I aserbewerki n gstech n ieken

Transcriptie

1 I aserbewerki n gstech n ieken 1 I È

2 Ter introductie... Waarschijnlijk valt naast de 'chip'geen ontwikkeling aan te wijzen die in de laatste tientallen jaren een zo brede toepassing heeft gevonden als de laser. Ook is er waarschijnlijk geen techniek geweest, die lange tijd zo met een waas van geheimzinnigheid overtrokken is gebleven. De filmindustrie heeft daar dankbaar gebruik van gemaakt en veronderstelde lasertoepassin gen in het science-fictiongenre die voorshands inderdaad een fictie zijn. Afgezien daarvan lijken de mogelijkheden bijna onbegrensd indien men de gebieden - en de groei daarin! - overziet waar de laser momenteel al wordt toegepast. Belangrijke toepassingen van de lasers vormen de beeldoverdracht in de druk- en fotokopieindustrie en het transporl van signalen in de communicatie-industrie. ln de militaire sfeer wordt ondermeer bij kijk- en richtmiddelen van lasers gebruik gemaakt. Medische toepassingen en toepassingen voor het aftasten van beeld- en geluidplaten ('compact disc'!) vormen belangrijke groeigebieden. Verder kunnen worden genoemd toepassingen in hetwetenschappelijk onderzoek, metrologie-toepassingen in o.a. de wegenen de landbouw en voor het uitlijnen van constructiedelen, en identificatieloepassingen, zoals het lezen van artikelcoderingen op verpakkingen. Lasertoepassingen in disco's en voor projecties, tenslotte, staan weer in de belangstelling van een geheel ander publiek. De diversiteit van het medium laser is groot... Het aantal lasertoepassingen op het gebied van de industriële materiaalbewerking is vrij lang beperkt gebleven. Door het beschikbaar komen van lasers met grotere vermogens is daarin echter verandering gekomen. ln 1984 betrof in Europa 25o/ovan de volumeomzet aan I asers'industriële materiaal bewerki n g', terwijl voor de periode daarna een jaarlijkse groei van 20 à 25o/owerd verwacht. Op de wereldmarkt werd in 1985 voor 127 miljoen dollar aan lasers voor materiaalbewerking omgezet, met een prognose voor 1986 van 162 miljoen dollar. Een stijging van 27o/o. Lagere prijzen per eenheid vermogen, een voortgaande integratie van lasers en bewerkingsmachines, en een te verwachten grotere concurrentie tussen laser-toeleveranciers zullen het aanbod van laserbewerkingsmachines ook voor de Nederlandse industrie steeds aantrekkelijker maken. ln deze brochure is daarom getracht de mogelijkheden en beperkingen van laserbewerkingen aan te geven. Een stand van zaken dus, waarbij bovendien hier en daar vooruit wordt geblikt. Lasers werken schoon, snel en efficiënt. Ze bieden mogelijkheden voor het met grote precisie snijden, lassen, boren en perforeren vanzeer uiteenlopende materialen. Ook lenen ze zich voor markeringsdoeleinden en oppervlaktebehandelingen. Ook in ons land wijst de ervaring inmiddels uit dat vooral kleinere en middelgrote bedrijven van de opkomst van de laser kunnen profiteren. Door zich in bepaalde bewerkingstechnieken te specialiseren, blijken deze bedrijven zich een sterke positie als toeleverancier te kunnen verwerven. Ook zijn er hele bedrijfstakken waarvoor laserapparatuur goede perspectieven biedt, zoals de metaal- en kunststofindustrie, waar veel plaatmaterialen worden verwerkt. Momenteel worden lasers met relatief lage vermogens, en met een pulserend karakter, aangetroffen in de elektron ische en elektrotechnische industrie, voornamelijk voor het (punt)lassen. Het aantal 'continue' lasers met een groter vermogen is wat groter. Deze lasers vinden voornamelijk toepassing voor het snijden van metalen en kunststoffen, en in mindere mate voor het lassen van metalen. Buiten deze gebieden wordt de laser nog slechts spaarzaam toegepast, zodat er alle reden bestaat voor wat extra aandacht. De overheid onderschrijft dit, getuige de subsidie voor een TNOvoorlichtingsprogramma en eerdere bijdragen voor de totstandkom in g van TNO-laserfaci I iteiten voor bewerkingstechnieken. Doel en opzet van deze laatste komen eveneens in deze brochure aan de orde.

3 'Laser' is een afkorting van Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Letterlijk betekent dit 'l ichtversterki n g door gestt m u I eerde stral i n gs-em issie'. De laser is dus een 'lichtversterker'waarin de lichtversterking teweeg wordt gebracht door een gestimuleerde emissie van straling. Wordt energie toegevoegd aan een medium (gas, vloeistof of vaste stof) dan treedt veelal emissie van straling op. Een bekend voorbeeld is de gloeidraad van een lamp waar een elektrische stroom doorheen loopt: de stralingsemissie die daardoor ontstaat benutten we als licht. Het was Einstein die omstreeks 1917 op theoretische gronden al stelde dat er naast deze 'spontane' emissie ook'gestimuleerde' emissie zou kunnen optreden, en wel onder invloed van reeds aanwezige straling. Pas in de vijftiger jaren heeft men meer kennis verkregen van deze'gestimuleerde' emissie, hetgeen omstreeks 1954 resulteerde in de ontwikkeling van de MASER, waarbij de M staat voor microwave (microgolf). Het heeft tot '1960 geduurd eer de eerste LASER - een versterker in het lichtgolflengtegebied - werd gerealiseerd. Principes en kenmerkende eigenschappen van de laser worden buiten deze tekst nader toegelicht. Van meet af aan was duidelijk dat laserlicht zich zodanig onderscheidde van andere stralingsbronnen, dat aan geheel andere toepassingen kon worden gedacht. Conventionele stralingsbronnen als bijvoorbeeld de gloeilamp, de TL-buis en de Xenonlamp zenden straling uit in een breed golflengtegebied en in een grote ruimtehoek. De'energie-dichtheid' van de straling is daardoor relatief gering. De straling van een laser daarentegen komt beschikbaar als een compacte lichtbundel die nauwelijks neiging vertoont tot divergeren (uitwaaieren), die bovendien gemakkelijk via spiegels te transporteren is en die op de plaats waar dat Zó werkt de laser... Licht is een vorm van elektromagnetische straling die zich als golfverschijnsel in vacuüm voortplant met een snelheid van km per seconde. El ektromag n eti s ch e stral i n g i s veelal opgebouwd uit verschillende golven, waarbij aan elke golf een golflengte x en een frequentie f kan worden toegekend. Tussen deze grootheden bestaat het volgende verband: c: À x f. Dit betekent dat bijvoorbeeld voor een golflengte van 1 micrometer (Vm) de frequentie van een golf overeenkomt met een -onmeetbarefrequentie van 3 x 10t Hz. We spreken van zichtbaar licht, wanneer de golflengte van de straling ligt tussen 0,4 en 0,8 micrometer. Het golflengtegebied van elektromagnet sche straling is zeer breed; het strekt zich uít van röntgenstraling met een zeer kofte golflen.gte (10< micrometer) tot radiogolven met een zeer lange golflengte (meters). Bekende lichtbronnen ziin de gloeilamp, de TL-buis en de zon. De processen, die bij deze li chtbronn e n aan I e id i n g gev e n tot het ontstaan van straling ziin bekend. Bij de gloeilamp zorgt de elektrische stroom voor elektronen die met deelties (atomen) in de gloeidraad botsen, waardoor deze deeltjes in een h ogere en erg i e-toe stand, ook wel aangeslagen toestand, worden gebracht. Omdat deze toestand niet stabiel is, vallen de deeltjes terug naar de oors p ronkel ij ke toestand (grond - toestand) onder uitzending van de opgenomen energie. Men spreekt dan over spontane emissie van straling. Wanneer we dit proces nog wat nauwkeuríger beschouwen, blijkt dat bij een atoom elektronen, die zich om de kern van het atoom in een bepaalde baan bewegen, door absorptie van energie in een wijdere en daardoor e n erg i e rij ke re baan terec ht kunnen komen. Het aanslaan van atomen en het terugvallen, onder het uitzenden van licht, geschíedt doorgaans op onregelmatige tijdstippen en voor de verschillende atomen volkomen ongecorreleerd. De veelal in een breed golflengtegebied en in een grote ruimlehoek uitgezonden straling is dan ook niet eenvoudig te beschriiven als een regelmatig in de tiid ve rl op end golfversch ij nsel. Men spreekt daarom van incoherente straling. Het was Einstein, die al omstreeks aangaf dat naast spontane emissie ook gestimuleerde emissle kan optreden: emissie die door aanwezige straling wordt veroorzaakt of gestimuleerd. Pas in de vijftiger jaren heeft men meer kennis v e rkregen over g esti m u I ee rd e emlssie, en dit heefl uiteindeliik in 1960 geleid tot de ontwikkeling van de laser. Laser is een afkoding van: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. We hebben bii een laser dus te maken met een I ichtve rsterkin g, tewee g g e- bracht door gestim ul eerde em ssie van straling. Uitvoering van de laser Een laser -zie principeschetsbestaat altijd uit een drietal componenten: - een zogenaamde pomp, die energie levert aan - een act ef medium, dat een deel van de pompenergie kan absorberen en zich bevindt in een - resonator of trilholte, bestaande uit een tweetal sqiegels die op een zekere onderlinge afstand zijn geplaatst. Om de gewenste lichtversterking te realiseren, wordt het Principe-opzet laser spiegel met 100% reflectie (eindspiegel) actieve medium geplaatst in een resonator of trilholte, bestaande uit een tweetal hoogreflecterende spiegels. Deze ziin zo opgesteld dat de verbindingslijn van de beide kromtemiddelpunten -de as van de resonator- samenvalt met die van het actieve medium. Stra' ling (elektromagnetische golven) afkomstig van spontane emiss e in de asrichting van de resonator wordt nu tijdens de heen- en weergang tussen de spiegels door gesti m uleerde em ss e versterkt. Atomen of moleculen in aangeslagen toestand worden gestimuleerd om terug te vallen naar de grondtoestand. De hierbij vrijkomende energie wordt'in de uittredende laserbundel

4 nodig is door lenzen of spiegels kan worden gefocusseerd. Door de ontwikkeling van continue en gepulste lasers met een groot vermogen kunnen momenteel energiedichtheden in de orde van 108 W/cm2 worden gerealiseerd. De laser is letterlijk'gebundelde energie' en de industriële bewerking van de meest uiteenlopende materialen is binnen bereik gekomen. Uitgedrukt in guldens per Watt geleverd vermogen daalt de prijs van lasers inmiddels, terwijl de lasers beter dan voorheen geschikt zijn voor gebruik in een produktieomgeving. Ze zijn betrouwbaar, robuust en economisch in het gebruik. Mede door een zekere opleving van de economie is de interesse voor industrièle lasertoepassingen de afgelopen tijd dan ook sterk toegenomen. De belangstelling gaat daarbij vooral uit naar bewerkingssystemen waarin de laser als energiebron is getnteg reerd, zoals com putergestu u rde coörd inatentafels en robotsystemen. Dergelijke machines komen momenteel in snel tempo beschikbaar, niet in het minst omdat de laserbundel, eenmaalopgewekt, zich goed leent voor automatische besturing. De mogelijkheid, tenslotte, om één lasersysteem te installeren en de laserbundel vervolgens optisch te splitsen voor toepassing op meerdere'stations', vormt een ander interessant aspect van de laserbewerking. De Verenigde Staten zijn nog steeds de onbetwiste leider op het gebied van laserontwikkeling en loepassing. Voor de komende jaren wordt echter rekening gehouden met een sterke opkomst van de Japanse laserindustrie. Al geruime tijd wordt dan ook in' de Europese vakpers gesignaleerd dat Europa de op dit gebied kennelijk aanwezige kansen heeft gemist. Maar ook al is dat zo: voor de zinvolle toepassing van de laser is het zeker nog niet te laat. pas'toegevoegd aan de elektromagnetische golf die dit proces stimuleert en die op deze wijze wordt versterkt. De amplitude -en dus de intensiteit- van de golf neemttoe. Tijdens de heen- en weergang tussen de spiegels treden er ook verliezen op, welke toenemen met de intensiteit van de laserbundel in de resonator. Er treedt verlies op bij doorgang door het actieve medium en omdat êén van de spiegels van de resonator, de uitkoppelspiegel, in zekere mate'doorlatend' is (b.v. voor 1o/o), waardoor de laserbundel uit de resonator kan treden. Er ontstaat een evenwichtstoestand, waarbij de versterking tijdens de heen- en weergang fussen de spiegels gelijk is aan de optredende verliezen. Hoe groter de versterking in de resonator, hoe meer straling kan worden'afgetapt' en hoe groter de intensiteit van de uiftredende laserbundel. Dit laserproces speelt zich af bij een bepaalde golflengte. De laserbundel kan worden beschreven als een in de tijd reg el m ati g verlope n d gollve r- schijnsel; een laser is een'coh e rente' stral i n g sbron. ln feite ontstaat in de resonator tussen de spiegels een staande goff, die voor de laserlengte past in de resonator. De functie van de resonator is dan ook enigszins vergelijkbaar met die van de klankkast van een snaarins:trument. Een manierom laserpulsen met 0) O) G) c c) Energieniveau -diagram.0) O) c) c 0) o_ E o o_.c) o_ o U) _o (ú een groot (piek)vermogen opte wekken is om een sluiter in de resonator te plaatsen en deze pas te openen -heel snel- als het actieve medium pompenergie heeft geabsorbeerd. Dit proces staat bekend als Q- switching ; de'kwal iteit' (Q-waarde) van de resonator wordt bij het openen van de sluiter geschakeld van nul tot een hoge waarde. De tekening op deze bladziide is uiterst schematisch, omdat de Iaseruitvoeringen in de praktijk sterk verschillen, vooral afhankelijk van het toegepaste actieve medium. Dit kan zijn een gas of gasmengsel, een vloeistof of een vaste stof. Het actieve medium bepaalt het type laser en de eigenschappen van de bundel. Ook de uitvoering van de pomp kan, zoals gezegd, sterk verschillen, al naar gelang een flitsbuis, een gasontlading of een elektrische stroom wordt toegepast. De uitvoering van de resonator -de kromtestralen van en de afstand tussen de spiegelsbepaalt de energieverdeling in de doorsnede van de uittredende laserbundel. ln de praktijk bestaat sterke voorkeur voor een homogene energieverdeling, die echter ín het gunstigste geval slechts kan worden benaderd door een zog enaamde'g auss i sc he' e n e r- gieverdeling. Bij een dergelijke verdeling is de energiedichtheid in het centrum van de bundel maximaal en loopt deze naar de rand toe af. Het zal duidelijk zijn dat bij het opwekken en beheersen van het in wezen instabiele laserproces de moderne elektronica een belangrijke rol speelt. E n e rg í e n i ve a u -d i a g ra m De fysische processen die zich afspelen in het lasermedium zijn in werkelijkheid aanzienlijk gecompliceerder dan in het voorgaande is weergegeven. Zo vallen de aangeslagen deeltjes niet in één, maar in twee of meer fasen terug naar hun g ron d n iveau. De I aserwerki ng treedt dan op in de overgang tu s se n twe e energ i e n iveau s, aangeduid met bovenste en onderste laserniveau. ln de praktijk wordt bij elke laser een diagram geleverd waarin deze essentie van de las erwe rki n g i s we erg egeve n. D it' ene rg ien iveau-d i agram' (f i- guur) laat zien op welk energieniveau de deeltjes van het medium worden gebracht, tussen welke energieniveaus de laserstral i ng wordt af geg eve n en welke overgangen verder gepasseerd worden op de weg terug naar het grondniveau.

5 Materiaalbewerking met lasers Principe; voordelen ln feite zijn alle materiaalbewerkingen met lasers behandelingen waarbij het te bewerken materiaal plaatselijk wordt verwarmd, gesmolten of zelfs verdampt. Hierbij kan gebruik worden gemaakt van een extra gasstroom, bijvoorbeeld om gesmolten materiaal te verwijderen of het effect van een snijbewerking te versterken. Dat de laser zich ondanks deze eenvoudige principes ontwikkelt tot een uiterst veelzijdig gereedschap komt doordat de laserenergie nauwkeurig gedoseerd, in een zeer smalle, coherente bundel en met grote precisie en snelheid aan het (werkstuk)materiaal kan worden afgegeven. Daarin schuilen tevens de specifieke voordelen van de laserbewerking: - de materiaal- of werkstukbeschadiging door de bewerking is minimaal, - de materiaalverliezen zijn aanzienlijk geringer dan doorgaans bij conventionele bewerkingen het geval is, - de bewerking kan met relatief grote snelheid worden uitgevoerd, - complexe patronen, die op conventionele wijze niet of nauwelijks kunnen worden gerealiseerd, zijn met behulp van de laser vaak eenvoudig uitvoerbaar, mede door de goede automatiseringsmogelijkheden van de besturing. Beperkingen Vrijwel alle materialen kunnen met de laser worden bewerkt, maar ze zijn lang niet allemaal even 'laservriendel ij k'. Bij organ ische m ateri alen, ku nststoffen, hout, papier, leer en rubber speelt vooral de weerstand tegen ontbranden een rol: hoe geringer deze is, hoe gemakkelijker het materiaal te bewerken is. Vermogen en karakteristiek van de laser bepalen verder welke materiaaldikte kan worden bewerkt en met welke snelheid. Bij metalen en anorganische materialen als glas, keramiek en asbest spelen het warmtegeleidingsvermogen, de smelttemperatuur en vooral de reflectiecoëfficient een rol. De lichtreflectie door een materiaal is afhankelijk van de golflengte van het licht en neemt toe bij grotere golflengten. ln het infrarood-gebied kan de lichtreflectie bij metalen zelfs meer dan 90o/o bedragen, hoewel deze bij een zeer hoge vermogensdichtheid weer sterk kan afnemen (koper). Afhankelijk van de te bewerken materialen, dient hiermee bij de keuze van het lasertype (golflengte en vermogen!) rekening te worden gehouden. ln bijgaand schema is een globale indeling naar bewerkbaarheid van een aantal materialen gegeven. Eigenschappen laserbundel Voor zover met conventionele stralingsbronnen een sterk gerichte, monochromatische lichtbundel is te bereiken, heeft deze steeds een beperkte intensiteit of 'vermogen'. Het door een laser uitgezonden vermogen kan echter variëren van enkele milliwatts tot vele kilowafts. Bij de'gepulste' laser kunnen zelfs piekvermogens tot 1?tz W optreden. Het hoge vermogen maakt het mogeliik door focusseren van de laserbu n del en erg iedichthed en tot 1@ Wcmz te realiseren, waardoor vele vormen van materiaalbewe rki ng b i n ne n be reik zijn gekomen. De mínimale 'vlekgrootte'van de bundel na f ocusse ren vari ee ft, af h anke I iik van de golflengte van de laser, globaal van 0,01-0,1 mm. Andere belangriike eigenschappen van de laserbundel uit oogpunt van materiaalbewerking ziin: - De geringe divergentie. Afhankelijk van het type laser kan deze tot enkele boogminuten bedragen. Vele tvqen lasers zenden dan ook een sterk gerichte bundel uit, waarvan de divergentie met lenzen kan worden vergroot resp. verkleind. - Het transpori van de -gerichte- Iaserbundel kan met optische hulpmiddelen als spiegels onder atmosferische omstandigheden en over relatief grote afstanden plaatsvinden. Doordat de laserbundel voorts eenvoudig kan worden bestuurd, is de laser uitermate geschikt om in g eautom ati see rd e i n d u stri ël e processen te worden toegepasf. - De laserbundel is in vele gevallen sterk monochromatisch, wat inhoudt dat de breedte van de uitgezonden golílengte zeer klein kan zijn. Overigens is het golflengtegebied waarin de huidige lasers hun straling in één of meer d i screte golf I engten u itze n- den, verder zeer breed. Het strekt zich uit van het verre ultraviolet tot in het verre inlrarood. De lasergolflengte is van belang in verband met de ref lecti e- e n absorpti e-e ig e n- schappen van de te bewerken materialen. hoge ige therm smelt- - MET lage

6 Toepassin gsgebied laserbewerki n gen lnmiddels begint zich af te tekenen voor welke bewerkingen de industriële laser van betekenis is of kan worden. ln het volgende is getracht daarvan een beeld te geven. Snijden Het snijden neemt onder de laserbewerkingen een belangrijke plaats in. De laserbundel kan worden beschouwd als een universele'zaag'voor metalen en niet-metalen. P: laservermogen op werkstuk : golflengte laserbundel bo: oorspronkelijke bundeldiameter (4-25 mm) * lens i Algemene kenmerken van het lasersnijden zijn: - de mogelijkheid ingewikkelde vormen met hoge snelheid te snijden, - de nauwkeurige maatvoering die kan worden aangehouden, - de geringe snijbreedte, - de minimale vervorming (weinig warmte-inbreng, geen contact tussen materiaal en gereedschap), - de in de meeste gevallen gladde snijranden, die nabehandelingen overbodig maken. Ten opzichte van de gebruikelíjke snijprocessen betekenen deze punten evenzovele voordelen. Daar komt nog bij dat bij een juiste instelling van de laser geen gereedschapslijtage optreedt, en dat de laser nauwe- I ijks'start-/stop-problemen' kent. Nu al is het zo dat in veel gevallen niet zozeer wordt overgeschakeld op lasersnijden omdat het materiaal anderszins niet te snijden is, maar louter op grond van technische en bedrijfseconom ische overwegingen. Voor een aantal materialen is de te snijden dikte echter nog beperkt tot ca. 15 mm. Als vuistregel kan worden aangehouden dat voor metalen met een dikte van meer dan 6 mm het lasersnijden om technische en economische redenen minder interessant is. Onder deze dikte kan het lasersnijden het opnemen tegen machinale bewerkingen als knabbelen, ponsen en autogeen- en plasmasnijden. Vooral ten opzichte van beide laatste processen is het lasersnijden in het voordeel door de geringe vervorming die optreedt. Toegepast worden zowel COz- als Neodymium-YAG-lasers, met doorgaans voorkeur voor deze laatste als het gaat om sterker rf i (focusseerafstand) z : afstand tussen kleinste bundeldiameter (br) en max. toelaatbare bundeldiameter (bz) De laserbundel wordt op het we rkstu k g e c on c e ntre e rd d oor een ens in de'focusseereenheid'. De uitvoering van deze eenheid, waarin ook de voorz ie n ing en voor besche rmgas of zuurstof zijn opgenomen, heeft grote invloed op de'vlekgrootte' en het bewerkingsresultaat. De volgende formules geven een indruk van de vermogensconcentratie die op het werkstuk ontstaat bij een bepaalde male van focussering. Bii: 5,:4ÀJ ' n.bo en:.:oo..oì'lwt (waarin n:* t doorgaans een waarde tussen 1 en 3) ontstaat e e n ver mog e ns d i chtheid: l: 4'P wcmz n.bz (br ç b< bz) Bij de gaussische intensiteitsverdeling waarvan hier is uitgegaan (grafiek), kunnen zo vermogensd ichtheden onlstaan van 1@ - 10a Wcm2. Welke waarde wordt toegepast, is athankelijk van het te verwerken materiaal. Overigens wordt de getekende, gaussische i ntensiteitsve rdel i ng v ooral nag est reef d voor snijbewerkingen; voor andere bewe rki nge n ( o p pe rv I akt e b e ha n d el i ng e n ) juist niet.

7 Lasersnijden in een gasatmosfeer reflecterende materialen als aluminium, koper en zilver. Door het gebruik van een snijgas kan het te installeren laservermogen vaak aanzienlijk worden beperkt (zie inzet). Zoals eerder aangeduid kunnen ook veel niet-metalen uitstekend met de laser worden gesneden, al spelen daarvoor de weerstand tegen ontbranden (kunststoffen, hout, papier, leer, rubber) en de reflectie-eigenschappen (glas, asbest)een belangrijke rol. Veel m ateri al en absorberen kortere golf len gten m i nder goed, zodat toepassing van de COz-laser hiervoor de voorkeur verdient of zelfs de enige mogelijkheid is. ln de tabel is van enige materialen aangegeven in welke mate deze te snijden zijn met een COz- of een Nd-YAG laser. materiaal mogelijkheid tot snijden met Bij lasersnijden zonder toevoeging van een snijgas moet het gesmolten materiaal door de laserbundel tevens worden verdampt ('subl i meersnijd en'), hetgeen uiteraard extra vermogen kost. Daarom wordt vaak een extra gasstroom toegepast, die of het snijeffect versterkt (' brand s n ijd en' ), óf vooral dient om het gesmolten materiaal te verwijderen ('smeltsn ijden'). Naar anal og i e van het autogeensnijden helpt zuurstof in aanzienlijke mate het snijproces bij o.a. staal op gang te brengen. Zoals uit de figuur blijkt sorteeft 1 kw laservermogen onder deze omstandigheden meer effect dan 5 kw vermogen zonde r toepassi ng van zuurstof. Voor het snijden van metalen waarbij de react e met zuurstof niet het gewenste effect heeft, wordt samengeperste lucht, stikstof of argon gebruikt, bijvoorbeeld bij aluminium en titaan. glas papier/karton plexiglas pvc keramiek composieten hout COz-laser (10,6 um) slecht tot goed goed tot zeer goed goed tot zeer goed goed tot zeer goed zeer goed slecht tot redelijk zeer goed Nd-YAG-laser (1,06 um) niet redelijk (perforeren) niet niet goed redelijk tot zeer goed niet Sniigegevens voor een type 550WCOz-laser 5 kwsmeltsnijden staal perspex 1,2kW brandsnijden c E E E'õ õ U) c CN o.c E E E'õ! õ cu) c at) 2,5 1,5 1,0 05,fS 10 70

8 Het snijden van textiel en leer Een indruk van wat in verhouding tot staal haalbaar is, geeft een grafiekje met globale snijparameters van enige niet-metalen. De gegevens zijn ontleend aan een artikel in 'Laser and Applications'van augustus 19B3.Ze stemmen overeen met de ervaring van de TNOlaserfaciliteit. Er blijven materialen die in vergelijking tot staal moeilijk en in aanzienlijk geringere dikte kunnen worden gesneden. Een voorbeeld hiervan zijn de met koolstofvezels versterkte kunststoffen. Een goede kwaliteit van de snijrand is hier nauwelijks te verkrijgen. Resumerend kan worden gesteld, dat het onderscheid in snijgedrag bij de niet-metalen zeer groot is. Vaak is dit voorspelbaar uit fysische gegevens en/of ervaring. Verrassingen zijn echter niet uitgesloten. Het experiment is dan de oplossing. Met COz-laser gesneden produkten uit dunne staalplaat Nabehandeling van de snijranden is in de meeste gevallen niet nodig. (foto: Sorba B.V.) Snijden van dunne staalplaat met behulp van een COz-laser Verke n nend ond erzoek h eeft aang etoond dat I ase rsnijden perspectief kan bieden voor bedrijven in de schoen-, kleding- en meubelindustríe Een enkele laag textiel of leer kan met een COz-laser van enkele honderden Watts en met een beweg end spieg e I systeem worden gesneden met een Bnelheid van gemiddeld 25m/min. Snijden van meerdere lagen tegelijk is eveneens mogelijk, maar kan complicaties geven, zoals het onderling enigszins verschuíven van de lagen. Co m p ute rbe st u u rd e I as e r s n j - systemen vergemakkelijken in hoge mate het'graderen', d.w.z. het uitzetten van een gehe I e maatse rie, uitgaand e van een standaardmodel. Het voordeel van lasersnijden rn de schoenindustrie ls ñel grootst als het natuurlijke leder zou worden gesneden, omdat dit enkellaags moet worden verwerkt vanwege de fouten en verschillen in de contour. De fouten kunnen worden gemarkeerd en samen met de contour worden ingelezen door middel van een videocamera. Vervolgens moet een inleg van de gegradeerde vormen worden gemaakt, waarbij rekening wordt gehouden met de verschillende rekrichtingen van het leder. Deze inleg vormt de snij-instructie voor de laser. De snelheid van inleggen en lasersnijden moet aanzienlijk hoger zijn dan de effectieve stanssnelheid om op econom i sch veranlwoorde wijze schoenleder met een laser te snijden. Wel verdient hierbij overweging dat lasersnijden tot grotere flexibiliteit en korlere doorlooptijden kan leiden, omdat de stansmessen vervallen. De onvermijdel ijk enig szi ns verkleurde of verkoolde snijkanten van het leer (foto) behoeven geen beletsel te zijn voor het lasersnijden. Deze verkleuring is alleen hinderlijk bij wit of lichtgekleurd leer, dat echter slechts in geringe hoeveelheden wordt verwerkt in schoenen. /n de confectie-industrie heeff het lasersnijden ten opzichte van het gangbare snijden met slagmes en lintzaag nog alleen voordelen voor bedrijven die enkellaags of met geringe stapel h oogte sn ijde n. E nke I laag s- lasersnijden biedt hier perspectief als de benodigde tijd korter is dan de per enkele laag berekende tijd bij het huidige stansen en zagen van meerdere lagen. De (laser)snijranden van textiel met een hoog percentage synthetisch materiaal zijn enigszins verhard, waardoor ze niet rafelen. De grote flexibiliteit van een I ase r sn ij syst e e m ko mt u itstekend tegemoet aan de huidige trends naar kortere leverlijden en kleinere series. lnvoering van lasersnijden in de meubelindustrie voor de lederen of textiele bekleding heeft ten opzichte van het gangbare stansen op een rollenbank het voordeel van een besparing op stansmessen en een vermindering van het verbruik van leder of textiel, en ten opzichte van het handmatig snijden het voordeel van de ongeveer I 0x hogere snelheid. Aangezien de in te leggen vormen meestal eenvoudig zijn en het aantal beperkt is, kan met een eenvoudig computerprogramma voor het inleggen worden volstaan. Ook voor andere industrieën die leder of textiel venverken b i e dt I ase r sn ij d en p e rspe ct i ef op grond van de hoge snelheid, de mogelijkheid van computerbesturing en de grotere flexibiliteit.

9 Materiaalbewerking met lasers Boren en perforeren Enkele van de eerste toepassingen van de laser waren het boren van gaatjes in diamant en in steentjes voor horloges. Voor het boren is vooral de gepulste Nd-YAGlaser uitermate geschikt. ln de eerste plaats vanwege de korte golflengte waarmee wordt gewerkt, waardoor gaten met ieer kleine diameters kunnen worden geboord, maar ook omdat met deze lasers hoge piekvermogens kunnen worden verkregen (tot ca. 20 kw).voor een aantal materialen kan ook een gepulste COz-laser worden toegepast, o.a. voor kunststoffen. De gatdiameters kunnen varieren van ca. 0,01 tot 1,5 mm. De maximaal bereikbare diepte hangt af van het type materiaal. ln metalen kan een diepte worden 6ereikt van ca. 15 mm. ln andere materialen kan dat aanzienlijk meer zijn: tot wel 100 mm. Rekening dient te worden gehouden met een enigszins taps verloop van het gat. Door het kiezen van de juiste positie van focuspunt en pulsparameters karl deze tapsheid tot een minimum worden beperkt. De hoge produktiesnelheid is significant. ln roestvaststaalvãn 0,1 mm dikte kunnen bijvoorbeeld 40 gaatjes per minuut worden geboord. Ten opzichte van andere geavanceerde boorprocessen zoals vonkerosie, elektiochemisch bewerken (ECM), ultrasoon (US)en elektronenbundelboren (EB) zijn een aantal voordelen te noemen, zoals de mogelijkheid a//e materialen te bewerken, een snellere produktie dan bij alle genoemde Cilindrische kanalen van ca. 1 mm diameter, met continue COz-laser geboord in vezel' ac htig f iltermate riaal (d i amete r 7 mm,lengte 120 mm). lnzet: opname met de rasterelektronenmicroscoop van de ingang van het geboorde gat. alternatieven, geen procesafval (ECM en US), geen gereedschapskosten (vonkerosie) en het kunnen werken in atmosfeer (EB). Van het laserboren zijn vele toepassingen bekend, variërend van turbinebladen tot rubberspenen. Markeren Het coderen of merken van industriéle en consumentenprodukten voor eventuele latere identificatie is van toenemend belang. De laser vervangt hierbij omslachtige bewerkingen, zoals het inslaan van letters en cijfers, giaveren, stempelen enz. De lasermarkering is onuitwisbaar en reproduceerbaar beheersbaar. Ze is verder op alle materialen aan te brengen, leidt niet tot vervorming en er kunnen hoge produktiesnelheden mee worden bereikt. ln de praktijk worden lasermarkerit "f""il10'llno!"n erd; 2-Als puntsgewijze markering; 3-Door het met een ongefocusseerde laserbundel belichten van een masker waarin de code is uitgenomen. Dit vergt uiteraard de aanmaak van een masker, echter wel in een eenvoudig te bewerken materiaal. Anders dan bij de eerder genoemde methoden kan het wijzigen van de aan te brengen markering hier dus vrij omslachtig zijn. Lasermarkeren wordt zowel met continu- als pulslasers r voor de laatste. Ook hier lopen iteen; ze varieren van keramiek lingballen en plastics. Het te aalt in belangrijke mate welk continu- of piekvermogen nodig is. Laserm arke ri n g e n op sn ii Pl aatjes voor verspanende bewerkingen (foto: Laser-Optronic N V.)

10 Lassen ln verband met de grote energiedichtheid van de bundel heeft het laserlassen een aantal typische voordelen boven andere lasprocessen. Vergeleken met de booglasprocessen zijn te noemen de hoge lassnelheden, de geringe vervorming en het feit dat geen toevoegmateriaal wordt gebruikt. Ten opzichte van het weerstandlassen zijn de voordelen dat geen contact nodig is, dat op moeilijk bereikbare plaatsen kan worden gelast, de goede reproduceerbaarheid van de laskwaliteit en de hoge lassnelheden. Het laserlassen wordt wel met het elektronenbundellassen vergeleken. De energiedichtheid is bij beide processen namelijk praktisch gelijk. Een groot voordeel van het laserlassen is echter dat niet in vacuüm behoeft te worden gewerkt. Afscherming van het lasbad met een inert gas, zoals argon, is in de meeste gevallen toereikend. De energiedichtheid dient echter nauwkeurig te worden bewaakt, omdat het materiaal weltot smelten moet worden gebracht, maar niet mag verdampen. Een ander nadeel ten opzichte van elektronenbundellassen is de beperkte materiaaldikte die kan worden gelast. Ook bij het lassen speelt het reflectievermogen van het metaal een belangrijke rol. Materialen die moeilijk te snijden zijn,zijn in hetalgemeen nog moeilijkerte lassen. ln combinatie met de grote precisie waarmee de bundel op het werkstuk kan worden gefocusseerd, en de 'doseerbaarheid'van de energie in de bundel, is het laserlassen dan ook vooral geschikt voor het maken van fijnzinnige verbindingen in relatief dunne, en ook van elkaar verschillende materialen. Hardmetalen ring, met pulserende laser gelast op tandwielhuis (foto: Koning en Hartman B V.) Bij het gepulst lassen worden de lasjes over elkaar gelegd en vormen op die manier een continue las. Hierbij kunnen zeer smalle lasjes (enkele 0,1 mm's breed)gelegd worden. De diepte is dan ook gering. Toepassingen zijn die voor het vastlassen van dunne draadjes op bijvoorbeeld elektronische componenten, fij n mechan ische i nstru menten, pace-makers, batterijen, contacten, membranen; in het algemeen dus dunwandige produkten. De lasjes kunnen worden gelegd met een frequentie tot ca. '100 Hz en lassnelheden van 150 cm/min. zijn realiseerbaar. Een voordeelvan het pulslassen is dat ook meer reflecterende materialen als aluminium en koper kunnen worden gelast. Dit is met een continu-laser niet uitvoerbaar. COz-lasers die op een redelijke frequentie gepulst kunnen worden, onderscheiden zich in deze niet belangrijk van Nd- YAG-lasers. Metalen die zich goed lenen voor laserlassen zijn staal, roestvaststaal, nikkel en -legeringen, titaan, tantaal, molybdeen en zirkoon. Laserlassen van staal Hoewel met een laservermo- Anders ligt het bij de grotere gen van ca W al staal van plaatdikten. Momenteel kan 3 mm kan worden gelast met met een vermogen van ls kw een snelheid van 40 cm/min., tot ca. 25 mm in staal worden blijven de hoge kosten van een gelast. Getuige enkele praktijklaser-lasinstallatievoorlopig toepassingen,kunnenkosten nog een belemmering voor de en snelheid van het laserlastoepassing. Ook met conven- sen hier kennelijk incidenteet al tionele lasprocessen zijn im- concurreren. Er zijn echter nog mers hoge produktíesnelheden te weinig lasers met dergelijke bereikbaar. Een lagere prijs en grote vermogens operationeel hetvoordeel van de geringe om daarover betrouwbare inlasbreedte en vervorming kun- formatie te kunnen geven. nen echter op den duur voor dit soort plaatdikten de balans naar het laserlassen doen doorslaan. Doorsnede van een las in roestvast staal (fo,to: Koning en Hañman B.V.) <O r-ñ

11 Materiaalbewerking met lasers Oppervla kte-veredelen Het ligt voor de hand, dat de laser een bruikbaar stuk gereedschap is voor warmtebehandelingen van metaaloppervlakken. Zelfs is het zo, dat typen behandelingen kunnen worden toegepast die met de meer gebruikelijke warmtebehandeli ngsapparatuur niet uitgevoerd kunnen worden. Essentieel bij dit soort bewerkingen is de energiedichtheid die gedurende een bepaalde minimale tijd op het werkstukoppervlak kan worden verkregen. Omdat veelal wat grotere oppervlakken moeten worden veredeld, wordt bij voorkeur een continue COz-laser met een groot vermogen toegepast. Voor kunststoffen geldt dat de laser zowel voor het plaatselijk harden als juist zachter maken van een oppervlak kan worden toegepast. Dit afhankelijk van de toegepaste polymeer, weekmaker etc. ln het volgende zijn enkele mogelijkheden van oppervlaktebehandelingen aangedu id. Laserharden Laserharden in plaats van vlam-, inductief of ovenharden wordt op bescheiden schaal in de automobielindustrie toegepast voor het'transformatieharden' van staalsoorten, Het metaaloppervlak wordt hierbij zeer snel verh it tot boven de austen itiseri n gste m peratu u r, terwij I de koude ondergrond voor de benodigde snelle afkoeling zorgt. Hoewel voorshands kostbaar, biedt laserharden in technische zin uitgesproken voordelen boven de bekende procédés. Ten opzichte van vlamharden is de produktiesnelheid groter, bij een betere precisie, en kan beter'selectief' worden gehard. Ten opzichte van inductief harden geldt dat geen spoelen nodig zijn en dat ook anderszins moeilijk toegankelijke plaatsen kunnen worden gehard. En ten opzichte van het ovenharden is met de laser een veel selectievere harding mogelijk. Op al deze procédés heeft de laser bovendien voor dat geen afschrikmedium nodig is en er nauwelijks produktvervorm ing optreedt. Evenals bij andere oppervlaktebehandelingen zijn voor laserharden flinke vermogens nodig. Met minder dan 1 kw richt men weinig uit; gebruikelijk is 2 à 3 kw en (veel) meer. Achtergrond daarvan is dat voor oppervlaktebehandelingen meer breedte- dan dieptewerking van de laserbundel nodig is. Men bereikt dit door de bundel snel te bewegen, door het gebruik van speciale lenstypen, of door 'uit focus'te werken. ln alle gevallen is dan echter meer vermogen nodig om een bepaalde energie-inbreng te waarborgen. Een ontwikkeling die nog geheel in de kinderschoenen staat is het'schokharden'. Hierbij wordt bij een hoge energiedichtheid ( '108 Watt per cmz) gedurende een tijd kleiner dan 10-o s een effect verkregen waarbij een laagje van het metaaloppervlak verdampt en een schokgolf in het materiaal tot stand wordt gebracht. Eigenschappen als hardheid, treksterkte, vloeigrens en vermoeiingssterkte kunnen hierdoor aanzienl ijk worden verbeterd. Omsmelten van een oppervlaktelaag Het plaatselijk en gecontroleerd oppervlakkig omsmelten van het werkstukmateriaal is een voorbeeld van een bewerking die alleen met de laserbundel uitvoerbaar is. Kwal itatief ku nnen standaard material en h ierdoor worden verbeterd. Een voorbeeld is het behandelen van gietijzer (bijvoorbeeld cilinderbussen), dat na de laserbehandeling hoogwaardiger eigenschappen tegen slijtage heeft. Een vorm van oppervlakte-omsmelten die nog geheel in het experimentele stadium verkeert, is de zogenaamde 'laser glazing'. Hierbij wordt een oppervlaktelaag van 0,01-0,1 mm tot smelten gebracht, die vervolgens snel wordt afgekoeld (tot 104 'Cls). Tijdens de stolling kunnen oppervlaktelagen met ongewone (amode) structuren ontstaan. ln principe kunnen met deze techniek oppervlaktelagen met interessante eigenschappen worden gerealiseerd.

12 Op perv I akteh ard e n van krukashalzen (foto: Spectra-Physics B V.) I nsmelten,/o ppe rvl a kte-l egeren Aan het omsmelten van een oppervlaktelaag kan uiteraard voorafgaan het aanbrengen van een -meestal poedervormige- laag van slijtage- of corrosiebestendig materiaal of van legeringselementen. Dit wordt respectievelijk'laser-cladding' en'laser-alloying' genoemd. Ook deze technieken zijn nog in ontwikkeling, maar er zijn al goede resultaten mee behaald. Solderen Ook voor het solderen biedt de laser in principe goede mogelijkheden. Het vraagt een gerichte warmtebron en een beperkt vermogen. Lasers met een hoog vermogen zijn zelfs niet gewenst, omdat deze lang niet altijd voldoende zijn terug te regelen. Gedrukte bedradingen kunnen goed worden gesoldeerd met een laser met een maximaal vermogen tot 50 W. De toepassing voor het zachtsolderen van elektronika-componenten kan een economisch voordeel opleveren vanwege de hoge produktiesnelheid. Voor het hardsolderen of het solderen bij nog hogere temperaturen (-r 1200 'C) biedt de laser eveneens mogelijkheden. Het ovensolderen heeft hier echter het voordeel, dat in een beschermend gas of in vacuüm wordt gesoldeerd, zodat geen vloeimiddelen behoeven te worden gebruikt. Het werken in de atmosfeer van de laser geeft dan niet het gewenste voordeel, aangezien het gebruik van vloeimiddelen de kwaliteit van een soldeerverbinding nadelig kan beinvloeden. Al met al worden buiten de elektronische industrie nog maar sporadisch toepassingen van het lasersolderen gesignaleerd. Meer informatie beschikbaar Van tal van lasertoepassingen is meer bekend dan in het bestek van deze brochure kan worden behandeld. De medewerkers van de TNO-laserfaciliteit zullen u graag op het spoor zetten van literatuu r enlof leveranciers, of u vanuit eigen kennis en ervaring kunnen informeren. Contactadressen elders in deze brochure.

13 Lasersystemen Voor de beschreven toepassingen komen momenteel vooral de Neodymium-YAG- en de COz-laser in aanmerking. Ook de robijnlaser vindt echter nog toepassing, terwijl daarnaast de mogelijkheden van enkele nieuwe lasertypen worden onderzocht. Een laser is op zichzelf overigens nog geen bewerkingsmachine. ln het volgende is daarom ook aandacht besteed aan de coördinatentafel en de besturing die het lasersysteem completeren. De Neodymium-YAG-laser De belangrijkste vastestotlaser op dit moment is de Nd-YAG-laser, met als actief lasermedium het neodymium, dat in het kristalrooster van het glasachtige 'g astmateriaal' yttri u m-al u m i n i u m g ranaat (YAG ) is opgenomen. De laser wordt geactiveerd door flitslampen of een continue lichtbron. De golflengte van de Nd-YAG-laser ligt nabij het infrarood-gebied en bedraagt 1,06 prm.). De laser is in een grote verscheidenheid van uitvoeringsvormen verkrijgbaar: van continu met een vermogen van enkele Watts, tot gepulst met een gemiddeld vermogen tot 300 W. De energie per puls is afhankelijk van te kiezen parameters als impulshoogte en impulsduur, met als technische begrenzing ondermeer de impuls- of repetitiefrequentie. De prijs varieert met het vermogen: van f ,- tot f ,-, met een gemiddelde van ca. f ,-. De Nd-YAG-laser kan worden gebruikt voor het bewerken van metalen en niet-metalen en is in het bijzonder geschikt voor nauwkeurige gatbewerkingen, punt- en naadlassen, snijden en oppervlaktebewerkingen waarbij niet alte grote vermogens worden gevraagd. voegd om de laserwerking mogelijkte maken en te optimaliseren. Ca.75o/o van het gasmengsel bestaat uit helium, slechìs 10% is COz-Ças. Het gas wordt geactiveerd met een gasontlading. Van de COz-laser ligt de golflengte in het infrarood-gebied: 10,6 rm, Van de COz-laser bestaan uitvoeringen met het gasmengsel in een afgesloten buis (tot ca. 100 W), of met stromende gasmengsels. Deze laatste worden het meest toegepast. Afhankelijk van de wijze waarop het gas ten opzichte van de ontladingsrichting wordt rondgepompt, worden ze onderscheiden in'langsstroom'- en 'dwarsstroom'lasers. ln de langsstroomlaser kan ca. 350 W per meter laserbuislengte worden opgewekt. Bij grotere vermogens wordt de laserbuis dan ook wel 'gevouwen'om de bouwlengte te beperken. Lasers met een vermogen van meer dan 5 kw zijn bijna altijd van het dwarsstroomtype. Met dit systeem kan per lengte-eenheid meer vermogen worden opgewekt dan bij de langsstroomlaser. Dit vermogen kan variëren van 2 tot 10 kw per meter laserlengte. Beide lasertypen hebben kenmerkende eigenschappen ten opzichte van elkaar. Langsstroomlasers kunnen een 2 à 3 maal kleinere diameter van de bundel in de trilholte hebben dan een dwarsstroomtype en het vermogen kan tot op nul worden teruggeregeld. Bovendien kan dit type ook gemakkelijker elektronisch gepulst worden. Dwarsstroomlasers hebben een aanzienlijk compactere bouw en een hoger specifiek vermogen. De COz-laser De COz-laser is een gaslaser met als actief medium COz-gas, waaraan stikstof en helium worden toege- Vastestof-laser uittredende eindspiegel Licht afkomstig van de flitsbuis wordt door de ellipsvormige reflector afgebeeld in de Nd-YAG laserstaaf -) l Vm:10-6 m, 1 nm:10-s m

14 bewegende tafel hybride tafel flying optics (stilliggend werkstuk) Overwegingen voor een voorkeur voor eén van beide typen zijn echter niet uitgesproken te geven. De verkoopprijs per eenheid vermogen is praktisch gelijk ongeacht het type, zodat ook hierin geen doorslaggevend argument tg vinden is. Medio '86 kon als vuistregel voor de prijs van een 'kale' COz-laser een bedrag van f ,-/kW gelden. Het zal duidelijk zijn dat de COz-laser de voorkeur verdient voor toepassingen waarbij continu grote vermogens en een hoge bewerkingssnelheid van belang zijn. Andere lasertypen De eerste laser waarmee materiaal werd bewerkt was van het vastestof-type: de robijnlaser. Met deze lasers werden al in de jaren zestig horlogesteentjes doorboord. De robijnlaser werkt, gepulst, bij een golflengte van 0,694 pm (rood licht). Ze worden vooraltoegepast voor het boren en lassen van precisie-onderdelen, en daarnaast voor de bewerking van metalen met een hoge reflectie. Behalve de Nd-YAG-laser is ook een Nd-glas-laser ontwikkeld, die een laserbundel van dezelfde golflengte produceert, maar die uitsluitend bij een lage pulsfrequentie kan worden gebruikt, waardoor per tijdseenheid slechts een beperkt vermogen beschikbaar komt. Dit lasertype vindt vrijwel uitsluitend toepassing voor zogenaamde'fusielexperimenten. Tot slot dient hier genoemd de excimeerlaser die, gepulst, in het ultraviolet werkt. Afhankelijk van het halogeengas dat in deze laser als medium dient, is de golflengte ongeveer 0,25 pm. Door deze korte golflengte kunnen moleculaire verbindingen worden vernietigd, waardoor dit lasertype in de toekomst uitermate geschikt zal ziln voor de bewerking van kunststoffen. Goördinatentafels en besturingen Lasers zijn kostbaar, maar kunnen anderzijds met grote snelheid werken, waardoor in een aantal gevallen de investering toch gerechtvaardigd blijkt. Dan moet echter wel sprake zijn van een geslaagde integratie van lase, besturing en bewegingsmechanisme. De van een laser voorziene robot, waarvan de eerste, uiterst kostbare uitvoeringen in ontwikkeling zijn, wordt als technisch optimum gezien. Voor veel bedrijven beter haalbaar is voorlopig echter de combinatie laser - coördinatentafel - (CNC-)besturing, waarbij de beide laatste componenten dan wel moeten zijn aangepast aan de snelheid en nauwkeurigheid van de laserbewerking. Bewegingstafels vinden hun oorsprong vaak in de hoek van de conventionele bewerkingen, zoals knabbelen en autogeensnijden. Per definitie zijn dit langzame bewerkingen, waarbij de voortbewegingssnelheden begrensd zijn tot ca. 1 à 2 meter per minuut. Vooral bij toepassingen voor dunne plaat zullen de snelheden bij de laser daar ruim boven liggen. Het snijden van metalen en niet-metalen vormt een breed toepassingsgebied, waarvoor aan contoursnelheden tot 15 m/min. kan worden gedacht. Dit stelt hoge eisen aan tafel en besturing. ln principe zijn er drie mogelijkheden voor het bewerken: - het werkstuk, bijvoorbeeld een plaat, wordt bewogen onder de vaststaande laserkop. Een dergelijk type tafel wordt o.a. gebruikt bij het ponsen en knabbelen; - het werkstuk wordt in één richting bewogen en de laserkop in de richting loodrecht daarop (hybridetafel); - het werkstuk ligt stil en de laserkop beweegt in x, y of een samengestelde beweging bijtoepassing van numerieke besturing. De laserbundel wordt met spiegels ingekoppeld ('flying optics'). Een dergelijke hantering van het werkstuk vindt ook plaats bij het autogeen en plasmasnijden. Aan de genoemde typen zijn voor- en nadelen verbonden. ln de uitvoering waarbij het werkstuk wordt

15 Lasersystemen bewogen staat de laserkop stil en behoeft de laserbundel alleen statisch zijn werk te doen. Vibraties van de bundel zullen hierdoor vermeden kunnen worden. De tafel is echter relatief zwaar en moet voortdurend versneld en vertraagd worden. Dit stelt hoge eisen aan de aandrijvingen. ln het andere uiterste geval doet de zwaarte van het werkstuk er niet toe. Ook het geringe gewicht van de laserkop vormt geen probleem. Hier worden echter weer hoge eisen gesteld aan de stabiliteit van de machine, zodat de ongefocusseerde laserbundel niet in trilling kan komen. Proefwerkstuk Met behulp van een proefwerkstuk kunnen op eenvoudige wijze de eigenschappen van een laser in combinatie met tafel en besturing worden beoordeeld. ln de fíguur zijn twee van derg e I ij ke p roef st ukke n wee rg e - geven. Ze zijn gemaakt uit 1,6 mm staalplaat met laag koolstofgehalte, op dezeltde installatie en met identieke instellingen. Het enige verschil vormde de gebruikte soflware, het programma Het onderste proefstuk heeft duidelijk strakkere contouren. De volgende kenmerken worden beoordeeld: - hoe snijdl de tafel onder een hoek van 45 graden (1 ); - de kwaliteit van het gatsteken (1,2en4); - de kwaliteit van een wat kleinere en grotere cirkel, uitgesneden en net niet uitgesneden (2): - de kwaliteit van een zaagtandvorm. De machine moet hier snel korte bewegingen maken en het laservermogen aan de punten is kritisch (3); - de kwaliteit van een binnengesneden vierkant of rechthoek (4); - het in- en uitlopen van een gebogen lijn. De punt is hier het kritische deel (5). Tenslotte de CNC-besturing (Computerised N u merical Control). Ook hier geldt dat de meeste besturingen in eerste instantie bestemd waren voor relatief lage bewerkingssnelheden. Het contouren bij snelheden boven 3 m/min kan dan ook problemen geven. Bij deze hogere snelheden dienen rechte hoeken strak te zijn en cirkels rond. De eigenschappen van de combinatie laser-tafelbesturing laten zich het beste beoordelen aan de hand van een proefwerkstuk, dat laserleverancier en toekomstige gebruiker een objectief houvast biedt. Aspecten bij de aanschaf Al met al komt bij de aanschaf van een laserbewerkingssysteem nogal wat om de hoek kijken waar de leverancier, de potentiële gebruiker of beide onwennig tegenoverstaah: snedebreedten van 0,1-0,2 mm..., maatnauwkeurigheid binnen 0,05 mm en vaak nog beter..., contoursnelheden van m/min..., lineaire snelheden tot 35 m/min. bij 'flying optics',.. Tal van zaken dus, die zorgvuldige overweging verdienen voor wie op zoek gaat naar een laserbewerkingssysteem. Het is verder nog steeds zo dat lasers en bewegingssystemen in de meeste gevallen door verschillende fabrikanten worden geproduceerd. Men moet er van overtuigd zijn, dat er een goede relatie bestaat tussen deze twee partijen. Bij bestelling van een systeem dient één van beide partijen als hoofdaannemer te fungeren, zodat de koper bij reclame met éen firma te doen heeft. Het vooraf overleggen van een specificatie, het uitvoeren van proefseries en een protocol voor de afname zijn noodzakelijk. Het is zeker aan te bevelen de afname in eerste instantie bij de leverancier te doen en daarna finaal na installatie in het eigen bedrijf. En hoewel lasers betrouwbare apparaten zijn geworden, zijn goede afspraken over de gewenste service bij storingen van belang.

16 Lasersystemen en economie De keuze voor een laser als bewerkingsgereedschap zal in de meeste gevallen alleen te motiveren zijn op basis van een kostprijsanalyse. Een lasersysteem bestaat in het algemeen uit drie componenten, die alle aan hoge eisen moeten voldoen en waarvan de prijs navenant Is: de laser zelf, een bewegingsmechanisme, bijvoorbeeld een coördinatentafel, en de besturing, meestal van het gecomputeriseerde type (CNC). Niet zelden vormen beide laatste componenten het grootste deel van de investering. Voor 1986 kon men als grove vuistregel voor een laser een prijs hanteren van ca. f ,- per 1000 W vermogen, voor de besturing f ,- tot f ,- en voor de coördinatentafel f ,- tot ruim f 1 miljoen, afhankelijk van toepassing, werkstukafmetingen en gewenste nauwkeurigheid. Ca. 75o/o van de vaste kosten voor het bedrijven van een lasersysteem bestaat daardoor uit de post afschrijving; de overige 25o/o ui kosten voor huisvesting, reparatie, verzekering en dagelijks onderhoud. De variabele kosten zijn de uitgaven voor gasverbruik en elektriciteit. Voor 1000 W laservermogen zullen deze f 10,- à f 20,- per uur bedragen. Belangrijk is derhalve het aantal normuren, dat met de laser per jaar gewerkl kan worden, en hoe hoog de kosten van de andere componenten zijn. Een goede kostenvergelijking met andere technieken levert niettemin vaak moeilijkheden op. Voor het uitnemen van materiaal uit bijvoorbeeld ongelegeerd plaatstaal staan buiten de laser een aantal bewerkingsmethoden ter beschikking. Te noemen zijn de machinale zoals stansen, knabbelen en ponsen, en de thermische zoals het autogeen- en het plasmasnijden. Het beslissen aan welke van deze technieken de voorkeur dient te worden gegeven vereist inzicht in de specifieke parameters van deze bewerkingen en het 'Werkgebieden' Aan de hand van snijproeven kan worden vastgesteld met welke snelheid bij een bepaald vermogen materiaaldìkten kunnen worden gesneden. Weergave in een grafiek maakt daarn a ee n'werkgebi ed' z i chtbaar dat kan helpen bij het beantwoorden van de vraag of de laserbewerking kan concurreren met conventionele bewerkingen. Helaas is het niet zo dat ieder willekeurig voorwerp ook werkelijk met de snelheden uit het diagram kan worden gesneden. Afhankelijk van de nauwkeurigheid van de bewerkingsmachine bij hogere snelheden, de afmetingen van het produkt en tolerantie-eisen, zal vooral bij dunnere materialen vaak met een minder hoge snelheid gesneden moeten worden dan de grafiek suggereerf. Dit omdat de anders optredende'conto u ri n g sf oute n' d e to e g e stan e tol eranties zu I len oversch rijden. ln het geval van snijden is ee n ve rvelend e con seque nti e meteen dat een lagere snijsnelheid tevens een slechtere snedekwaliteit betekent. Ook als op een betrekkelijk klein oppervlak veel laserbewerki ng en moete n plaatsv i n- den, is de grafiek niet zonder meer te gebruiken. Het materiaal kan dan zo sterk opgewarmd worden dat verbrandi n gsve rschijnse I e n optred en en van een goede snede geen sprake meer is. Overigens kan door werken met een'gepulste' bundel grotendeels aan de genoemde bezwaren van kwalitatieve aard word e n teg e m oetg ekom e n. Wel verminderl dan opnieuw de snijsnelheid die haalbaar is. D i ag ramme n met'we rkg ebi e- den'zijn door de TNOlaserlaciliteit voor verschillende materialen en procescond ties opgesteld. Ze kunnen in principe ook voor andere bewerkingen dan snijden worden opgezet. '1200 w.c E E p o -c õ cu' c U) knabbelen van 10 I Lasersnijden vergeleken met 3 andere snijprocessen voor staal-37. *) gegevens 'Trumpf' c '= - E p c) E õ cu) c ô 600 tuo d,u 9,1þ.ob..o o-^. ñ ;16 ""^oqøt' Werkgebied voor "-o(u"t'' het snijden van \èþ" 1 mm plaat staal-37 met2bar zuurstofdruk

17 Lasersystemen en economie evalueren ervan. Verwacht mag worden dat geleidelijk aan methoden ter beschikking komen die de daarmee gepaard gaande berekeningen vergemakkelijken en die het al of niet gerechtvaardigd zijn van een investering kunnen aantonen. Overigens gaat het hierbij niet alleen om gegevens die in getallen kunnen worden uitgedrukt. Factpren als vervorm in g, ruwheid, lawaai en warmtebei'nvloedin g van het materiaal dienen in de beschouwtng te worden meegenomen maar zijn (nog) moeilijk te kwantificeren. Bovendien wegen ze in elke situatie weer anders. Desondanks zijn voor sommige toepassingen al zeer goed de mogelijkheden en beperkingen van de laser aan te geven. Zo ls in vergelijking met andere thermische snijprocessen het lasersnijden voor staal tot ca. 4 mm dikte alleen al op basis van de snijkosten lonend, zelfs afgezien van de kwaliteit van het gerede produkt (figuur). ln andere gevallen kan een kostprijsberekening tot de conclusie leiden dat een combinatie van bewerkingstechnieken de voorkeur verdient. ln het algemeen geldt immers dat b.v. kleine, ronde gaten van gelijke diameter sneller worden geponst, maar onregelmatige vormen beter met de laser kunnen worden gesneden. Ook dient bedacht dat de computerbesturing relatief kleine series al lonend maakt voor de laser, omdat geen gereedschap behoeftte worden aangemaakt en de'programma's' eenvoudig kunnen worden bewaard. Van het in Nederland bewerkte plaatstaal is ca. 80% dunner dan 3 mm. Er moeten dus vele bedrijven zijn waarvoor de laser, als zich een mogelijkheid of noodzaak tot investeren voordoet, het overwegen waard is. _4 E \a Cs ( ) tda o -:< c- Øt Snijkosten constructiestaal A B c D plasma (hypertherm) autogeen (propaan) 1200 W COz-laser knabbelen van contouren D c 10 Snijkosten per meter constructiestaal bìj verschillende snijtechnieken (gegevens 1 984). De Technisch Physische Dienst TNO-TH in Delft beschìkt over een Neodymium- YAG-laser met een maximaal gemiddeld vermogen van 300 W, een maximaal piekvermogen van 20 kw en een maximale energie-inhoud per puls van 100 J. De maximale pulsfrequentie van deze laser is 100 Hz. Deze apparatuur is zeer geschikt voor uiterst n auwke u ri g e g atbewe rk i n g e n, m arke ri n g ste c h n i eke n e n op pe rv lakte behan d e I i n g e n Bij het Metaalinstituut TNO in è Apeldoorn is een 1,2 kw CO z- lase r g ei'n stal I eerd, d i e zowel continu als pulserend kan worden bedreven (maximale frequentie 5000 Hz, minimale pulsduur 0,1 ms). Deze apparatuur kan voor het snijden, lassen en markeren van zeer veel materialen worden toegepast, in het bijzonder voor kunststoffen en metalen.

18 Veiligheidsaspecten Zoals bij alle bewerkingsmachines, moet ook bij lasersystemen aandacht aan de veiligheid worden geschonken. ln landen waar lasers geproduceerd worden bestaan strenge voorschriften ten aanzien van de te nemen maatregelen. lndien een compleet systeem wordt geleverd, is dan ook een groot aantal veiligheidsvoorzieningen al ingebouwd. Voor de gebruiker verdienen niettemin drie punten de aandacht: - effecten van de uittredende bundel, - de gebruikte hoogspanning in een systeem, - afzu i g i n g van vrijkomende bewerkin gsstoffen. 'Licht' Voor alle lasers geldt dat contact met de laserbundel moet worden vermeden en bijvoorkeur onmogelijk moet zijn. Aan de installaties zijn daarvoor waar mogel ijk voorzien i n gen getroffen. De vei I igheidsm aatregelen die de gebruiker dient te nemen, betreffen vooral de bescherming van de ogen tegen het laserlicht. Bij de COz-lasers is dat betrekkelijk eenvoudig, omdat eventueel 'strooilicht'door absorptie onschadelijk kan worden gemaakt met gewoon glas of doorzichtige kunsl stoffen. Voor de bedieningsvakman is het dragen van een bril met zijafscherming noodzakelijk. Vastestof-lasers (o.a. Nd-YAG) vergen op dit punt nog extra aandacht, door de koftere golflengte en het daardoor grotere doordringingsvermogen van de bundel. Vaak is daartoe de gehele bewerkingsplaats van een omkasting voorzien. Periodieke oogcontrole bij het personeel is gewenst om eventueel desondanks optredende effecten vroegtijdig te signaleren. Voor de omgeving moet in alle gevallen duidelijk worden aangegeven dat met een laser wordt gewerkt. Hiervoor bestaan standaardtekens en -opschriften. Hoogspanning Het hoogspanningsdeel van de laserinstallatie moet automatisch worden uitgeschakeld als het wordt geopend. Hierin dient door de fabrikant te zijn voorzien. Milieu Vooral bij het lasersnijden kunnen nevels worden verkregen die schadelijk voor de gezondheid zijn, zodat een goede afzuiging noodzakelijk is. Voor het snijden van normaal laag-koolstofstaal is in dit opzicht een ruimtelijke afzuiging voldoende. Voor het snijden van roestvaststaal en aluminium kan een plaatselijke afzuiging noodzakelijk zijn. Bij het snijden van kunststoffen ontstaat meestal een penetrante geur en enkele kunststoffen kunnen milieuschadelijke bestanddelen afgeven. Het raadplegen van I ijsten van de toel aatbaarheidsg rens (MAC-waarde) van die stoffen is in ieder geval nodig. Emissiemetingen kunnen antwoord geven op de vraag of afzuiging nodig of toereikend is. Een niet te onderschatten positief punt is het lage geluidniveau van een werkend lasersysteem. Dit aspect dient mede in overweging genomen te worden indien bijvoorbeeld een vergelijking wordt gemaakt met machinale bewerkingen als stampen en knabbelen van metalen. Klasse lv Jasersysteem. Laserbundel, sp egelende en diffuse reflecties schadelijk voor ogen; directe laserbundel brandgevaarlijk veitisheidstekens

19 &- nf ã$*í'& i t nfr 'f Om de ontwikkelingen te kunnen bijhouden, onderzoek te doen en geïnteresseerde bedrijven met raad en daad te kunnen bijstaan, is door TNO samen met de overheid een TNO-laserJaciliteit opgericht. ln deze laserfaciliteit zijn verschillende lasersystemen beschikbaar, primair ingericht voor laserbewerkingstechnieken. Er wordt in samengewerkt door verscheidene TNO-instituten, terwijl voorls nauwe contacten bestaan met relevante vakgroepen van de Technische Universiteiten in Enschede en Delft. Voor de industrie... 'Voorlichting'vormt een belangrijk onderdeel van de TNO-activiteiten op lasergebied voor de industrie, die zo kunnen worden samengevat: - het geven van voorlichting aan bedrijven over de mogel ijkheden van I asertoepassi n gen voor m ateriaalbewerking; - het geven van adviezen en het uitvoeren van haalbaarheidsstudies met aansluitend advies en begeleiding bij aanschaf van laserapparatuur; - het stimuleren en begeleiden van industriële activiteiten gericht op de produktie van laserapparatuur. Voor gei'nteresseerde bedrijven is de TNO-laserfaciliteit een'open werkplaats' waarin zij doelgerichte experimenten en proefprodukties kunnen laten uitvoeren. Wil een bedrijf zelf een lasersysteem aanschaffen, dan kan het voor aankoopadviezen gebruik maken van de opgedane ervaringen. En desgewenst kan hettnomedewerkers inschakelen voor een neutraal oordeel over uitgebrachte offertes, assistentie bij afnamecontroles etc. De medewerkers van de TNO-laserfaciliteit houden tenslotte bij, welke bedrijven beschikken over lasercapaciteit voor het uitvoeren van produktie-opdrachten. Dit om geïnteresseerden ook hierover te kunnen informeren. Vezelinstituut TNO Delft / Hengelo -) Deze instituten beschikken zelf over een of meer lasersystemen. Wetenschappel jk... Eigen onderzoek binnen de TNO-laserfaciliteit is vooral 'applicatiegericht' en bedoeld als ondersteuning en uitbreiding van de aanwezige kennis. Daarnaast wordt deelgenomen aan nationale en internationale onderzoekprojecten, o.a. van de EG. Ook wordt samengewerkt met de vakgroep Quantum-elektronica van de TU-Twente, waar een 500 Joule COz-pulslaser is gebouwd voor (o.a.) het bestuderen van verschijnselen die optreden tussen materie en kortstondige, hoogenergetische laserpulsen.

20 Liist van begrippen ln de engelstalige laserliteratuur komen tal van uitdrukkingen voor die specifiek zijn voor de lasertechnologie. Teneinde de lezer behulpzaam te zijn, is een aantal veel voorkomende begrippen in het Engels alfabetisch gerangschikt met een Nederlandse vertaling en een korte omschrijving. Active medium / Actief medium Materiaal (gas, vloeistof of vaste stof) dat als versterkend medium in een laser kan functioneren. Antireflection layer / Antireflectie-deklaag Deklaag, aangebracht op het te bewerken materiaal om de absorptie te bevorderen. Beam bender / Bundelombuiger Optisch onderdeel, zoals een spiegel, waarmee de richting van de bundelveranderd kan worden. Wordt ook gebruikt bij het'vouwen'van de trilholte om een korte bouwlengte te krijgen. Beam diameter / Bundeldiameter De diameter yan de bundel tussen de punten waar de intensiteit tot$ van de maximale intensiteit is afgenomen. Beam divergence / Bundeldivergentie De hoek waaronder de bundeldiameter toeneemt, uitgedrukt in radialen. Beam expander / Bundelverwijder Optisch systeem waarmee de bundeldiameter vergroot en de divergentie dienovereenkomstig verkleind wordt. Beam splitter / Bundelverdeler Optisch onderdeel dat een laserbundel in twee of meer bundels splitst. Toegepast worden prisma's, dunne films, glasplaten en gedeeltelijk verzilverde spiegels. Cavity / Trilholte of resonator Deze bestaat uit een tweetal, op enige afstand van elkaar geplaatste, spiegels. De lijn, die de kromtemiddelpunten van de spiegels verbindt, is de as van de trilholte. ln de resonator wordt het actieve medium geplaatst. Coherent light / Coherent licht Licht (elektromagnetische golven) dat op verschillende tijdstippen vertrekt uit de laser heeft een duidelijke faserelatie (coherentie in de tijd). ln de doorsnede van de laserbundel bestaat ook een nauwe faserelatie tussen de verschillende punten (coherentie in de plaats). Continuous wave (C.W.) / Continue straling Laserwerking waarbij de straling continue is; in tegenstelling tot gepulste straling. Depth of field / Dieptescherpte Afstand waarover de diameter van de laserbundel binnen een vastgestelde waarde blijft. Focal point / Focuspunt Het punt waarop de diameter van de gefocusseerde laserbundel het kleinst is (brandpunt). Folded resonator / Gevouwen trilholte Laserconstructie waarbij de totale trilholte een of meerdere keren gevouwen is met behulp van spiegels. Fundamental mode: zie Single mode laser Gas laser / Gaslaser Laser met als actief medium een gas. Gas jet assist / Gasinjectie Gasstroom die de laserbundel omringt (co-axiaal), toegevoegd om het bewerkingsproces te optimaliseren (brandsnijden, smeltsnijden). Toegepast worden o.a. zuurstof, argon en stikstof. Helium-neonlaser / Helium-neonlaser Veel toegepaste continue laser die in het bijzonder werkt in het zichtbare deel van het spectrum (rood licht van 632,8 nm). fnfrared / lnlra ood Dat deel van het spectrum waarvan de golflengte groter is dan die van zichtbaar licht. Keyholing,/ Sleutelgatvorming Bij het laserlassen de vorming, in enkele milliseconden, van een gaatje, dat voortbewogen wordt in de lasrichting. Het gesmolten materiaal loopt achter de bundel om en sluit het gat weer. Hierdoor kan een dieplaseffect worden verkregen. Laser / Laset Acroniem van 'Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation'. Lasing threshold / Laser-drempelwaarde Grens van de versterking in de resonator waarbeneden geen laserwerking kan optreden. Longitudinal modi / Longitudinale modi Het aantal frequenties of trillingsvormen waarin een resonator (in de asrichting) oscilleert. De golflengtes van deze frequenties staan in vaste verhouding tot de resonatorlengte. Mode / Modus Elk van de mogelijke trillingsvormen van staande golven in een resonator (trilholte). Modi worden gekenmerkt door o.a. hun frequentie en ruimtelijke verdeling. Met modus wordt in het algemeen aangeduid de vorm van de doorsnede van de bundel.