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Metallschneiden mit Laser: Wie mit dem Messer durch Butter

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Laser sind die Zukunft in der Metallbearbeitung, denn sie schneiden problemlos bis 25 mm dicke Metallplatten. Aber je nach Metall, Plattendicke und Wellenlänge ist die Schnittqualität nicht immer befriedigend, das Werkstück braucht Nachbearbeitung. Gemeinsam mit Partnern sucht das Institut ALPS der BFH-TI nach Lösungen.

Laser sind die idealen Helfer, wenn es gilt, plattenförmige Metalle zu schneiden, denn sie schaffen komplexe Formen, arbeiten rasch und präzise, und sind selbst bei kleinen Losgrössen schon wirtschaftlich. Um die Schnittqualität weiter zu verbessern, schlossen sich Forscher am Institute for Applied Laser Photonics and Surface Technologies (ALPS) der BFH zusammen mit Kollegen des Instituts für Angewandte Physik (IAP) der Universität Bern und Industriepartner Bystronic AG in Niederönz. Ihr Ziel: den Schneidprozess durch Simulation zu optimieren. 

Figur 3: flüssiges Aluminium in der Vakuumkammer, Foto: BFH-TI

Ellipsometrie als Messgrundlage
Voraussetzung für aussagekräftige Simulationen ist die Kenntnis der optischen Materialeigenschaften. So bildet sich beispielsweise beim Laserschneiden an der Schnittfront eine dünne Schicht aus flüssigem Metall, welche die Energie des Laserstrahls hauptsächlich absorbiert. Da man für die Simulation wissen muss, wie viel Energie des Laserstrahls das Metall absorbiert und wie tief der Strahl ins Metall dringt, sind Brechungs- und Absorptionsindex des Metalls im flüssigen Zustand notwendige Anhaltspunkte. Diese Materialeigenschaften sind jedoch nur für einige wenige reine Metalle wie Silber, Gold oder Quecksilber in flüssiger Phase bekannt, nicht aber für Metalllegierungen wie Stahl, welchen die Industrie vor allem verwendet. Im Projekt ging es deshalb darum, den komplexen Brechungsindex von flüssigen Metallen und Legierungen zu messen. Dies geschieht mit Hilfe der Ellipsometrie, die schon seit mehr als 100 Jahren bekannt ist. Die Grundidee besteht darin, dass ein definierter polarisierter Lichtstrahl unter einem Winkel φ auf eine Probe trifft und reflektiert wird (siehe Figur1). Durch die Reflexion an der Materialoberfläche verändert sich die Polarisation des Lichtstrahls. In der Regel entsteht nach der Reflexion elliptisch polarisiertes Licht, daher der Name Ellipsometrie. Durch Analyse der Änderung der Polarisation nach der Reflexion kann man auf die optischen Eigenschaften des Materials schliessen. Die theoretischen Grundlagen der Ellipsometrie sind gut erforscht und die Methode kommt bei der Analyse von Festkörpern und dünnen Schichten routinemässig zum Einsatz.

Figur 2: Messaufbau mit Vakuumkammer, Foto: BFH-TI

Knackpunkt Messung
In der Bestimmung der optischen Eigenschaften flüssiger Metalle bereiten all jene Fragen Kopfzerbrechen, die im Umgang mit und Messen an flüssigem Metall auftauchen. Einerseits ändert sich die Oberfläche – Topologie und Rauigkeit – der Metallproben beim Heizen und Verflüssigen fortlaufend, anderseits wirkt sich jede Änderung der Oberfläche auf den reflektierten Strahl aus und ist bei der Messung und Auswertung mit Ellipsometrie zu berücksichtigen. Um unerwünschte Reaktionen der flüssigen Metalloberfläche mit Atmosphärengasen zu vermeiden, Laser sind die idealen Helfer, wenn es gilt, plattenförmige Metalle zu schneiden, denn sie schaffen komplexe Formen, arbeiten rasch und präzise, und sind selbst bei kleinen Losgrössen schon wirtschaftlich. Um die Schnittqualität weiter zu verbessern, schlossen sich Forscher am Institute for Applied Laser Photonics and Surface Technologies (ALPS) der BFH zusammen mit Kollegen des Instituts für Angewandte Physik (IAP) der Universität Bern und Industriepartner Bystronic AG in Niederönz. Ihr Ziel: den Schneidprozess durch Simulation zu optimieren. konstruierten wir für den Versuchsaufbau eine Vakuumkammer (Figur 2), die ein Vakuum von rund 10-5 mbar erreicht und sich auch mit einem Inertiagas wie Argon fluten lässt. Die Vakuumkammer umfasst verschiedene Sichtfenster, woran die Ellipsometer-Arme und weitere Messgeräte angebracht werden können. Das Ellipsometer, ebenfalls eigens für den Versuchsaufbau realisiert, besteht aus einem Quellen- und einem Detektor-Arm. Als Lichtquelle dient eine super-lumineszente LED mit einer Wellenlänge von 1070 nm und einer Bandbreite von ungefähr 100 nm. Als Detektor dient ein Faser gekoppeltes Spektrometer. Die optischen Komponenten des Ellipsometers – beispielswiese Polarisatoren – der beiden Ellipsometerarme sind auf motorisierten Rotationshalterungen angebracht und dank selbstgeschriebener Software ansteuerbar. Ein wichtiger Teil des Messaufbaus ist die Heizung. Um hohe Temperaturen zu erreichen – der untersuchte Stahl schmilzt erst bei rund 1660˚C – umfasst der Versuchsaufbau zwei Heizquellen: eine elektrisch betriebene, justierbare Heizplatte erlaubt, die Metallproben beim Heizen im Vakuum nachzujustieren. Damit lassen sich die Proben bis auf rund 1000˚C erhitzen. In dieser Temperatur schmelzen Materialien wie Aluminium und Silber. Als zweite Heizquelle dient eine fasergekoppelte Laserdiode, die bei 800 nm emittiert und eine Ausgangleistung von zirka 350 W aufweist. Damit können Metalle wie Kupfer – das bei 1060˚C schmilzt – oder Stahl verflüssigt werden.

Neue Fragen für die Forschung
In unseren Experimenten wurden wir mit völlig neuen Fragen konfrontiert. So war abzuklären, wie gekrümmte Oberflächen die Ellipsometrie beeinflussen, denn beim Schmelzen verformte sich die quaderförmige Probe zu einer Halbkugel (Figur 3). Zudem entsteht aufgrund von Verunreinigung der Probe in der Vakuumkammer eine Schlacke auf dem flüssigen Metall. Diese Schlacke ist vor der Messung zu entfernen. Durch eine geschickte Heizstrategie kann die Schlacke jedoch aufgebrochen und zur Seite ‹geschoben› werden.
Bisherige Simulationen mit unseren Resultaten sind vielversprechend. Wir sind nun daran, weitere Metalle und Legierungen im flüssigen Zustand zu messen und so die Anwendungsmöglichkeiten der Laser-Materialbearbeitung zu erweitern.

Figur 1: Prinzip der Ellipsometermessung: Linear Polarisierter Lichtstrahl ändert nach der Reflexion an der Probenoberfläche die Polarisation. Mittels λ/4-Platte und 2. Polarisator wird der reflektierte Strahl analysiert. Grafik: BFH-TI