( -206)Abt. Festkörper- und Diodenlaser
Dr. Reinhard Noll ( -138)Abt. Lasermess- und Prüftechnik
Dr. Willi Neff ( -142)Abt. Plasmatechnologie
Dr. Alexander Drenker ( -223)Qualitätsmanagement
Dr. Dirk Petring ( -210)Abt. Trenn- und Fügeverfahren
Dr. Konrad Wissenbach ( -147)Abt. Oberflächentechnik
Dr. Arnold Gillner ( -148)Abt. Mikrotechnik
Dr. Stefan Kaierle ( -212)Abt. Systemtechnik
Priv.-Doz. Dr. W. Schulz ( -132)Modellierung und Simulation
Kernkompetenzen
12 Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001
LaserkomponentenDr. Konstantin Boucke ( -132)
• Aktive und passive Kühlungvon Diodenlasern
• Konfektionierung von Diodenlasern• Elektro-optische Charakterisierung
von Diodenlasern• Theoretische Modellierung neuer
Diodenlaserstrukturen• Mikromontageprozesse• Automatisierung von Mikro-
montageprozessen
Festkörper- und DiodenlaserDipl.-Ing. Dieter Hoffmann ( -206)
• Entwicklung von Festkörper- und Diodenlasern
• Verfahren und Komponenten zur Frequenzkonversion
• Formung von Diodenlaserstrahlen• Entwicklung von Diodenlaser-
modulen und -systemen• Design und Charakterisierung von
mikrooptischen Komponenten• Entwicklung von Komponenten
für Festkörper- und Diodenlaser
Lasermess- und PrüftechnikDr. Reinhard Noll ( -138)
• Entwicklung, Bau und Erprobung von Lasermess- und Prüfsystemen
• Chemische Analyse von festen, flüssigen und gasförmigen Substanzen mit Laser-Spektroskopie
• Fluoreszenz-Spektroskopie• Laser-Koordinatenmesssysteme• Oberflächeninspektion• Zerstörungsfreie Prüfverfahren• Interferometrische Messverfahren• Echtzeitdatenverarbeitung
und Automation
PlasmatechnologieDr. Willi Neff ( -142)
• Anregungssysteme für die Plasmatechnik
• Nieder- und Hochdruckplasmen für Reinigungsverfahren und Sterilisation
• Plasmabasierte EUV- und Röntgen-quellen sowie Röntgentechnik
• Kurzzeitmesstechnik• Photo- und Plasmachemie
Trenn- und FügeverfahrenDr. Dirk Petring ( -210)
• Hochgeschwindigkeitsbearbeitung• Dickblechbearbeitung• Trennen und Fügen von Sonder-
materialien• Abtragen (Bohren, Caving,
Perforieren, Gravieren)• 3D-Anwendungen• Schweißen mit Zusatzwerkstoff• Hybridverfahren• Design von Bearbeitungsdüsen
und -optiken• Sensorgestützte Prozessüberwachung
und -regelung• Rechnergestützte Prozesssimulation
und -optimierung• Multimediale Ausbildungs- und
Informationssysteme
Oberflächentechnik Dr. Konrad Wissenbach ( -147)
• Umwandlungshärten, Umschmel-zen, Beschichten, Legieren und Dispergieren zur Herstellung bean-spruchungsgerechter Funktions-schichten
• Entwicklung von Pulverzufuhr-systemen
• Biegen von Metallen• Reinigung und Modifikation
von Oberflächen wie Entgraten, Polieren, Aktivieren und Strukturieren
• Rapid Prototyping zur Herstellung metallischer Bauteile und Werkzeuge
MikrotechnikDr. Arnold Gillner ( -148)
• Laserstrahlmikrolöten und -mikroschweißen
• Lasergestütztes Biegen und Justieren• Feinschneiden und Bohren von
Metallen, Keramiken, Halbleitern und Diamanten
• Mikrostrukturierung mit Excimer- und Nd:YAG-Lasern
• Mikrostanz- und -prägetechnik• Markieren und Beschriften• Laser-CVD und -PVD, Laser-Galvanik• Schneiden und Perforieren von
Papier, Kunststoffen und Verbund-werkstoffen
• Schweißen von Thermoplasten und thermoplastischen Elastomeren
Modellierung und SimulationPriv.-Doz. Dr. W. Schulz ( -132)
• Design von Hohlkathoden zur Erzeugung von EUV-Strahlung
• Auslegung von Resonatoren für Gas-, Festkörper- und Hochleistungsdiodenlaser
• Optimierung der Strahlführung in optischen Systemen
• Analyse des Strahlungstransports in Prozessgasen während der Bearbeitung
• Analyse von Unter- und Überschallströmungen von Arbeits- und Prozessgasen
• Analyse von Schmelzströmung, Wärmetransport, Schmelzen und Verdampfen
• Dynamische Modelle zum Abtragen,Schneiden, Schweißen und Bohren
• Algorithmen zur Auswertung von Messdaten
• Programmierung graphischer Benutzeroberflächen zur Simulation der Modelle und Visualisierung von Messdaten mit kommerziellen Graphikservern wie OpenGL®
• Numerische Methoden und Berechnungsverfahren, wie z. B. Cluster-In-Cell Verfahren (CIC), adaptive Vernetzung in bewegten Gebieten (hierarchische Basen), Finite Elemente und Finite Volumen Methoden auf zeitlich veränderlichenGebieten (Level-Set Methode)
• Prozessüberwachung mit räumlich und zeitlich höchstauflösenden, kommerziellen CCD- und CMOS-Kamerasystemen
• Steuerung und Regelung von Fertigungsprozessen
SystemtechnikDr. Stefan Kaierle ( -212)
• Pilotanlagen• Integration von Lasertechnik in
Fertigungseinrichtungen• Entwicklung von Sensoren und
Regelungssystemen• Entwicklung von Diodenlasernetz-
teilen, Funkenerosionsgeneratoren und Hochspannungs-Impuls-generatoren
• Nullserien-Applikation • Anlagenkonzeptionierung • Steuerungstechnik für Laseranlagen• Aus- und Weiterbildung
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 13
Dienstleistungen
Das Dienstleistungsangebot des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT wird ständig den Erfordernissen der industriellen Praxis angepasst und reichtvon der Lösung fertigungstechnischerProblemstellungen bis hin zur Durch-führung von Testserien. Im einzelnenumfasst das Angebot:• Laserentwicklung • Fertigungs- und Montagetechnik • Pulsnetzteile und Steuerungstechnik• Strahlführung und -formung• Entwicklung, Aufbau und Test
von Pilotanlagen• Verfahrensentwicklung• Modellierung und Simulation• Prozessüberwachung und -regelung• Muster- und Testserien• Integration von Lasertechnik in
bestehende Produktionsanlagen• Röntgen-, EUV- und Plasmasysteme
Kooperationen mit FuE-Partnern
Die Kooperation des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT mit FuE-Partnern kann verschiedene Formenannehmen:• Durchführung von bilateralen, firmen-
spezifischen FuE-Projekten mit und ohne öffentliche Unterstützung (Werkvertrag)
• Beteiligung von Firmen an öffentlichgeförderten Verbundprojekten (Mitfinanzierungsvertrag)
• Übernahme von Test-, Null- und Vorserienproduktion durch das Fraunhofer ILT zur Ermittlung derVerfahrenssicherheit und zur Minimierung des Anlaufrisikos (Werkvertrag)
• Firmen mit Gaststatus am FraunhoferILT (spezielle Kooperationsverträge)
Durch Zusammenarbeit mit anderenForschungseinrichtungen und speziali-sierten Unternehmen bietet das Fraunhofer-Institut für Lasertechnikauch bei fachübergreifenden Aufgaben-stellungen Problemlösungen aus einerHand. Ein besonderer Vorteil ist in die-sem Zusammenhang der direkte Zugriffauf die umfangreichen Ressourcen derFraunhofer-Gesellschaft.
Während der Einführungsphase neuer Laserverfahren oder -produktekönnen Unternehmen Gaststatus amFraunhofer-Institut für Lasertechnik erwerben und Geräteausstattung, Infra-struktur und Know-how des Institutsnutzen sowie eigene Geräte installieren.
Dienstleistungsangebot
14 Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001
Ausstattung
Die Nutzflächen des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT betragenüber 10.000 m2.
Technische InfrastrukturZur technischen Infrastruktur des Insti-tuts gehören eine mechanische undeine elektronische Werkstatt, ein Metallographielabor, ein Fotolabor, ein Labor für optische Messtechnik sowie eine Konstruktionsabteilung. DasFraunhofer ILT verfügt über einen Video-konferenzraum und ein vernetztes Rech-nersystem.
Wissenschaftliche InfrastrukturZur wissenschaftlichen Infrastrukturzählen u. a. eine mit internationaler Literatur bestückte Bibliothek, Literatur-und Patentdatenbanken sowie Pro-gramme zur Berechnung wissenschaft-licher Fragestellungen und Datenbankenzur Prozessdokumentation.
GeräteausstattungDie Geräteausstattung des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT wird ständigauf dem Stand der Technik gehalten.Sie umfasst derzeit als wesentlicheKomponenten:• CO2-Laser bis 20 kW• Nd:YAG-Laser bis 5 kW• Diodenlasersysteme bis 3 kW• Diodengepumpte Festkörperlaser
bis 5 kW• Excimerlaser• Faserlaser• Fünfachsige Portalanlagen• Dreiachsige Bearbeitungsstationen• Strahlführungssysteme• Robotersysteme
• Sensoren zur Prozessüberwachung für die Lasermaterialbearbeitung
• Direct-writing- und Laser-PVD-Stationen
• Reinräume zur Montage von Dioden-lasern, Diodenlasersystemen und diodengepumpten Festkörperlasern
• Geräte zur Verfahrens- und Prozessdiagnostik sowie zur Hoch-geschwindigkeits-Prozessanalyse
• Laser-Spektroskopie-Systeme zur chemischen Analyse fester, flüssiger und gasförmiger Stoffe
• Lasertriangulationssensoren zur Abstands- und Konturvermessung
• Laser-Koordinatenmessmaschine• Einrichtungen zur holographischen
Schwingungsanalyse und Speckle-Interferometrie
Fraunhofer ILT im Ausland
Das Fraunhofer ILT pflegt seit seinerGründung zahlreiche internationale Kooperationen. Ziel der Zusammenarbeitist es, Trends und Entwicklungen rechtzeitig zu erkennen und weiteres Know-how zu erwerben. Dieses kommtden Auftraggebern des Fraunhofer ILTdirekt zugute. Mit ausländischen Firmenund Niederlassungen deutscher Firmenim Ausland führt das Fraunhofer ILTsowohl bilaterale Projekte als auch inter-nationale Verbundprojekte durch. DieKontaktaufnahme kann auch mittelbarerfolgen über:• Niederlassungen des Fraunhofer ILT
im Ausland• ausländische Kooperationspartner
des Fraunhofer ILT• Verbindungsbüros der Fraunhofer-
Gesellschaft im Ausland.
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 15
© AVIA-Luftbild, AachenDipl.-Ing. Martin Jochum
Mitarbeiter
• 16 Mitarbeiter haben ihre Promotionabgeschlossen
• 13 Studenten haben ihre Diplomarbeit am Fraunhofer ILT durchgeführt
Das Institut in Zahlen
16 Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001
Mitarbeiter am Fraunhofer ILT 2001 Anzahl
Stammpersonal 133- Wissenschaftler und Ingenieure 86- Abordnung Wissenschaftler 1- technische Infrastruktur 30- Verwaltungsangestellte 16Weitere Mitarbeiter 101- wissenschaftliche Hilfskräfte 89- externe Mitarbeiter 9- Auszubildende 3Mitarbeiter am Fraunhofer ILT, gesamt 234
38% wissenschaftliche Hilfskräfte
7 % Verwaltungsangestellte
5 % externe Mitarbeiter, Auszubildende
13 % technische Infrastruktur
0,5 % Abordnung Wissenschaftler
36,5 % Wissenschaftler
Aufwendungen und Erträge (vorläufig)
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 17
Aufwendungen 2001 Mio. EUR
Betriebshaushalt 17,5- Personalaufwendungen 7,1- Sachaufwendungen 10,4
Investitionen 3,1
Erträge Betriebshaushalt 2001 Mio. EUR
- Erträge aus der Industrie 10,2- Zusatzfinanzierung durch Bund, Länder und EU 4,2- Grundfinanzierung durch die Fraunhofer-Gesellschaft 3,0Erträge, gesamt 17,5- davon entfallen auf Auslandsprojekte 1,5
51% Sachaufwendungen
15 % Investitionen
34 % Personalaufwendungen
25 % Zusatzfinanzierung durch Bund, Länder und EU
17 % Grundfinanzierung durch die Fraunhofer-Gesellschaft
58 % Erträge aus der Industrie
Betriebshaushaltsentwicklung
Die Graphik verdeutlicht die Entwick-lung des Betriebshaushaltes in denletzten 12 Jahren.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001
Projekterträge öffentliche Hand Projekterträge Industrie Grundfinanzierung
7,48,3
8,8
9,910,6
11
Mio EUR
11,812,5
15,0 14,7 14,8
17,5
Das Institut in Zahlen
18 Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001
Stand Februar 2002Mit freundlicher Genehmigung derKooperationspartner.
Die aufgelisteten Firmen sind ein repräsentativer Ausschnitt aus derumfangreichen Kundenliste des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik.
Kundenreferenzen
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 19
Kurzportrait
Das Fraunhofer Center for Laser Tech-nology CLT hat seinen Sitz in Plym-outh, Michigan. Diese Region hat sichzu einem Zentrum für Laserhersteller,Systemintegratoren und industrielleAnwender in den USA etabliert. Dasneue Gebäude des CLT umfasst Räum-lichkeiten mit einer Grundfläche von1250 m2. Mit einem Gesamtwert vonmehr als 7 Millionen US$ weist das CLTdie modernste und vielseitigste Aus-stattung von Lasersystemen in Nord-amerika auf.
Die verfolgten Ziele sind:• Einbindung in wissenschaftliche
und industrielle Entwicklungen in den USA
• Know-how Zuwachs durch schnelleresErkennen von Trends im Bereich der Laser- und Fertigungstechnik
• Beschleunigte Nutzung von FuE- und Arbeitsmethoden, in denen die USA führend sind
• Know-how Zuwachs durch enge Kooperation mit der Wayne State University
• Stärkung der Position am FuE-Markt• Steigerung der Industrieerträge
aus den USA• Steigerung der Motivation und
der Qualifikation der Mitarbeiter
Die zentrale Philosophie von FraunhoferUSA ist der Aufbau eines deutsch-amerikanischen Joint-Ventures, beidem Nehmen und Geben im Einklangzueinander stehen. Der Nutzen für beide Seiten ist eine essentielle Voraus-setzung für die Zusammenarbeit. DieFraunhofer-Gesellschaft wird stetsauch Interessen der amerikanischenSeite berücksichtigen und versuchen,Beziehungen zu entwickeln, die sichwechselseitig verstärken. Als ersterkommerzieller Partner des Centers
wurde »Visotek« im Januar 2001gegründet. Geschäftszweck ist dierasche Kommerziliasierung von Fraun-hofer Technologie und die gemeinsameBearbeitung von Forschungsprojekten.Erste Prototypen von Schweißoptikenmit integrierter Prozesskontrolle undStrahlsteuerung wurden ausgeliefert.An fasergekoppelten Diodenlasernhoher Leistung wird intensiv geforscht.
Das Interesse der amerikanischen Partner konzentriert sich auf die: • Nutzung von Kompetenzen der
Fraunhofer-Institute für amerikanischeUnternehmen
• Nutzung der Erfahrung bei der Einführung neuer Technologien
• Verbindungen zwischen Industrie und Hochschule
• Praxisnahe Ausbildung von Studenten,Diplomanden und Doktoranden
Dienstleistungen
Das CLT Michigan bietet Dienstleis-tungen im Bereich der Lasermaterial-bearbeitung an. Diese umfassen dasgesamte Spektrum von Schulung undMachbarkeitsstudien über Prozess-entwicklung bis hin zur Vorserienent-wicklung und Systemintegration. Alsunabhängige Einrichtung bietet es vorallem kleinen und mittelständischenUnternehmen die Möglichkeit, ihrenProzess mit Fraunhofer-Maschinen und-Personal zu entwickeln und zu testen.Auch komplette Anlagen können amCLT entwickelt und erprobt werden.Die Kunden kommen aus der Auto-mobilindustrie, der Bauindustrie sowieder Luft- und Raumfahrt.
Fraunhofer USACenter for Laser Technology CLT
20 Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001
Mitarbeiter
Am CLT sind deutsche sowie amerika-nische Mitarbeiter tätig. Ziel ist es, diedeutschen Mitarbeiter turnusmäßigauszutauschen, damit die gesammeltenErfahrungen in die Mutterinstitute einfließen können und weiteren Mitar-beitern in Deutschland die Möglichkeitgeboten wird, sich durch einen USA-Aufenthalt weiter zu qualifizieren. Darüber hinaus fertigen Studenten ausAachen in den USA ihre Diplomarbeit an.
Ausstattung
Die derzeitige Ausstattung des CLTumfasst CO2-Laser im Leistungsbereichvon 3 kW bis 12 kW, Nd:YAG-Laservon 250 W bis 3 kW und Diodenlaservon 30 W bis 4 kW sowie eine Reihevon 3-, 5- und 6-Achsen Anlagen.
»Laserspot«, eine vom CLT initiierteund organisierte Arbeitsgruppe unter-stützt das CLT darin, state-of-the-artLasersysteme einer breiten Gruppe vonLaserherstellern zur Verfügung zu stellen.Die Kunden des CLT Michigan profitie-ren davon, dass das CLT nicht vertrag-lich an einen einzelnen Laserherstellergebunden ist und somit das jeweils ambesten geeignete System für eine spe-zielle Anwendung ermitteln kann.
Kundenreferenzen
• AGA• Alcoa (Reynolds)• Alcan• Borg Warner• Coherent Semiconductor Group• DaimlerChrysler• Dana Corporation• Enerworks• Ford Motor Company• General Motors • Hughes• JMC Technology Group• Johnson Controls• Natural Resources Canada• Nuvonyx• Praxair Surface Technologies, Inc.• PRC Lasers• Remmele Engineering, Inc.• RS Electronics• Spectra Physics• Trumpf• Tailor Steel• T&H Lemont• Visteon
Aufwendungen Betriebshaushalt 2001*
*Nachkalkulation ist noch nicht erfolgt
Ihr Ansprechpartner
Dr. Stefan HeinemannDirektor
46025 Port StreetPlymouthMichigan 48170USA
Telefon: ++1 / 734 / 354 -6300Durchwahl: -210Fax: ++1 / 734 / 354 -3335E-Mail: [email protected]
www.clt.fraunhofer.com
Mio. US$
Betriebshaushalt 2,5 - Personalaufwendungen 0,8- Sachaufwendungen 1,7
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 21
Kurzportrait
In der CLFA in Paris kooperiert dasFraunhofer-Institut für Lasertechnik seitnunmehr fünf Jahren erfolgreich mitführenden französischen Forschungs-einrichtungen. In der von den franzö-sischen Partnern (u.a. CEA, CNRS undDGA) in Arcueil bei Paris bereitgestelltenInfrastruktur arbeiten interdisziplinäreExpertenteams aus Deutschland undFrankreich gemeinsam am Transferlasergestützter Fertigungsverfahren in die europäische Industrie.
Die verfolgten Ziele der CLFA sind:• Einbindung in wissenschaftliche
und industrielle Entwicklungen in Frankreich
• Know-how Zuwachs durch schnelleres Erkennen von Trends im Bereich der europäischen Laser- und Produktionstechnik
• Stärkung der Position im euro-päischen F&E-Markt
• Aufbau eines europäischen Kom-petenzzentrums für Lasertechnik
• Steigerung der Mobilität und Qualifikation der Mitarbeiter
Die CLFA ist eine Konsequenz der inbesondere im Bereich der Lasertechnikzunehmenden Vernetzung der anwen-dungsorientierten Forschung und Entwicklung in Europa. Die Kooperationdes Fraunhofer ILT mit den französi-schen Partnern ist ein Beitrag zumAusbau der europaweiten Präsenz derFraunhofer Gesellschaft, bei dem dieVorteile für die französische und diedeutsche Seite gleichermaßen Berück-sichtigung finden. International wirddadurch die führende Position der euro-päischen Industrie in den lasergestütz-ten Fertigungsverfahren weiter gefestigt.
Das Interesse der französischen Partnerkonzentriert sich auf die:• Nutzung von Kompetenzen der
Fraunhofer-Institute für französischeUnternehmen
• Nutzung der Erfahrung des Fraunhofer ILT bei der Einführung neuer Technologien
• Verbindung zwischen Industrie und Hochschulen mit praxisnaher Ausbildung von Studien-, Diplom- und Doktorarbeiten
Coopération Laser Franco-Allemande CLFA
22 Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001
Dienstleistungen
Die CLFA bietet Dienstleistungen imBereich der Lasermaterialbearbeitungan. Diese umfassen das gesamte Spek-trum von anwendungsorientierterGrundlagenforschung und Ausbildungüber Machbarkeitsstudien und Prozess-entwicklung bis hin zur Vorserienent-wicklung und Systemintegration. Hier-bei haben vor allem auch kleine undmittelständische Unternehmen dieMöglichkeit, die Vorteile der Lasertechnikin einer unabhängigen Einrichtungkennenzulernen und zu erproben. Dieoffenen Entwicklungsplattformen er-lauben den französischen Auftraggebernden Test und die Qualifizierung neuerlasergestützter Fertigungsverfahren.
Mitarbeiter
In der CLFA sind Mitarbeiter aus Frank-reich und Deutschland gemeinsamtätig. Im Rahmen von Verbundprojek-ten wird der wechselseitige Personal-austausch zwischen den StandortenAachen und Paris gefördert. Hierdurchwird den Mitarbeitern die Möglichkeitgeboten, ihre Kompetenz insbesondereim Hinblick auf Mobilität und interna-tionales Projektmanagement zu vertiefen.
Ausstattung
Die Infrastruktur der CLFA in Arcueilumfasst auf einer Gesamtfläche von3000 m2 CO2-, Nd:YAG- und Excimer-laser verschiedener Leistungsklassensowie entsprechende Handhabungs-systeme. Diese sind komplementär zudenen des Fraunhofer ILT und werdenvon den Kunden aus allen Bereichender französischen Industrie intensivgenutzt.
Umsatz und Kundenspektrum
Der Umsatz der CLFA betrug imGeschäftsjahr 2000 rund 1,8 Mio Euro.Die Kunden der CLFA kommen ausallen Bereichen der französischen Wirtschaft: Automobilbau, Luft- undRaumfahrt, Off-shore-Industrie undNukleartechnik sowie den relevantenZulieferbranchen.
Die Einbindung der CLFA im Rahmeneuropaweiter Verbundprojekte wirdebenfalls erfolgreich betrieben.
Ihr Ansprechpartner
Dr. Wolfgang KnappDirektor
16 bis, avenue Prieur de la Côte d’Or94114 Arcueil CedexFrankreich
Telefon: +33(0)1 / 4231 -9891Fax: +33(0)1 / 4231 -9747E-Mail: [email protected]
www.clfa.fr
Die Fraunhofer-Gesellschaft
Die Fraunhofer-Gesellschaft ist dieführende Trägerorganisation für Einrichtungen der angewandten Forschung in Europa. Sie betreibt Vertragsforschung für die Industrie, für Dienstleistungsunternehmen unddie öffentliche Hand. Für Kunden ausder Wirtschaft werden einsatzreifeLösungen technischer und organisa-torischer Probleme rasch und kosten-günstig erarbeitet. Im Rahmen derTechnologieprogramme der Europä-ischen Union wirkt die Fraunhofer-Gesellschaft in Industriekonsortien an der Lösung technischer Fragen zurVerbesserung der Wettbewerbsfähigkeitder europäischen Wirtschaft mit.
Eine weitere wichtige Aufgabe derFraunhofer-Gesellschaft ist die strate-gische Forschung: Im Auftrag und mitFörderung durch Ministerien undBehörden des Bundes und der Länderwerden zukunftsrelevante Forschungs-projekte durchgeführt, die zu Innova-tionen im öffentlichen Nachfragebereichund in Schlüsseltechnologien beitragen.Dazu gehören die ForschungsgebieteKommunikation, Energie, Mikroelek-tronik, Produktion, Verkehr und Umwelt.
Die Globalisierung von Wirtschaft undForschung macht eine internationaleZusammenarbeit unerlässlich. Nieder-lassungen der Fraunhofer-Gesellschaftin Europa, in den USA und in Asiensorgen daher für Kontakt zu den wichtigsten gegenwärtigen und zu-künftigen Wirtschaftsräumen.
Die Fraunhofer-Gesellschaft betreibtderzeit 56 Forschungseinrichtungen anStandorten in der gesamten Bundesre-publik. Rund 11 000 Mitarbeiterinnenund Mitarbeiter, überwiegend mitnatur- oder ingenieurwissenschaftlicher
Ausbildung, bearbeiten das jährlicheForschungsvolumen von über 900 Millionen EUR. Davon fallen mehr als800 Millionen EUR auf den Leistungs-bereich Vertragsforschung. Rund zweiDrittel dieses Leistungsbereichs erwirt-schaftet die Fraunhofer-Gesellschaftaus Aufträgen der Industrie undöffentlich finanzierten Forschungs-projekten. Ein Drittel wird von Bundund Ländern beigesteuert, um damitden Instituten die Möglichkeit zugeben, Problemlösungen vorzubereiten,die erst in fünf oder zehn Jahren fürWirtschaft und Gesellschaft aktuellwerden.
Die Fraunhofer-Wissenschaftler sindauf differenzierte Forschungsaufgabenaus einem breiten Spektrum von Forschungsfeldern spezialisiert. WennSystemlösungen gefragt sind, arbeitenmehrere Institute interdisziplinärzusammen.
Mitglieder der 1949 gegründeten undals gemeinnützig anerkannten Fraun-hofer-Gesellschaft sind namhafteUnternehmen und private Förderer.Von ihnen wird die bedarfsorientierteEntwicklung der Fraunhofer-Gesell-schaft mitgestaltet.
Ihren Namen verdankt die Gesellschaftdem als Forscher, Erfinder und Unter-nehmer gleichermaßen erfolgreichenMünchner Gelehrten Joseph vonFraunhofer (1787-1826).
Die Forschungsgebiete
Auf diese Gebiete konzentriert sich dieForschung der Fraunhofer-Gesellschaft:• Werkstofftechnik, Bauteilverhalten• Produktionstechnik, Fertigungstech-
nologie• Informations- und Kommunikations-
technik
• Mikroelektronik, Mikrosystemtechnik• Sensorsysteme, Prüftechnik• Verfahrenstechnik• Energie- und Bautechnik, Umwelt-
und Gesundheitsforschung• Technisch-Ökonomische Studien,
Informationsvermittlung
Die Zielgruppen
Die Fraunhofer-Gesellschaft ist sowohlder Wirtschaft und dem einzelnen Unternehmen als auch der Gesellschaftverpflichtet. Zielgruppen und damitNutznießer der Forschung der Fraun-hofer-Gesellschaft sind:• Die Wirtschaft: Kleine, mittlere und
große Unternehmen in der Industrie und im Dienstleistungssektor profi-tieren durch Auftragsforschung. Die Fraunhofer-Gesellschaft entwickelt konkret umsetzbare, innovative Lösungen und trägt zur breiten Anwendung neuer Technologien bei. Für kleine und mittlere Unter-nehmen ohne eigene FuE-Abteilung ist die Fraunhofer-Gesellschaft wichtiger Lieferant für innovatives Know-how.
• Staat und Gesellschaft: Im Auftrag von Bund und Ländern werden stra-tegische Forschungsprojekte durch-geführt. Sie dienen der Förderung von Spitzen- und Schlüsseltechnolo-gien oder Innovationen auf Gebieten,die von besonderem öffentlichenInteresse sind, wie Umweltschutz, Energietechniken und Gesundheits-vorsorge. Im Rahmen der Euro-päischen Union beteiligt sich die Fraunhofer-Gesellschaft an den entsprechenden Technologie-programmen.
Die Fraunhofer-Gesellschaft auf einen Blick
24 Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001
Das Leistungsangebot
Die Fraunhofer-Gesellschaft entwickeltProdukte und Verfahren bis zurAnwendungsreife. Dabei werden in direktem Kontakt mit dem Auftraggeberindividuelle Lösungen erarbeitet. Jenach Bedarf arbeiten mehrere Fraun-hofer-Institute zusammen, um auchkomplexe Systemlösungen zu reali-sieren. Es werden folgende Leistungenangeboten:• Optimierung und Entwicklung von
Produkten bis hin zur Herstellung von Prototypen
• Optimierung und Entwicklung von Technologien und Produktions-verfahren
• Unterstützung bei der Einführung neuer Technologien durch:- Erprobung in Demonstrations-
zentren mit modernster Geräte-ausstattung
- Schulung der beteiligten Mitarbei-ter vor Ort
- Serviceleistungen auch nach Einführung neuer Verfahren und Produkte
• Hilfe zur Einschätzung von Technologien durch:- Machbarkeitsstudien- Marktbeobachtungen- Trendanalysen- Ökobilanzen- Wirtschaftlichkeitsberechnungen
• Ergänzende Dienstleistungen, z. B.:- Förderberatung, insbesondere
für den Mittelstand- Prüfdienste und Erteilung von
Prüfsiegeln
Die Vorteileder Vertragsforschung
Durch die Zusammenarbeit aller Institutestehen den Auftraggebern der Fraun-hofer-Gesellschaft zahlreiche Expertenmit einem breiten Kompetenzspektrumzur Verfügung. Gemeinsame Qualitäts-standards und das professionelle Pro-jektmanagement der Fraunhofer-Institutesorgen für verlässliche Ergebnisse derForschungsaufträge. Modernste Labor-ausstattungen machen die Fraunhofer-Gesellschaft für Unternehmen allerGrößen und Branchen attraktiv. Nebender Zuverlässigkeit einer starken Ge-meinschaft sprechen auch wirtschaftlicheVorteile für die Zusammenarbeit, denndie kostenintensive Vorlaufforschungbringt die Fraunhofer-Gesellschaftbereits als Startkapital in die Partner-schaft ein.
Die Standorteder Forschungseinrichtungen
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 25
Hochauflösende Nahfeld-vermessung von Hochleistungsdiodenlasern 28
Modularer Härtelaser 29
Diodenlasersystem zur Kurzzeit-Belichtung von Objektoberflächen 30
Diodenendgepumpter Slablaser 31
Regenerativer Verstärker für ps-Pulse 32
Diodengepumpte Verstärker-Anordnung mit mittleren Leistungen im kW-Bereich im Pulsbetrieb 33
Lichtquelle für Chips der nächsten Generation 34
Plasmareaktoren zur Automobilabgasnachbehandlung 35
Entkeimung von Packstoffen mit Atmosphärendruckplasmen 36
Anmerkung der InstitutsleitungWir weisen explizit darauf hin, dass die Offen-legung der nachfolgenden Industrieprojekte mit unseren Auftraggebern abgestimmt ist.Grundsätzlich unterliegen unsere Industrie-projekte der strengsten Geheimhaltungspflicht.Für die Bereitschaft unserer Industriepartner, die aufgeführten Berichte zu veröffentlichen,möchten wir an dieser Stelle herzlich danken.
Geschäftsfeld Laserstrahlquellen und Plasmasysteme
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 27
Plasmastrahlungsquelle imSpektralbereich des extremenUltraviolett
Aufgabenstellung
Die genaue Kenntnis des Abstrahlver-haltens von Hochleistungsdiodenlasernist eine der Voraussetzungen für dieAuslegung von Diodenlasermodulenhoher Strahlqualität. Darüber hinausgeben die Intensitätsverteilung undinsbesondere die Wellenlängenver-teilung im Nahfeld Aufschluss überDefektursachen und die thermischenVerhältnisse im Diodenlaser.
Bei der Aufnahme des Nahfeldes mittels vergrößernder, abbildenderOptiken wird die Messung durchAbbildungsfehler und Ungenauig-keiten bei der Positionierung der Optiknegativ beeinflusst. Daher wird in demMessaufbau zur hochauflösenden Nahfeldvermessung von Hochleistungs-diodenlasern das Nahfeld mit einerGlasfaser abgetastet, wobei sowohl die Intensität als auch die lokale Wellenlänge gemessen werden.
Vorgehensweise
Um eine hohe Ortsauflösung zu erreichenwird eine Single-Mode-Glasfaser mitkleinem Faserdurchmesser verwendet.Die Positionierung des Faserendes vorder Austrittsfacette des Diodenlaserserfolgt mit einer Genauigkeit von bis zu0,1 µm. Die von der Faser aufgenom-mene Strahlung wird auf eine Photo-diode gegeben, mit der sowohl Leistungals auch Wellenlänge bestimmt werdenkönnen. Zur Nahfeldvermessung tastetder Fasermesskopf das Nahfeld desDiodenlasers in einem Abstand vonweniger als 50 µm ab. Die Messdatenwerden mit einem
Rechner erfasst. Anhand der Mess-daten können die Leistungsverteilungund die Wellenlängenverteilung dar-gestellt werden. Des weiteren werdenaus den Messdaten die relative Leis-tung der einzelnen Emitter, die Emitter-breite, die Schwerpunktwellenlängeund der Leistungsschwerpunkt jedesEmitters berechnet. Die Lage des Leis-tungsschwerpunktes in Richtung derFast Axis wird zur Berechnung derDurchbiegung des Diodenlaserbarrens(»Smile«) genutzt.
Die Ausrichtung des Fasermesskopfesvor dem Diodenlaser erfolgt manuell,wobei die Software den Anwenderanhand grundlegender Strahleigen-schaften bei der Ausrichtung unter-stützt. Die Automatisierung der Justageist in einem späteren Stadium geplant.
Ergebnisse und Anwendungen
In den Abbildungen sind eine gemesseneoptische Leistungsverteilung und diezugehörige Wellenlängenverteilungeines Diodenlaserbarrens dargestellt.Da die Wellenlängenverschiebung inerster Linie proportional zur lokalenTemperatur ist, kann aus der Wellen-längenverteilung eine Temperatur-verteilung abgeleitet werden. In Korre-lation mit der Leistungsverteilung kannauf unterschiedliche Defekte, wie zumBeispiel innere Defekte des Diodenlasers,Facettenbeschädigungen und Kurz-schlüsse einzelner Emitter geschlossenwerden.
Ansprechpartner
Dipl.-Phys. C. Scholz, Tel.: -423E-mail: [email protected]. M. Belitz, Tel.: -423E-mail: [email protected]
Hochauflösende Nahfeld-vermessung von Hochleistungsdiodenlasern
28 Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001
Aufgabenstellung
Im Rahmen des Ministerleitprojektes»Modulare Diodenlaser Strahlwerk-zeuge« wird ein Diodenlasermodulzum modularen Einsatz in diversenOberflächentechnischen Anwendungenentwickelt. Die Forderung nach Homo-genität der Intensitätsverteilung imBearbeitungsfokus stellt spezielleAnforderungen an die Systemtechnik.
Vorgehensweise
Die optischen Elemente der Strahl-formung werden mit einem Ray-TracingSimulationsprogramm optimiert. Die Vorderung nach Homogenität imStrahlfokus wird mit der integrationeines Wellenleiters gewährleistet. DieHomogenisierung ist in slow Richtungerforderlich. Senkrecht dazu (fast Rich-tung) propagiert der Strahl frei durchden Wellenleiter.
Im fokussierten Strahl wird eine Strahl-abmessung von < 2 x 6 mm bei einerLeistungsdichte von > 3000 W/cm2
angestrebt. Der Bearbeitungsabstandsoll 80 mm nicht unterschreiten.Ein Stapel von 12 Hochleistungsdioden-laserbarren mit einer Laserleistung von 480 W dient als Strahlquelle. Dieeinzelnen Barren sind in fast Richtungkollimiert.
Die Gehäuseabmessungen sollen um eine modularer und flexible Anordnung der Einzelgeräte zu einemGesamtsystem zu ermöglichen kompaktausfallen.
Systemauslegung und Ergebnisseder Simulation
Mit einer Koppeleffizienz von > 80 %durch die Gesamtoptik wird eine Laser-leistung von > 370 W am Werstückerreicht. Bei einer 2:1 Abbildung (slowRichtung) des Wellenleiterendes wirdein Länge von 6 mm im Fokus erreicht.Die Flankensteilheit im slow axis Inten-sitätsprofil wird durch die Eigenschaftender Abbildungsoptik maximiert.
Der Aufbau eines Prototypen und die Fertigung weiterer 4 Module mitidentischer Karakteristik ist geplant.
Ansprechpartner
Dipl.-Ing. H.-D. Hoffmann, Tel.: -206E-mail: [email protected]. H.-D. Plum, Tel.: -216E-mail: [email protected]. M. Traub, Tel.: -342E-mail: [email protected]
Modularer Härtelaser
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 29
Aufgabenstellung
Zur Oberflächenanalyse werden ver-mehrt Online-Prüfsysteme eingesetzt,die mit CCD-Kameras ein Bild der zuuntersuchenden Fläche aufnehmen.Bei bisherigen Systemen wird diese mitBlitzlampen beleuchtet. Im Vergleichhierzu sind Diodenlaser langlebiger,bieten eine höhere Beleuchtungsdichteund emittieren schmalbandig, wodurcheine sehr effiziente, wellenlängens-elektive Auswertung möglich wird.
Vorgehensweise
Das aufgebaute Diodenlasersystembesteht aus zwei in Richtung der Fast-Axis gestapelten Diodenlaser-Barren,die für den Pulsbetrieb optimiert sind.Die Strahlqualität der Slow- und derFast-Axis wird durch ein Treppenspie-gelpaar angeglichen. Der so geformteStrahl wird auf die Eintrittsfläche einesWellenleiters mit rechteckigem Quer-schnitt fokussiert, der die Intensitäts-verteilung beider Achsen homogenisiert.Die Top-Hatförmige Verteilung derAustrittsfläche wird vergrößert auf das Prüfteil abgebildet. Über eine λ/2-Platte kann die Polarisation der Laserstrahlung um 90° gedrehtwerden.
Ergebnisse und Anwendungen
Mit dem beschriebenen Diodenlaser-System wird eine Ausgangsleistungvon 100 W erreicht. Die ausgeleuch-tete Fläche misst 430 x 300 mm2 beieiner Homogenität von 97 % x 88 %und einem Polarisationsgrad > 90 %.Das vorgestellte System erlaubt denEinsatz verschiedener Wellenlängenund eine Leistungsskalierung durchErhöhung der Zahl der Diodenlaser-Barren. Dadurch kann das System anunterschiedliche Belichtungsaufgabenangepasst werden kann.
Ansprechpartner
Dipl.-Ing. M. Traub, Tel.: -342E-mail: [email protected]. H.-D. Hoffmann, Tel.: -206E-mail: [email protected]
Diodenlasersystem zurKurzzeit-Belichtung vonObjektoberflächen
30 Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001
Aufgabenstellung
Laserdioden sind als Pumplichtquellefür Festkörperlaser wegen ihrer spektralen Eigenschaften und ihrerFormbarkeit besser geeignet als Blitzlampen. Industriell verfügbar sinddiodengepumpte Stablaser mit Aus-gangsleistungen von einigen Watt beisehr guter Strahlqualität und mit Aus-gangsleistungen von einigen Kilowatt,bei denen der Laserstrahl in eine Licht-leitfaser mit einem Kerndurchmesservon einigen 100 µm eingekoppeltwird. Die Skalierbarkeit von Stablasernunter Beibehaltung der guten Strahl-qualität ist durch die Belastbarkeit desLaserkristalls begrenzt.
Ziele der Untersuchungen zum dioden-endgepumpten Slablaser sind die Steigerung der Ausgangsleistung inden 100 W Bereich bei einer Strahl-qualität von M2 < 2 für Beschriftungs-anwendungen und zu einer Ausgangs-leistung von 1000 W mit Strahlqualitätvon M2 < 10 für Präzisionsbearbeitung.
Vorgehensweise
Bei dem im Bild gezeigten Slablaser-konzept wird ein plattenförmigerLaserkristall mit einem Diodenlaser-stack endgepumpt. Die Eigenschaftender Diodenlaserstrahlung ermöglichendie Fokussierung zu einer homogenenLinie mit einem hohen Aspektverhältnis.Der so gepumpte Kristall besitzt einverstärkendes Volumen mit rechteck-förmigem Querschnitt, das mittelseines stabil/instabilen Hybridresonatorseffizient bei hoher Strahlqualität ausgenutzt wird. Nachteilig bei Direkt-anwendungen wirken sich die in derinstabilen Richtung des Laserstrahlsentstehenden Nebenmaxima im Fokusaus.
Zur Reduktion des Leistungsinhaltesder Nebenmaxima wurden Auskoppel-spiegel mit örtlich variabler Reflektivitätverwendet. Der Verlauf des Reflexions-profils wurde mit Hilfe eines Resonatro-modellierungsprogramms optimiert.
Ergebnisse und Anwendungen
Ein gütegeschalteter Laser wurde mit einem Stack aus 5 Diodenlaserngepumpt und eine Ausgangsleistungvon 60 W bei einer Strahlqualität M2 < 1,2 erreicht. Bei 1 kHz Repetitions-rate betrug die Pulsenergie 6 mJ unddie Pulslänge 15 ns.
Im cw-Betrieb wurden 500 W bei einerStrahlqualität M2 < 5 erreicht.
Ansprechpartner
Dipl.-Phys. C. Schnitzler, Tel.: -128E-mail: [email protected]. H.-D. Hoffmann, Tel.: -206E-mail: [email protected]
DiodenendgepumpterSlablaser
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 31
Aufgabenstellung
Für die Innenglasgravur mit Lasernwerden im industriellen Umfeld zurZeit gütegeschaltete Lasersysteme mittypischen Pulsdauern von wenigenNanosekunden eingesetzt. Der Einsatzvon Pikosekunden-Lasern ermöglichtdas Schreiben deutlich kleinerer Struk-turen. Die dazu nötigen Pulsenergienliegen bei ca. 100 µJ und damit ummehr als einen Faktor 1000 über derAusgangsenergie entsprechendermodengekoppelter Pikosekunden-Oszillatoren. Daher muss solchenkommerziell verfügbaren Systemen ein Verstärker nachgeschaltet werden.Die Anforderungen liegen neben dergeforderten Verstärkung, im Erhalteiner hohen Strahlqualität und beiPulswiederholraten größer 1 kHz zurGewährleistung eines hohen Durch-satzes.
Vorgehensweise
Der regenerative Verstärker bestehtaus einem endgepumpten Laserkristallund einem Spiegelsystem, das als stabiler Resonator ausgelegt ist. Dielinear-polarisierte Ausgangsstrahlungeines modengekoppelten ps-Oszillatorswird über einen Polarisator in den Verstärker eingekoppelt und durchläuftdiesen nach Polarisationsdrehung mittels einer Pockelszelle 40 - 50 malehe er auf die benötigte Energie verstärktist. Nach erneuter Polarisationsdrehungwird dieser Puls über den Polarisatorausgekoppelt. Zur Gewährleistungoptimaler Verstärkung wird der Ein-gangsstrahl mittels eines Teleskops anden Eigenmode des Verstärkers unddie Umlaufzeit im Verstärker an diePulswiederholrate des Oszillators an-gepasst.
Ergebnisse und Anwendungen
Bei der Verwendung eines kommer-ziellen Oszillators der Firma High Q Laser Production GmbH wurden Pulsenergien bis zu 1 mJ bei 1 kHz Wiederholrate und Pulsdauern um 40 ps erreicht.
Neben dem Einsatz in der industriellenInnenglasgravur findet das vorgestellteSystem mit geringen ModifikationenAnwendung in speziellen Messverfahrender Kern- und Hadronenphysik.
Ansprechpartner
Dipl.-Ing. H.-D. Hoffmann, Tel.: -216E-mail: [email protected]. B. Jungbluth, Tel.: -414E-mail: [email protected]
Regenerativer Verstärkerfür ps-Pulse
32 Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001
Aufgabenstellung
Die fortschreitende Erhöhung derPackungsdichte von lithographischerzeugten Strukturen in Mikrochipserfordert neuartige Methoden imBereich der Lithographie-Strahlungs-quellen. Die laserbasierte EUV-Litho-graphie mit einer Wellenlänge von λ = 13,4 nm erfordert die Entwicklungvon gepulsten Hochleistungs-Laser-systemen mir hohen Puls- und mittlerenLeistungen bei hoher Strahlqualität.
Ziel ist die Entwicklung eines Nd:YAGOszillator-Verstärkersystems mit Piko-und Nanosekunden Pulsen, Repetitions-raten von mehreren kHz und einermittleren Leistung im kW-Bereich beieiner Strahlqualität vom M2 < 10.
Vorgehensweise
Das Verstärkersystem basiert auf kom-merziellen diodengepumpten Nd:YAGLasermodulen, die in Zusammenarbeitmit der Firma Rofin Sinar in den letztenJahren für den Einsatz in Hochleistungs-CW-Lasern entwickelt wurden. DieModule werden kontinuierlich trans-versal gepumpt.
Um die geforderte hohe Strahlqualitätzu erreichen, wird eine geeignete Optikzur Kompensation der strahlqualitäts-verschlechternden Effekte entwickelt,die bei mit hoher mittlerer Leistungbetriebenen Nd:YAG-Stäben auftreten.
Ergebnisse und Anwendungen
Bisher wurde die Oszillator-Verstärker-Anordnung bis zu einer Pulsfrequenzvon 2 Kilohertz bei einer Pulslänge von20 Nanosekunden betrieben.
Beim Einsatz von zwei Verstärkermodulenwurde dabei eine mittlere Ausgangsleis-tung von 130 Watt erzielt. Die Depo-larisation infolge thermisch induzierterDoppelbrechung konnte von 35 Prozentauf unter 2 Prozent durch Einsatz opti-scher Kompensationselemente verringertwerden. Die Strahlqualität konnte mit M2 < 2 deutlich verbessert werden.Bei ersten Untersuchungen an vierVerstärkermodulen wurde eine mittlereAusgangsleistung von über 220 Watterreicht. Die Optimierung dieserAnordnung ist derzeit Gegenstand derUntersuchung.
Bei vollem Ausbau der Anordnung aufacht Lasermodule wird bei einer Repeti-tionsrate von 20 Kilohertz eine mittlereLeistung von 2,2 Kilowatt erwartet.
Ansprechpartner
Dipl.-Ing. H.-D. Hoffmann, Tel.: -206E-mail: [email protected]. K. Nicklaus, Tel.:-224 E-mail: [email protected]
Diodengepumpte Verstärker-Anordnung mitmittleren Leistungen imkW-Bereich im Pulsbetrieb
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 33
Laboraufbau des Oszillator-Verstärkersystems für dieEUV-Lithographie
Aufgabenstellung
Die Massenproduktion von zukünftigenSpeicherchips und Mikroprozessorenmit 10-fach höherer Speicherdichteund Prozessgeschwindigkeit erfordertdie Ablösung der heutigen optischenLithographie.
Die dafür notwendige Miniaturisierungtypischer Strukturgrößen in Halbleiter-bauelementen bis hinunter zu etwa 30 Nanometern kann mit der ExtremUltraviolett (EUV) Lithographie erreichtwerden. Bei dieser Technologie werdendie Strukturen durch die Abbildungeiner Maske auf den Wafer in einemoptischen System von Vielschichtspiegelnbei einer Lichtwellenlänge um 13 Nanometern erzeugt.
Die Bereitstellung einer geeignetenStrahlungsquelle stellt zur Zeit mit die größte Herausforderung in der Entwicklung dieser neuen Technologiedar. Das technische Konzept und ökonomische Überlegungen der Chip-hersteller führen für die gepulsteStrahlungsquelle auf eine notwendigemittlere Strahlungsleistung von mehreren 10 W, die in das abbildendeSystem eingekoppelt werden, undPulswiederholfrequenzen von mindes-tens 5000 Hz. Die nutzbare Bandbreiteliegt bei etwa 2 % um die Zentralwellen-länge von 13,5 nm.
Gegenstand weltweiter Untersuchungensind sowohl laserinduzierte Plasmen als auch gasentladungs-basierte Konzepte. Am Fraunhofer ILT laufen derzeit sowohl Untersuchungen zurBereitstellung eines leistungsstarkenPulslaser für laserinduzierte Plasmen als auch Arbeiten zur Skalierung einerGasentladung auf die erforderlicheStrahlungsleistung.
Vorgehensweise
Bei der Gasentladung wird durch einengepulsten Strom von mehreren 10.000Ampere ein Xenon-Plasma auf mehrere100.000 Grad aufgeheizt, welchesdann thermische Strahlung imgewünschten Wellenlängenbereich um 13 nm emittiert.
Ergebnisse und Anwendungen
Die Weiterentwicklung des Gasent-ladungskonzepts wird in einem JointVenture der Firmen Philips und derFraunhofer-Gesellschaft durchgeführt.Die Gasentladungsquelle wird in derersten Jahreshälfte 2002 einen Standerreicht haben, der erste Tests in einerEUV-Belichtungsstation (alpha-Tool)erlaubt. Dann kann das Zusammen-spiel aller Komponenten untersuchtwerden.
Ansprechpartner
Dr. K. Bergmann, Tel.: -302E-mail: [email protected]. W. Neff, Tel.: -142E-mail: [email protected]
Lichtquelle für Chips der nächsten Generation
34 Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001
Plasmastrahlungsquelle imSpektralbereich des extremenUltraviolett
Aufgabenstellung
Um zukünftige Schadstoffemissions-grenzwerte für Verbrennungsmotorenzu erreichen, werden immer häufigerplasmachemische Methoden zurAbgasnachbehandlung in Betrachtgezogen. Insbesondere nichtthermischeAtmosphärendruck-Gasentladungenwie die dielektrische Barrierenent-ladung zeigen große Chancen auf, dieTemperaturgrenzen konventionelleraber auch innovativer katalytischerMethoden im Kaltstartbereich und fürden Instationärbetrieb bei niedrigerTeillast entscheidend zu erweitern.
Vorgehensweise
Die Barrierenentladung (auch dielek-trisch behinderte Entladung, bzw. Dielectric Barrier Discharge DBDgenannt) ist bei Umgebungsdruck die Methode der Wahl zur Erzeugungeines nichtthermischen Plasmas (NTP)unter den rauhen Bedingungen moto-rischer Abgase.
In Barrierenentladungen werden beiAtmosphärendruck und nur leichterhöhter Umgebungstemperatur oxidative und reduktive Radikale,(Molekülbruchstücke) durch Stöße vonhochenergetischen Elektronen mitGasmolekülen erzeugt. Die sich an-schließende Radikalchemie bautSchadstoffe im Abgas ab und zeigtWechselwirkungen mit unmittelbarnachgeschalteten Katalysatoren. Effekte eines Plasmas im Abgasstrangergeben sich bezüglich Kohlenwasser-stoffen, Stickoxiden in Kombinationmit SCR-Systemen und Partikeln inKombination mit einem Rußfilter.
Ergebnisse und Anwendungen
Die Abteilung Plasmatechnologie istseit ca. 10 Jahren mit der Entwicklungvon Plasmareaktoren zur Nachbehand-lung motorischer Verbrennungsabgasebefasst. Hierbei hatte der Betrieb der Reaktoren mit realem Abgas amMotorprüfstand sowie die Integrationin Testfahrzeuge stets große Bedeutung.Je nach Gesamtkonzept der Abgas-nachbehandlung ist ein Einbau desPlasmareaktors motornah oder aucham Ende des Abgasstranges, etwa in Kombination mit dem Endschall-dämpfer möglich.
Standardisierte Reaktoren in Modul-bauweise mit elektrischer Ansteuerungkönnen kurzfristig realisiert werden.Für den Einsatz an größeren Nutzfahr-zeug- oder Stationärmotoren kann beiausreichender Nachfrage eine Aufs-kalierung vorgenommen werden. AufWunsch kann eine verfahrenstechnischeBegleitung der Versuche oder einekunden-spezifische Reaktorauslegungerfolgen. Darüber hinaus kann elek-trische Messtechnik sowie PC-Steue-rungen für das Gesamtsystem geliefertwerden.
Ansprechpartner
Dipl.-Ing. O. Franken, Tel.: -415E-mail: [email protected]. W. Neff, Tel.: -142E-mail: [email protected]
Plasmareaktoren zur Automobilabgas-nachbehandlung
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 35
Plasmareaktor aus Quarzglas
Aufgabenstellung
Bei der Verpackung von Lebensmittelnoder medizinischen Produkten werdenhöchste Ansprüche an die Keimfreiheitder verwendeten Packstoffe - z. B.Kunststoff-Folien - gestellt. Zum Errei-chen einer sogenannten aseptischen Verpackung werden derzeit chemischeVerfahren wie zum Beispiel die Entkeimung mit Wasserstoffperoxid eingesetzt. Diese bringen aber inbezug auf Umweltverträglichkeit undbetrieblicher Handhabung Nachteilemit sich. Ziel ist es, umweltverträg-lichere, neue Verfahren zu entwickelnund diese dann industriell einzusetzen.
Vorgehensweise
Plasmen bei Atmosphärendruck, wiesie in einer Barrierenentladung erzeugtwerden, können zur Entkeimung vonPackstoffen verwendet werden. Aus-genutzt wird dabei, dass von solchenPlasmen UV-Strahlung emittiert wird,die eine keimabtötende Wirkung hat.Zusätzlich können oxidierende Radikaleproduziert werden, die diese Wirkungnoch verstärken. In Zusammenarbeitmit dem Fraunhofer-Institut für Verfah-renstechnik und Verpackung (IVV) werden definiert verkeimte Proben (z. B. mit Bacillus subtilis) in unter-schiedlichen Entladungsaufbauten am ILT behandelt und die Anzahl derüberlebenden Keime ausgewertet.
Ergebnisse und Anwendungen
Durch die Entwicklung neuer Entladungs-anordnungen konnte die Entkeimungs-effizienz deutlich gesteigert werden.Eine Keimreduktion um fünf Größen-ordnungen (log KR = 5) ist auf Bahn-materialien nun schon in wenigenSekunden möglich. Weiter wurdegezeigt, dass in einer Barrierenent-ladung keine wesentlichen Einbußenbei der Entkeimungseffizienz auftreten,wenn der Packstoff mit einer Durch-fahrgeschwindigkeit bis 30 m/mindurch die Entladung bewegt wird. Eine Steigerung der Leistungsdichteführt ebenfalls zu einer verbessertenEffizienz der Keimabtötung.
Die Arbeiten werden durch das BMBFunter der Kontraktnummer 13N7602gefördert.
Ansprechpartner
Dipl.-Phys. M. Heise, Tel.: -137E-mail: [email protected]. W. Neff, Tel.: -142E-mail: [email protected]
Entkeimung von Pack-stoffen mit Atmosphären-druckplasmen
36 Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001
Atmosphärendruckplasmaerzeugt durch eine Barrieren-entladung
Geschäftsfeld Laserfertigungsverfahren
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 37
Konturschnitte in verschiedenen Quarzglasrohren
Gemeinsame Fraunhofer-Entwicklung: ModulareMikroreaktionssysteme 40
Studie: Oberflächentechnik und Photonik in Life Sciences 41
Laserstrahlmikroschweißen von Edelstahl mit Messing 42
Laserstrahlunterstütztes Scherschneiden 43
Laserstrahlschneiden mehrlagiger Vliese 44
Bestimmung der strahlungsoptischen Eindringtiefe bei Polymeren 45
Kunststoffbeschichten von Schnittflächen mit Laserstrahlung 46
Reinigen elektronischer Bauteile mit Laserstrahlung 47
Dekorative Farbveränderung an eloxiertem Aluminium 48
Polieren mit Laserstrahlung 49
Verzugsminimiertes Härten von Linearführungsschienen mit Diodenlaserstrahlung 50
Herstellung von Serienwerkzeugen mit Selective Laser Melting (SLM) 51
Wärmeleitungs- und Tiefschweißen mit Hochleistungs-Diodenlasern (HDL) 52
Diodengepumter Nd:YAG-Laser erzeugt präzise Edelstahl-Verbindungen 53
Diodengepumter Nd:YAG-Laser ermöglicht verdeckte Nähte entlangeiner Sichtkante 54
Prozessüberwachung beim Schweißen: Visualisierung derSchweißnahtgeometrie 55
Qualitätsoptimierte Präzisionsbearbeitung von Quarzglas-Halbzeug 56
Studie zur Untersuchung der lasertechnischen Optimierung von Harvester-Anwendungen 57
Querteilen von Elektroblech 58
Bartbildung beim Schneiden: Simulation und Steuerung 59
Riefenbildung beim Schneiden: Modellierung und Simulation 60
Anmerkung der InstitutsleitungWir weisen explizit darauf hin, dass die Offen-legung der nachfolgenden Industrieprojekte mit unseren Auftraggebern abgestimmt ist.Grundsätzlich unterliegen unsere Industrie-projekte der strengsten Geheimhaltungspflicht.Für die Bereitschaft unserer Industriepartner, die aufgeführten Berichte zu veröffentlichen,möchten wir an dieser Stelle herzlich danken.
Geschäftsfeld Laserfertigungsverfahren
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 39
Aufgabenstellung
In der Mikroreaktionstechnik werdenminiaturisierte mikrofluidische Kompo-nenten (z. B. Mischer, Reaktoren, Wärmetauscher) mit Volumina bis weitunter einem Milliliter für chemischeUmsetzungen eingesetzt. Die reaktions-technischen Vorteile sind höhere Prozesssicherheit, erhöhter Wärme-und Stoffaustausch, definierte undgenauere Reaktionsführung sowiehöhere Produktselektivitäten. Diesemvielversprechenden Anwendungsgebietsteht gegenwärtig eine vollkommenunzureichende Verfügbarkeit und Ein-satzfähigkeit von funktionellen Mikro-komponenten gegenüber. Bislang sindweltweit fast ausschließlich Prototypenund Einzelanfertigungen als Mikro-reaktoren zum Einsatz gekommen.Deren Entwicklung war stets auf einespezielle Anwendung zielgerichtet unddamit entsprechend aufwendig undkostenintensiv. Eine Übertragbarkeitauf andere Anwendungen war bislangnahezu ausgeschlossen.
Im Rahmen des hier beschriebenenProjekts, das in Zusammenarbeit mitfünf weiteren Fraunhofer-Instituten,finanziert durch die Fraunhofer-Gesellschaft, durchgeführt wird, sollen erstmalig modular aufgebaute,Softwareunterstützte und universell einsatzfähige Mikroreaktionssystemeentwickelt und in ausreichender Stückzahl verfügbar gemacht werden.Diese sollen von industriellen Anwen-dern für die Untersuchung, Erprobungund Auslegung einer weiten Palettechemischer Reaktionen unmittelbareingesetzt werden können.
Vorgehensweise
Die Mikroreaktionssysteme und ihreKomponenten werden auf der Grund-lage von typisierten chemischen Reak-tionen ausgelegt. In der Anfangsphaseder Projektdurchführung wurdenAnforderungskriterien (Lastenhefte)erarbeitet, die anschließend in Ferti-gungskonzepte (z. B. hinsichtlichMaterial, Herstellungsverfahren,Design, Dimensionierung) umgesetztwerden können. Analog wird ein virtueller Mikroreaktionsbaukastenspezifiziert und später umgesetzt.
Ergebnisse und Anwendungen
Das Fraunhofer ILT trägt durch die Herstellung von Mikrostrukturen in verschiedenen Materialien (Polymere,Keramik, Metall) durch flexible laser-gestützte Fertigungsverfahren zur Entwicklung geeigneter Aufbau- undVerbindungstechniken bei. Hierdurchwerden neue Wege in der Mikroreak-tionstechnik eingeschlagen, die zu einem Innovatonsschub in Chemie,Pharmazie und Verfahrenstechnik führen.
Ansprechpartner
Dipl.-Chem. E. Bremus-Köbberling, Tel.: -202E-mail: [email protected]. A. Gillner, Tel.: -148E-mail: [email protected]
Weitere beteiligte Fraunhofer Institute:ICT, PfinztalUMSICHT, OberhausenZM-M, MünchenKTS, DresdenIPT, Aachen
Gemeinsame Fraunhofer-Entwicklung: ModulareMikroreaktionssysteme
40 Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001
Mittels Kunststoffschweißen verschlossene Mikrofluidstruktur in PFA
Aufgabenstellung
Ziel der Studie ist die Erschließungneuer Märkte im Bereich Oberflächen-technik und Photonik in der moleku-laren Medizin mit folgender Schwer-punktsetzung:• Analyse möglicher Anwendungen
und der korrespondierenden Märkte• Definition der Anforderungen an die
einzusetzenden Technologien• Analyse und Bewertung vorhandener
Technologien• Festlegung von Entwicklungs-
richtungen
Aus sich an die Studie anschließendenFolgeprojekten sollen Verfahren undKomponenten resultieren, die zu neuenmedizinischen Diagnose- und Therapie-konzepten, z. B. im Bereich der Krebsdiagnostik, entwickelt werden.
Vorgehensweise
In Zusammenarbeit mit 6 weiterenFraunhofer-Instituten wird einegemeinsame Studie durchgeführt. Diese beinhaltet unter anderem eineFragebogenaktion unter Einbeziehungvon Kliniken, Geräteherstellern und inder Pharmaforschung tätigen Firmen,sowie die Durchführung eines internenund eines externen Workshops.
Ergebnisse und Anwendungen
Die Umfrage hat dazu beigetragen,den bisherigen Kenntnisstand derindustriellen Anforderungen und aussichtsreicher Einsatzbereiche ausaktueller Sicht der Anwender zu erweitern. Ein öffentlicher Workshopwurde vorbereitet und wird im Jahr2002 stattfinden. Bei dem Workshop
werden interessierten Firmen undpotentiellen Kunden Ergebnisse derStudie vorgestellt und neue Kunden-kontakte geknüpft. Aus der Studie heraus ist ein strategisches Verbund-vorhaben der beteiligten Partner indem Themenfeld entstanden.
Die Studie ist in einer gemeinsamenProjektgruppe der Abteilungen Mikro-technik und Lasermess- und Prüftechnikdurchgeführt worden.
Ansprechpartner
Dipl.-Chem. U. Meier-Mahlo, Tel.: -220E-mail: [email protected]. A. Gillner, .Tel.: -148E-mail: [email protected]. V. Sturm, Tel.: -154E-mail: [email protected]. R. Noll, Tel.: -138E-mail: [email protected]
Studie: Oberflächen-technik und Photonik in Life Sciences
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 41
Microplatte 96 Well
Aufgabenstellung
Das Fügen ungleicher Metalle ist eine herausfordernde Aufgabe in derMikrosystemtechnik. So werden in der Uhrenindustrie zur Verringerungder Reibung oft Werkstoffpaarungenwie Stahl und Messing verwendet.
Bisher werden für diese Aufgabenkraft- und formschlüssige Fügeverfahreneingesetzt. Stoffschlüssige Verfahrenwie das Laserstrahlmikroschweißenmüssen die unterschiedlichen Material-eigenschaften wie Absorption, Temperaturleitfähigkeit und Wärme-ausdehnung der Fügepartner berück-sichtigen.
Vorgehensweise
Der austenitische Edelstahl X5CrNi18 10 wird mit dem Messing-werkstoff CuZn37 im Überlappstoßund T-Stoß bei einer Materialstärke von250 µm mit Nd:YAG-Laserstrahlungverschweißt. Die Schweißnähte werdenmit einer Schweißgeschwindigkeit von10 m/min hergestellt. Variiert werdendie Leistung, der Strahldurchmesserund bei den T-Stößen zusätzlich nochder Einfallswinkel und die Verschie-bung des Laserstrahls zur Fügestelle.Untersucht werden die Schweißnähtebezüglich Schweißnahtgeometrie, Aussehen, und Festigkeit.
Ergebnisse und Anwendungen
Bei Überlappstößen hat die Leistungeinen größeren Einfluss auf dieSchweißergebnisse als der Strahldurch-messer. Auf jeden Fall ist die Zinkaus-gasung zu vermeiden, da diese dieZugfestigkeit herabsetzt. Deshalb sindfür den Überlappstoß von Stahl-Messingniedrige Leistungen und ein kleinerStrahldurchmesser zu empfehlen.In der T-Stoß Geometrie ist die sich einstellende Verfahrensausprägung,Tiefschweißen oder Wärmeleitungs-schweißen, vom eingestellten Einfalls-winkel abhängig. Grundsätzlich werdenbeim Wärmeleitungsschweißen größereAnbindungslängen der Fügepartner als beim Tiefschweißen erreicht. Diemechanische Festigkeit der Fügestelleist größer und das Nahtaussehen besser.Deshalb ist das Wärmeleitungsschweißenmit hoher Leistung und großem Strahl-durchmesser zu bevorzugen.
Ansprechpartner
Dipl.-Ing. K. Klages, Tel.: -490E-mail: [email protected]. A. Gillner, Tel.: -148E-mail: [email protected]
Laserstrahlmikroschweißenvon Edelstahl mit Messing
42 Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001
Querschliff Stahl-Messing
Aufgabenstellung
Aufgrund zunehmender Nachfragenach metallischen Kleinteilen fürmikrotechnische Anwendungen ergibtsich der Bedarf nach einer wirtschaft-lichen Fertigungstechnologie, die denständig steigenden Komplexitäts- undGenauigkeitsanforderungen gerechtwird. Das Scherschneiden stellt dafürein geeignetes Verfahren dar. Aller-dings ist es nicht bei allen Werkstoffenanwendbar, da die Schneidkräfte bei Mikrobauteilen zu groß werdenund geforderte Genauigkeiten nichtein-gehalten werden können. Mit einerErwärmung des Bandmaterials könnenSchneidkräfte reduziert und erreich-bare Genauigkeiten erhöht werden.
Vorgehensweise
Durch die Erwärmung der Scherzonekann der Scherschneidprozess beierhöhten Temperaturen erfolgen. Dies ermöglicht eine Reduktion derauftretenden Schneidkraft. Auch dieNiederhaltekraft kann durch die gerin-geren Prozesskräfte reduziert und dieSchnittkantenqualität durch den höherenGlattschnittanteil verbessert werden.
Der Einsatz von hohlgeformtenSchneidstempeln erlaubt die Zuführungvon Laserstrahlung durch den Stempelauf das Bandmaterial, wobei daserwärmte Abfallteil abtransportiertwird und das Bauteil keine wesentlicheErwärmung erfährt. Die Erwärmungdes Bandmaterials auf der Schnittlinieerfolgt daher prozessbegleitend undkann auch bei höheren HubzahlenAnwendung finden.
Ergebnisse und Anwendungen
Das Verfahren des laserstrahlunter-stützten Scherschneidens wurde mitEdelstahlmaterial 1.4301 in 500 µmMaterialstärke getestet. Als Schneid-geometrie wurde ein Loch mit 4 mmDurchmesser gewählt. Die Schneid-kraft konnte mit dem Einstrahlen einer Energie von 120 J um ca. 35 %reduziert werden.
Mögliche Anwendungen sind insbe-sondere die Bearbeitung von höherfestenWerkstoffen mit hohen Genauigkeits-anforderungen aus der Mikrotechnikund Elektronik. Hier können durchgeringere Prozesskräfte höhere Form-und Lagegenauigkeiten sowie höhereWerkzeugstandzeiten erzielt werden.
Ansprechpartner
Dipl.-Ing. A. Bayer, Tel.: -273E-mail: [email protected]. A. Gillner, Tel.: -148E-mail: [email protected]
LaserstrahlunterstütztesScherschneiden
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 43
Oben: Verlauf der Schneid-kraft ohne Erwärmung und mit Erwärmung durchLaserstrahlungUnten: Geöffnetes Scherschneidwerkzeug mit integrierter Laserstrahloptikund Spezial- schneidstempelzur Laserstrahlführung (Fa. H. Christmann)
Aufgabenstellung
Durch mechanisches Trennen wie Stanzen, Sägen oder Messerschneidensind flexible zwei- oder dreidimen-sionale Konturschnitte maschinell nurschwer herstellbar. Die Schnittkonturensind fest vorgegeben und können nurdurch einen Werkzeugwechsel verändertwerden. Dies ist insbesondere bei kleinenStückzahlen nachteilig.
Die Wellenlänge des CO2-Lasers liegtim Bereich der Absorptionsbande derDehnungsschwingung der C-C-Bindung.Aufgrund der großen Zahl dieser Bin-dungen in Kunststoffen zeigen dieseeine ausgeprägte Absorption im Wellen-längenbereich um 10 µm. Daher bietetsich der Einsatz des CO2-Lasers zumflexiblen Schneiden mehrlagiger Vlieseoder Gewebematerialien an.
Vorgehensweise
Aufgrund der kleinen strahlungsop-tischen Eindringtiefe der CO2-Laser-strahlung in Kunststoffe wird die elektromagnetische Energie in einemkleinen Volumen in Wärmeenergieumgewandelt. Durch die zusätzlichgeringe Wärmeleitung der Kunststoffeführt dies zu einem Wärmestau und zu einer raschen Temperaturerhöhungbis zum Zersetzen und komponenten-weise Verdampfen. Durch Variation derprozessbeeinflussenden Parameter wieLaserwellenlänge (9,3 bzw. 10,6 µm),Laserleistung, Leistungsdichteverteilung,Pulsfrequenz und -länge, Vorschubge-schwindigkeit, Prozessgas, Strömungs-geschwindigkeit, Strömungswinkelund des optischen Systems kann eineAnpassung an den vorliegenden Werkstoff sowie eine Optimierung derBearbeitungsresultate erfolgen.
Ergebnisse und Anwendungen
Der CO2-Laser erlaubt das Schneidenvon thermoplastischen Fasern undGeweben. Durch die Verschmelzungder getrennten Fäden wird ein Aus-fransen des Schnittbereiches verhindert.Die schnelle Prozessführung und diegeringe Wärmeleitung bedingen einevernachlässigbar kleine Wärmeeinfluss-zone. Auf eine Nachbearbeitung derTrennbereiche kann verzichtet werden.Durch Anpassung der Prozess- undLaserparameter sind unterschiedlichsteKunststoffe, Gewebematerialien undmehrlagige Vliese mittels CO2-Laser-strahlung flexibel und reproduzierbarmit hoher Qualität zu schneiden.
Ansprechpartner
Dipl.-Phys.U.-A. Russek, Tel.: -158E-mail: [email protected]. A. Gillner, Tel.: -148E-mail: [email protected]
Laserstrahlschneiden mehrlagiger Vliese
44 Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001
Aufgabenstellung
Beim Laserdurchstrahlschweißen von Polymeren sind die optischenEigenschaften von entscheidenderBedeutung. Die Kenntnis der wellen-längenabhängigen strahlungsoptischenEindringtiefe im absorbierenden Füge-partner ist für das Prozessverständnis,die Prozessbeeinflussung sowie füreine thermodynamische Prozesssimu-lation unerläßlich. Daraus ergibt sichdie Aufgabe, eine reproduzierbareexperimentelle Bestimmung der strahlungsoptischen Eindringtiefe zurealisieren.
Vorgehensweise
Die Abnahme des Strahlungsflussesaufgrund von Absorption im absor-bierenden Fügepartner kann mit demLambert-Beerschen-Gesetz unter derVoraussetzung linearer Absorptions-mechanismen beschrieben werden.
I ( x ) = I 0 · ( 1 – R ) · e - α · x
α = AbsorptionskoeffizientR = ReflexionsgradI 0 · (1– R) = inhärenter Strahlungsflussx = Ortskoordinate in
Ausbreitungsrichtung der Strahlung
Das Lambert-Beersche-Gesetzbeschreibt einen mit der Ausbreitungbzw. der Materialdicke abnehmendenStrahlungsfluss. Daher lässt sich durcheine messtechnische Bestimmung der dickenabhängigen Strahlungs-trans-mission die strahlungsoptische Eindringtiefe ermitteln. Dise ist alsKehrwert des Absorptionskoeffizientendefiniert.
Ergebnisse
Aus der spektroskopischen Bestimmungdes Transmissions- und des Reflexions-verhaltens von Polymerproben unter-schiedlicher Dicke konnte die strahlungs-optische Eindringtiefe bestimmt werden.Die Proben unterschiedlicher Dickesind Dünnschnitte, welche mit einemMikrotom erzeugt wurden. Die strah-lungsoptische Eindringtiefe δ opt einermit 0,7 Gew.% rußpigmentierten PC-Probe konnte zu δ opt = 43 µmbestimmt werden.
Ansprechpartner
Dipl.-Phys. U.-A. Russek, Tel.: -158E-mail: [email protected]. A. Gillner, Tel.: -148E-mail: [email protected]
Bestimmung der strahlungs-optischen Eindringtiefe beiPolymeren
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 45
Aufgabenstellung
Der Korrosionsschutz von Produktenaus Stahlblechen erfolgt häufig durchBandverzinken und anschließendesBandbeschichten mit Kunststoff(»Duplex-Verfahren«). Die bei der Weiterverarbeitung der Stahlblecheentstehenden Schnitt- und Stanz-flächen werden durch konventionelleVerfahren wie den Farbauftrag mittelsRollen, das Einölen, die Bördelung der Kante und das Stempeln mittelsEintauchvorgängen nur unzureichendgegen Korrosion geschützt. Aus diesem Grund soll ein Verfahren zumlokalen Kunststoffbeschichten derSchnitt- und Stanzflächen mit Laser-strahlung entwickelt werden. Ziel istein hochwertiger Korrosionsschutz derSchnitt- bzw. Stanzflächen. Die Kunst-stoffbeschichtung ermöglicht darüberhinaus eine Anpassung der optischenGestaltung der Schnitt- bzw. Stanz-flächen an die bandbeschichtete Oberfläche. Durch Kombination desentwickelten Verfahrens mit dem Verfahren des lokalen Verzinkens mitLaserstrahlung soll auf den Schnitt-bzw. Stanzflächen ein Auftrag einer»Duplex-Schicht« aus Zink und Kunst-stoff möglich werden.
Vorgehensweise
Die Schnittflächen werden gleichzeitigmit Kunststoffpulver und dem Laser-strahl beaufschlagt. Die Pulverzufuhr-parameter werden so gewählt, dassdas Kunststoffpulver im Nachlauf zumLaserstrahl über das erwärmte Werk-stück aufgeschmolzen wird. Die voll-ständige Vernetzung von Duroplastendauert einige Minuten, da hiermit dieerreichbaren Prozessgeschwindigkeitenbegrenzt sind, werden ausschließlichThermoplaste z. B. Rilsan verwendet.
Ergebnisse und Anwendungen
Die Abbildung zeigt ein Foto einerSchnittfläche, die teilweise mit Kunst-stoff (Rilsan) beschichtet wurde, nacheinem Klima-Konstanttest (DIN 50017).Die Schichtdicke beträgt ca. zwischen0,05 mm - 0,2 mm. Die Kunststoff-beschichtung wurde hier direkt aufden Grundwerkstoff aufgebracht.Nach einer Prüfzeit von 1008 Stundenzeigt der beschichtete Bereich derSchnittfläche keine Korrosion. Derungeschützte Bereich der Schnittflächeist unter gleichen Bedingungen inhohem Maße von Weiß- und Rotrostbedeckt. Der Auftrag einer »Duplex-Schicht« aus Zink und Kunststoff istStand laufender Untersuchungen.
Ansprechpartner
Dipl.-Phys. G. Vitr, Tel.: - 213E-mail: [email protected]. K. Wissenbach, Tel.: -147E-mail: [email protected]
Kunststoffbeschichtenvon Schnittflächen mitLaserstrahlung
46 Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001
Beschichtete bzw. unbeschichtete Schnitt-fläche nach 1008 h Klima-Konstanttest
Aufgabenstellung
Bei der Produktion von elektronischenBauelementen stellen die Forderungendes Marktes nach höherer Funktions-dichte und zunehmender Miniaturisie-rung bei geringeren Kosten eine großeHerausforderung dar. Sowohl bei derHerstellung als auch bei der Weiter-verarbeitung bzw. Endmontage dieserBauteile sind eine Vielzahl von Reini-gungs- und Aktivierungsprozessenerforderlich. Dabei müssen z. B. Löt-stoplacke, Kontaminationen, Reste vonKunststoffen, Lacke und Oxidschichtenentfernt werden. Insbesondere fürnachfolgende Fügeprozesse (Schweißen,Löten, Kleben) und Beschichtungs-prozesse (z. B. Galvanisieren) müssendie entsprechenden Bauteilflächen dieerforderliche Reinheit aufweisen. ZurZeit werden hierfür überwiegend chemische Nassprozesse eingesetzt, diedurch Bäder und Sprüheinrichtungenausgeführt werden. Darüber hinauswerden auch mechanische Strahlver-fahren verwendet. Ziel der F&E-Arbeitenist die Untersuchung der Eignung der Lasertechnik als alternatives Reini-gungsverfahren.
Vorgehensweise
In Abhängigkeit von den Absorptions-eigenschaften der abzutragendenDeckschichten und der Grundwerk-stoffe werden geeignete Laserstrahl-quellen ausgewählt. Zum Einsatz kom-men überwiegend Kurzpulslaser mitWellenlängen von λ = 10,6 µm (CO2),λ = 1,06 µm (Nd:YAG), λ = 532 nm,355 nm (frequenzkonvertierte Nd:YAG),λ = 248, 193 nm (Excimer) und Puls-dauern zwischen 10 und 250 ns. Auf-grund der hohen Intensitäten und der
kurzen Wechselwirkungszeiten werdendie Deckschichten ohne Schädigungdes Grundwerkstoffes vollständigabgetragen. Durch Anpassung derrelevanten Verfahrensparameter (Inten-sität, Strahlgeometrie, Pulsfrequenz,Pulsdauer, Bearbeitungsgeschwindig-keit) und der Bearbeitungsstrategie(Anordnung und Anzahl der Einzel-spuren) wird das Reinigungsergebnisfür die jeweilige Aufgabenstellungoptimiert.
Ergebnisse und Anwendungen
Mit der Laserstrahl-Reinigungstechnikkönnen verschiedenste elektronischeBauteile gereinigt werden. Beispielesind das Deflashen und Entoxidierenvon Leadframes, das Reinigen vonMikrokontakten, das Entlacken vongestanzten Metallbändern für eine galvanische Selektivbeschichtung unddas Reinigen von Mikrokontaktflächenauf Leiterplatten. Wesentliche Vorteilesind die lokal begrenzte Reinigung,ohne dass angrenzende Bereiche durchden Reinigungsprozess beanspruchtwerden, die hohe Präzision des Ver-fahrens und keine Schädigung undKontamination der Bauteile durch dasReinigungsmedium.
Ansprechpartner
Dr. K. Wissenbach, Tel.: -147E-mail: [email protected]
Reinigen elektronischerBauteile mit Laserstrahlung
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 47
Aufgabenstellung
Ziel ist das Aufbringen dekorativerFarbveränderungen auf eloxiertemAluminium. Die Oberflächeneigen-schaften des Werkstückes, insbesondereder Glanz und die Korrosionsbeständig-keit sollen nach der Farbveränderungerhalten bleiben.
Vorgehensweise
Beschriftungen von Werkstücken erfolgen häufig durch Abtragen vonMaterial z. B. durch Verdampfen. DerAbtrag von Material hat jedoch immereine Änderung der Eigenschaften derOberfläche zur Konsequenz. Bei demhier entwickelten Verfahren werdenFarbveränderungen durch Aufbrechenatomarer Bindungen und Zerstörungvon Farbmolekülen erreicht.
Ergebnisse und Anwendungen
Ein Abtrag der Oberfläche wird durchgeeignete Kombination von Werkstoff,Wellenlänge der Strahlquelle undgeeignete Führung der Prozessparameterwie Leistungsdichte und Bearbeitungs-geschwindigkeit ausgeschlossen. DieseKombination bestimmt auch die Farb-gebung und das Farbspektrum. Beieinem gegebenen Werkstoff wird z. B.mit Nd:YAG-Strahlung ausschließlichein Farbumschlag zu Beige erzielt; beiEinsatz eines CO2-Lasers kann ein Farb-spektrum von Braun-, Bronze-, undGrautönen eingestellt werden. Als entscheidender Vorteil des Verfahrenskann gezeigt werden, dass der Farb-umschlag keinen Einfluss auf die Eigen-schaften der Oberfläche wie den Glanzund die Korrosionsbeständigkeit hat.
Mögliche Anwendung des Verfahrenssind das Aufbringen von Schriftzügen,Logos oder Mustern auf Zierleisten,Blenden oder Heckflossen in der Auto-mobilindustrie.
Die Entwicklung des Verfahrens erfolgte in Zusammenarbeit mit der Firma Erbslöh GmbH & Co in Velbert.
Ansprechpartner
Dipl.-Phys. G. Vitr, Tel.: - 213E-mail: [email protected]. K. Wissenbach, Tel.: -147E-mail: [email protected]
Dekorative Farbver-änderung an eloxiertemAluminium
48 Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001
28 mm
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 49
Aufgabenstellung
Für den Werkzeug- und Formenbaubesteht ein großer Bedarf nach automatisierten Verfahren zum Polierenund Strukturieren von kompliziertgeformten 3D-Bauteilen.
Vorgehensweise
Am Fraunhofer-Institut für LasertechnikILT wird in Zusammenarbeit mit derLaser Finishing Center AG ein Verfahrenzum Polieren mit Laserstrahlung entwickelt. Ziel ist die automatisierteBearbeitung von 3D-Oberflächen. DerWerkstoff wird lokal oder flächig auf-geschmolzen bzw. verdampft. Dadurchwird ein Materialtransport oder Abtragan der Oberfläche erreicht. Die Bear-beitung erfolgt mit hoher Präzision, so dass das Verrunden von Kanten undFormabweichungen vermieden wird.
Vorteile und Verfahrensmerkmale sind:• automatisierte Bearbeitung von
3D-Oberflächen• reproduzierbare Bearbeitungs-
ergebnisse• Selektive Bearbeitung ausgewählter
Bereiche• Oberflächen sind frei von
Politurrückständen• Polieren von gefrästen und
erodierten Oberflächen• Bearbeitung von metallischen
(Werkzeugstahl, Titan) und nichtmetallischen Werkstoffen
Ergebnisse und Anwendungen
Die wichtigsten Anwendungsgebieteliegen im Formen- und Werkzeugbau,der Medizintechnik und im Motorenbau.
Typische Flächenraten liegen je nachAufgabenstellung im Bereich von 0,2 bis 5 cm2/min. Zum Einsatz kommenNd:YAG-Laser mit gepulster und kontinuierlicher Laserstrahlung mitLaserleistungen von 40 bis 400 W.Aufgrund der Faserkopplung ist eineeinfache Integration in Fertigungs-anlagen möglich.
Ansprechpartner
Dipl.-Ing. E. Willenborg, Tel.: -213E-mail: [email protected]. K. Wissenbach, Tel.: -147E-mail: [email protected]
Polieren mit Laserstrahlung
Oben: Erodierte Ober-fläche selektiv poliert mitLaserstrahlungUnten: Laserstrahl-polierte 3D-Oberflächen
Aufgabenstellung
Beim konventionellen Härten vonKugellaufbahnen an Linearführungs-schienen sind Nachbearbeitungsschrittewie beispielsweise das Schleifen undeine Richtbehandlung zur Minimierungder auftretenden Biege- und Torsions-verzüge erforderlich. Weiterhin fälltdurch die Nichteinhaltung von Maß-toleranzen Ausschuss an. Diese Nach-teile sollen durch den Einsatz vonHochleistungsdiodenlasern minimiertwerden.
Vorgehensweise
In Mehrstrahltechnik werden dieFührungsbahnen an unterschiedlichen,endbearbeiteten Linearführungsschienengleichzeitig gehärtet. Die resultieren-den Verzüge werden gemessen und
durch eine nachfolgende Richtbehand-lung minimiert. Der Einfluss der Ver-fahrensparameter auf die Härtetiefeund die Verzüge wird untersucht. Zur Minimierung des experimentellenArbeitsaufwandes erfolgt eine Simula-tion der Temperatur-, Spannungs- undVerformungsfelder mit FEM und eineOptimierung der Bearbeitungs- undRichtstrategien.
Ergebnisse und Anwendungen
Durch den Einsatz von neu entwickeltentemperaturgeregelten Diodenlaser-modulen werden die Kugellaufbahnenin Vierstrahltechnik gehärtet. Die Härte-tiefen betragen je nach Schienentypca. 0,1 - 0,3 mm. Durch die symme-trische Wärmeeinbringung werden Torsionsverzüge vermieden. Es tritt nur noch ein Biegeverzug ∆z der Linear-führungsschienen auf. Dieser wirddurch eine nachfolgende Richtbehand-lung auf ∆z < 100 µm/m minimiert.
Eine Untersuchung der Verzüge undGebrauchseigenschaften erfolgt durchden Projektpartner.
Ansprechpartner
Dipl.-Phys. G. Vitr, Tel.: -213E-mail: [email protected]. K. Wissenbach, Tel.: -147E-mail: [email protected]
Verzugsminimiertes Härten von Linearführungs-schienen mit Diodenlaser-strahlung
50 Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001
Oben: Aufbau VierstrahltechnikUnten: Bearbeitung in Vierstrahltechnik
Aufgabenstellung
Mit dem Selective Laser Melting (SLM)wurde ein neues generatives Fertigungs-verfahren für die Herstellung von nahezu beliebig komplexen metallischenBauteilen entwickelt. Aufgabenstellungist die Erprobung des Verfahrens fürdie Herstellung von Werkzeugeinsätzenfür die Serienproduktion.
Vorgehensweise
Durch die Verwendung von Serien-werkstoffen wie Werkzeugstahl 1.2343in Kombination mit dem schichtweisenAufbau eröffnet SLM im Werkzeugbauneue Möglichkeiten. Sowohl der verwendete Werkstoff als auch die Möglichkeit der Einbringung neuerGeometrieelemente wie konturan-gepasster Kühlkanäle machen das SLM-Verfahren über die Prototypen-fertigung hinaus zu einem Fertigungs-verfahren für Spritz- und Druckguss-werkzeuge.
Ergebnisse und Anwendungen
Erstmals konnten Einsätze für denKunststoffspritzguss aus 1.2343 rissfrei mittels SLM hergestellt werden (Bild oben). Die Bauteile erreichen einedurchgehende Härte von 50 HRC undsind durch konventionelle Verfahrenwie Fräsen, Schleifen und Polierenohne weiteres bearbeitbar. Darüberhinaus konnte in Fallstudien nachge-wiesen werden, dass durch die Kombi-nation von SLM und konventionellerEndbearbeitung eine Zeitersparnis biszu 30% realisiert werden kann.
Weiterhin wurde erstmals ein Werk-zeugkern mit einem konturangepasstenKühlkanal aus 1.2343 hergestellt (Bild unten).
Derzeit werden in IndustrieprojektenEinsätze mit verschiedenen Kühlkanal-geometrien hergestellt und bezüglichZykluszeitreduzierung und Standfestig-keit bewertet.
Ansprechpartner
Dipl.-Ing. C. Over, Tel.: -203E-mail: [email protected]. K. Wissenbach, Tel.: -147E-mail: [email protected]
Herstellung von Serien-werkzeugen mit SelectiveLaser Melting (SLM)
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 51
Aufgabenstellung
Innerhalb des BMBF-Leitprojektes»Modulare Diodenlaser-Strahlwerk-zeuge (MDS)« werden die system- und prozesstechnischen Grundlagenfür das Wärmeleitungs- und Tief-schweißen mit HDL erarbeitet. Hierzuwerden sowohl konventionelle System-konfigurationen untersucht, als auchDiodenlaser-Werkzeuge mit speziellenStrahlgeometrien (Ring, Linie) aufge-baut, um damit besonders effizienteschweißtechnologische Anwendungenmit und ohne Relativbewegung zwischenLaser und Werkstück zu ermöglichen.
Vorgehensweise
Blindschweißversuche an 2 mm dickenBaustahlblechen sind mit einem HDLmit einer maximalen Ausgangsleistungvon 2,5 kW durchgeführt worden. Beikonstanter Vorschubgeschwindigkeitvon 0,9 m/min wurde die Leistungs-dichte variiert.
Ergebnisse und Anwendungen
Anhand einer detaillierten Analyse desSchweißprozesses konnten als Funktionder Laserleistungsdichte drei unter-schiedliche Prozessbereiche identifiziertwerden. Sie gehen im Leistungsdich-tebereich zwischen 1 x 104 W/cm2 und5 x 104 W/cm2 stufenlos ineinander über.
Bei niedrigen Leistungsdichten ist derProzess durch eine schwach glimmendeLeuchterscheinung, eine sehr regel-mäßige Oberraupe und einen kalotten-förmigen Einbrand gekennzeichnet -entsprechend einem reinen Wärme-leitungs-Schweißprozess.
Mit zunehmender Leistungsdichte treten Prozessstörungen in Form vonSpritzern auf, die mit einer deutliche-ren Leuchterscheinung aufgrund ein-setzender Verdampfung und einer sehr unregelmäßigen Oberraupe ein-hergeht. Auch theoretisch wird an derSchmelzfilm-oberfläche der Siedepunkterreicht.
Bei weiterer Erhöhung der Leistungs-dichte nimmt die Ausprägung derDampffackel deutlich zu und ein stabiler, spritzerfreier Schweißprozesssetzt ein, der im Fall von Edelstahl beica. 5 x 104 W/cm2 nachweislich zumTiefschweißen übergeht.
Ansprechpartner
Dipl.-Ing. C. Benter, Tel.: -219E-mail: [email protected]. D. Petring, Tel.: -210E-mail: [email protected]
Wärmeleitungs- und Tiefschweißen mit Hochleistungs-Diodenlasern (HDL)
52 Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001
Aufgabenstellung
Schweißverbindungen an Edelstahl im T-Stoß sollen für den Einsatz inKüchengeräten so ausgeführt werden,dass eine lebensmitteltaugliche Ober-fläche erzeugt wird. Die Schweißnaht-oberraupe darf nur eine minimaleSchuppung aufweisen, um eine einfachehygienische Reinigung zu ermöglichen.Als Materialpaarung ist ein austeniti-scher Edelstahl, 1.4301 Materialstärkeca. 0,7 mm, mit einem ferritischenEdelstahl 1.4521, Materialstärke 2 mmzu verbinden.
Vorgehensweise
Schweißen von dünnwandigen Materi-alien erfordert hohe Präzision undgeringe Wärmezufuhr. Durch hoheStrahlintensität werden entsprechendhohe Vorschubgeschwindigkeiten reali-sierbar, die minimale Streckenenergienermöglichen.
Hierfür bieten sich die diodengepumteNd:YAG-Laser an, die sich durch hoheEffizienz bzw. Fokussierbarkeit, undStrahlqualität (12 mm mrad) auszeichnen.
Ergebnisse und Anwendungen
Durch die Optimierung des Schweiß-prozesses hinsichtlich Strahleinfalls-winkel, Fokuslage und Prozessgaszufuhrwurde ein sanfter Nahtübergang erzeugt,der die Anforderungen bestens erfüllt.Die maximale Schweißgeschwindigkeitbei einer Strahlleistung von1,4 kW amWerkstück betrug 7 m/min.
Ansprechpartner
V. Nazery Goneghany, Tel.: -159E-mail: [email protected]. D. Petring, Tel.: - 210E-mail: [email protected]
DiodengepumpterNd:YAG-Laser erzeugtpräzise Edelstahl-Verbindungen
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 53
7 mm
Aufgabenstellung
Für die Fertigung von Automobil-komponenten mit hoch reflektierendenGlanzflächen und hohen Anforderungenan Festigkeit und optisches Erschei-nungsbild, soll der Laser die herkömm-lichen Verfahren wie Kleben oderLöten verdrängen, die Umwelt entlastenund Kosten senken.
Im Rahmen einer Machbarkeitsstudiewurden Möglichkeiten untersucht,Schweißnähte zu erzeugen, die nachaußen hin nicht sichtbar sind. Diewichtigsten Aspekte dieser Studiewaren, daß die Sichtseite der Naht freivon jeglichen Umformungen (Verzug),Rissbildungen oder Mattierungen derGlanzfläche sein sollte. Die Sichtseitesollte nach der Schweißung spiegel-blank und unbehandelt bleiben. EineNachbehandlung kam aus wirtschaft-liche Gründen nicht in Frage.
Vorgehensweise
Die Untersuchungen wurden miteinem diodengepumten Nd:YAG-Laserhoher Strahlqualität (12 mm mrad)durchgeführt. Bei den verwendetenMaterialien handelt es sich um Alu-miniumlegierungen (Sichtfläche eloxiertund auf Hochglanz poliert), die mit einer Kehlnaht am Überlappstoßverschweißt wurden.
Besonderes Augenmerk wurde auf die Realisierung hoher Schweißgeschwin-digkeiten, geringer Wärmezufuhr undkleiner Einschweißtiefe bei ausreichen-dem Anbindungsquerschnitt gerichtet.
Ergebnisse und Anwendungen
Durch den Einsatz des diodengepumtenNd:YAG-Lasers und Optimierung desSchweißprozesses wurde ein wesentlicherFortschritt gegenüber dem bisherbekannten Klebe- oder Lötverfahrenerreicht. Die maximale Schweißge-schwindigkeit betrug 24 m/min beieiner Strahlleistung am Werkstück von 1,7 kW. Die Schweißnaht ist beiausreichender Festigkeit auf der Sicht-fläche nicht erkennbar.
Ansprechpartner
V. Nazery Goneghany, Tel.: -159E-mail: [email protected]. D. Petring, Tel.: - 210E-mail: [email protected]
DiodengepumpterNd:YAG-Laser ermöglichtverdeckte Nähte entlangeiner Sichtkante
54 Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001
Aufgabenstellung
Die Überwachung von thermischenFertigungsverfahren wie dem Schweißenmit Laserstrahlung gewinnt im Zugeder Qualitätssicherung von Produktenzunehmend an Bedeutung. Mit demCPC (Coaxial Process Control-System)verfügt das Fraunhofer ILT über einenleistungsstarken Überwachungsdetektor.Die aufgenommenen CPC-Signale sollen anwenderfreundlich dargestelltund ausgewertet werden. Informationenwie zum Beispiel über die räumlichdreidimensionale Schweißnahtgeome-trie sollen gewonnen und visualisiertwerden.
Vorgehensweise
Das CPC detektiert die thermischeStrahlung aus der Wechselwirkungs-zone zwischen Laser und Werkstück.Hierbei nimmt die Strahlungsintensitätaus der Plasmakapillare für einen weitenBereich der Verfahrensparameter linearmit der Tiefe der Plasmakapillare zu.Damit ist die Rekonstruktion der räumlich dreidimensionalen Form derPlasmakapillare aus den CPC-Datenmöglich.
Die Momentaufnahmen der Plasma-kapillare lassen sich unter Berücksich-tigung der Vorschubgeschwindigkeitzu einem Pfad der Kapillare durch dasWerkstück zusammensetzen. Mit derAnnahme, dass der Schmelzfilm, derdie Plasmakapillare umströmt, dünn im Vergleich zu dem Radius der Plasma-kapillare ist, gibt der Kapillarpfad eineAbschätzung für die geometrischeForm der Schweißnaht wieder.
Ergebnisse und Anwendungen
Die vom CPC gemessene Form derSchweißnaht ist mit Quer- und Längs-schliffen verglichen worden. QualitativeVeränderungen der Form wurden richtigwiedergegeben. Um die quantitativenAussagen zu verfeinern, sollen die Vorgänge in der Schmelze zusätzlichdurch eine modellbasierte Simulationberücksichtigt werden.
Ansprechpartner
PD Dr. W. Schulz, Tel.: -204E-mail: [email protected]. J. Michel, Tel.: -163E-mail: [email protected]. S. Kaierle, Tel.: -212E-mail: [email protected]
Prozessüberwachung beimSchweißen: Visualisierungder Schweißnahtgeometrie
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 55
Aufgabenstellung
In rohr- und plattenförmigen Probenaus Quarzglas mit einer Dicke bis zumehreren Millimetern sollen unter Einsatz eines CO2-Lasers Konturschnittemit hoher Qualität erstellt werden.Hinsichtlich der Schnittqualität wirdbesonders auf folgende Punkte Wertgelegt:• Vermeidung von Rissen im Glas• Erzeugung von feuerpolierten
Schnittkanten• Gratfreier Schnitt
Die bei diesen Untersuchungengewonnenen Erkenntnisse sollen inden Aufbau einer Laserbearbeitungs-anlage für die flexibele Fertigung vonKleinserien und Einzelteilen fließen.
Vorgehensweise
Zur Ermittelung geeigneter Ver-fahrensparameter wurden an einer kommerziellen sechs-Achsen-CO2-Laserschneidanlage Versuche unterVerwendung verschiedener Fokuslagen,Schneidgasdrücke, Schneiddüsen und Vorschubgeschwindigkeitendurchgeführt.
Ergebnisse und Anwendungen
Bei allen bearbeiteten Proben wurdendie Qualitätsvorgaben erreicht. Eskonnten sowohl in Platten als auch inRohren aus Quarzglas grat- und riss-freie Konturschnitte mit feuerpolierterKante erstellt werden. Eine Nachbear-beitung der Proben war hierzu nichtnotwendig.
Bei der Bearbeitung von Rohren konnteeine Beschädigung der Innenwändevermieden werden.
Ansprechpartner
Dipl.-Phys. B. Seme, Tel.: -426E-mail: [email protected]. D. Petring, Tel.: -210E-mail: [email protected]
Qualitätsoptimierte Präzisionsbearbeitung vonQuarzglas-Halbzeug
56 Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001
Oben: Ansicht der SchnittkantenUnten: Konturschnitte in verschiedenen Quarzglasrohren
Aufgabenstellung
Im Rahmen einer Studie für das LandNRW (gefördert mit Mitteln des MSWFund MUNLV) wurde das Potenzial einerlasertechnischen Optimierung von Harvester-Anwendungen zum Entastenvon Bäumen untersucht. Harvester-Aggregate sind mechanische Trenn-werkzeuge, die hohe Kräfte und damit große Maschinengewichte und -leistungen erfordern. Das hoheMaschinengewicht führt zu einemhohen Leistungsbedarf für Transportund Manipulation des Aggregates. Fürdie Forstwirtschaft wäre also ein kräfte-freier Laser-Entastungsprozess mitleichten Diodenlaser-Schneidköpfenvon großer Bedeutung. In dieser Studiewurden daher die Möglichkeiten desLaserentastens von Bäumen begutachtet.
Vorgehensweise
Für forstwirtschaftliche Schneidaufgabensind Diodenlaser prädestiniert, da siedie für diese Anwendung wichtigenEigenschaften, nämlich Kompaktheit,Robustheit und geringes Gewicht,besitzen. Mit einem am Fraunhofer ILTaufgebauten Diodenlaser mit linien-förmiger Abstrahlcharakteristik wurdendaher Holz-Trennversuche durchge-führt. Der linienförmige Strahl erlaubtdie simultane Bearbeitung der kom-pletten Schnittlinie. Als Probenmaterialwurden dabei frische Fichtenäste verwendet. Die Auswertung dieserTrennversuche und die Spezifikationeines Referenzbaumes durch das Institutfür Forstliche Arbeitswissenschaft undVerfahrenstechnologie (IFA, Göttingen)führten zu einer Abschätzung des Leistungsbedarfs eines Laser-Harvesters.Außerdem sind Systemkonzepte füreinen Laser-Harvester entworfen worden.
Ergebnisse
Die durchgeführten Schneidversuchemit dem Diodenlaser-Linienstrahlerdemonstrierten, dass das Entasten miteinem Linienstrahl prinzipiell machbarist. Abschätzungen zeigten jedoch,dass eine Laserleistung von mindestens50 kW benötigt wird, damit ein Laser-Harvester eine Leistungsfähigkeiterreicht, die mit der eines konven-tionellen Aggregates vergleichbar ist.Infolgedessen sind die Kosten für dienötigen Diodenlaser heute ca. 20 malhöher als die Kosten für ein konventio-nelles Harvester-Aggregat. Außerdemsind für einen Laser-Harvester Problemedes Brandschutzes, der Beseitigungtoxischer Emissionen und der Steuerungund Sensorik zu lösen. Darüber hinauswerden schwere Kühler und Netzteilebenötigt und es entstehen schwarzeSchnittkanten. Daher stellt das erarbei-tete Laser-Harvester-Konzept keineLösung für die Gegenwart, aber eineVision für die Zukunft dar.
Ansprechpartner
Dipl.-Phys. B. Seme, Tel.: -426E-mail: [email protected]. D. Petring, Tel.: -210E-mail: [email protected]
Studie zur Untersuchungder lasertechnischenOptimierung von Harvester-Anwendungen
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 57
Bearbeitung eines Fichtenastes mit einem linienförmigen Diodenlaserstrahl
Aufgabenstellung
Zur Herstellung von Großgeneratorenwerden trapezförmig zugeschnitteneSegmente aus Elektroblech benötigt.Herkömmlich werden die Trapeze vomCoil mit Schwenkscheren geschnitten.Im Rahmen einer Machbarkeitsstudiegalt es zu prüfen, ob diese Zuschnittevorteilhaft mit dem Laser ausgeführtwerden können.
Vorgehensweise
Vorteile durch das Laserverfahren können vor allem dann erzielt werden,wenn zum einen die bisherige Schwenk-bewegung der Schere entfällt und zumanderen das Band kontinuierlich durchdie Anlage bewegt werden kann. Unterdieser Prämisse wurden verschiedenemögliche Systemkonzepte für die Laser-schneideinrichtung hinsichtlich ihrerLeistungsfähigkeit, ihrer technischenAnforderungen und möglicher Risikenund Kosten verglichen.
Ergebnisse und Anwendungen
Der Durchsatz der Anlage ist abhängigvon der Geometrie der Segmente (Tra-pezwinkel, Länge) und der maximalenSchneidgeschwindigkeit, die auch vonder Blechdicke abhängt. Es konntegezeigt werden, dass mit einem querzum Band bewegten Schneidkopf unddamit der technisch einfachstenAnordnung die erforderliche Taktratemit bereits heute realisierten Laser-schneidgeschwindigkeiten erzielt werdenkann. Dies gilt für typische Trapez-Geometrien dieser Anwendung undeine Blechdicke von 0,5 mm, die imvorliegenden Fall zum weitaus größten
Teil verarbeitet wird. Diese Blechdickewurde mit einem CO2-Laser bei einerLaserstrahlleistung von 2,0 kW mitmaximal 60 m/min geschnitten. Beieiner Umsetzung dieser Technik würdenStrahlquellen mit höherer Leistung eingesetzt, mit denen sich dieGeschwindigkeiten noch steigern undausreichende Prozessreserven bereit-stellen ließen.
An Musterschnitten konnte die guteQualität der Schnittkanten, bei der vor allem die Gratfreiheit wichtiges Kriterium ist, nachgewiesen werden.Während die technische Realisierbarkeitgrundsätzlich positiv beurteilt werdenkonnte, steht die für die Umsetzungebenso entscheidende Wirtschaftlich-keit noch in Frage.
Die Möglichkeit, statt geradlinigerSchnitte, wie bei dieser Anwendunggefordert, auch flexibel konturierteQuerteilschnitte durchzuführen, machtdas Verfahren zusätzlich attraktiv, beispielsweise wenn dadurch Potenzialzur Materialeinsparung gegeben ist.
Ansprechpartner
Dipl.-Ing. F. Schneider, Tel.: -426E-mail: [email protected]. D. Petring, Tel.: -210E-mail: [email protected]
Querteilen von Elektroblech
58 Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001
Unten: Schnittkante Elektroblech
Aufgabenstellung
Das Schmelzschneiden mit Laser-strahlung ist ein etabliertes thermischesVerfahren. Sowohl für große Schneid-geschwindigkeiten zur effizienten Ausnutzung der Anlage als auch fürkleine Geschwindigkeiten beim Konturenschneiden beeinflussen dynamische Vorgänge die Qualität.Zum Auffinden geeigneter Steuerungs-vorschriften und zur Qualitätssicherungwerden Überwachungssysteme einge-setzt.
Vorgehensweise
Qualitätsmerkmale wie die Riefen- undBartbildung oder auch das Erreichender Trenngrenze entstehen aus derDynamik des Prozesses. Zeitlich undräumlich aufgelöst wird der Prozess mit der im Fraunhofer ILT entwickeltenkoaxialen Prozessüberwachung beobachtet. Die verschiedenen Prozesszustände und charakteristischePhänomene (z. B. Verdampfung, Kapillarkräfte), werden in einer Prozess-simulation visualisiert und könnenexperimentell identifiziert werden.
Ergebnisse
Zwei Mechanismen der Bartbildungsind erkannt und können mit derkoaxialen Prozesskontrolle identifiziertwerden. Bei kleinen Vorschubgeschwin-digkeiten kommt es zu einer Tropfen-bildung an der Blechunterkante. Eine Bartbildung bei hohen Vorschub-geschwindigkeiten setzt bei der Verdampfungstemperatur ein, da der Ablationsdruck ein ungestörtesAusströmen verhindert.
Die Prozesssimulation ermöglicht dasAuffinden von Strategien zur Vermei-dung der Bartbildung. Durch Modu-lation der Laserleistung kann auch beikleiner Vorschubgeschwindigkeit dieFrontgeschwindigkeit so beeinflusstwerden, daß die Schmelze in Form einesWellenberges ungehindert ausströmtund die Bartbildung vermieden wird.Für geeignete Modulation der Laserleis-tung zeigen die Kamerabilder einensymmetrischen Prozess (keine Tropfen).Die Verdampfung tritt nicht auf.
Diese Arbeiten werden durch dieVolkswagen-Stiftung gefördert.
Ansprechpartner
PD Dr. W. Schulz, Tel.: -204E-mail: [email protected]. J. Michel, Tel.: -163E-mail: [email protected]. S. Kaierle, Tel.: -212E-mail: [email protected]
Bartbildung beim Schneiden: Simulationund Steuerung
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 59
Kapillarkräfte
ohne Bart
Verdampfung
Aufgabenstellung
Das Schmelzschneiden mit Laserstrah-lung ist ein etabliertes thermisches Verfahren. Dynamische Vorgängebeeinflussen die Qualität des Schneid-ergebnisses. Ein charakteristischesMerkmal nichtlinearer dynamischerVorgänge ist die Bildung von Riefenauf der Schnittkante. Um Steuerungs-vorschläge für eine geeignete Verfah-rensführung aufzufinden, werden dieLösungseigenschaften von Modellenuntersucht. Die Qualität der Modellewird durch Vergleich mit den beobacht-baren Schneidergebnissen beurteilt.
Vorgehensweise
Qualitätsmerkmale wie die Riefen- undBartbildung oder auch das Erreichender Trenngrenze entstehen aus derDynamik des Prozesses. Die dynamischenVorgänge werden durch ein approxima-tives dynamisches System beschrieben,für das u. a. inverse Aufgaben zurSteuerung der Laseranlage formuliertwerden. Die verschiedenen Prozess-zustände und die auftretenden Phänomene, wie die Bildung von Riefenunterschiedlicher räumlicher Struktur,können experimentell identifiziert werden. Die qualitätsbestimmendendynami-schen Vorgänge werden ineiner Prozesssimulation visualisiert.
Ergebnisse
Zwei Mechanismen zur Bewegung derSchmelzfront und damit zur Riefenbil-dung sind erkannt. Riefen 1. Art bildensich bei kleinen Vorschubgeschwindig-keiten und in der Nähe der Blechober-kante, wo nahezu keine rekristallisierteSchmelze an der Schnittkante vorliegt.Direkte Absorption und Wärmediffusionbestimmen die Frontbewegung. Mitder Vorschubgeschwindigkeit und derBlechdicke nimmt der Massenstrom anSchmelze zu, und der konvektive Wärmetransport in Ausströmrichtungträgt zur Frontbewegung merklich bei.Zwei unterschiedliche Mechanismen –Diffusion und Konvektion – tragen zurBewegung der Front bei. Jede Riefe 1. Art erzeugt eine axial laufende Welleim Schmelzfilm und der damit verbun-dene konvektive Wärmetransport führtzu einer zeitlich nachfolgenden Bewe-gung der Schmelzfront (Riefe 2. Art).
Diese Arbeiten werden durch dieVolkswagen-Stiftung gefördert.
Ansprechpartner
PD Dr. W. Schulz, Tel.: -204E-mail: [email protected]. J. Michel, Tel.: -163E-mail: [email protected]
Riefenbildung beimSchneiden: Modellierungund Simulation
60 Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001
Oben: Riefen 1. Art WärmediffusionUnten: Riefen 2. Art Diffusion und Konvektion
Geschäftsfeld Laseranlagen und Systemtechnik
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 61
Modularer Diodenlaser-Ringstrahl für Schweiß- und Schneidanwendungen(erste Ausbaustufe mit 4 Modulen)
Laserperforation in der Verpackungsindustrie 64
Anlage zum Laserstrahl-Auftragschweißen 65
Modularer Diodenlaser-Ringstrahl für Schweiß- und Schneidanwendungen 66
Koaxiale Prozessüberwachung(CPC) in der industriellen Fertigung 67
Automatisierte Strahlüberwachung und Fehlerdiagnose für die Material-bearbeitung mit Laserstrahlung 68
Modellgestützte prädiktive Regelung beim Laserstrahlschweißen 69
Flexibles System zur Prozessüberwachung beim Laserstrahlschweißen 70Koaxiale Prozessbeobachtung beim Grobblechschweißen 71
Featurebasiertes Offline-Planungssystem für 3D-Laserstrahlschweißaufgaben 72
Weiterbildung und Training in der Lasermaterialbearbeitung 73
VELI - Virtual European Laser Institute 74
Anmerkung der InstitutsleitungWir weisen explizit darauf hin, dass die Offen-legung der nachfolgenden Industrieprojekte mit unseren Auftraggebern abgestimmt ist.Grundsätzlich unterliegen unsere Industrie-projekte der strengsten Geheimhaltungspflicht.Für die Bereitschaft unserer Industriepartner, die aufgeführten Berichte zu veröffentlichen,möchten wir an dieser Stelle herzlich danken.
Geschäftsfeld Laseranlagen undSystemtechnik
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 63
Aufgabenstellung
Produktverpackungen werden hinsicht-lich Funktionalitätserweiterung undkundenorientiertes Design zunehmenanspruchsvoller. Die flexible laserge-stützte Verpackungsperforation für z. B. Aufreiß-, Abreiß- und Trennhilfenoder definierte Entlüftungsbereichegewinnt in diesem Zusammenhang anBedeutung.
In eine bestehende Probenbeutel-Verpackungsstraße soll eine Fertigungs-einheit integriert werden, die Entlüf-tungslöcher definierter Größe flexibelund reproduzierbar in eine Verbund-folie (Al/PET) einbringt. Dabei sollenpro Maschinentakt (40 min-1) gleich-zeitig zwei Löcher mit einem Durch-messer von 300 µm perforiert werden.
Vorgehensweise
Die Al/PET-Verbundfolie weist für dieCO2-Laserstrahlung ausreichend optische Absorption auf. Nach Bestim-mung der optimalen Prozessparameter,wird eine Doppeloptik konstruiert undaufgebaut, welche die reproduzierbarePerforation garantiert.
Der Rohstrahl wird mittels eines Teles-kops aufgeweitet und durch Umlenk-spiegel zur Doppeloptik geleitet. Dortwerden durch einen Strahlteiler zweigleiche Einzelstrahlen erzeugt, welchemittels eines Linsensystems in die Bear-beitungsbereiche fokussiert werden.Durch eine definierte Positionierungdes Perforationsgutes und unterZuführung von Druckluft werden zwei300 µm Löcher im Einzelpulsverfahrenerzeugt.
Ergebnisse und Anwendungen
Der Einsatz der CO2-Laserstrahlungerlaubt eine flexible, rasche und exaktePerforation verschiedenster Materialien,ohne Bearbeitungsrückstände amWerkstück zu hinterlassen.
Die Laserstrahlquelle sowie die Versor-gungs- und Steuereinheiten wurdenkompakt angeordnet und in die Ferti-gungslinie integriert. Taktsignale ausder Fertigung steuern die Laserperfo-rationseinheit, so dass das System problemlos in die Produktion integriertwerden konnte.
Ansprechpartner
Dipl.-Phys.U.-A. Russek, Tel.: -158E-mail: [email protected]. A. Gillner, Tel.: -148E-mail: [email protected]
Laserperforation in der Verpackungsindustrie
64 Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001
Aufgabenstellung
Das Laserstrahl-Auftragschweißen etabliert sich immer mehr als Instand-setzungsverfahren im Werkzeug- undFormenbau. Hierbei kommen kleinere,mit gepulsten Nd:YAG-Lasern ausge-stattete Anlagen, die mit drahtförmigenZusatzwerkstoffen und einer manuellenVerschiebung des Bauteils arbeiten,zum Einsatz. Diese Anlagen sind nurfür kleinere Reparaturen geeignet, da sie geringe Flächenraten von max. 1 - 3 cm2 pro Stunde bei einer Schicht-dicke von 1 mm realisieren. Zusätzlichist die Werkstoffpalette für die Drähteeingeschränkt und das Bearbeitungs-ergebnis von der Geschicklichkeit desSchweißers abhängig.
Ziel der Entwicklungsarbeiten war dieKonzeption und der Bau einer Anlagezum automatisierten Laserstrahl-Auftragschweißen mit einem kontinu-ierlichen Nd:YAG-Laser und pulver-förmigen Zusatzwerkstoffen. Nebenden größeren Auftragsraten sind durch den Einsatz von pulverförmigenZusatzwerkstoffen und die dadurchbedingte Legierungsvielfalt höhereSchichthärten zu realisieren.
Vorgehensweise
Anhand des Pflichtenheftes und derAnforderungen aus dem Formenbaudes Kunden wurde eine Anlage zumLaserstrahl-Auftragschweißen konzipiertund gebaut.
Ergebnisse und Anwendungen
Die Anlage umfasst folgende Aus-stattung und folgende Eigenschaften:• 2 kW fasergekoppeltes
Nd:YAG-Lasersystem• CNC gesteuertes Portalsystem
(x-y-z Achse und Drehkippachse)• Automatisierte Pulverzufuhr • Integrierte Abstandssensorik• Integriertes ILT-Teach-Panel• Absaugung des überschüssigen
Pulvers• Gekapselte Laserklasse 1 - Maschine• Auch einsetzbar zum Laserstrahl-
härten
Die Anlage wird seit 3 Jahren beimKunden im Bereich der Reparatur vonSpritzgießwerkzeugen eingesetzt.Durch die hohe Qualität und Reprodu-zierbarkeit der aufgetragenen Schichtenkonnten Kosteneinsparungen bei derHerstellung und Instandsetzung vonFormen erzielt werden und gleichzeitigdie Maschinenstillstandszeiten derSpritzgießmaschinen reduziert werden.Durch geeignete Legierungsauswahlkonnten Schichten mit 63 HRC rissfreiaufgetragen werden.
Ansprechpartner
Dr.-Ing. A. Gasser, Tel.: -209E-mail: [email protected]. K. Wissenbach, Tel.: -147E-mail: [email protected]
Anlage zum Laserstrahl-Auftragschweißen
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 65
Anlage zum Laserstrahl-Auftragschweißen
Aufgabenstellung
Im Rahmen des BMBF-Leitprojektes»Modulare Diodenlaser Strahlwerk-zeuge (MDS)« werden Lasergeräte, die die spezifischen Eigenschaften undVorteile des Diodenlasers nutzen, entwickelt und erprobt. Für Schweiß-und Brennschneidanwendungen sollein modulares Diodenlasergerät, dasseinen ringförmigen Laserstrahl erzeugt,realisiert werden. Als Spezifikation für den Ringstrahl wurde dabei eine Leistung von ca. 2 kW bei einemDurchmesser von ca. 5 mm und einerRingstärke von etwa 1 mm gewählt.
Vorgehensweise
Zur Erzeugung des Ringstrahles werdenzehn identische Diodenlasermodule,die jeweils einen Stack mit sechs Barrenenthalten, koaxial um eine Prozess-gasdüse angeordnet. Die Strahlung derStacks wird mit einer Strahlformungs-optik fokussiert, so dass nach einerjustierbaren Umlenkoptik ein annäherndringförmiger Fokus entsteht. EinGehäuse mit integrierter Wasser- undStromverteilung schützt den Aufbauvor der Bearbeitungsumgebung.
Ergebnisse und Anwendungen
Eine erste Ausbaustufe des Gerätes mit vier Modulen ist aufgebaut undcharakterisiert worden. Die optischeAusgangsleistung beträgt etwa 800 Wbei einem Injektionsstrom von 50 A.Mit den vier Modulen ist ein nähe-rungsweise halbkreisförmiger Fokusmit einem Durchmesser von ca. 5 mmbei einer Breite von maximal ca. 1,4 mmdemonstriert worden. Der praktischeTest der ersten Ausbaustufe des Gerätesals optischer Schneidbrenner ergab in 10 mm dicken Baustahlplatten eineTrenngeschwindigkeit von 0,4 m/min. Derzeit wird an dem Aufbau einesGerätes mit zehn Modulen, d. h. amvollständigen Diodenlaser-Ring, gear-beitet. Dieses Gerät soll dann nicht nurfür Schneidanwendungen, sondernauch für das verzugsfreie single-shot-Schweißen von Rundnähten qualifiziertwerden. Außerdem sind Laser-Hybrid-Anwendungen mit konventionellemLaserfokus im Ringzentrum geplant.
Ansprechpartner
Dipl.-Phys. A. Knitsch, Tel.: -414E-mail: [email protected]. B. Seme, Tel.: -426E-mail: [email protected]. D. Petring, Tel.: -210E-mail: [email protected]
Modularer Diodenlaser-Ringstrahl für Schweiß-und Schneidanwendungen
66 Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001
Erste Ausbaustufe des Diodenlaser-Ringstrahlers mit 4 Modulen
Aufgabenstellung
Die koaxiale Prozessüberwachung(Coaxial Process Control, CPC) wurdeam Fraunhofer ILT für den Einsatz inder Laserstrahlmaterialbearbeitungentwickelt. Kennzeichnend für das Ver-fahren ist, dass die Wechselwirkungs-zone von Laserstrahl und Werkstückwährend der Materialbearbeitung miteinem bildgebenden Detektor (Kamera)beobachtet wird. Durch Auswertungder Kamerabilder können Rückschlüsseauf die Qualität der Bearbeitung bzw.des Werkstücks gezogen werden. DieKamera wird so angeordnet, dass dieBeobachtung koaxial zum Laserstrahldurch die Bearbeitungsoptik erfolgt.Das Messverfahren wurde bislang anverschiedenen Applikationen erfolg-reich im Labor getestet. Für den Dauereinsatz des CPC-Systems in derProduktion soll eine industrietauglicheVersion entwickelt werden.
Vorgehensweise
Die Basis des CPC-Systems bildet einIndustrie-PC, der eine flexibel erweiter-bare, zukunftssichere Plattform für dasSystem darstellt. Durch den Einsatz vonzwei Prozessoren steht dem Systemauch für komplexere Bildauswertungenausreichend Rechenleistung zur Verfü-gung. Die Systemsoftware besteht auseinem modularen, für höchste Perfor-mance in C++ entwickeltem Analyse-kern und einer unter LabView™ pro-grammierten Benutzeroberfläche. Dasmodulare Konzept des Analysekernserlaubt eine einfache Erweiterungdurch neue Bildauswertungsalgorithmenund ermöglicht eine optimale Anpassungdes Systems an verschiedenen Bearbei-tungsprozesse. Die Benutzeroberflächekann durch den Einsatz von LabView™
flexibel an die Anforderungen desKunden angepasst werden. Als Detek-toren kommen je nach ApplikationCCD- oder CMOS-Kameras zum Einsatz.Anlagenspezifische Optiken ermöglichenden Einbau in verschiedene CO2- undNd:YAG-Laseranlagen.
Ergebnisse und Anwendungen
Die erste Industrieversion des CPC-Systems wurde 2001 in eine Produk-tionsanlage eingebaut und getestet. In dieser Anwendung überwacht einCPC-System mit zwei Kameras onlineverschiedene Bearbeitungsschritte.Durch den Einsatz des Systems konntedie Dauer der Produktionszyklen drastisch gesenkt werden, da auf dieDurchführung zeitaufwendiger Lecktestsweitgehend verzichtet werden kann.
Ansprechpartner
Dipl.-Ing. C. Kratzsch, Tel.: -229E-mail: [email protected]. P. Abels, Tel.: -428E-mail: [email protected]. S. Kaierle, Tel.: -212E-mail: [email protected]
Koaxiale Prozessüber-wachung (CPC) in der industriellen Fertigung
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 67
Oben: Bildschirmansichtder CPC-SoftwareUnten: CPC-Kamera anindustrieller Nd:YAG-Optik
Aufgabenstellung
Die Anwendung des Lasers in der industriellen Produktion nimmt kontinu-ierlich zu. Dennoch ist die Verbreitungder Lasermaterialbearbeitung in kleinenund mittleren Betrieben aufgrund hoherInvestitionskosten sowie komplexerHandhabung des Werkzeugs Laserstrahlnoch relativ gering.
Wartung und Fehlerbehebung könnenin der Regel nicht vom eigenen Personaldurchgeführt werden. Eine Überprüfungder Strahleigenschaften, die das Bearbeitungsergebnis maßgeblichbestimmen, wird in den meisten Fällengar nicht oder nur in unzureichendemMaße durchgeführt. Zudem ist in der Lasermaterialbearbeitung als qualitäts-sichernde Maßnahme eine regelmäßigeStrahldiagnose bei jedem Wechsel derWerkstückgeometrie erforderlich, umeine eindeutige Zuordnung der Strahl-kennwerte zu gewährleisten.
Vorgehensweise
Am Fraunhofer-Institut für LasertechnikILT wurde ein Diagnosesystem zurautomatisierten Strahlüberwachungund Fehlerdiagnose entwickelt und in eine Laserbearbeitungsanlage integriert. Ein Strahldiagnosegerät, ein Kalorimeter sowie die Steuerungdes Lasersystems liefern Diagnose-daten an einen PC. Eine integrierteMess- und Datenhaltungssoftware verwaltet die Daten und stellt sieanwendergerecht dar. Ein zusätzlichesWebinterface erlaubt die Veröffent-lichung der gespeicherten Diagnose-daten im Internet, um Ferndiagnosenzu ermöglichen.
Ergebnisse und Anwendungen
Die ergonomische Anwendungssoft-ware des Diagnose-PCs erlaubt demBediener vor Ort selbstständig Strahl-diagnosen unter gleichbleibendenBedingungen durchzuführen.
Die so gewonnene Transparenz derStrahleigenschaften ermöglicht auchkleinen und mittleren Unternehmendie Integration der Lasermaterialbear-beitung in ein Qualitätsmanagement-system.
Ansprechpartner
Dipl.-Ing. L. Böske, Tel.: -427E-mail: [email protected]. S. Mann, Tel.: -321E-mail: [email protected]. S. Kaierle, Tel.: -212E-mail: [email protected]
Automatisierte Strahlüberwachung und Fehlerdiagnose für die Material-bearbeitung mit Laserstrahlung
68 Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001
Oben: Benutzeroberfläche der WebsiteMitte: Leistungsdichteverteilungbei optimal justiertem Auskoppel-spiegelUnten: Leistungsdichteverteilungbei dejustiertem Auskoppelspiegel
Aufgabenstellung
Ein Kriterium für die Qualität einerSchweißnaht ist die Einschweißtiefe,die von den ProzesseingangsgrößenLaserleistung und Vorschubgeschwin-digkeit bestimmt wird. Nicht in jedemAnwendungsfall, wie z. B. beimSchweißen von 3D-Bauteilen, kanneine konstante Vorschubgeschwindig-keit gewährleistet werden. Ziel derUntersuchungen ist daher eine Regelungfür die Einschweißtiefe aufzubauen,die bei einer zeitlich veränderlichenSchweißgeschwindigkeit einengewünschten Verlauf der Einschweiß-tiefe sicherstellt.
Vorgehensweise
Ein für diese Aufgabenstellung prä-destiniertes Verfahren ist die prädiktiveRegelung. Hierbei wird ein Modellgenutzt, um das Verhalten relevanterProzessgrößen in der Zukunft zubestimmen. Dieses dynamische Prozess-modell wird, als ein wesentlicherBestandteil eines modellbasierten prädiktiven Reglers, bei diesem Ansatzexperimentell ermittelt. Als Stellgrößewird hierbei die Laserleistung und alsRegelgröße die Einschweißtiefe ver-wendet. Da diese nicht direkt gemessenwerden kann, wird das den Tiefschweiß-effekt begleitende Plasmaleuchten
ausgewertet. Hierbei wird davon ausgegangen, dass die Intensität derPlasmastrahlung aus der Dampfkapillare(Keyhole) von der Länge der Dampf-kapillare abhängig und damit übereinen weiten Bereich zur Einschweiß-tiefe proportional ist. Die Prozessbe-obachtung und Online-Ermittlung derEinschweißtiefe wird mit einem Systemzur Prozessüberwachung durchgeführt,bei dem eine CCD-Kamera koaxial imStrahlengang angeordnet ist.
Ergebnisse und Anwendungen
Zur Identifikation eines dynamischenModells wurden Versuchsschweißungendurchgeführt. Das prädiktive Regelungs-konzept konnte erfolgreich erprobtwerden. Hierbei wurden mit einemNd:YAG-Laser im Leistungsbereich von1,2 kW bis 3 kW Geschwindigkeits-änderungen im Bereich zwischen 2,4 m/min und 4,0 m/min durch ent-sprechende Veränderung der Laser-leistung so ausgeregelt, dass eine weitgehend konstante Einschweißtiefegewährleistet werden kann.
Diese Arbeiten werden in Zusammen-arbeit mit dem Institut für Regelungs-technik IRT der RWTH Aachen durch-geführt.
Ansprechpartner
Dipl.-Ing. S. Mann, Tel.: -321E-mail: [email protected]. S. Kaierle, Tel.: -212E-mail: [email protected]
Modellgestützte prädiktive Regelung beimLaserstrahlschweißen
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 69
Aufgabenstellung
Beim industriellen Einsatz des Laser-strahlschweißens ist die Überwachungder Nahtqualität von zentralerBedeutung. Durch die Komplexität des Schweißprozesses lässt sich eineumfassende Bewertung des Bearbei-tungsergebnisses nur durch die gleich-zeitige Berücksichtigung verschiedener Sensorsignale erzielen. Ziel der Arbeitenist es ein Softwarepaket zu imple-mentieren, welches aufgrund einer mehrkanaligen Messwertaufnahmeund einer flexiblen Datenanalyse eineGut/Schlechtteil-Identifizierung derSchweißnaht ermöglicht.
Vorgehensweise
Das zu implementierende Prozessüber-wachungssystem lässt sich grob in die Teilbereiche Datenerfassung und -weiterverarbeitung, Benutzerschnitt-stelle und Datenhaltung unterteilen.Betrachtet man diese Teile getrennt, so zeigt sich, dass zwar die Datener-fassung und -weiterverarbeitung zwingend echtzeitfähig sein müssen,dies aber für die Datenvisualisierungund -haltung nicht zutrifft. Dies führtzu einer Aufteilung des Gesamtsystemsin Einzelkomponenten. So läuft dieDatenerfassung und -weiterverarbeitungauf einer DSP-basierten Hardware, realisiert als PC-Karte. Zusammen miteiner Host-Anwendung unter WindowsNT bildet dieser Teil die eigentliche Prozessüberwachung. Getrennt hierzu,ist die Benutzerschnittstelle als eigeneAnwendung realisiert. Ein MicrosoftSQL-Server wird zur Datenhaltung ver-wendet. Die Kommunikation zwischenden Einzelkomponenten erfolgt überTCP/IP.
Das Softwarekonzept basiert auf einerobjektorientierten Struktur, wodurcheine flexible Anpassung des Systemsan die jeweiligen Anforderungenerreicht wird. Mit Hilfe eines grafischenKonfigurations-Managers lassen sichdie einzelnen Objekte zur Datenauf-nahme bzw. -ausgabe, zur Filterung,zur Korrelation und zum Sollwert-vergleich zu einem Signallaufplanzusammenstellen. Diese Konfigurationwird zum DSP übertragen. Eine ent-sprechende Objektstruktur wird angelegt.
Während der Schweißung werden dieSensoren zyklisch abgefragt, die Werteentsprechend der Konfiguration aus-gewertet sowie alle Ausgangsdaten an die Datenbank und die Benutzer-schnittstelle geschickt. Über eine digitaleSchnittstelle lässt sich das System andie Anlagensteuerung anbinden.
Ergebnisse und Anwendungen
Das System ermöglicht eine Datenauf-nahme und -analyse im kHz-Bereich.Durch die Softwarestruktur lässt sichdie Auswertmethode sehr flexibel andie jeweilige Aufgabe anpassen. InZusammenarbeit mit der Firma Jurcawird das System zu einer kommerziellenLösung weiterentwickelt.
Ansprechpartner
Dipl.-Ing. J. Ortmann, Tel.: -320E-mail: [email protected]. S. Kaierle, Tel.: -212E-mail: [email protected]
Flexibles System zur Prozessüberwachung beimLaserstrahlschweißen
70 Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001
Aufgabenstellung
Laserstrahlschweißen von Grobblechenist eine anspruchsvolle Fertigungs-aufgabe. Hochdynamische Vorgänge in der Tiefe der Kapillaren können zuSchweißfehlern führen, deren Ursachensich einer direkten Beobachtung ent-ziehen. Zum Studium dieser Vorgängeund zur Schaffung der Grundlagen fürdie Erstellung von Schweißprotokollenist die Entwicklung neuartiger Erfas-sungseinrichtungen notwendig.
Vorgehensweise
Am Fraunhofer ILT wurde ein Kamera-system zur koaxialen Prozesskontrolleentwickelt. Bisher wurde dieses Systemzur Beobachtung von Prozessen beimLaserstrahlschweißen von Mittelblechenerfolgreich eingesetzt. Das Einsatzgebietsoll nun auf das Laserstrahlschweißenvon Grobblechen erweitert werden.Ziele der Versuche sind die Messungder Einschweißtiefe und die Erfassungder Kapillarform.
Hierzu werden unter vollständigerDokumentation Versuche unter variierenden Schweißparameterndurchgeführt. Die Ergebnisse werdenaufgezeichnet und unter Anwendungeigens entwickelter Algorithmen aus-gewertet. Weiterhin werden simultanHochgeschwindigkeitsvideografien von Ober- und Unterraupe im Prozessaufgenommen, um die Informations-ausbeute zu steigern.
Ergebnisse und Anwendungen
Bei der Messung der Einschweißtiefewurden, wie beim Schweißen von Mittelblechen, lineare Zusammen-hänge mit dem Signal festgestellt.Hierbei ist der Beitrag des Oberflächen-plasmas zum Gesamtsignal nochunklar.
Veränderungen der Form der Kapillar-mündung in Abhängigkeit von der Strahlverteilung und der Schweiß-geschwindigkeit können sichtbargemacht werden.
Die Versuche werden unter Einschrän-kung des beobachteten optischenSpektrums fortgesetzt.
Ansprechpartner
Dipl.-Ing. M. Dahmen, Tel.: -307E-mail: [email protected]. S. Kaierle, Tel.: -212E-mail: [email protected]
Koaxiale Prozess-beobachtung beim Grobblechschweißen
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 71
Aufgabenstellung
Unter dem Aspekt der zunehmendenKomplexität der Bauteile und der sinkenden Losgrößen gewinnt dieReduzierung der Nebenzeiten bei der Bearbeitung eine immer stärkereBedeutung, besonders bei 3D Bauteilen.
Ziel der Arbeiten ist die Entwicklungeiner Offline-Planung für die Laser-bearbeitung, die die Erstellung eines NC-Programms ohne Blockierung der Bearbeitungsanlage ermöglicht.Durch eine realistische Modellierungder Bearbeitungsaufgabe und der Simulation der Bearbeitungsanlage soll eine fertigungsnahe Planung erzieltwerden.
Vorgehensweise
Kern des entwickelten Planungssystemsist die Beschreibung der Laserstrahl-bearbeitungsaufgabe durch Bearbei-tungsobjekte, den sogenannten Features. Der herausragende Vorteildes Feature-Modells besteht in der Verknüpfung von geometrischenDaten (CAD) mit technologischenInformationen in Form von Prozess-parametern und Bearbeitungsstrategien.Dies ermöglicht eine flexible, fehler-tolerante und fertigungsnahe Planung.
Ergebnisse und Anwendungen
Das Planungssystem ist eine eigen-ständige, flexible, feature-basierteCAM-Softwareapplikation (siehe Abbildung). Sie verfügt über eine standardisierte Schnittstelle (IGES) zum Einlesen von CAD-Modellen. Die graphische 3D-Darstellung unter-stützt den Anwender bei der Planungkomplexer Laserstrahlschweißaufgaben.Für die Bearbeitung des Werkstückswird vom Planungssystem ein steue-rungsspezifisches NC-Programmerzeugt (DIN 66025).
Durch die Integration von technolo-gischen Informationen und der Modellierung der Bearbeitungsanlagesteht dem Anwender ein realitätsnahes,leistungsfähiges Werkzeug zur Verfügung. Speziell bei komplexen 3D-Aufgaben wird dadurch ein effektiver Arbeitsablauf ermöglicht.
Ansprechpartner
Dipl.-Ing. J. Kittel, Tel.: -136E-mail: [email protected]. S. Kaierle, Tel.: -212E-mail: [email protected]
Featurebasiertes Offline-Planungssystem für 3D-Laserstrahlschweißaufgaben
72 Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001
Aufgabenstellung
Der Einsatz von Laserverfahren in derFertigung erfordert die fortlaufendeSchulung und Weiterbildung des Personals. Dies betrifft nicht nur dieeigentliche Fertigung, sondern auchdie zuarbeitenden Bereiche. Daherwerden Unterrichtseinheiten auf verschiedenen Ebenen von Kenntnisund Abstraktion erforderlich.
Vorgehensweise
Durch Schulungen werden gründlicheKenntnisse der Materialbearbeitungund deren Verfahren vermittelt. MittelsTrainingseinheiten werden spezielleAspekte der Verfahren vertieft. DasSpektrum reicht von der Vermittlungtheoretischer Grundlagen für dieAnwendung in Forschungsinstitutenbis hin zu konkreten Aspekten für diedirekte Anwendung in der Fertigung.Alle Kurse beinhalten Seminare undLaborpraktika.
In Anwendungskursen werden projekt-und aufgabenspezifische Aspekte ausgewählter Fertigungsverfahren vermittelt. Die Kurse gehen nicht nurauf das Verfahrenswissen ein. Vielmehrwird auch der Vernetzung und demAustausch mit Fachleuten Rechnunggetragen.
Umfangreiche Kurse mit wechselndenSchwerpunkten werden zum ThemaSicherheit angeboten. Anwendungs-bezogene Aspekte fließen in denUnterricht über Verfahren und Anwen-dung der Materialbearbeitung mitLaserstrahlung ein. Teilaspekte derArbeitssicherheit werden im Rahmen
von Kursen verschiedener Anbieter zur Weiterbildung zum Sicherheits-beauftragten Laserstrahlung integriert.Darüber hinaus werden umfassendeKurse entwickelt, die über die Vermitt-lung rein technischer Sachverhalte hinausgehen. Inhalte diese Unterrichts-einheiten umfassen die gesamte Bandbreite von den rechtlichen undmedizinischen Grundlagen bis hin zur Vernetzung sicherheitstechnischerSchwerpunkte in Sicherheits- undgenerischen Managementsystemen.
Ergebnisse und Anwendungen
Die ersten Kurse über die Anwendungund die Verfahren zur Materialbear-beitung mit Laserstrahlung wurdenentwickelt und dem Fachpublikum vorgestellt. Durch den modularen Aufbau konnten die Unterrichtsein-heiten schnell zielgruppengerechtzusammengestellt werden. Der Einbezug von Aspekten der Vernetzungführt zu einem besseren Kenntnis-transfer und einer verbesserten Integration des Gelernten in die tägliche Arbeit.
Ansprechpartner
Dipl.-Ing. M. Dahmen, Tel.: -307E-mail: [email protected]. S. Kaierle, Tel.: -212E-mail: [email protected]
Weiterbildung und Training in der Laser- materialbearbeitung
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 73
Aufgabenstellung
Europa nimmt in der Laserforschungweltweit eine Spitzenposition ein. FürIndustrieunternehmen und insbeson-dere für Klein- und MittelständischeUnternehmen (KMU) ist es jedoch auf-wendig, die verteilt in Europa vorhan-denen Forschungsergebnisse zu nutzenund in neue Produkte oder innovativeLaserapplikationen umzusetzen. Zielvon VELI ist es, den Zugang zu demvorhandenen Know-how zu erleichternund so eine bessere Nutzung zuermöglichen.
Vorgehensweise
Mit dem Virtual European Laser Institutewird ein europäisches Netzwerk auf-gebaut, das einen lokalen Zugang zudem europaweit verteilten Wissenermöglicht. Wesentliche Aufgaben vonVELI sind:• Aufbau einer Datenbank, die das
in den Forschungseinrichtungen vorhandene Know-how beinhaltet
• Betrieb einer virtuellen Umgebung, in der Angebot und Nachfrage von Wissen aufeinander treffen
• Schaffung geeigneter Rahmenbe-dingungen für den Technologietransfersowohl zwischen Foschungseinrich-tungen und Unternehmen, als auch zwischen Forschungseinrichtungen untereinander
Ergebnisse und Anwendungen
Unter Federführung des Fraunhofer ILThaben 15 führende europäische Laser-forschungseinrichtungen Mitte 2001das Virtual European Laser Institutegegründet. Das Netzwerk ist offen fürweitere Partner. Ziel ist, alle relevanteneuropäischen Forschungseinrichtungenin VELI zu integrieren.
Weitere Informationen im Internetunter: www.veli.net
Die Arbeiten werden von der Europäischen Union gefördert.
Ansprechpartner
Dipl.-Phys. C. Hinke, Tel.: -352E-mail: [email protected]. S. Kaierle, Tel.: -212E-mail: [email protected]
VELI - Virtual EuropeanLaser Institute
74 Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001
Geschäftsfeld Lasermess- und Prüftechnik
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 75
Lasergestützte 3D-Geometrie-Messung für die Formänderungsanalyse
Lasergestützte Detektion von Oberflächendefekten in Flachbandprodukten 78
Integration eines Systems zur Online Erfassung und Verarbeitung der Oberflächentopologie von warmgewalzten Blechen in das Prozessleitsystem eines Walzwerkes 79
Lasergestützte 3D-Geometrie-Messung für die Formänderungsanalyse 80
Lasergestützte Elementanalyse vonAerosolen im Hochofengichtgas 81
Analyse kleinster Flüssigkeitströpfchen 82
Schnelle Vor-Ort Detektion von Additiven in technischen Kunststoffen 83
Lasergestützte Elementanalyse an verzunderten Produktions-kontrollproben 84
Flexibles Messgerät für die lasergestützte Materialerkennung und -analyse – FML 85
Messsystem für die direkte Analyse metallischer Festproben mit Laserstrahlung – LISS 86
Schnelle Detektion von leichten Elementen bei der Stahlreinheitsanalyse mit Laser-Emissionsspektrometrie 87
Emissionsspektroskopische Untersuchung von Matrixeffektenbei der Elementanalyse hochlegierter Edelstähle 88
Entwicklung von Auswerteverfahren für die Stahlreinheitsanalyse 89
Software-Paket für die spektrochemische Materialanalyse - SIRIUS-M 90
Anmerkung der InstitutsleitungWir weisen explizit darauf hin, dass die Offen-legung der nachfolgenden Industrieprojekte mit unseren Auftraggebern abgestimmt ist.Grundsätzlich unterliegen unsere Industrie-projekte der strengsten Geheimhaltungspflicht.Für die Bereitschaft unserer Industriepartner, die aufgeführten Berichte zu veröffentlichen,möchten wir an dieser Stelle herzlich danken.
Geschäftsfeld Lasermess- und Prüftechnik
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 77
Aufgabenstellung
Bänder und Bleche sind mit ihremhohen Anteil am Gesamtausstoß dermetallverarbeitenden Industrie vonbesonderer Bedeutung. Neben denwerkstofflichen Eigenschaften ist dieQualität der Oberfläche für die Weiter-verarbeiter und die Endanwender dieser Flachprodukte ein ausschlag-gebendes Merkmal. Um eine hoheOberflächenqualität zu gewährleisten,sind fertigungs- und materialbedingteOberflächenfehler möglichst früh im laufenden Produktionsprozess zu bestimmen. Hierzu werden Online-Prüfsysteme eingesetzt, welche CCD-Bilder der Oberfläche mit Bild-verarbeitungssoftware analysieren und bewerten. Die Beleuchtung derOberfläche geschieht hierbei in derRegel mit Blitzlampen. Bedingt durchdie inkohärente Emissionscharakteristikder Blitzlampen wird die Prüfung vonOberflächendefekten auf glühendenStahloberflächen durch deren Eigen-leuchten erheblich beeinträchtigt.
Vorgehensweise
Zur Detektion der Oberflächendefekteunter ungünstigen Umgebungsbedin-gungen wird ein am Fraunhofer ILTentwickelter, pulsbarer Hochleistungs-diodenlaser eingesetzt. Polarisations-und wellenlängenspezifische Bilder derbeleuchteten Oberfläche werden miteiner CCD-Kamera mit vorgeschaltetemFiltersatz aufgenommen. Die Detektier-barkeit verschiedener Defekttypenwur-de bei Probentemperaturen zwischen 20 °C und 850 °C an Probeneines Stahlverarbeiters untersucht.
Ergebnisse und Anwendungen
Durch die hohe spektrale Leistungs-dichte, den hohen Polarisationsgradund die gute zeitliche Modulierbarkeitsind Beleuchtungs- und Bildauswer-tungsverfahren hoher Selektivität undDynamik realisierbar. Mit dem Einsatzvon Diodenlasern konnten morpholo-gische Defekte, die bei konventionellerObjektbeleuchtung nur schwer odernicht erkennbar sind, mit hohem Kon-trast detektiert werden.
Ansprechpartner
Dipl.-Phys. M. Stepputat, Tel.: -124E-mail: [email protected]. R. Noll, Tel.: -138E-mail: [email protected]
Lasergestützte Detektionvon Oberflächendefektenin Flachbandprodukten
78 Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001
Lasergestützte Aufnahmeeines Oberflächendefekts
Aufgabenstellung
Für die Optimierung der Kühlparametervon beschleunigt abgekühlten Blechenwurde ein automatisches System entwickelt und implementiert, welchesdie Oberflächentopolgie von Walz-blechen nach dem Kühlprozess klassifi-ziert und daraus optmierungsrelevanteParameter ermitteln soll.
Für den Online-Betrieb soll diesesSystem in das zentrale Prozessleitsystemdes Walzwerks integriert werden.
Vorgehensweise
Um Rückschlüsse auf das Eigenspan-nungsverhalten der Bleche zu erhalten,wurde eine Software implementiert,die zunächst aus den gemessenenRohdaten die Blechoberfläche rekons-truiert. Im nächsten Schritt wird eineKlassifikation und Quantifizierung der Oberflächentopologie erzeugt. Auf dieser Basis können schließlichoptimierte Parameter für den Kühl-prozess bestimmt werden.
Um die Messdatenerfassung und dieDatenauswertungsmodule in die Rech-nerumgebung des Prozessleitsystemszu integrieren, wurde auf der Basis vonInternet-Technologie ein lokales Netz-werk für das Messsystem und die Aus-wertesysteme implementiert und inBetrieb genommen. Für den Austauschvon Daten und Nachrichten wird dasHTTP/SOAP Protokoll verwendet.
Um die komplexen Datenprotokolle,die bei der Messung und Auswertungder Oberflächentopologie erstellt undzwischen den beteiligten Systemenausgetauscht werden, flexibel undübersichtlich zu halten, wird das objekt-orientierte Datenformat XML verwendet.
Ergebnisse und Anwendungen
Das Messsystem ermittelt die Ebenheitbewegter Walzbleche mit einer Mess-unsicherheit von 1,5 mm bei Blechtem-peraturen bis zu 900 °C und wird seitviereinhalb Jahren erfolgreich in derProduktionslinie eingesetzt.
Die Mess- und die Auswertesystemewurden in einem lokalen Netzwerkmiteinander verbunden und in dieRechnerumgebung des Prozessleit-systems des Walzwerks integriert.Durch den Einsatz von Internet-Techno-logie können weitere Mess- und Auswertesysteme auf einfache Weisein das Netzwerk integriert werden.
Die Auswertungssoftware zur Klassi-fikation der Oberflächentopologieerreicht eine Klassifikationsgüte von biszu 96 % und wertet die Oberflächen-topologie der Walztafeln nach demKühlprozess Online aus. Dadurch wird eine Online Optimierung vonKühlparametern möglich.
Das Projekt wird mit finanzieller Unter-stützung der Europäischen Kommissionfür Kohle und Stahl durchgeführt.
Ansprechpartner
Dr. R. Wester, Tel.: -401E-mail: [email protected]. R. Noll, Tel.: -138E-mail: [email protected]
Integration eines Systems zur Online Erfassung und Verarbeitung der Oberflächen-topologie von warmgewalzten Blechen in dasProzessleitsystem eines Walzwerkes
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 79
IT-Architektur für dieEbenheitsmessung
Aufgabenstellung
Mit dem Ziel, auch bei reduziertenMaterialstärken hervorragende Festig-keitseigenschaften und ein gleichzeitigausreichendes Umformverhaltengewährleisten zu können, werdenimmer neue Aluminium-, Magnesium-und Stahlgüten entwickelt. Für dieCharakterisierung dieser Werkstoffesowie für die Qualitätssicherung beider Produktion und Verarbeitung sindleistungsfähige Prüfverfahren erforder-lich, die schnell und ohne aufwändigeProbenvorbereitung umfassende Infor-mationen über das Umformverhaltenliefern.
Im Rahmen eines nationalen FuE-Verbundvorhabens, das in Kooperationmit Geräteherstellern und einem HochschulInstitut durchgeführt wird,soll ein lasergestütztes Verfahrenbereitgestellt werden, um Online dreidimensionale Formänderungen von Blechen zu messen. Ziel ist derAufbau und die Validierung einesDemonstrators, der die Bestimmungvon Fließkurven bei konstanter Form-änderungsgeschwindigkeit ermöglicht.
Vorgehensweise
Das Verfahrenskonzept für die laser-gestützte 3D-Geometriemessungberuht auf der Kombination von Multi-Punkt bzw. Multi-Linien Laser-Triangulationssensoren mit einer elektro-optischen Sensorik zur Erfassung vonOberflächenstrukturen. Im Rahmen desProjektes wird zunächst eine Anforde-rungsanalyse durchgeführt, auf derenBasis dann ein Systemkonzept für denDemonstrator erstellt wird.
An Blechproben aus dem hydraulischenTiefungsversuch (Bulge-Test) wurdenVergleichsmessungen zwischen einemLaser-Triangulationssensor und einemLaser-Lichtschnittsensor hinsichtlich dererreichbaren Reproduzierbarkeit beider Messung von Geometriemerk-malen durchgeführt. Zudem wurde derEinfluss unterschiedlicher Materialienund Oberflächengüten auf Verfahrens-parameter bei der Geometriemessunguntersucht.
Ergebnisse und Anwendungen
Die für die Materialcharakterisierungwesentliche Information über die Kuppenhöhe der umgeformten Blech-proben kann mit dem Laser-Licht-schnittsensor mit einer um einen Faktor 10 besseren Reproduzierbarkeitgemessen werden als mit dem Laser-Triangulationssensor. Die Bestimmungder Lage der Blechkuppe kann umeinen Faktor 1,5 genauer erfolgen.
Das Projekt wird von mittelständischenUnternehmen sowie vom Bundesminis-terium für Bildung und Forschung unterFörderkennzahl 13N8111 gefördert.
Ansprechpartner
Dipl.-Phys. F. Hilbk-Kortenbruck, Tel.: -160E-mail: [email protected]. R. Noll, Tel.: -138E-mail: [email protected]
Lasergestützte 3D-Geometrie-Messung für dieFormänderungsanalyse
80 Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001
Aufgabenstellung
Am Hochofen werden die Energie-und Massenbilanzen durch Kreislauf-stoffe wie Natrium und Kalium beein-flusst. Während das Gichtgas mit Hilfeder Massenspektroskopie überwachtwird, war es bisher jedoch nicht mög-lich, die Kreislaufstoffe im Gichtstaubzu erfassen. Ziel dieses Projektes ist dieVerbesserung der Prozesskontrolle amHochofen durch Entwicklung einesVerfahrens mit dem die chemischeZusammensetzung des Gichtstaubesonline und in-situ bestimmt wird.
Vorgehensweise
Im Rahmen eines Europäischen FuE-Projektes wurde ein Messsystembasierend auf der Laser-Emmissions-spektrometrie entwickelt und auf einerPlattform am Gichtgas-Rohr implemen-tiert. Der Zugang zum Rohr erfolgtüber eine Sonde, die ein System vonLichtwellenleitern und Optiken enthält,das die Linienstrahlung des laserindu-zierten Plasmas zum Spektrometerführt. Die Sonde kann etwa 800 mmentlang des Rohrquerschnitts verschobenwerden und ermöglicht so räumlichaufgelöste Messungen. Der hohe Druckdes Gichtgases ist dabei kritisch, da erdie Strahlungsintensität aufgrund vonStoß- und Relaxationsprozessen derTeilchen erniedrigt. Eine signifikanteErhöhung des Signal-zu-Untergrund-Verhältnisses wird über eine zeitlicheModulation der Laserpulse erreicht.
Ergebnisse und Anwendungen
Die Sonde wurde auf die Bedingungenim Gichtgasraum ausgelegt: 24 % CO,mittlere Temperatur von 115 – 180 °C,Gasgeschwindigkeiten von bis zu 20 m/s,und ein mittlerer Druck von 3,3 - 4,4bar. Folgende Elemente werden simultandetektiert: Na, K, Zn, Pb, C, N, O, H,Ca und Fe. Das System wurde bereitserfolgreich an zwei verschiedenenHochöfen in Deutschland und Finnlandgetestet. Die Überwachung der Aero-sole lieferte Informationen über dieChargierungsprozesse und über Korre-lationen der Elementkonzentrationenzu Kenndaten des Hochofens wieWindmenge und Differenzdruck. Ferner konnten Änderungen im Staub-austrag beobachtet werden, wie sie z. B. nach Herunterfahren des Hoch-ofens oder durch Rutschen von Ofen-schichten hervorgerufen werden. DieMessperioden ermöglichen eine konti-nuierliche Beobachtung der Element-gehalte und konnten auf 10 Stundenpro Tag ausgedehnt werden, wobeialle 10 Sekunden ein Messwert als Mittel von 100 Laserpulsen gewonnenwird. Die relative Standardabweichungist elementspezifisch und liegt für dieKreislaufstoffe bei 2,3 % bis 7 %.
Das Projekt wird mit finanzieller Unter-stützung der Europäischen Kommissionfür Kohle und Stahl (EGKS) durchgeführt.
Ansprechpartner
AnsprechpartnerDipl.-Phys. A. Brysch, Tel.: -124E-mail: [email protected]. V. Sturm, Tel.: -154E-mail: [email protected]. R. Noll, Tel.: -138E-mail: [email protected]
Lasergestützte Element-analyse von Aerosolen imHochofengichtgas
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 81
Oben: Gichtgasrohr mitimplementierter Mess-kabine an einem Hochofenin FinnlandUnten: Messsonde nachAufenthalt im Gichtgas-rohr
Aufgabenstellung
Das wichtigste Ziel moderner Analytikbesteht darin, aus immer kleineren Pro-benmengen immer mehr Informationenzu gewinnen. Ein hoher Bedarf bestehtnach analytischen Verfahren, die einenhochspezifischen Trennvorgang miteiner hochempfindlichen und aussage-kräftigen Detektion verbinden. Der Laserbietet sich als Analyseinstrument für dieelementspezifische Untersuchung kleins-ter Probenmengen an.
Vorgehensweise
In einem nationalen Verbundprojekt soll durch die Kopplung von Micro-HPLC (High-Pressure Liquid Chromato-graphy) als Trennstufe mit Laser-Emissionsspektrometrie als Detektions-verfahren eine neuartige Analysetechnikentwickelt werden. Die molekülspezi-fische Trennung und nachfolgendeelementspezifische Analyse kleinster,komplex zusammengesetzter Probenwird so ermöglicht. Um einen optima-len Energieeintrag in die Probe zugewährleisten, wird das Eluat derMikro-HPLC Säule durch eine piezo-elektrisch gepulste Düse in eine konti-nuierliche Folge kleiner Tröpfchenüberführt. Diese Tröpfchen werdensynchronisiert von einem Laserpulsgetroffen, verdampft und in ein leuch-tendes Plasma überführt. Die Plasma-strahlung wird spektral analysiert undgibt Auskunft über die elementareZusammensetzung der Probe.
Ergebnisse und Anwendungen
In der ersten Projektphase konnte aneinem Laboraufbau das Funktionsprinzipder Detektionseinheit erprobt werden.Die Plasmastrahlung wurde dabei inein Echelle-Spektrometer eingekoppelt.Mit Testlösungen wurden Kalibrations-reihen erstellt.
Die gewonnenen experimentellenErfahrungen fließen in den Bau einesDemonstrators ein, der zusammen mitmehreren Projektpartnern erstellt wird.Mit diesem Gerät sollen Einsatzmög-lichkeiten, Nachweisgrenzen und Aussagekraft der neuen analytischenMethode ermittelt werden.
Das Projekt wird durch das BMBF unterder Kontrollnummer 13N8039, durchmittelständische Unternehmen unddurch die Fraunhofer-Gesellschaftgefördert.
Ansprechpartner
Dr. R. Noll, Tel.: -138E-mail: [email protected]. C. Janzen, Tel.: -196E-mail: [email protected]
Analyse kleinster Flüssigkeitströpfchen
82 Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001
Stroboskopaufnahme kleinerTröpfchen, Tröpfchenvolumen:ca. 65 pl
Aufgabenstellung
Beim Recycling von Elektroschrott wer-den die Eigenschaften und damit auchder Wert des Recyclats durch die Rein-heit des Ausgangsmaterials bestimmt.Problematisch sind beim Recycling vorallem schwermetall- oder halogenhal-tige Additive, welche in den Endpro-dukten oder während des Recyclingpro-zesses zu einer Gefährdung der Umweltführen. Proben mit diesen Inhaltsstoffenmüssen daher vor dem Recycling ausdem Ausgangsmaterial entfernt werden.Für ein wirtschaftliches Recycling werden daher Sortiersysteme benötigt,welche die Identifikation des Polymersund der kritischen Additive mit einerRate von mehreren Teilen pro Sekundeautomatisch bewerkstelligen können.
Vorgehensweise
Im Rahmen eines Europäischen Verbund-projektes wurde ein Multi-SensorSystem entwickelt, mit dem der Typdes Polymers und der enthaltenen bromierten Flammhemmer über zweiInfrarot-Sensoren im nahen und mitt-leren Infrarot bestimmt werden. DieHalogen- und Schwermetallkonzentra-tionen werden von einem am FraunhoferILT entwickelten Analysator auf derBasis der Laser-Emissionsspektrometriebestimmt. Eine besondere Herausfor-derung bei der On-line Analyse mit derLaser-Emissionsspektrometrie ist diegroße Variation der Elektroschrott-Teilein Form und Größe. Daher wurde fürden Laser-Analysator ein Autofokus-System mit einem Arbeitsbereich von50 mm entwickelt, welches die durchdie Probentopologie bedingte Variationdes Messabstands mit 50 Fokussierun-gen pro Sekunde kompensiert. DieSchwermetalldetektion umfasst dieElemente Pb, Cr, Cd und Hg, welche in
Pigmenten und Stabilisatoren vorkom-men. Die Identifikation der bromiertenFlammhemmer durch Infrarot-Spek-troskopie wird über die Detektion von Br oder von Sb als Komponente desverbreiteten Synergisten Sb2O3 validiert.Die bestimmte Elementkonzentrationwird in vier Kategorien klassifiziert: < 100 µg/g, 100 - 1000 µg/g, 1000 - 2000 µg/g, > 2000 µg/g.
Ergebnisse und Anwendungen
Das entwickelte Multi-Sensor-Systemwurde in eine Pilot-Sortieranlage fürElektroschrott Teile integriert. Bei denTests der Sortieranlage charakterisierteder Laser-Analysator die Halogen- und Schwermetallkonzentrationen in den auf einem Sortierband mit einerGeschwindigkeit von 0,5 m/s transpor-tierten Monitorgehäusen mit hoherZuverlässigkeit. Zukünftige Applikationendes Laser-Analysators zur Online-Ver-wechslungsprüfung, z. B. im Bereichdes Aluminium-Recyclings, sind geplant.
Sb Cd Pb Cr Hg*Anzahl korrekter Klassifikationen 152 135 152 152 160Gesamtanzahl Klassifikationen 160 160 160 160 160Anteil korrekter Klassifikationen [%] 95 84 95 95 100
* in den getesteten Monitorgehäusenwurde mit der ICP-OES Referenzanalysekeine Quecksilber-Konzentration > 1 µg/gdetektiert.
Die Arbeiten wurden von der Europäi-schen Union unter der Vertragsnum-mer BRPR-CT98-0783 gefördert.
Ansprechpartner
Dipl.-Phys. M. Stepputat, Tel.: -124E-mail: [email protected]. R. Tel.: -138 E-mail: [email protected]
Schnelle Vor-Ort Detektionvon Additiven in technischen Kunststoffen
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 83
Oben: Pilot-Sortieranlagefür technische KunststoffeUnten: Schema desAutofokus-Systems für die Laser-Emissions-spektrometrie
Aufgabenstellung
Die Elementanalyse von Produktions-kontrollproben ist eine wichtigeAnwendung für die Vor-Ort-Analytikim Stahlwerk. Diese Stahl- oder Roh-eisenproben können eine Zunder-schicht von bis zu 1 mm Dicke aufwei-sen. Die Zunderschicht muss entferntwerden, um eine zuverlässige Analysedes Bulkmaterials zu erhalten. Die zurZeit eingesetzten Verfahren wie Funken-Emissionsspektrometrie, Verbrennungs-analyse und Röntgenfluoreszenzanalyseerfordern dazu einen hohen Aufwandfür die Probenpräparation, zum Beispieldurch mechanisches Fräsen und Schleifender Proben. Die automatisierte Proben-vorbereitung im Schnellanalyse-Laborist ein störanfälliger Arbeitsschritt undein erheblicher Kostenfaktor. Eine Teilaufgabe ist die Entwicklung eines Analyseverfahrens, das eine verein-fachte Probenpräparation und Analyseermöglicht.
Vorgehensweise
In Kombination mit der Laser-Emissions-spektrometrie zur Analyse erfolgt dieProbenpräparation ebenfalls mit demLaser. Die Zunderschicht wird lokaldurch die Laserstrahlung abgetragenund nachfolgend mit dem Laser analy-siert. Der Laser arbeitet berührungsfreiund im Vergleich zum automatisiertenFräsen und Schleifen weitgehend ver-schleiß- und wartungsfrei.
Ergebnisse und Anwendungen
Der lokale Abtrag der Zunderschichtkonnte durch eine gezielte Steuerungder Laserpulse erhöht werden. Der Vergleich der Analysewerte zwischenpräparierter und unpräparierter Probenseite zeigt für eine Reihe vonElementen bereits eine sehr gute Korrelation.
Die Arbeiten werden von der Europä-ischen Gemeinschaft für Kohle undStahl (EGKS) finanziell unterstützt.
Ansprechpartner
Dr. V. Sturm, Tel.: -154E-mail: [email protected]. J. Vrenegor, Tel.: -308E-mail: [email protected]. R. Noll, Tel.: -138E-mail: [email protected]
Lasergestützte Element-analyse an verzundertenProduktionskontrollproben
84 Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001
Oben: Kohlenstoffbestim-mung an niedriglegiertenProduktionsproben auf derpräparierten (geschliffenen)Probenseite im Vergleich zurZunderseite. Der Korrelationskoeffizient rzur linearen Fitkurve beträgtr = 0.9993Unten: Beispiel einer Pro-duktionskontrollprobe ausRoheisen. Links: Probe, die für die konventionelleAnalyse präpariert wurde.Rechts: Probe ohne Präpara-tion mit Zunderschicht.
Aufgabenstellung
In vielen Bereichen ist eine schnelle, Vor-Ort verfügbare Information überdie Zusammensetz-ung einer Substanzoder eines Werkstücks erforderlich.Beispiele sind die Sortierung von Bauteilen, die Eingangskontrolle von Zulieferprodukten oder die Screening-Analyse von kontaminierten Materialienund Flächen.
Alternativ zu konventionellen Analyse-methoden, die in der Regel nur fürspezielle Materialklassen einsetzbarsind, bietet sich für solche Anwendun-gen die Laser-Emissionsspektrometriean. Dieses Messverfahren erlaubt diesimultane Multielementanalyse unter-schiedlicher Materialien, wobei meistkeine Probenvorbereitung erforderlichist.
Vorgehensweise
In Kooperation mit einem Geräteher-steller wurde das portable Demonstra-tionsgerät FML entwickelt (Bild oben). FML zeichnet sich durch einen hand-geführten Messkopf aus, in dem diekompakte Laserstrahlquelle integriertist, so dass das Gerät flexibel zur Analyse von Messobjekten unter-schiedlicher Geometrie eingesetzt werden kann.
Die Messstrahlung wird über einenLichtleiter zum Spektrometer geführt.Bei FML wird ein Paschen-Runge Spek-trometer verwendet, das simultan denWellenlängenbereich von 278 - 560 nmerfasst.
Ergebnisse und Anwendungen
Durch den Einsatz eines Spektrometersmit Multi-CCD-Detektion kann FMLohne wesentliche Änderungen an derHardware für verschiedenste Anwen-dungen verwendet werden, da keineFestlegung auf einige wenige Spektral-linien notwendig ist.
Gegenwärtig wird FML für den Einsatzin verschiedenen Anwendungenerprobt. Das Diagramm (Bild unten)zeigt exemplarisch eine mit FML ermittelte Kalibrierkurve für die Analyse von Silizium in Aluminium.
Ansprechpartner
Dipl.-Phys. F. Hilbk-Kortenbruck, Tel.: -160E-mail: [email protected]. R. Noll, Tel.: -138E-mail: [email protected]
Flexibles Messgerät für die lasergestützte Materialerkennungund -analyse – FML
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 85
Oben: Messpistole desportablen AnalysegerätesFML mit integriertemLaserUnten: Kalibrierkurve für die Analyse von Silizium in Aluminium-Legierungen
Aufgabenstellung
In der Metallerzeugung und -verarbei-tung ist die rasche Verfügbarkeit vonInformationen über die chemischeZusammensetzung von Werkstoffensowohl für die Werkstoff- und Ver-fahrensentwicklung als auch für die Prozessführung und die Qualitäts-sicherung von erheblicher Bedeutung.Lasergestützte Messverfahren wie dieLaser-Emissionsspektrometrie stellen in diesem Zusammenhang eine interes-sante Alternative zu konventionellenMethoden dar. Vorteile sind insbe-sondere die kurzen Analysezeiten,geringe Anforderungen an die Proben-vorbereitung und die Möglichkeit zurOnline-Messung.
Vorgehensweise
Für die Untersuchung metallischer Proben wurde das Analysegerät LISSentwickelt, dessen Messprinzip auf derLaser-Emissionsspektrometrie beruht. Bei diesem Messverfahren wird miteinem gepulsten Laserstrahl eine geringe Menge des zu untersuchendenMaterials abgetragen und verdampft.Die von dem erzeugten Plasma emit-tierte Messstrahlung wird spektral undzeitaufgelöst analysiert und daraus dieElementzusammensetzung des Werk-stücks bestimmt.
Ergebnisse und Anwendungen
Für eine Analyse werden die Probenoder Werkstücke direkt auf den Mess-stand von LISS aufgelegt. Für spezielleAnwendungen, z. B. Online-Messungenoder die Untersuchung großer Bau-teile, kann die Laserstrahlung aus derAnlage ausgekoppelt werden, um aneinem externen Messort Analysendurchzuführen. Die Messstrahlungwird in diesem Fall über einen Licht-leiter zum Spektrometer geführt.
Da LISS als Multi-Matrix-Gerät konzipiertwurde, kann es für die spektrochemischeAnalyse sowohl von Eisen- als auchvon Nichteisen-Metallen eingesetztwerden. Typische Messzeiten liegen imBereich von 10 – 30 Sekunden.
Ansprechpartner
Dipl.-Ing. O. Klein, Tel.: - 133E-mail: [email protected]. F. Hilbk-Kortenbruck, Tel.: -160E-mail: [email protected]. R. Noll, Tel.: -138E-mail: [email protected]
Messsystem für die direkte Analyse metallischer Festproben mit Laserstrahlung – LISS
86 Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001
Ansicht des AnalysesystemsLISS für Metallproben: Messungmit Lichtleiterkopplung aneinem externen Analyseaufbau
Aufgabenstellung
Einschlüsse und Seigerungen in Stahl,die ein wichtiges Qualitätskriteriumdarstellen, müssen in modernen Produktionsprozessen schnell undkostengünstig detektiert werden.
Typische Einschlüsse in Stahl bestehenaus Al2O3 , SiO2 , CaO, TiN, CaS oderMnS. Die Dimensionen dieser Ein-schlüsse liegen im Bereich von 0,1 µmbis 100 µm. Steigerungen führen zu örtlichen Gradienten einzelner Elementkonzentrationen im Sub-Milli-meter- bis in den Zentimeterbereich.
Der Detektion von sogenannten leich-ten Elementen, wie C, N, O, P und S,die mit Verfahren wie der Röntgen-fluoreszenzanalyse teilweise nichtnachgewiesen werden können, kommteine besondere Bedeutung zu, da siedie Einschlusseigenschaften maßgeb-lich beeinflussen. So haben z. B. Ti,TiO2, TiN und TiC verschiedene Aus-wirkungen auf das Metallgefügeund auf das Umformverhalten beiHalbzeugen.
Zeitlich und finanziell aufwändige Probenvorbereitungsschritte, wie etwaPolieren, das für die Untersuchung mittels REM-EDX notwendig ist, sindzu vermeiden.
Vorgehensweise
Die Oberfläche der zu prüfenden Stahl-probe wird mit dem Strahl eines amFraunhofer ILT entwickelten diodenge-pumpten Festkörperlasers abgerastert.An jedem Punkt der Oberfläche wirdeine geringe Materialmenge im Fokusdes Laserstrahls verdampft und einPlasma erzeugt. Die vom Plasma emit-tierte Strahlung wird spektral zerlegt.
Die Intensitäten von 41 Spektrallinienim Bereich 130 - 777 nm werdensimultan detektiert und von einemSteuerrechner ausgewertet. Um auchden Spektralbereich unterhalb von 190 nm zu erfassen, wird die Messungin einer Messkammer unter einerArgon-Atmosphäre durchgeführt.
Ergebnisse und Anwendungen
Im Auftrag eines Unternehmens derStahlindustrie wurde ein Funktionsmusterzur Stahlreinheitsanalyse entwickelt.Dieses ermöglicht eine Multielement-analyse mit einer Ortsauflösung von 20 µm bei einer Messfrequenz von biszu 1 kHz. Die Analyse einer 1 x 1 cm2
großen Fläche mit 20 µm Auflösungdauert nur 11 Minuten. Dies entspricht250 000 Einzelmessungen. Zur Vor-bereitung werden die Proben lediglichgeschliffen.
Ortsverteilungen von Elementkonzen-trationen, die die Lage und Zusammen-setzung von Einschlüssen angeben,können erstellt werden. Dies gelingtauch bei schwer zu detektierenden Elementen wie C, N, O, P und S. DurchVergleich der verschiedenen Element-verteilungen können Einschlusszusam-mensetzungen bestimmt werden, wiein der Abbildung zu sehen ist.
Ansprechpartner
Dipl.-Phys. H. Bette, Tel.: -154E-mail: [email protected]. R. Noll, Tel.: -138E-mail: [email protected]
Schnelle Detektion von leichten Elementen bei der Stahlreinheitsanalyse mit Laser-Emissionsspektrometrie
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 87
Ortsaufgelöste Darstellungeiner mit 20 µm Auflösungvermessenen Probe von 1 x 1 cm2, d. h. 500 x 500Messpunkte Oben: dargestellt sinddie Orte an denenerhöhte Aluminiumkon-zentrationen gemessenwurdenUnten: Orte an denenerhöhte Sauerstoffkon-zentrationen gemessenwurden. Die Signale sindkorreliert, wie es beiAluminiumoxidein-schlüssen zu erwarten ist
Aufgabenstellung
Hochlegierte Edelstähle zeichnen sichdurch eine starke Variation der Legie-rungsbestandteile, vor allem von Eisen,Chrom und Nickel, aus. Dieser Umstanderschwert die quantitative Elementana-lyse durch emissionsspektrometrischeVerfahren. Dies gilt sowohl für dieEmissionsspektrometrie mit Funkenan-regung als auch für die Emissionsspek-trometrie mit laserinduziertem Plasma.Physikalische Effekte, die dafür verant-wortlich sind, werden als Matrixeffektebezeichnet. Diese resultieren bei derAnalyse mitunter in unbrauchbarenKalibrierfunktionen und unzureichen-der Analysengenauigkeit. Zu untersu-chen sind die Einflussparameter, sowieder Einsatz verbesserter Auswertever-fahren.
Vorgehensweise
Die laserinduzierten Plasmen werdensowohl mit einem Echelle-Spektrometer,das ein quasikontinuierliches Spektrumaufnimmt, als auch mit einem Paschen-Runge-Spektrometer, das vorausge-wählte Elementlinien zeitaufgelöstdetektieren kann, analysiert. Die spek-trale und zeitliche Charakteristik derStrahlungsemission laserinduzierterPlasmen wird für hochlegierte Edel-stähle in Abhängigkeit experimentellerParameter untersucht. Plasmaparameterwie Elektronendichte und -temperaturwerden ermittelt. Multivariate Auswerte-verfahren wie Principal ComponentRegression (PCR) und Partial LeastSquare Regression (PLS) sowie Interele-mentkorrekturen werden angewandt.
Ergebnisse und Anwendungen
Die quantitative Analyse wurde durchOptimierung der experimentellen Para-meter verbessert. Damit konnte dieLeistungsfähigkeit der lasergestütztenElementanalyse für hochlegierte Edel-stähle unter Beweis gestellt werden.Durch Interelementkorrekturen kanndie analytische Leistung weiter gestei-gert werden. Multivariate Auswerte-verfahren PCR und PLS haben nur ineinigen Fällen Verbesserungen gezeigt.Am Beispiel Chrom ließ sich die Reststreuung von 0,90 % auf 0,29 %reduzieren.
Ansprechpartner
Dipl.-Phys. J. Vrenegor, Tel.: -308E-mail: [email protected]. V. Sturm, Tel.: -154E-mail: [email protected]. R. Noll, Tel.: -138E-mail: [email protected]
EmissionsspektroskopischeUntersuchung von Matrix-effekten bei der Elementanalysehochlegierter Edelstähle
88 Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001
Laserinduziertes Plasmaauf einer Metallprobe.Die emittierte Plasma-strahlung wird für dieElementanalyse spektro-metrisch ausgewertet
Aufgabenstellung
Um die Reinheit von Stahlproben zubestimmen, sind die Einschlüsse in derStahlmatrix zu identifizieren und zuquantifizieren. Bisherige Methodensind zeit- und kostenintensiv oder bieten nur eine geringe Reproduzier-barkeit der Ergebnisse. Daher wird inneuerer Zeit vermehrt eine räumlichaufgelöste Multielementanalyse aufBasis der Emissionsspektrometrie mitLaser- oder Funkenanregung einge-setzt. Aus den dabei entstehendenDaten werden von den verschiedenenStahlherstellern Kennzahlen für dieReinheit der Stahlproben ermittelt.Allerdings sind diese Angaben zurStahlreinheit selbst auf europäischerEbene nicht vergleichbar. Ziel ist es, mitPartnern der europäischen Stahlindustrieein einheitliches Auswerteverfahren zudefinieren, das für die verschieden-artigen Prüfsysteme vergleichbare Kenn-zahlen für die Stahlreinheit ermittelt.
Vorgehensweise
Im Rahmen einer Kooperation mit Partnern aus der Europäischen Stahlin-dustrie werden in einer gemeinsamenUntersuchung mit einheitlichen ProbenMultielementanalysen mit Funken- und Laser-Emissionsspektrometrie vorOrt bei den beteiligten Partnern durch-geführt. Die erzeugten Messdatenwerden in einem einheitlichen Daten-format zentral zum Fraunhofer ILTübermittelt und mit den entwickeltenAlgorithmen ausgewertet. Die verschiedenen Auswerteverfahren zurErmittlung von Kennzahlen für dieStahlreinheit werden evaluiert undbezüglich der Geräteunabhängigkeitund Richtigkeit verbessert.
Die Ergebnisse der verschiedenenAlgorithmen werden allen Partnern aufeinem am Fraunhofer ILT installiertenWeb-Server zugänglich gemacht. Dies ermöglicht eine schnelle Vergleich-barkeit und Bewertung der ermitteltenKennzahlen für die Stahlreinheit durchalle Partner und trägt damit zu einemgezielten Entwicklungsprozess derAuswerteverfahren bei.
Ergebnisse und Anwendungen
In einem ersten Schritt wurde ein einheitliches Datenformat für die verschiedenartigen beteiligten Spektro-skopiesysteme entwickelt und ein einheitlicher Satz relevanter Prozess-parameter definiert. Gegenstand aktu-eller Aktivitäten ist die Entwicklungvon Algorithmen zur Bestimmung derStahlreinheit sowie der Aufbau derzentralen Plattform zur Bewertung der entwickelten Auswertungsmodule.
Das Projekt wird mit finanzieller Unter-stützung der Europäischen Kommissionfür Kohle und Stahl durchgeführt.
Ansprechpartner
Dipl.-Phys. H. Bette, Tel.: -154E-mail: [email protected]. M. Stepputat, Tel.: -124E-mail: [email protected]. R. Noll, Tel.: -138E-mail: [email protected]
Entwicklung von Aus-werteverfahren für dieStahlreinheitsanalyse
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 89
Stahloberfläche nacheiner Reinheitsanalysemit Laseranregung. DerAbstand der Messpunktebeträgt 50 µm, derjeweilige Messpunkt-durchmesser 16 µm
Aufgabenstellung
Die spektrochemische Materialanalysemit der Laser-Emissionsspektrometriestellt in einer Reihe von Anwendungs-fällen eine interessante Alternative zukonventionellen Analysemethoden dar.
Sie eröffnet aufgrund ihrer spezifischenVorteile - schnelle, berührungsloseSimultananalytik unterschiedlicherMaterialklassen bei minimalen Anfor-derungen an die Präparation des Messobjektes - neue Möglichkeiten im Rahmen der Online-Analyse für die Prozesssteuerung und die Qualitäts-sicherung.
Vorgehensweise
Ein effizienter Einsatz eines solchenMessverfahrens ist nur dann möglich,wenn eine maßgeschneiderte Steuer-und Bediensoftware verfügbar ist. Siemuss einfach und vollständig in dieAutomatisierungsumgebung des Kunden integrierbar sein. Durch einean die Kundenwünsche angepassteBedienung muss der Anwender in dieLage versetzt werden, das Messsystemeinfach und sicher zu bedienen undMessergebnisse zweifelsfrei und richtigzu interpretieren.
Ergebnisse und Anwendungen
SIRIUS-M ist ein modulares und offenesSoftware-Paket, das für lasergestützteAnalyseverfahren konzipiert und ent-wickelt wurde.
Die Softwaremodule wurden so kon-zipiert, dass in Zukunft erforderlicheAnpassungen mit dem geringst mög-lichen Anteil an Neuentwicklungdurchgeführt werden können. SIRIUS-Mverbindet dadurch die Robustheit undhohe Verfügbarkeit eines im Felderprobten Softwaresystems mit derBedienfreundlichkeit einer kunden-spezifischen Lösung.
SIRIUS-M bietet ferner offene Auto-matisierungsschnittstellen über die dasMesssystem sowohl innerhalb derAutomatisierungsebene als auch mit der MES-Betriebsleitebene (MES:Manufacturing Execution System)integrierbar ist. Kommerziell erhältlicheund kundeneigene MES Lösungenkönnen gleichermaßen unterstütztwerden.
SIRIUS-M unterstützt darüber hinausauch die elektronische Verarbeitungvon Messsignalen mit der Mehrkanal-Integratorelektronik MCI-P, die amFraunhofer-Institut für Lasertechnik ILTfür die simultane Multielementanalyseentwickelt worden ist.
Durch den modularen Aufbau desSoftware-Paketes SIRIUS-M könnenkundenspezifische Lösungen ent-wickelt und zu einem attraktiven Preis-Leistungs-Verhältnis umgesetztwerden.
Ansprechpartner
Dipl.-Phys. F. Hilbk-Kortenbruck, Tel.: -160E-mail: [email protected]. R. Noll, Tel.: -138E-mail: [email protected]
Software-Paket für diespektrochemische Materialanalyse - SIRIUS-M
90 Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001
National
101 12 445.7Verfahren zum Schneiden von zu fügenden Bauteilen mitLaserstrahlung
101 13 494.0Verfahren und Vorrichtung zumAbtragen von Schichten von einerOberfläche
101 20 725.5Koaxiale Pulverdüse zur Oberflächenbearbeitung mit einem Diffusor
101 22 010.3Polarisierende Wellenlängen-Diversion und Multiplexing
101 17 048.3Verfahren und Vorrichtung zurDetektion von Oberflächendefektenauf Messobjekten
101 28 023.8Verfahren zum selektiven Laser-Schmelzen oder Laser-Sinternunter Einsatz von Stützelementen
101 34 033.8Verfahren und Vorrichtung zumErzeugen von Extrem-Ultraviolett-strahlung und weicher Röntgen-strahlung
101 39 677.5Maßnahmen zur Regelung der Leistungseinkopplung in eine Gas-entladungsquelle für EUV-Strahlung
101 45 184.9Verfahren zum Laserbohren, ins-besondere unter Verwendung einerLochmaske
101 04 732.0Verfahren und Vorrichtung zum selektiven Laser Schmelzenvon metallischen Werkstoffen
International
01103614.2 Vorrichtung zur Erzeugung einesPlasmas in motorischen Abgasen
01105188Verfahren zur Verkürzung derAnspringzeit eines Katalysators
PCT/EP01/00722Verbindungstechnik für Kunststoff-Karosseriebauteile
PCT/EP01/02101Detektion von Glasbruch
PCT/EP01/07376Mikroreaktoranordnung zur fest-phasengestützten Synthese sowieMikroreaktorsystem mit einzelnenMikroreaktoranordnungen
PCT/DE01/04484Verfahren und Vorrichtung zur Reinigung von Oberflächen mit Barrierenentladungen
2001-512092Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung funktionsangepassterBauteile
09/762434Strahlführung zum selektiven Laserschmelzen von Metallpulver
Deutschland
197 35 102 C 2Optisch gepumpter Verstärker, insbesondere Festkörper-Verstärker
198 16 377 C 2Verfahren zur Anregung von Entladungen zwischen wenigstenszwei Hauptelektroden sowie Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens
198 04 577 C 2Verfahren und Anlage zur Beseitigung von Formabweichungenan metallischen Bauteilen
199 33 274 C 2Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus einerWerkstoffkombination
199 54 161 C 2Verfahren zum Perforieren vonbogen- oder bahnförmigem Material
100 21 230 C 2Vorrichtung zur Strahlführung und -formung von Lichtstrahlen
Europa
EP 0946325 B 1Verfahren zur Herstellung einesFormkörpers
EP 1128927Verfahren und Vorrichtung zumBearbeiten von Werkstücken mitHochenergiestrahlung
EP 1144146Vorrichtung für das selektive LaserSchmelzen zur Herstellung einesFormkörpers
EP 11 33377Vorrichtung und Verfahren zumAbtasten einer Objektfläche miteinem Laserstrahl
EP 10 87830Vorrichtung und Verfahren zurBehandlung von strömendenGasen, insbesondere von Abgasen
EP 01 1130231Vorrichtung zum Reinigen vonAbgas
USA
6,251,328Verfahren zum Umformen mit Laserstrahlung
6,215,093 B 1Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers
6,269,631Verfahren zum schadstoffarmenBetreiben eines Verbrennungsmotors
6,324,190Geometrieumformung von Arraystrahlung
Patentanmeldungen Patenterteilungen
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 91
Yeh, L.-Y. 29.01.2001Einfluss von Bearbeitungsparameternauf die Oberflächen- und Werkstoff-eigenschaften von laserbearbeitetenMikrobauteilen
Zimmermann, C. 05.02.2001Entwicklung eines integriertenManagementsystems für technolo-gieorientierte Forschungsinstitute
Rieck, C. 05.02.2001Bewertung spektroskopischerDiagnoseverfahren zur Temperatur-und Konzentrationsbestimmung
Gottmann, J. 22.02.2001Dynamik der Schichtabscheidungvon Keramiken mit KrF Excimer-Laserstrahlung
Hänsch, D. 03.04.2001Die optischen Eigenschaften vonPolymeren und ihre Bedeutung fürdas Durchstrahlschweißen mitDiodenlaser
Trompeter, F.-J. 03.04.2001Barrierenentladungen zum Abbauvon Schadstoffen in motorischenVerbrennungsabgasen
Bonati, G. 25.06.2001Integration von Diodenlasern inmodulare Hochleistungs- Nd:YAG-Laser
Mönch, I. 27.06.2001Produktspezifische Konzeption vonAnlagen für die prozessnahe laser-gestützte Werkstoffanalyse
Jacquorie, M. 27.07.2001Mikrostrukturierung von Glas mittels Excimerlaserstrahlung fürdie Mikroreaktionstechnologie
Stollenwerk, J. 27.08.2001Abtragen von gefüllten Elastomerenmit IR- Hochleistungslaserstrahlung
Birkel, J. 03.09.2001Reinigen von Tiefdruckzylindern mit Excimerlaserstrahlung
Biesenbach, J. 10.09.2001Konfiguration von Hochleistungs-Diodenlasern
Falter, S. 05.11.2001Parallele Modulatorarrays zur Erzeugung intensitätsmodulierterBildzeilen
Kraushaar, M. 06.11.2001Laser-Emissionsspektrometrie fürdie quantitative Analyse vonSchlacke bei der Stahlerzeugung
Schulz, J. 03.12.2001Diffusionsgekühlte, koaxiale CO2-Laser mit hoher Strahlqualität
Kubaink, J. 12.12.2001Analyse der Aufteilung von Laserstrahlen in Lithiumniobat
Boßeler, VolkerDiodengepumpter, hochrepetierenderFemtosekunden-Verstärker
Faramarzi, AhmadrezaStrukturierung von Polylactiden mit Laserstrahlung
Koenen-Schmähling, MartinUntersuchung einzeladressierbarerHLDL-Barren im Hinblick auf litho-graphische Anwendungen
Koglin, AndreasEntwicklung und Aufbau eines flexiblen Laserstrahllötsystems mitintegrierter Prozessüberwachung
Macke, NilsKonstruktion eines Positioniersystemsfür die Mikrostrukturierung in einerProzessgaskammer mittels Excimer-laserstrahlung
Nicklaus, KoljaOszillator-Verstärker Anordnungenzur Erzeugung von ns-Laserpulsenmit mittleren Ausgangsleistungenim kW-Bereich
Oßwald, Kai Erzeugung von Bohrungen mithohen Konzititäten mittels Kurzpuls-lasern unter Verwendung speziellerOptiken
Schlicker, Thorsten Laserstrahlschweißen von Aluminium-und Magnesiumlegierungen imMaterialmix
Vrenegor, JensEmissionspektroskopische Unter-suchung von Matrixeffekten in laser-induzierten Plasmen von Metallen
Walter, Konstantin Konstruktion, Fertigung und Mon-tage des Handprogrammiersystems"Teasy"
Walter, StefanUntersuchungen zur Messung charakteristischer LaserparameterDiodengepumpter Nd:YAG Laserund Entwicklung eines Messsystems
Willach, JensExcimer-Mikrostrukturierung vonmetallischen Dünnschichten für dieSensortechnik
Wenzel, ChristianUntersuchungen zum Laserschweißenvon Aluminium Werkstoffen mitDiodenlaserstrahlung
Dissertationen Diplomarbeiten
92 Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001
K. Bergmann, O. Rosier, R. Lebert,W. Neff, R. PopraweA multi-kilohertz pinch plasmaradiation source for extremeultraviolet lithographyMicroelectronic Engineering 57(Seiten 71-77) (2001)
L. Bosse, A. Gillner, R. PopraweAdapted Time-Power-Profile for Laser Beam Soldering withSolder PasteProceedings of SPIE 4406(Seiten 76-81) (2001)
M. J. Wild, A. Gillner, R. PopraweAdvances in Silicon to Glass Bonding with LaserProceedings of SPIE 4407 (2001)
J. Michel, W. Schulz, M. Niessen, P. Abels, S. KaierleAdvances in dynamical modeling,on-line monitoring and controlin high quality cuttingProceedings of Laser 2001(Seiten 112-122) (2001)
F. Hilbk-Kortenbruck, R. Noll, P. Wintjens, H. Falk, C.BeckerAnalysis of heavy metals in soilsusing laser-induced breakdownspectrometry combined withlaser-induced fluorescenceSpectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy 56(Seiten 933-945) (2001)
L. Böske, S. Mann, S. Kaierle, E. W. Kreutz, R. PopraweAutomated Beam Monitoringand Diagnosis for CO2 lasersProceedings of ICALEO 2001(Seiten 72-81) (2001)
D. PetringBasic Description of Laser CuttingLIA Handbook of Laser MaterialsProcessing, 1st Edition (Seiten 425-433) (2001)
G. Kapper, M. Dahmen, S. Kaierle,J. Michel, W. Schulz, K. Spielvogel,D. Petring, R. PopraweCoaxial Process Monitoring in Heavy Section Laser BeamWeldingProceedings of Laser 2001(Seiten146-154) (2001)
R. Laitinen, D. Porter, M. Dahmen,S. Kaierle, R. PopraweComparative Study on theWeldability of Different Ship-building SteelsProceedings of the 7th InternationalSymposium of Japan Welding(Seiten 785-790) (2001)
E. Bremus-Köbberling, A. Gillner, M. Wehner, U. Russek, J.Köbber-ling, D. Enders, S. BrandtnerDevelopment of a Microreactorfor Solid Phase SynthesisProceedings of the 5th International Conference on Microreaction Technology(Seiten 455-464) (2001)
Z. Lui, N. Pirch, A. Gasser, K. G. Watkins, P. G. HatherleyEffect of beam width on meltcharacteristics in large-area lasersurface alloyingJournal of laser applications 13/6(Seiten 231-238) (2001)
D. Petring, S. Kaierle, M. Dahmen,M. Kasimir, F. Cottone, C. MaierErweitertes Anwendungsspek-trum des Laserstrahlschweißensdurch Laser-MIG-HybridtechnikLaserOpto 33(1) (Seiten 50-56)
D. Petring, C. Benter, R. PopraweFundamentals and Applicationsof Diode Laser WeldingProceedings of ICALEO 2001 (2001)
D. PetringGli ipotetici sviluppi nel tagliolaser di materiali metalliciDeformazione 74(Seiten 106-110)(2001)
L. Bosse, A. Schildecker, A. Gillner,R. PopraweHigh Quality Laserbeam SolderingProceedings of Micro System Technologies 1(Seiten 387-392) (2001)
F. Schneider, D. PetringHigh speed and thick section CO2 laser cuttingThe Industrial Laser User (AILU) 25(Seiten 20-24) (2001)
D. PetringHigh speed cutting of metalsProceedings of AILU TechnologyWorkshop »Laser Cutting andCompeting Technologies«(Seiten 20-24) (2001)D. Petring
Hybrid laser weldingIndustrial Laser Solutions 12(Seiten 12-16) (2001)
M. Dahmen, K. Bongard, S. Kaierle,R. Poprawe, F. CottoneHybridschweißen von Öltanks -Ein innovativer FügeprozessTECHNICA 1(Seiten 46-50) (2001)
C. Schnitzler, G. Schmidt, K. Du, P. Loosen, R. PopraweImproving the brightness of a diode end pumped slab laserby a new pumping schemeProceedings of »Advanced Solid-State Lasers« 50(Seiten 5-10) (2001)
K. BouckeIn Search of the Ultimate DiodeLaserPhotonics Spectra 35(Seiten 122-126) (2001)
K. Nicklaus, D. Hoffmann, P. Loosen,R. PopraweIndustry-Laser Based Short PulseDiode Pumped Solid State PowerAmplifier With kW AveragePowerProceedings of »Advanced Solid-State Lasers« 50(Seiten 388-391) (2001)
S. Kaierle, K. Bongard, M. Dahmen,R. PopraweInnovative Hybrid Welding Process in an Industial ApplicationThe Industrial Laser User 23/6(2001)
S. Kaierle, S. Mann, J. Ortmann, E. W. Kreutz, R. PopraweIntelligent beam monitoring and diagnosis for CO2 lasersProceedings of SPIE 4270(2001)
S. Kaierle, M. Dahmen, K. Bongard,R. PopraweLaser-MIG-Hybridschweißen von Öltankswt Werkstatttechnik 91(Seiten 3-4) (2001)
F. Hilbk-Kortenbruck, R. Bleich, M. Stepputat, R. NollLaser-induced breakdown spectrometry (LIBS)Lab Plus International 15(1)(Seiten 12-14) (2001)
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 93
WissenschaftlicheVeröffentlichungen
R. Noll, H. Bette, A. Brysch, M. Kraushaar, I. Mönch, L. Peter, V. SturmLaser-induced breakdown spectrometry - applications forproduction control and qualityassurance in the steel industrySpectrochimica Acta Part B 56(Seiten 637-649) (2001)
M. J. Wild, A. Gillner, R. PopraweLocally selective bonding of silicon and glass with laserSensors and Actuators A 93(Seiten 63-69) (2001)
W. Schulz, J. Michel, M. Niessen, V. Kostrykin, P. Abels, S.KaierleModeling, Dynamical Simulationand On-line Monitoring in LaserBeam WeldingProceedings of Laser 1(Seiten 236-247) (2001)
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A. Bollig, S. Mann, M. Enning, S. KaierleModellgestützte PrädiktiveRegelung beim Laserstahl-schweißenatp -AutomatisierungstechnischePraxis 7 (2001)
D. Hoffmann, G. Bonati, P. F. Kayser,P. Loosen, R. Poprawe, R. Dinger, C. R. Haas, H. MartinenModular, Fiber Coupled, DiodePumped Solid State Laser withup to 5 kW Average OutputPowerProceedings of "Advanced Solid-State Lasers" 50(Seiten 33-35) (2001)
S. Kaierle, P. Abels, Chr. Kratzsch, J. Michel, W. Schulz, R. PopraweNew Advances in Process Controlfor Automotive Laser ApplicationsProceedings of the 31st course ofGlobal Automotive Laser Applications(Seiten 521-526) (2001)
Chr. Kratzsch, P. Abels, S. Kaierle, R. Poprawe, W. SchulzNew Advances in Process Controlfor Laser Materials ProcessingProceedings of 7th InternationalSymposium of Japan WeldingSociety 1(Seiten 521-526) (2001)
J. Ortmann, A. Kahmen, S. Kaierle,E. W. Kreutz, R. PopraweOpen architecture control for laser materials processingProceedings of Photonics Boston 1(2001)
R. Neuendorf, A. Brysch, G. Bour, U. KreibigOptical properties of II-VI semiconductor nanoparticlesProceedings of SPIE 4456(Seiten 39-47) (2001)
O. FrankenPackstoffdesinfektion durchAtmosphärendruckplasmenMessekatalog Drinktec Interbrau,Foren-Dokumentation 'Hygiene'(Seiten 79-83) (2001)
Y. Perera, J. Gottmann, A. Husmann, T. Klotzbücher, E. W. Kreutz, R. PoprawePLD of hard ceramic coatingsProceedings of SPIE 4274(Seiten 1-12) (2001)
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Y. Perera, G. Schlaghecken, J. Gottmann, T. Klotzbücher, E. W. Kreutz, R. PoprawePulsed laser deposition (PLD) ofdiamond-like carbon (DLC) thinfilm on Polymethylmethacrylate(PMMA) and tool steelsLatinamerican Journal of Metallurgyand Materials 21(Seiten 30-34) (2001)
M. Dahmen, S. Kaierle, G. Kapper,J. Michel, W. Schulz, K. Spielvogel,R. PopraweQuality Assurance in Laser-beamWlding of Heavy Section SteelSheetProceedings of the 7th InternationalSymposium of Japan Welding 1(Seiten 603-608) (2001)
H. Bette, R. Noll, H.-W. Jansen, H. Mittelstädt, G. Müller, C. NazikkolSchnelle, ortsaufgelöste Material-analyse mittels Laser-Emissions-spektrometrie (LIBS)LaserOpto 33(Seiten 60-64) (2001)
R. Poprawe, D. Petring, C. BenterSchweißen mit DiodenlasernTagungsband zum 7. InternationalenAachener Schweißtechnik Kolloquium(Seiten 117-132) (2001)
S. Kaierle, P. Abels, G. Kapper, C. Kratzsch, J. Michel, W. Schulz, R. PopraweState of the Art and New Advances in Process Control for Laser Materials ProcessingProceedings of ICALEO 2001(2001)
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94 Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001
Wissenschaftliche Veröffentlichungen
16.01.2001 - S. KaierlePotentials for Process Monitoringin Laser Beam Welding Servo Robot, Montreal
19.01.2001 - T. Berden Debris-reduced laser machiningof polymeric waveguides foroptoelectronic applications Photonics West, San Jose, USA
19.01.2001 - A. Gillner Laser processing of componentsfor polymer microfluidic andoptoelectronic products Photonics West, San Jose, USA
22.01.2001 - K. Boucke Numerical Simulations of NovelHigh-Power, High-BrightnessDiode Laser Structures Photonics West, San Jose, USA
23.01.2001 - E. W. Kreutz Biologische Grundlagen undzulässige Grenzwerte für dieKlassifizierung von Laserein-richtungen Berufsgenossenschaft derFeinmechanik und Elektrotechnik,Bad Münstereifel
24.01.2001 - S. KaierleIntelligent beam monitoring anddiagnosis for CO2 lasers Photonics West, San Jose, USA
27.01.2001 - K. Nicklaus Industry-laser based short pulsediode pumped solid state poweramplifierASSL Conference, Seattle, USA
27.01.2001 - C. Schnitzler Improving the brightness of adiode end pumped slab laser bya new pumping scheme ASSL Conference, Seattle, USA
27.01.2001 - H. Hoffmann Modular, Fiber Coupled, Diode Pumped Solid State Laser with up to 5 kW Average OutputPowerASSL Conference, Seattle, USA
07.02.2001 - R. NollNeue Entwicklungen undAnwendungen der chemischenDirektanalyse mit Laser-Emissions-spektrometrieKolloquium, TU München
14.02.2001 - D. Petring High speed cutting of metalsAILU Technology Workshop »Laser Cutting and CompetingTechnologies«Pera Technology Centre,Leicestershire, UK
14.02.2001 - D. PetringThick section cuttingAILU Technology Workshop »Laser Cutting and CompetingTechnologies«Pera Technology Centre,Leicestershire, UK
16.02.2001 - R. NollLasermesstechnik - Anwen-dungen und Perspektiven für Prozesskontrolle undQualitätssicherung in derStahlindustrieThyssenKrupp Stahl, Duisburg
21.02.2001 - S. KaierleQualitätskontrolle beimLaserstrahlschweißenDVS-Sitzung, AusschussMikrofügen, Aachen
27.02.2001 - E. W. Kreutz Einrichten von Laserbereichen Süddeutsche Metallberufsgenossen-schaft, Lengfurt
28.02.2001 - W. Neff Strahlungsquellen im extremenUltraviolett 10. Bundesdeutsche Fachtagungfür Plasmatechnologie, Greifswald
05.03.2001 - H. BetteStahlreinheitsanalyse mitHochgeschwindigkeits-Laser-Emissionsspektrometrie8. AnwendertreffenRöntgenfluoreszenz, Steinfurt
13.03.2001 - M. RöhnerHochleistungsdiodenlaser -Mikrooptik als Schlüssel zurAnwendung Deutsch-FranzösischesForschungsinstitut, Saint-Louis
28.03.2001 - L. Bosse High Quality Laser BeamSoldering Mikrosystem, Düsseldorf
19.04.2001 - R. PopraweMarket Fokus by IntegratedProjects First Photonics Capital Veranstaltung,Weilrod
22.04.2001 - U. Russek Fügen von Kunststoffen mit HLDLHannover-Messe 2001, Hannover
24.04.2001 - R. PopraweIntegrated Competence byNetworks of ExcellenceEuropakreissitzung FhG, Brüssel
03.05.2001 - R. PopraweWelding by Diode Lasers 7. Internationales AachenerSchweißtechnik Kolloquium,Aachen
10.05.2001 - J. Giesekus High power diode end pumpedslab MOPA systemCLEO®/QELS 2001 Baltimore,Maryland, USA
10.05.2001 - R. Poprawe From Presentation toDemonstration Open House Fraunhofer CLT,Plymouth, USA
15.05.2001 - S. KaierleTrennen und Fügen mitLaserstrahlungFachkonferenz »Laser- undWasserstrahltechnik«, Stuttgart
17.05.2001 - A. GillnerLaser processes for manu-facturing micro devices inchemistry and biotechnology LPM 2001, Japan
27.05.2001 - E. Bremus Development of a Microreactorfor Solid Phase Synthesis IMRET 5 Conference, Straßburg
28.05.2001 - L. Bosse Adapted Time-Power-Profile for Laser Beam Soldering withSolder Paste SPIE Microelectronics and MEMS,Edinburgh, UK
28.05.2001 - M. WildAdvances in Silicon to GlassBondingSPIE Microelecronics and MEMS,Edinburgh, UK
05.06.2001 - J. Hausen Determination of Post-WeldingResidual Stresses in T-Joints (zus. M. Dr. W. Kielczynski, TUGdansk)Schiffbautechnische GesellschaftGdansk, Polen
16.06.2001 - S. KaierleKoaxiale Prozessüberwachungbeim Laserstrahlschweißen und -schneidenDaimlerChrysler Forschungs-zentrum, Stuttgart
17.06.2001 - M. WehnerPrototyping of PolymericMicroreactors by VUV LaserRadiation HARMST 2001, Baden-Baden
17.06.2001 - W. Schulz Modeling, Dynamical Simulationand On-line Monitoring in LaserBeam Welding LASER 2001, München
19.06.2001 - S. KaierleLaser MIG Hybrid WeldingTRANSLAS Seminar»Hybridschweißen«, München
19.06.2001 - R. Poprawe Trends and Limits in LaserMicroprocessingWLT-Conference, LASER 2001München
21.06.2001 - R. PopraweNew Markets with InnovativeLasertechnology 5. International Laser Marketplace,LASER 2001, München
27.06.2001 - W. SchulzApproximate Modeling of Dynamical Systems forMonitoring and Control WESIC 2001, 3rd Workshop onEuropean Scientific and IndustrialCollaboration, Enschede, Netherlands
03.07.2001 - K. WissenbachLaseranwendungen immodernen Werkzeug- undFormenbau: Rapid Tooling,Werkzeug-Reinigung,Werkzeug-ReparaturKunststoff-Cluster Tagung, Wels,Österreich
Vorträge
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 95
17.07.2001 - R. Poprawe Perspectives and Activities in German Photonics R & D CLEO Pacific RIM, Tokyo
19.07.2002 - R. PopraweHigh Power Diode and Diode-Pumped Solid State Lasers for New Applications RIKEN 2001, Saitama
04.08.2001 - S. Kaierle New Advances in Process Controlfor Automotive Laser ApplicationsGALAC Global Automotive LaserApplications Conference, Sizilien
21.08.2001 - R. Poprawe Modeling, Monitoring andControl in High Quality LaserCutting 51st CIRP-Conference, Nancy,Frankreich
28.08.2001 - C. OverSelective Laser Melting: A newApproach for the DirectManufacturing of Metal Partsand Tools LANE 2001, Erlangen
29.08.2001 - R. PopraweDiode Pumped Solid State Lasersand New Applications LANE 2001, Erlangen
22.09.2001 - V. Kostrykin »Open Problems« Localizationand Chaos Abdus Salam Centre, Trieste, Italien
23.09.2001 - O. Franken Packstoffdesinfektion durchAtmosphärendruckplasmen Drinktec-Interbrau, München
29.09.2001 - A. Weisheit Powder Injection: The key toreconditioning and generatingcomponents using laser claddingMaterials Week 2001, München
12.10.2001 - R. PopraweLasers in the ManufacturingIndustry - Vertical Structures andnetworkingNational Laser Center of SouthAfrica NLC, Pretoria
13.10.2001 - L. Boeske Automated Beam Monitoringand Diagnosis for CO2-LasersICALEO 2001, Jacksonville, USA
13.10.2001 - D. PetringFundamentals and Applicationsof Diode Laser Welding ICALEO 2001, Jacksonville, USA
16.10.2001 - S. Kaierle State of the Art and NewAdvances in Process Control forLaser Materials ProcessingICALEO 2001, Jacksonville, USA
31.10.2001 - J. StollenwerkLaserstrahl-Entschichten von Hochspannungsmasten Tagung »Korrosionsschutz undUmwelt« von Cercl Air, Bern,Schweiz
17.11.2001 - P. Abels Lasertechnik und ihreMöglichkeiten Seminar für Schweißfachleute,HWK Aachen
18.11.2001 - M. DahmenQuality assurance in laser-beamwelding of heavy sections7th International WeldingSymposium of the Japan WeldingSociety, Kobe, Japan
18.11.2001 - M. DahmenComparative study on theweldability of differentshipbuilding steels7th International WeldingSymposium of the Japan WeldingSociety, Kobe, Japan
20.11.2001 - S. KaierleNew Advances in Process Controlfor Laser Materials Processing7th International WeldingSymposium of the Japan WeldingSociety, Kobe, Japan
23.11.2001 - D. PetringLaser cutting todayExpoLaser 2001, Vicenza, Italien
23.11.2001 - D. PetringNew possibilities offered byLaser-MIG hybrid weldingExpoLaser 2001, Vicenza, Italien
28.11.2001 - E. W. KreutzPraktische Schutzmaßnahmenbei der Laseranwendung TA Esslingen
11.12.2001 - R. Noll Hochgeschwindigkeits-Laser-Emissionsspektrometrie für dieStahlreinheitsanalyse VDEh, Sitzung des Unteraus-schusses für physikalische Chemieim Stahlzentrum, Düsseldorf
17.12.2001 - W. Schulz Spektrale Methoden zurDimensionsreduktion IfSW Kolloquium, Stuttgart
17.12.2001 - S. KaierleFortschritte und Potenziale derProzessüberwachung fürLaseranwendungenIfSW Kolloquium, Stuttgart
Vorträge
96 Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001
23.04. - 28.04.2001HannoverHANNOVER MESSE 2001 Internationale Industriemesse Teilnahme des Fraunhofer ILT am Gemeinschaftsstand »NRW Mikrotechnik«, ILT-Thema: Laser-bearbeitung in der MikrotechnikTeilnahme des Fraunhofer ILT am Gemeinschaftsstand »LaserTechnology«, ILT-Themen: Hochauflösende Innengravur von Glas mit Laser,Kunststofffügen mit Laser
18.06. - 22.06.2001MünchenLASER 2001Internationale Fachmesse und inter-nationaler Kongress für innovativeund angewandte Optoelektronik Teilnahme des Fraunhofer ILT amFraunhofer-Gemeinschaftsstand,ILT-Themen: Festkörperlaser, Mikrotechnik und Systemtechnik
25.10.-01.11.2001DüsseldorfK - Internationale Messe Kunststoff + Kautschuk Teilnahme der Abt. Mikrotechnikdes Fraunhofer ILT in Zusammenar-beit mit der Fa. SMH Automation,ILT-Thema: Fügen von Kunststoffenmit Diodenlaser
06.11. - 09.11.2001MünchenProductronica Internationale Fachmesse der Elektronik-Fertigung Teilnahme der Abt. Mikrotechnikdes Fraunhofer ILT in Zusammen-arbeit mit der Fa. SMH Automation,ILT-Thema: Laserstrahlschweißenvon UhrenkomponentenTeilnahme der Abt. Oberflächen-technik des Fraunhofer ILT, ILT-Thema: Laserstrahlreinigen und Polieren von elektronischenKomponenten
28.11. - 01.12.2001Frankfurt/MainEuromold Messe für Werkzeug- und Formenbau Teilnahme der Abt. Oberflächen-technik des Fraunhofer ILT amGemeinschaftsstand der Fraun-hofer-Allianz »Rapid Prototyping«,ILT-Thema: Selective Laser MeltingBetreuung des Messestandes derErprobungs- und Beratungszentren
20.02.2001, AachenUnihit für KidsInformationsveranstaltung des Lehrstuhls für Lasertechnik LLT und des Fraunhofer ILT für Schülerder Viktoriaschule Aachen zu natur-wissenschaftlichen Berufsbildern
30.03.2001, Aachen3. Seminar des Ehemaligenclubs»Aix-Laser-People« des Fraunhofer ILT und des Lehr-stuhls für Lasertechnik LLT im ILT Aachen mit Vortrag von Dr. Thomas Ebert, ProLas Produk-tionslaser GmbH, Würselen, zumThema »Erfahrungen eines Unter-nehmensgründers« und Besuch der Fa. ProLas
07.05.2001, AachenUnihit für KidsInformationsveranstaltung des Lehrstuhls für Lasertechnik LLT und des Fraunhofer ILT für Schülerdes Luisen Gymnasiums Aachen zu naturwissenschaftlichen Berufsbildern
31.05.2001, AachenLaserinformationsveranstaltung im Fraunhofer ILT
07.06.2001, AachenUnihit für KidsInformationsveranstaltung des Lehrstuhls für Lasertechnik LLT unddes Fraunhofer ILT für Schüler derGemeindeschule Raeren Driesch zunaturwissenschaftlichen Berufsbildern
20.06.2001, München4. Seminar des Ehemaligenclubs»Aix-Laser-People«des Fraunhofer ILT und des Lehr-stuhls für Lasertechnik LLT anlässlichder LASER 2001 in München mitPodiumsdiskussion zum Thema»Arbeiten und Leben in den USA«Diskussionsteilnehmer: • Dr. Joachim Berkmanns, AGA
GAS Inc., Ypsilanti, USA• Dr. Christoph Hamann, Siemens,
Newport News, USA• Dr. Stefan Heinemann, Fraunhofer
Center Laser Technology, Plymouth, USA
• Dr. Jürgen Jandeleit, Opto Power Corporation, Tucson, USA
• Dr. Silke Pflüger, Spectra Diode Laboratories Inc., San Jose, USA
• Dr. Holger Schlüter, Trumpf Inc., Farmington, USA
• Dr. Hartmut Zefferer, Trumpf Inc. Laser Technology Center, Plymouth, USA
Moderation: Dipl.-Phys. Axel Bauer,ILT Aachen
21.06.2001, Aachen Unihit für KidsInformationsveranstaltung des Lehrstuhls für Lasertechnik LLT unddes Fraunhofer ILT für Schüler desGymnasiums Haus Overbach Jülichzu naturwissenschaftlichen Berufs-bildern
26.06.2001, AachenUnihit für KidsInformationsveranstaltung des Lehr-stuhls für Lasertechnik LLT und desFraunhofer ILT für Schüler zu natur-wissenschaftlichen Berufsbildern
30.06.2001, Aachen Unihit für KidsInformationsveranstaltung des Lehrstuhls für Lasertechnik LLT unddes Fraunhofer ILT für Schüler derGesamtschule Düsseldorf zu natur-wissenschaftlichen Berufsbildern
24.06.2001, Aachen Informationsbesuch des Kommissars der EuropäischenKommission Philippe Busquin amFraunhofer ILT
12.10.2001, Aachen5. Seminar des Ehemaligenclubs»Aix-Laser-People« des Fraunhofer ILT und des Lehr-stuhls für Lasertechnik LLT im ILTAachen mit Vorstellung der neugegründeten Firma »EdgeWaveGmbH« durch den GeschäftsführerDr. Keming Du, Vortrag von Dr. Eckhard Hoffmann,MTU Motoren- und Turbinen-UnionMünchen GmbH, zum Thema:»Technologiekoordination und -entwicklung in einem Großunternehmen am Beispiel der MTU München« und Besuchdes Ford Forschungszentrums inAachen
Messebeteiligungen Kongresse und Tagungen
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 97
15.-18.10.2001, Jacksonville, Florida, USAICALEO ‘2001Vorträge des Fraunhofer ILT und des Fraunhofer CLT sowieExponate auf konferenzbegleitenderAusstellung
31.10.2001, GelsenkirchenHerbsttreffen der Fraunhofer-Regional-initiative NRW in Gelsenkirchen mit den nordrhein-westfälischen Ministerien MSWF,MWMEV und MASQT zum Thema: »Fraunhofer vor Ort:Innovationen aus und für NRW«
10.11.2001, AachenTIK - Technik im Klartext Treffen für Schülerzeitungsredakteure
13.11.2001, AachenUnihit für KidsInformationsveranstaltung des Lehrstuhls für Lasertechnik LLT unddes Fraunhofer ILT für Schüler desAnne Frank Gymnasiums Aachenzu naturwissenschaftlichen Berufs-bildern
17.11.2001, AachenSeminar zum Thema »Grundlagen der Laser-technik im Handwerk« in der Hand-werkskammer Aachen
22.11.2001, AachenUnihit für KidsInformationsveranstaltung des Lehrstuhls für Lasertechnik LLT unddes Fraunhofer ILT für Schüler desStaatlichen Kant Gymnasiums zunaturwissenschaftlichen Berufsbildern
23.11.2001, AachenSeminar zum Thema »Grundlagen der Lasertechnik, Strahlquellen,Lasermaschinen in der Praxis« imFraunhofer ILT
11.12.2001, Aachen Unihit für KidsInformationsveranstaltung des Lehrstuhls für Lasertechnik LLT und des Fraunhofer ILT für Schülerder Liebfrauen Schule Köln zunaturwissenschaftlichen Berufsbildern
20.12.2001, Aachen6. Seminar des Ehemaligenclubs»Aix-Laser-People«des Fraunhofer ILT und des Lehr-stuhls für Lasertechnik LLT im ILTAachen mit Vortrag von Dr. Willi Neffzum Thema »Neue Entwicklungenim Bereich EUV-Technologien« undVortrag von Dr. Martin H. Sommer,SCHOTT Spezialglas GmbH, Mainz,zum Thema »Inhouseconsultants imInnovationsprozess«
Kongresse und Tagungen
98 Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001
Publikationen
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 99
Publikationen
»Angebot und Ansprechpartner 2002/3« (deutsch/englisch)Diese Broschüre vermittelt einen Über-blick über das aktuelle Dienstleistungs-angebot sowie die Ansprechpartnerdes Institutes. Die einzelnen Abteilungendes Fraunhofer ILT werden mit ihrenSchwerpunkten vorgestellt.
Jahresbericht 2001 (deutsch/englisch)Der Jahresbericht stellt umfassend dieFuE-Aktivitäten des Fraunhofer ILT fürdas jeweilige Geschäftsjahr dar. Listenwissenschaftlicher Publikationen undVorträge sind ebenso enthalten wie die Aufstellungen von Patenten, Disser-tationen, Tagungen und Messebeteili-gungen. Die englische Version kann nurim Internet unter www.ilt.fraunhofer.deabgerufen werden.
Pressespiegel 2001Im Pressespiegel werden die Instituts-aktivitäten aus Sicht der Print-Mediendargestellt.
Tagungsband des Aachener Kollo-quiums für Lasertechnik AKL’2000Der Tagungsband beinhaltet die Vor-tragsfolien mit ausführlichen Erläute-rungen aller Referenten des AKL 2000.Praxisorientierte Beiträge geben einenÜberblick über den aktuellen Stand derTechnik sowie die neuesten Trends imBereich der Lasersystementwicklungund der Laseranwendungen. DerTagungsband kann gegen Gebühr beider Verlagsgesellschaft Grütter GmbH& Co. KG, Verlagsbüro Augsburg,Ulrichplatz 11, 86150 Augsburg (Fax:0821/ 3 198 80 -80) bestellt werden.
Programm des Aachener Kolloquiumsfür Lasertechnik AKL’0218.-20.September 2002. Das Programmzum AKL’02 kann unter 0241/ 8906 -109bzw. Fax -121 oder per Internet unterwww.ilt.fraunhofer.de angefordertwerden.
Fachprospekt »Reinigen mit Laser-strahlung« (deutsch/englisch)Der Fachprospekt erläutert die Anwen-dungsmöglichkeiten des Laserstrahl-reinigens.
Fachprospekt »LASIM® - Lasersimu-lator für die Ausbildung«(deutsch/englisch)Der Fachprospekt vermittelt einenÜberblick über die Vorteile des Ein-satzes von Multimedia-Software in derAusbildung von Laserfachkräften undStudenten. Er stellt insbesondere denEinsatzbereich, die Programminhalteund die Systemanforderungen derSoftware LASIM® vor. Diese wurde amFraunhofer ILT für die Ausbildung zumLaserstrahlschweißen und -schneidenentwickelt. LASIM® ist auf einer CD-Rom mit entsprechender Programm-anleitung über das Fraunhofer ILT zubeziehen.
Fachprospekt »Oberflächen- undSchichtanalyse« (deutsch)Der Fachprospekt vermittelt einenÜberblick über die am Fraunhofer ILTund am Lehrstuhl für Lasertechnik LLTder RWTH Aachen vorhandenen Mess-methoden zur Oberflächenanalyse.Hierzu zählen verschiedene Spektro-skopieverfahren, die Ellipsometrie undmetallographische Messmethoden.
Fachprospekt »Laser in der Aufbau- und Verbindungstechnik«(deutsch/englisch)Der Fachprospekt gibt einen Überblicküber den Einsatz der Lasertechnik inder Aufbau- und Verbindungstechnik.So werden beispielsweise Mikrofüge-verfahren, wie das Laserstrahlbondenund das Laserstrahllöten, erläutert.
Angebot und Ansprechpartner
Services and contacts
2002/3
3 0 . - 3 1 . M a i 2 0 0 0
Q u e l l e n h o f A a c h e n
Ta g u n g s b a n d
Publikationen
100 Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001
Fachprospekt »Laser in der Mikrostrukturierungstechnik«(deutsch/englisch) Der Fachprospekt erläutert Verfahrenwie das Laserabtragen, das Präzisions-schneiden, das Bohren und das laser-unterstützte Mikroumformen.
Fachprospekt »Laser in der Kunststoff- und Papiertechnik«(deutsch/englisch) Der Fachprospekt erläutert den Einsatz des Lasers zur Bearbeitung von Kunststoffen, Verbundwerkstoffensowie von Papier und Glas.
Fachprospekt »Laserstrahlauftrag-schweißen« (deutsch) Im Fachprospekt werden sowohl dasVerfahren als auch die Systemtechnikzum Laserstrahlauftragschweißen vorgestellt. Auch die Unterschiede der hierzu einzusetzenden Pulverzu-fuhrdüsen werden erläutert.
Fachprospekt »Rapid Prototypingund Rapid Manufacturing fürMetallbauteile«(deutsch) Der Fachprospekt erläutert das amFraunhofer ILT entwickelte Verfahrendes Selective Laser Melting, mit demkomplexe metallische Bauteile direktaus 3D-CAD Daten hergestellt werden.Auch die Anwendungsfelder des Laser-strahlgenerierens werden vorgestellt.
Fachprospekt »Werkstoffanalyseund Verwechslungsprüfung mitLaserstrahlung« (deutsch/englisch)Der Fachprospekt stellt die am Fraun-hofer ILT entwickelten Verfahren undSysteme zur Analyse der Zusammen-setzung von Werkstoffen mit Laser-strahlung vor. Die Eingangsprüfungvon unterschiedlichen Materialien, dieVerwechslungsprüfung, das Sortierenvon Werkstoffen, sowie die Online-Analyse von Schmelzen sind Aufgaben,die mit dem Laser schnell und zuverläs-sig erledigt werden können.
Fachprospekt »Laser in Life Science«(deutsch/englisch) Der Fachprospekt verdeutlicht den Einsatz des Lasers in der Medizintechnik.Auch wird die Laserstrahlung als Werk-zeug in der Mikroreaktionstechnik undder Biotechnologie vorgestellt.
Laser in der Mikro-strukturierungstechnik
Rapid Prototyping undRapid Manufacturingfür Metallbauteile
Informationsbroschüre »Laser RegionAachen« (deutsch/englisch)Diese Broschüre wurde von der Aachener Gesellschaft für Innovationund Technologie mbH AGIT in engerKooperation mit dem Fraunhofer ILTherausgegeben und vermittelt einenÜberblick über die Laseraktivitäten inder Aachener Region sowie die zentralenAkteure in Industrie, Wissenschaft undDienstleistungssektor.
Informationsbroschüre »kompe-tenznetze.de« (deutsch/englisch) Kompetenznetze.de ist eine Initiativedes BMBF und wird als Instrument für internationales Standortmarketingdurch Präsentation der kompetentestenTechnologie-Netze in Deutschlandgenutzt. Die Internet Plattformwww.kompetenznetze.de bietet eineattraktive Recherchenquelle und Kommunikationsplattform für Infor-mations- und Kooperationssuchendeim In- und Ausland.
Informationsbroschüre »Virtual European Laser InstituteVELI« (englisch) Die Informationsbroschüre stellt dasvom Fraunhofer ILT koordinierteeuropäische Netzwerk anerkannter FuELaserzentren vor. Diese haben sich zumZiel gesetzt, das in Europa vorhandeneLaser-Know-how Interessenten ausIndustrie und Wissenschaft zur Verfü-gung zu stellen. Das Projekt wird vonder Europäischen Kommission gefördert.Weitere Informationen hierzu sindauch unter www.veli.net zu finden.
Fraunhofer-Magazin 3.2001 »Licht für die nächsten Chipgenera-tionen« (deutsch/englisch) Im Fraunhofer-Magazin 3/2001 werdendie im Fraunhofer ILT betriebenen Aktivitäten im Bereich der Lithographiefür zukünftige Chipgenerationen vorgestellt. Die am Fraunhofer ILT entwickelte EUV-Strahlungsquelle giltals aussichtsreicher Nachfolger deroptischen Lithographie.
Sonderdruck »Fügen von Kunststoffen mit Diodenlasern verbessert die Nahtqualität« ausder Zeitschrift »Maschinenmarkt«(17/1999)Dieser Artikel erläutert den Einsatz von Diodenlasern zum Fügen vonKunststoffen. Neben den Vorteilengegenüber konventionellen Verfahrenwerden Online-Prozesskontrollsystemevorgestellt.
Sonderdruck »User profile CLT« aus der Zeitschrift »Industrial lasersolutions« (10/2000)Dieser Artikel vermittelt einen Überblicküber die Aktivitäten des Fraunhofer-Centers for Laser Technology CLT inPlymouth, Michigan.
Produkt- und ProjekthandzettelDie Projektdarstellungen aus den Jahresberichten des Fraunhofer ILTsowie gesonderte Produktinformationenkönnen über die Internet-Seitenwww.ilt.fraunhofer.de heruntergeladenwerden.
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 101
VEL IVirtual European Laser Institute
www.veli.net
Laser in Life Science
Videofilm »Laser - das besondereLicht für die Materialbearbeitung«(deutsch/englisch)
Dieser Lehrfilm ist 1997 von der Bergi-schen Universität - GesamthochschuleWuppertal in Zusammenarbeit mitdem VDI-Technologiezentrum Düssel-dorf, dem Fraunhofer ILT und weiteren Laserzentren und -firmen produziertworden. Er liefert einen Überblick überalle wichtigen Laserbearbeitungsver-fahren und ist speziell zur Intensivierungder Lehre an Hochschulen, Fachhoch-schulen, Berufsakademien und zur inner-betrieblichen Schulung konzipiert. Diestrifft insbesondere auf fertigungstech-nische Studiengänge und Ausbildungs-bereiche zu. Der Videofilm hat eineDauer von 30 Minuten und ist inDeutsch und Englisch bei der BergischenUniversität - Gesamthochschule Wupper-tal erhältlich.
CD-Rom »Lasertechnik« (deutsch)
Diese CD-Rom ist eine Sammlung vonGrafiken und Bildern der VorlesungenLasertechnik I + II von Prof. Dr. rer. nat.Reinhart Poprawe M.A.
Sie wurde vom Lehrstuhl für Lasertech-nik LLT in der Fakultät Maschinenwe-sen der RWTH Aachen in enger Koope-ration mit dem Fraunhofer-Institut fürLasertechnik ILT erstellt.
Inhalte sind die Grundlagen der Laser-technik sowie die physikalischen undtechnischen Prozesse für moderne Fer-tigungsverfahren. Darüber hinaus wirdan zahlreichen Beispielen zu Lasernund industriellen Anwendungen derheutige Stand der wirtschaftlichenNutzung demonstriert.
Die Darstellungen können einzeln überdas mitgelieferte Programm AcrobatReader 3.01 auf handelsüblichen PCsaufgerufen werden. Systemvorausset-zungen sind Windows 3.1 und höhereVersionen, Unix oder MacOS.
Das Ausdrucken und Verwerten derunveränderten Grafiken und Bilder istausschließlich für Lehrzwecke gestattet.
Weitere Informationen und Bestell-zettel zur CD-Rom »Lasertechnik«erhalten Sie über den ArbeitskreisLasertechnik e.V., Steinbachstraße 15,52074 Aachen.
Ansprechpartner:Michaela BambergTelefon: 0241 / 8906 -109Fax: 0241 / 8906 -112
Filme und Multimedia-Software
102 Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001
LASERTECHNIKPROF. DR. RER. NAT. R. POPRAWE M.A.
Multimedia-Software LASIM®
(deutsch/englisch)
LASIM® ist ein Multimedia-Lernprogrammfür die Ausbildung im Bereich desLaserstrahlschneidens und -schweißens.Die Kombination von Text, Bild, Tonund Animation in Form von Multimedia-Software eröffnet neue Horizonte inder Ausbildung von Laseranwendern.Im theoretischen Teil der Lehrgängewerden komplizierte Prozesse und Ver-fahrensmodelle anschaulich darge-stellt. Dies trägt zu einem besserenVerständnis des Lehrstoffes bei. Impraktischen Teil der Ausbildung könnenzahlreiche Versuche durch Simulationenersetzt werden. Der Anwender kannper Multimedia selbstständig die Ver-fahrensparameter einstellen, ohneStörungen am realen Lasersystem zuverursachen.
Durch das Einrichten mehrerer Compu-terarbeitsplätze kann der personelleBetreuungsaufwand auf ein wirtschaft-lich vertretbares Maß reduziert werden.Darüber hinaus eignen sich Multimedia-Programme für das Selbststudium. Der Laseranwender kann jederzeit Versuche an einer virtuellen Anlagedurchführen.
Die Multimedia-Technik ergänzt inidealer Weise die praktische Ausbildungam realen Lasersystem. In der Anfangs-phase werden die Übungen zum Ver-ständnis der grundlegenden Zusammen-hänge am Computer durchgeführt. In der darauf folgenden Phase kann derAnwender seine erworbenen Kennt-nisse zur Lösung konkreter Problemeam realen Lasersystem einsetzen.
Die Vorteile des Einsatzes von Multi-media-Software zur Ausbildung vonFachkräften und Studenten liegen auf der Hand:• Visualisierung komplexer Zusam-
menhänge und Verfahrensabläufe • Simulation eines realen Laserarbeits-
platzes• Durchführung von Versuchen
an virtuellen Anlagen mit Ergebnis-auswertung
• unbegrenzte Verfügbarkeit und risikolose Fehlbedienung
• geringer Betreuungsaufwand und Eignung zum Selbststudium
• interaktive theoretische und prakti-sche Übungen zur Festigung des Lehrstoffes
Die Software LASIM® ist in Deutsch undEnglisch über das Fraunhofer-Institutfür Lasertechnik ILT erhältlich. AktuelleInformationen und Bestellzettel zuLASIM® können über die Internet-Seitenwww.ilt.fraunhofer.de abgerufen werden.
Ansprechpartner für weitere Informationen zu LASIM® :Dr. Dirk PetringTelefon: 0241/8906 -210Fax: 0241/8906 -121
Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 103
RedaktionProf. Dr. rer. nat. Reinhart Poprawe M.A.Dipl.-Phys. Axel Bauer
Gestaltung und ProduktionDipl.-Des. Andrea Croll
LithographieGraphodata GmbH, Text- und Bildverarbeitung Digital, Aachen
DruckRhiem Druck GmbH, Voerde
PapierDieser Jahresbericht wurde auf umweltfreundlichem, da chlor- undsäurefrei gebleichtem Papier gedruckt.
Ansprechpartner Dipl.-Phys. Axel BauerTelefon: +49 (0) 241 / 8906 -194Fax: +49 (0) 241 / 8906 -121E-Mail: [email protected]
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Fraunhofer ILT Jahresbericht 2001 105