Zirkonoxid schneiden mit 30 W CO2-Laser

CW und Q-switched, ordentlicher Ir, sichtbarer oder UV Rums der Spaß macht, sowie Materialbearbeitung mit diesen Lasern.
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Gerhard2
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Zirkonoxid schneiden mit 30 W CO2-Laser

Beitrag von Gerhard2 » Sa 03 Jan, 2015 5:42 pm

Hallo zusammen,

ich bin vor die Aufgebae gestellt, mit einem 30W CO2-laser:

http://www.polytech-systeme.de/lasersysteme/vls230.html

etwa 90 µm Substrate aus Zirkonoxid (dotiert mit 3 mol% Y2O3) zu schneiden.

Folgende Parameter habe ich zur Verfügung:

Leistung P [%] von 30 Watt
Geschwindigkeit V [%] von ??? m/s (muss ich noch rausfinden)
Anzahl der Überfahrten n []
puls per Inch PPI []

Verfahrmodus Vektor/Raster

Mit dem Parametersatz P=90%; V=6%; n=3 und PPI=1000 bekomme ich bereits recht passable Schnittfugen. Allerdings bleibt immer nich recht viel gebrößel
am Rand stehen und die mechanische Beständigkeit der etwas 3cm großen Bauteile ist (vermutlich aufgrund der zahlreichen Risskeime) sehr bescheiden.

Hat jemand Erfahrung mit der Problematik? Kann mir da jemand weiter helfen?

Gruß, Gerhard

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Re: Zirkonoxid schneiden mit 30 W CO2-Laser

Beitrag von VDX » Sa 03 Jan, 2015 7:09 pm

Hi Gerhard,

mit den kleinen Leistungen und CO2 wird das kaum was - ich habe sowas vor Jahren mit einem gepulsten Scheibenlaser gemacht, heute würde ich es mit einem gepulsten Faserlaser versuchen.

Die einzigen CO2-Laser, die ich kenne, welche Glas oder kristalline Materialien ohne Wärmeeintrag quasi 'streßfrei' schneiden können, sind Q-swich-CO2-Laser von Feha ... die wirst du aber kaum bezahlen können/wollen :roll:

Viktor
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Re: Zirkonoxid schneiden mit 30 W CO2-Laser

Beitrag von Gerhard2 » So 04 Jan, 2015 2:06 pm

Hallo Viktor,

schön, jemand zu finden, der ein wenige Erfahrung mit dem Thema hat. Wenn du sagst, das du "sowas vor Jahren mit einem gepulsten Scheibenlaser gemacht" hasst,
heisst das, du hast Zirkonoxid geschnitten? Oder war es eine andere Keramik.

Du schreibst auch, dass die Leistung von 30W zu gering wäre und dannn meinst du, dass man das Material "ohne Wärmeeintrag quasi 'streßfrei' " schneiden solle.
Das widerspricht sich doch eigentlich. Könntest du das genauer erklären?


Könntest du ein wenig genauer beschreiben, wie sich das Pulsen beim Keramikschneiden auswirkt?

Gruß, Gerhard.

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Re: Zirkonoxid schneiden mit 30 W CO2-Laser

Beitrag von VDX » So 04 Jan, 2015 8:37 pm

Hi Gerhard,

mit dem Scheibenlaser hatte ich damals Silizium und Keramik-Plättchen graviert und geschnitten - bei einigen ging das ziemlich gut, bei anderen mußte ich mehrfach drübergehen, bis ich durch war :?

Die mittlere Leistung dieses Lasers betrug 20 Watt, die Pulsleitung dürfte einige 'zig bis Hundert kW betragen haben.

Während du z.B. beim 'Schneiden' von Glas oder Keramik mit einem normalen CO2-Laser das Material im Spot so stark erhitzt, daß es ziemlich schnell schmilzt, 'aufkocht' und dann wegdampft, ist der Prozeß bei den typischen modulierten oder RF-CO2-Lasern immer noch so lang (oft viele Mikrosekunden pro Puls), daß der Schnittrand deutlich was von der Hitze mitbekommt und durch das Aufheizen und wieder Abkühlen thermische Spannungen und Mikrorisse ebtwickelt.

Bei Ultra-Kurzpuls-Lasern (oder Q-switched CO2) ist die Pulszeit viel geringer und die Puls-Spitzen-Energie deutlich höher, so daß die Zeit, in der das dabei nicht weggedampfte Material erwärmt wird, auch viel kürzer ist und deutlich weniger 'thermischer Streß' entsteht ...

Viktor
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Re: Zirkonoxid schneiden mit 30 W CO2-Laser

Beitrag von Gerhard2 » Mo 05 Jan, 2015 8:28 am

Hallo Viktor,

das mit dem "themrischen Stress" habe ich ganz gut verstanden. Könntest du mir bitte noch erklären, was "RF-CO2-Lasern" genau bedeutet?
Google sagt, dass das etwas mit Radiofrequenz zu tun hat, leider verstehe ich nicht genau, was. Beschreibt das Art und Weise der Anregung des Lasermediums oder hat das etwas mit der Modulation der Pulse zu tun?

... über die Möglichkeit der Pulsmustervariierung werde ich mich nochmal beim Hersteller informieren.

Ansonsten liegen dein Scheiben-Laser und mein CO2-Laser meinen Verständniss nach zumindest im gleichen Leistungsbereich.
DIe signifikanten Unterschiede lägen also bei Pulsintensität und Wellenlänge?


Ich überlege gerade, ob ich den Wärmeeintrag minimieren kann, in dem ich die Verfahrgeschwindigkeit des Lasers erhöhe.
Aber wenn du hier hier von "Mikrosekunden pro Puls" sprichst wird das ja wohl kaum ausreichen. :roll:


Gruß, Gerhard.

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Re: Zirkonoxid schneiden mit 30 W CO2-Laser

Beitrag von VDX » Mo 05 Jan, 2015 10:17 am

Hi Gerhard,

"RF" bedeutet ja auch RadioFrequency - das ist die Anregungsfrequenz des Lasers.

Mein zweiter CO2-Laser (nach einer 'nackten' CO2-Röhre mit 1.5W CW bei 15kV) war ein RF-angeregter gekapselter 5W-CO2-Laser von Eksma, mit dem ich um 1992 herum meine ersten CO2-Lasergravierer aufgebaut hatte ... danach habe ich für die Firmen-Entwicklungen deutlich stärkere von Synrad verwendet.

Momentan habe ich Daheim auch nur einen von den billig-China-Lasercuttern mit 'nackter' 40W-CO2-Röhre, aber mit Anregung im 100 kHz-Bereich ... das könnte auch schon als 'RF'-Anregung gelten :?
Ansonsten liegen dein Scheiben-Laser und mein CO2-Laser meinen Verständniss nach zumindest im gleichen Leistungsbereich.
DIe signifikanten Unterschiede lägen also bei Pulsintensität und Wellenlänge?
Die Leistungen eines modulierten CW-Lasers und eines Puls-Lasers sind überhaupt nicht zu vergleichen!

Wenn du den CW-Laser mit kurzen Pulsen ansteuerst, bekommst du Rechteck-Pulse mit max 30W über die Pulszeit.

Bei einem richtigen Pulslaser (z.B. mit Q-switch) wird das Lasermedium viel höher angeregt, um dann beim 'Freigeben' des Resonators die gesamte vorher 'angestaute' Leistung in einem Riesenpuls abzgeben ... das können bis zu einigen Megawatt Spitzenleistung über einige Nanosekunden sein!

Um diese Pulsleistung wieder aufzufrischen ist eine viel längere Zeitdauer als die Pulszeit erforderlich, so daß hier die gemittelte Leistung als 'averaged CW' angegeben wird ...

Viktor
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Re: Zirkonoxid schneiden mit 30 W CO2-Laser

Beitrag von Gerhard2 » Di 06 Jan, 2015 8:11 pm

Ok, Viktor vielen Dank erstmal.

Ich habe gerade gesehen, dass es möglich ist, die Nachfolgeversion von meinem Laser im Pulsbetrieb zu betreiben.
Ich schau jetzt ersteinmal, ob es möglich ist die hard- bzw. software irgendwie nachzurüsten.

Gruß, Gerhard.

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Re: Zirkonoxid schneiden mit 30 W CO2-Laser

Beitrag von Gerhard2 » Mo 19 Jan, 2015 11:48 am

... ich habe mich um einige Alternativen gekümmert und kann wahrscheinlich bald Versuche mit einer neuen Fokussierungsoptik durchführen.

Allerdings würde ich gerne noch folgenden Gedanken verfolgen:

momentan habe ich scheinbar nicht genug Leistung zum Sublimierschneiden, daher muss ich das Material aufschmelzen und ausblasen.

Die Schnitte bekomme ich ja hin, es bleibt eben nur immer wieder kleine "Bärte" stehen. Eventuell ist dies aufgeschmolzenes und rekristallisiertes Material. ... in der Literatur ist auch zu lesen, dass das Ausblasen bei Zirkonoxid aufgrund dessen großer Schmelzphase recht aufwendig ist.

Momentan strömt in den Druckraum meiner Schneiddüse Druckluft mit 2 bar ein, und tritt durch eine zylindrische Bohrung von 3mm wieder aus. Mir Bernoulligleichung und Düsengeometrievariation liese sich da einiges einstellen.

Daher die Frage ist für das Ausblasen der Schmelze die Luftgeschwindigkeit oder der (dynamische) Luftdruck oder eventuell eine Kombination aus beidem die bestimmende Größe.

Gruß, Gerhard.

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Re: Zirkonoxid schneiden mit 30 W CO2-Laser

Beitrag von VDX » Mo 19 Jan, 2015 12:46 pm

Hi Gerhard,

das mit der Luft durch die Fokussierköpfe hat zwei Aspekte - das eine ist die 'Sperrluft', was du vermutlich mit dem 3mm-Austritt hast -- hier wird nur ein unten ohne allzuviel Druck aus der Düse austretender Lufstsrom verwendet, um evtl. hochspritzendes Material von der Düse fernzuhalten.

Das eigentlich Ausblasen der Schmelze kann viel besser mit einer dünnen Kapillare und Dücken bis 6 Bar von der Seite her direkt in den Spot bzw. Schneidspalt gemacht werden ... seitlich, damit beim 'Einstechen' durch den noch nicht bis Unten offenen Spalt die Schmelze nicht nach Oben wegspritzt und die Düse verschmutzt ...

Viktor
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Re: Zirkonoxid schneiden mit 30 W CO2-Laser

Beitrag von Gerhard2 » Di 20 Jan, 2015 9:02 am

Hallo Viktor,

da ich meine Düse aufgrund der empfindlichen Linse nicht mit mehr als 2 bar betreiben kann, klingt das, was du beschreibst recht interessant für mich. Gibt es für solche Düsen mit zwei Kanälen einen Fachbergiff? Kennst du eine Internetseite, wo man soetwas kaufen kann?

Gruß, Gerhard.

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Re: Zirkonoxid schneiden mit 30 W CO2-Laser

Beitrag von VDX » Di 20 Jan, 2015 10:03 am

Hi Gerhard,

ich weiß nicht, wie das bei den kommerziellen Laserköpfen ist - ich hatte das für einige meiner Projekte zur Mikrobearbeitung so gemacht und will das bei Gelegenheit auch wieder mal aufbauen.

Im Prinzip habe ich dafür Luer-Lock-Adapter aus Stahl (z.B. hier http://www.dosieren.de/produkte/cat/lue ... nlich.html) mit besserer Arretierung von Edelstahl-Kappillaren mit einem 'push-fit'-Druckluftanschluß schräge vor den Fokussierkopf gesetzt - je nach Kappillaren-Durchmesser und Druck ist die Wirkung bzw. das Ergebnis unterschiedlich :freak:

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