Aktuelle Artikel aus "Wirtschaft"

Neue Absatzpotenziale durch digitale Serviceprozesse

Service-Digitalisierung im Maschinenbau erfolgreich umsetzen

Innovative Lösungen für eine effiziente Produktion

Blaser Swisslube fräst 007 Aston Martin

Aktuelle Artikel aus "Produktion"

Mobile Überwachung für den Spindelservice

Ultrapräzisionsbearbeitung: Metalle und Kunststoffe

Aktuelle Artikel aus "Automation"

Schlanker Roboter für die Logistik

Schnelle und präzise Montage dank Indel-Steuerung

Additive Fertigung in der Pharmaindustrie

Aktuelle Artikel aus "Blechbearbeitung"

SPF 2021: Der Blecharbeiter aus der Linth-Ebene

Agathon: Normteile für den effizienten Werkzeugbau

Sicher führen, präzise und produktiv stanzen

Vom Presswerk zur Smart Factory

Schneiden Sie große Rohre ab und arbeiten Sie an den Enden

Aktuelle Artikel aus "Lieferanten"

Schweizer Produktionsforum - Foacas GmbH: Gussteile

Mehrwert durch Marktkenntnis und Expertise im Bereich Gussteile

Füge- und Servopressanwendungen mit EcoPress

Kabelführung für SCARA-Roboter verhindert Kabelknicken

Aktuelle Artikel aus "Medizintechnik"

Verschmelzung von Licht und Wasser

Faszinierende Anfänge des Wasserstrahllasers

Additive Fertigung in der Pharmaindustrie

Aktuelle Artikel aus "Logistik"

Stabilisieren und sichern Sie die Lieferkette

Prozesskran für den neuen Langstreckenjet von Airbus

Über 500 t Stahlträger für das Tramdepot der Limmattalbahn

Skalierbare Lösungen für den E-Commerce

Mit kollaborativen Robotern erfolgreich durch die Hauptsaison

Aktuelle Artikel aus "Software"

Tebis: CAD / CAM im Werkzeugbau

Schneller und effizienter digitalisieren

Altair Simulationslösungen für den Maschinen- und Anlagenbau

Coscom: CAD / CAM optimiert die Produktion

Fertigungsprozesse mit CAD / CAM gestalten

Aktuelle Artikel aus "SMM-Spezial"

Schweizer Qualitätslieferant 2021: IBOR AG

Schweizer Qualitätslieferant 2021: Indel AG

Schweizer Qualitätslieferant 2021: Spühl GmbH

Individuelle Lösungen im Maschinenbau

Die Verschmelzung von Licht und Wasser führt zu einer Technologie, mit der sich harte Materialien mit hoher Präzision bearbeiten lassen. Die Idee eines Lasers in einem hauchdünnen Niederdruck-Wasserstrahl, der den Strahl wie eine optische Faser durch Totalreflexion leitet, stammt aus der Zahnmedizin.

Bernold Richerzhagen entschied sich für ein Studium der Grundlagen des Maschinenbaus mit Schwerpunkt Medizintechnik an der RWTH Aachen, das er mit einer Arbeit zur Entwicklung eines Kunstherzens abschloss. Ein Jahr später nahm er im Rahmen seiner Doktorarbeit an einem Forschungsprojekt am Labor für Angewandte Optik der EPFL (Eidgenössische Technische Hochschule Lausanne) teil, das sich mit der Entwicklung eines laserbasierten Dentalwerkzeugs beschäftigte. Ziel war die Entwicklung eines Laserenergieübertragungssystems für dentale Anwendungen wie die Entfernung von Karies. Richerzhagen entschloss sich trotz erfolgloser Vorarbeiten, einen neuen Ansatz zur Übertragung von Laserenergie und gleichzeitiger Kühlung des Zahnes beim Laserbohren zu erproben. Er plante, den Laserstrahl durch Totalreflexion in einem Wasserstrahl zu führen, ähnlich einer Glasfaser. Der Laser liefert die Wärme für die Ablation, während das Wasser den Zahn kühlt. Ein wasserstrahlgeführter Laser bietet gleichzeitige Kühlung, ohne den Zahn durch Hitze zu schädigen.

Synova: Wasserstrahl führt Laser

Laser Microjet schneidet kalt mit hoher Präzision

Das Konzept von Richerzhagen beruhte darauf, einen Laserstrahl durch eine Druckwasserkammer zu führen und dann in einer Düse zu fokussieren (Bild 1). Seine Berechnungen zeigten, dass es möglich ist, einen Laserstrahl in einer Düse ohne andere Verluste als die natürliche Absorption im Wasser zu fokussieren. Der aus der Düse austretende Niederdruck-Wasserstrahl würde den Laserstrahl durch Totalreflexion lenken. Dieser parallele wassergeführte Laser würde am Zahn arbeiten. Richerzhagen stand vor zwei Herausforderungen. Die erste bestand darin, Energie von einer Laserquelle auf das Handgerät des Zahnarztes zu übertragen. Die zweite, weitaus wichtigere, war die Entwicklung einer Koppeleinheit, die den Laserstrahl zu einem Wasserstrahl zusammenführt. Die erste Kupplungseinheit von Richerzhagen bestand aus einer geschlossenen Wasserkammer mit einem Fenster auf der einen Seite und einer Düse auf der anderen. Der Laserstrahl, der durch das Fenster und das Wasser trat, wurde auf den Düseneingang fokussiert. Es entstand als ein von einem Wasserstrahl umhüllter Laserstrahl (Abb. 2).

Die Kupplungseinheit von Richerzhagen hatte gemischte Ergebnisse. Obwohl seine Berechnungen ergaben, dass der Laserstrahl die Düse durchdringen sollte, beschädigten die Laserpulse die Düsenbohrungen. Der Strahl wurde offenbar defokussiert. Richerzhagen war mit dem Problem der beschädigten Düsen konfrontiert. Der Laserstrahl sollte im Wasserstrahl reflektiert werden. Diese Totalreflexion ist auf Brechung zurückzuführen, ein Phänomen, bei dem der Laserstrahl beim Übergang vom Wasser in die Luft zur Oberfläche hin gekrümmt wird. Trifft der Strahl unter einem kritischen Winkel auf die Wasseroberfläche, wird er wie ein Lichtwellenleiter vollständig im Wasser reflektiert. Im Vordergrund stand die Ermittlung der äußeren Faktoren, die eine verlustfreie Fokussierung des Laserstrahls in der Düse verhindern. Die Erforschung der Lösung dieses Problems würde Jahre dauern und zu mehreren interessanten Entdeckungen führen.

Richerzhagens erstes Experiment hat gemessen, wie Wasser die Energie eines Laserpulses absorbiert. Dieses Experiment bewies, dass Wasser einen Teil der Energie jedes Laserpulses absorbiert. Diese in Wärme umgewandelte Energie erhöhte seine Temperatur und änderte seinen Brechungsindex. Dies führte zu einer Verschiebung des Fokus des Strahls. Somit lag ein Teil der Energie außerhalb des theoretischen Strahlengangs. Diese Energie traf auf die Oberfläche der Düse und beschädigte diese (Abb. 3). Im nächsten Schritt wurden die Auswirkungen der thermischen Defokussierung auf das Laserstrahlprofil gemessen.

Richerzhagen entwarf einen Versuchsaufbau mit Optik und Hochgeschwindigkeitskamera, um die Änderung der Laserstrahltaille zu Beginn und am Ende eines 200 Mikrosekunden langen Laserpulses beim Durchgang durch eine Wasserkammer aufzuzeichnen. Die Ergebnisse zeigten, dass sich der Durchmesser der Laserstrahltaille, der zu Beginn weniger als 0,2 Millimeter betrug, am Ende des Laserpulses auf 0,4 Millimeter verdoppelte. Dies war ein Beweis dafür, dass die thermische Defokussierung das Profil des Laserstrahls veränderte.

Richerzhagen beschloss, die Änderung des Brechungsindex von Wasser in Abhängigkeit von seiner Temperatur zu messen. Dieses Wissen würde es ihm ermöglichen, Maßnahmen zu ergreifen, um den thermischen Defokussierungseffekt zu beseitigen. Er stellte fest, dass die vorhandenen quantitativen Daten für seine Zwecke nicht ausreichten. Diesen Zusammenhang musste er in einer kontrollierten Laborumgebung mit einem 1064-nm-Laser messen. Ziel war es, die genauen Daten zu erhalten, die für eine theoretische Simulation benötigt werden.

Richerzhagen entwarf eine Struktur mit optischer Interferometrie. Nachdem das Wasser im Glasgefäß auf eine bestimmte Temperatur erhitzt worden war, musste eine Stunde gewartet werden, bis sich die Wassertemperatur stabilisiert hatte. Ein Spiegel im Wasser wurde um eine bestimmte Länge bewegt, um die Veränderung der Störsignale zu messen. Die Messungen wurden für Wassertemperaturen von 20 °C bis 60 °C durchgeführt, um den Brechungsindex für jede Temperaturstufe zu bestimmen. Die Daten waren so aussagekräftig, dass sie 1996 in der Zeitschrift „Applied Physics“ und im „Handbook of Chemistry and Physics“ veröffentlicht wurden. Als nächstes beschloss Richerzhagen, die Ergebnisse seiner experimentellen Messungen durch numerische Simulationen zu bestätigen. Vereinfacht gesagt basierte seine Simulation auf einem Laserstrahl, der ein Gitter aus finiten Elementen durchquert und dessen Weg von unterschiedlichen Brechungsindizes in axialer und radialer Richtung beeinflusst wird. Die theoretischen Simulationsergebnisse von Richerzhagen entsprachen sehr gut denen, die er in seinen früheren praktischen Versuchen erzielt hatte. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift "Applied Physics" (1996) und in der Zeitschrift "Optical Engineering" (1996) veröffentlicht. Obwohl seine Forschung bahnbrechend war, konzentrierte sich Richerzhagen weiterhin auf sein Ziel, eine Kupplungseinheit zu entwickeln, die die Düsen nicht beschädigt.

Um die Wassertemperatur beim Durchgang eines Laserpulses zu stabilisieren, hat Richerzhagen eine strömungsmechanische Lösung gefunden. Er wusste, dass sich das Wasser in einem quasi-stationären Zustand befinden muss, der als laminare Strömung bezeichnet wird. Bei niedrigen Geschwindigkeiten fließt solches Wasser ohne seitliche Vermischung. Benachbarte Schichten gleiten wie Spielkarten aneinander vorbei. Das stille Wasser führt jedoch zur thermischen Linse, die den Laserstrahl beeinflusst. Der quasistationäre Zustand muss also aufgegeben werden. Um eine laminare Strömung bei hoher Geschwindigkeit des Wassers zu gewährleisten, hat er die Wasserkammer neu gestaltet. Es ermöglichte eine homogene Strömung im Laserpfad. Dieser entscheidende Durchbruch gelang durch die genaue Analyse der Strömungseigenschaften an der Düse und deren gezielte Beeinflussung.

Diese Designänderung führte zu einer sehr dünnen Kammer, die die Temperatur des Wassers niedrig hält, wenn der Laserpuls durch sie hindurchtritt. Das Wasser strömte ohne Turbulenzen durch die Düse aus der Kammer. Der Laserstrahl wurde direkt in die Düse fokussiert. Es koppelt sich mit dem aus der Düse austretenden Wasserstrahl. Der Prozess hat funktioniert. Mit dieser verbesserten Konstruktion der Kupplungseinheit (Abb. 4) demonstrierte Richerzhagen erstmals 1993 die Machbarkeit eines wasserstrahlgeführten Lasers zum Materialabtrag. Diese Konstruktion wurde für das dentale Handgerät (Abb. 5) verwendet.

Die erfolgreiche Umsetzung des Projektes am tragbaren Dentallasergerät bildete die Grundlage für Richerzhagen, im Mai 1994 seine Doktorarbeit abzuschließen. Während seiner Promotionsarbeit meldete Richerzhagen 1994 ein deutsches Patent und 1995 ein europäisches Patent an. Richerzhagen gründete Synova SA im Jahr 1997, um Laserschneidmaschinen herzustellen, die seine patentierte wasserstrahlgeführte Lasertechnologie verwenden (Abb. 6). Es gelang ihm, diese Technologie in vielen Industriezweigen anzuwenden. Seit ihrer Gründung hat Synova SA weltweit mehr als 400 Maschinen für verschiedene Industriebereiche geliefert, von der Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie bis hin zu Diamanten und Halbleitern.

Richerzhagen legte den Grundstein für eine Zerspanungstechnologie, die in vielen Industriezweigen zunehmend zum Einsatz kommt. Nur mit dieser Technologie lassen sich CMC-Bauteile (Ceramic Matrix Composites) für die Luft- und Raumfahrtindustrie wirtschaftlich bearbeiten. Führende Forschungsinstitute weltweit interessieren sich für diese Technologie und ihre Anwendungsmöglichkeiten. Der Entwicklung dieser Technologie sieht die Zukunft rosig aus. SMM

Synova: Wasserstrahl führt Laser

Laser Microjet schneidet kalt mit hoher Präzision

Produktionsstandort DACH: Jato-Düsenbau AG

Jato-Düsenbau AG investiert in die Zukunft

AGB AGB Sales Help Kundencenter Media Datenschutz Impressum Cookie Manager Abonnement

Copyright © 2021 Vogel Communications Group

Diese Website ist eine Marke der Vogel Communications Group. Eine Übersicht aller Produkte und Dienstleistungen finden Sie unter www.vogel.de

VCG AG; Synova; Thomas Entzeroth; B&R; gemeinfrei / Geralt; Anne Richter; Blaser Swisslube; Kptec / Blum-Novotest; Klaus Vollrath; Starrag; Yaskawa; Steinmeyer; Paesche Weidmann; Agathon; Schüler; Mikroschritt; Foacas; Parkem; Igus; Fraunhofer IPA; Tumisu / gemeinfrei; Demag; obs / Debrunner Acifer AG / zvg; 6 Fluss; Tebis; Icam; Altair; Koscom; Spühl GmbH