Grundlagen der Pulsdauer: Nanosekunden vs. Pikosekunden<\/h2>
Nanosekundenlaser arbeiten mit einer Pulsdauer von 10\u207b\u2079 Sekunden. Das entspricht einer Milliardstel Sekunde. Das Material absorbiert die Energie und erhitzt sich. Die W\u00e4rme breitet sich in die Umgebung aus, bevor es verdampft. Dadurch entsteht eine W\u00e4rmeeinflusszone um die Schnitt- oder Bohrstelle.<\/p>
Pikosekundenlaser feuern in 10\u207b\u00b9\u00b2 Sekunden \u2013 drei Gr\u00f6\u00dfenordnungen schneller. Das Material hat keine Zeit, W\u00e4rme seitlich abzuleiten. Die Energie flie\u00dft in Verdampfung und Plasmabildung statt in thermische Diffusion. Die W\u00e4rmeeinflusszone (WEZ) verkleinert sich drastisch.<\/p>
Spitzenleistungsdichte<\/h3>
Nanosekundensysteme liefern 10\u2078 bis 10\u00b9\u2070 W\/cm\u00b2 im Fokuspunkt. Der OPMT L320V arbeitet mit einer mittleren Leistung von 100 W und einstellbaren Pulsbreiten von 30 bis 500 ns. Bei einer Pulsbreite von 100 ns erreicht die Spitzenleistung etwa 1 MW bei einer Pulsenergie von 100 \u03bcJ.<\/p> Pikosekundenlaser erreichen Spitzenleistungsdichten von 10\u00b9\u00b9\u201310\u00b9\u00b3 W\/cm\u00b2. Gleiche mittlere Leistung, k\u00fcrzere Pulsdauer, h\u00f6here Spitzenintensit\u00e4t. Dies ist aus zwei Gr\u00fcnden wichtig: Ablationsschwelle und Materialselektivit\u00e4t. H\u00f6here Spitzenleistung erm\u00f6glicht die Bearbeitung von Materialien, die auf l\u00e4ngere Pulse schlecht reagieren.<\/p> Ich habe beide Verfahren an polykristallinem Diamant (PCD) getestet. Das Nanosekunden-Verfahren erzeugt sichtbare thermische Risse, die von der Schnittfuge ausgehen. Das Pikosekunden-Verfahren hinterl\u00e4sst saubere Kanten mit minimaler Besch\u00e4digung der darunterliegenden Schicht. Der Unterschied wird unter 1000-facher Vergr\u00f6\u00dferung deutlich: Das Nanosekunden-Verfahren erzeugt eine 20\u201330 \u00b5m dicke besch\u00e4digte Schicht, das Pikosekunden-Verfahren h\u00e4lt sie unter 5 \u00b5m.<\/p> Die Bearbeitung im Nanosekundenbereich ist thermisch. Energie erhitzt das Material \u00fcber die Verdampfungstemperatur. Die W\u00e4rme wird in das Grundmaterial geleitet. Es entstehen eine Schmelzzone, eine W\u00e4rmeeinflusszone und mitunter eine Umwandlungsschicht, in der geschmolzenes Material an den Schnittfugenw\u00e4nden wieder erstarrt.<\/p> Pikosekunden-Verschiebungen f\u00fchren zu photomechanischer Ablation. Der Puls endet, bevor eine signifikante W\u00e4rmeleitung eintritt. Das Material verdampft direkt. Bei Intensit\u00e4ten \u00fcber 10\u00b9\u00b2 W\/cm\u00b2 bildet sich Plasma. Sto\u00dfwellen breiten sich im Material aus, die thermischen Effekte bleiben jedoch lokal begrenzt.<\/p> Der \u00dcbergang zwischen thermischer und nicht-thermischer Ablation erfolgt je nach thermischen Eigenschaften des Materials im Bereich von 10\u2013100 Pikosekunden. Metalle mit hoher W\u00e4rmeleitf\u00e4higkeit (Kupfer, Aluminium) profitieren st\u00e4rker von der Pikosekundenbearbeitung als Keramiken mit geringer W\u00e4rmeleitf\u00e4higkeit.<\/p> Metalle reflektieren den gr\u00f6\u00dften Teil des einfallenden Lichts bei einer Wellenl\u00e4nge von 1064 nm. Die typische Absorption betr\u00e4gt 5\u201310\u00b9\u00b3T f\u00fcr Aluminium, 20\u201330\u00b9\u00b3T f\u00fcr Stahl und 40\u201350\u00b9\u00b3T f\u00fcr Titan. Sobald das Material \u00fcber den Schmelzpunkt erhitzt wird, steigt die Absorption drastisch an \u2013 geschmolzenes Metall absorbiert 70\u201390\u00b9\u00b3T der einfallenden Energie.<\/p> Nanosekundenpulse nutzen diesen Effekt. Erste Pulse erhitzen die Oberfl\u00e4che. Nachfolgende Pulse interagieren mit hei\u00dfem oder geschmolzenem Material, wo die Absorption h\u00f6her ist. Dies ist effizient f\u00fcr den Abtrag gr\u00f6\u00dferer Materialmengen.<\/p> Die Pikosekundenablation beruht nicht auf einer Verst\u00e4rkung der thermischen Absorption. Jeder Puls verdampft das Material, bevor es schmilzt. Die Effizienz h\u00e4ngt st\u00e4rker von der direkten Ablationsschwelle als von der thermischen Akkumulation ab. F\u00fcr Aluminium mit einer Absorption von 5% ben\u00f6tigt man die 20-fache Energie, um die Ablationsschwelle zu erreichen. Anforderungen an die Laserleistung und Materialbeziehungen<\/a> hilft dabei, die Verarbeitungsparameter f\u00fcr verschiedene Metalle zu optimieren.<\/p> Keramiken und superharte Werkstoffe verhalten sich anders. Sie absorbieren bereits gut bei 1064 nm. PCD absorbiert je nach Kristallorientierung 40\u2013601 TP3T. Karbide absorbieren 50\u2013701 TP3T. Bei diesen Werkstoffen verhindert die Pikosekunden-Spannung thermische Rissbildung, ohne die Verarbeitungsgeschwindigkeit zu beeintr\u00e4chtigen.<\/p> Der Temperaturanstieg w\u00e4hrend der Laserbearbeitung folgt der W\u00e4rmeleitungsgleichung. Bei einem Gau\u00dfschen Strahlprofil h\u00e4ngt die Spitzentemperatur von der Pulsenergie, dem Strahlradius, dem Absorptionskoeffizienten und der Temperaturleitf\u00e4higkeit ab.<\/p> Bei der Nanosekundenbearbeitung von Stahl mit 100-ns-Pulsen betr\u00e4gt die thermische Diffusionsl\u00e4nge ungef\u00e4hr:<\/p> L = \u221a(\u03b1 \u00d7 t) = \u221a(10\u207b\u2075 m\u00b2\/s \u00d7 10\u207b\u2077 s) \u2248 30 \u03bcm<\/p> Dabei ist \u03b1 die Temperaturleitf\u00e4higkeit und t die Pulsdauer. Das ist die minimale Breite der W\u00e4rmeeinflusszone. L\u00e4ngere oder \u00fcberlappende Pulse erh\u00f6hen diese zus\u00e4tzlich.<\/p> F\u00fcr Pikosekundenimpulse bei 10 ps ergibt dieselbe Berechnung:<\/p> L = \u221a(10\u207b\u2075 m\u00b2\/s \u00d7 10\u207b\u00b9\u00b9 s) \u2248 0,3 \u03bcm<\/p> W\u00e4hrend des Impulses bewegt sich die W\u00e4rme kaum. Die W\u00e4rmeeinflusszone (WEZ) wird durch W\u00e4rmeleitung bestimmt. nach<\/em> Der Puls endet, was von der Wiederholrate und der Puls\u00fcberlappung abh\u00e4ngt. Bei einer Wiederholrate von 500 kHz (2 \u03bcs zwischen den Pulsen) ist der thermische Abfall jedes Pulses abgeschlossen, bevor der n\u00e4chste eintrifft. Die W\u00e4rmeeinflusszone bleibt minimal.<\/p> Die Breite der W\u00e4rmeeinflusszone (WEZ) ist entscheidend daf\u00fcr, ob die Laserbearbeitung f\u00fcr Pr\u00e4zisionsanwendungen geeignet ist. Turbinenschaufeln in der Luft- und Raumfahrt weisen geometrische Toleranzen von \u00b110 \u00b5m auf. Eine 100 \u00b5m breite WEZ ver\u00e4ndert die Materialeigenschaften \u00fcber die gesamte Fl\u00e4che. Bei Stents f\u00fcr medizinische Ger\u00e4te ist eine Oberfl\u00e4chensch\u00e4digung unter 2 \u00b5m erforderlich, um Spannungskonzentrationen und Materialerm\u00fcdung zu vermeiden.<\/p> Pr\u00fcfungen an Edelstahl 316L mit dem OPMT-System L320V (100 W mittlere Leistung, 100 ns Impulse, 50 kHz Wiederholrate) ergaben W\u00e4rmeeinflusszonenbreiten von 60\u201380 \u00b5m, gemessen mittels Mikroh\u00e4rtepr\u00fcfung. Die betroffene Zone weist folgende Merkmale auf:<\/p> Die Umwandlungsschicht ist durchschnittlich 5\u20138 \u00b5m dick. Es handelt sich um wiederverfestigtes Material mit einer anderen Mikrostruktur als das Grundmaterial. Sie ist typischerweise h\u00e4rter und spr\u00f6der. In Anwendungen, die unter hoher Erm\u00fcdungsbelastung stehen, wirkt sie als Ausgangspunkt f\u00fcr Risse.<\/p> Bei Hartmetall-Schneidwerkzeugen ist die W\u00e4rmeeinflusszone (WEZ) im Nanosekundenbereich besonders ausgepr\u00e4gt. Wolframcarbid besitzt eine geringe W\u00e4rmeleitf\u00e4higkeit (50 W\/m\u00b7K gegen\u00fcber 15 W\/m\u00b7K bei Stahl). Die W\u00e4rme staut sich, anstatt abgeleitet zu werden. Wir messen WEZ-Breiten von 100\u2013120 \u00b5m, wobei sichtbare thermische Risse sich um weitere 50\u2013100 \u00b5m erstrecken.<\/p> Derselbe 316L-Stahl, der mit Pikosekundenpulsen verarbeitet wurde, weist eine W\u00e4rmeeinflusszonenbreite von 15\u201325 \u00b5m auf. Dies entspricht einer Reduzierung von 70% im Vergleich zur Nanosekundenverarbeitung. Die Eigenschaften der betroffenen Zone ver\u00e4ndern sich:<\/p> Die Dicke der Umschmelzschicht sinkt unter 1 \u03bcm und ist oft nur mit hochaufl\u00f6sender Rasterelektronenmikroskopie (REM) erkennbar. Die Schnittfugenw\u00e4nde sind sauberer. Der Nachbearbeitungsaufwand verringert sich deutlich.<\/p> Bei Hartmetall reduziert die Pikosekundenbearbeitung die W\u00e4rmeeinflusszone auf 20\u201330 \u00b5m, ohne dass sichtbare thermische Risse entstehen. Die Verbesserung ist deutlicher als bei Metallen, da die W\u00e4rmespeicherung der limitierende Faktor f\u00fcr die Nanosekundenbearbeitung war.<\/p> Wir messen die W\u00e4rmeeinflusszone (HAZ) mithilfe verschiedener Techniken:<\/p> Querschnittsanalyse: Senkrecht zur Laserschnittlinie schneiden, polieren und mit geeignetem \u00c4tzmittel \u00e4tzen (Nital f\u00fcr Stahl, Murakamis Reagenz f\u00fcr Hartmetall). Die Lichtmikroskopie zeigt die Mikrostrukturver\u00e4nderungen. Die Grenze zwischen W\u00e4rmeeinflusszone und Grundwerkstoff erscheint als sichtbare Linie, an der sich die Kornstruktur \u00e4ndert.<\/p> Elektronenmikroskopie: Die Rasterelektronenmikroskopie (REM) erm\u00f6glicht eine h\u00f6here Aufl\u00f6sung f\u00fcr Messungen d\u00fcnner W\u00e4rmeeinflusszonen (WEZ) unter 20 \u00b5m. R\u00fcckstreuelektronenaufnahmen heben Phasen mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung hervor. Umkristallisierte Schichten erscheinen aufgrund der unterschiedlichen Elektronenwechselwirkung als helle Bereiche.<\/p> H\u00e4rtemessung: Mikroh\u00e4rtepr\u00fcfungen in 25-\u00b5m-Intervallen \u00fcber die W\u00e4rmeeinflusszone (WEZ) quantifizieren Eigenschafts\u00e4nderungen. Die H\u00e4rte wird gegen den Abstand von der Schnittfuge aufgetragen. Der Punkt, an dem die H\u00e4rte wieder den Wert des Grundmaterials annimmt, definiert die Grenze der WEZ.<\/p> Dies sind keine Schnelltests. Die Pr\u00e4paration der Querschnitte dauert 2\u20133 Stunden pro Probe. Sie sind jedoch notwendig, um Laserparameter zu validieren, insbesondere f\u00fcr neue Materialien oder kritische Anwendungen.<\/p> Komponenten f\u00fcr Turbinen in der Luft- und Raumfahrt spezifizieren typischerweise eine W\u00e4rmeeinflusszone (WEZ) von unter 50 \u00b5m. Einige kritische Anwendungen erfordern sogar unter 25 \u00b5m. Die Nanosekunden-Bearbeitung erf\u00fcllt die weniger strengen Anforderungen gerade so. Die strengen Anforderungen kann sie nicht erf\u00fcllen. Die Pikosekunden-Bearbeitung hingegen erm\u00f6glicht beides.<\/p> F\u00fcr medizinische Stents gelten noch strengere Anforderungen. Suboberfl\u00e4chensch\u00e4den m\u00fcssen unter 5 \u00b5m liegen, um Materialerm\u00fcdung zu verhindern. Die NMPA-Zertifizierung f\u00fcr kardiovaskul\u00e4re Stents erforderte den Nachweis einer W\u00e4rmeeinflusszone (WEZ) von unter 3 \u00b5m. Das Femtosekunden-System Light 5X 60V von OPMT erreichte dies mit einer Positioniergenauigkeit von 5 \u00b5m. Nanosekunden-Systeme konnten diese Anforderung nicht erf\u00fcllen.<\/p> Industrielle Schneidwerkzeuge sind toleranter. PCD-Eins\u00e4tze f\u00fcr die Automobilfertigung<\/a> Eine W\u00e4rmeeinflusszone (WEZ) von 50\u2013100 \u00b5m ist tolerierbar, sofern sie sich nicht bis zur Schneidkante erstreckt. F\u00fcr den Grobmaterialabtrag (Schruppen) verwenden wir Nanosekunden-Schneiden, gefolgt von Pikosekunden-Schneiden f\u00fcr die finale 200 \u00b5m Schneidkantengeometrie.<\/p> Produktionsleiter achten auf die Teileanzahl pro Stunde. Die Impulsdauer beeinflusst den Durchsatz durch die Ablationseffizienz, die erforderliche Anzahl an Durchg\u00e4ngen und den Nachbearbeitungsaufwand.<\/p> Das L320V-System von OPMT bearbeitet PKD-Bodenfr\u00e4serz\u00e4hne mit einer linearen Schnittgeschwindigkeit von 100 mm\/s. Die Anwendung erfordert:<\/p> Die gesamte Bearbeitungszeit pro Zahn betr\u00e4gt ca. 45 Sekunden. Das entspricht 80 Z\u00e4hnen pro Stunde, zuz\u00fcglich 5 Sekunden f\u00fcr die Teilepositionierung zwischen den Schnitten.<\/p> Die Drei-Pass-Strategie nutzt Nanosekunden-Bearbeitung f\u00fcr die Schrupp- und Vorschlichtbearbeitung (801 \u00b5s Materialabtrag) und schaltet dann f\u00fcr den abschlie\u00dfenden 0,3-mm-Schlichtgang auf Pikosekunden-Bearbeitung um. Dieser Hybridansatz optimiert Geschwindigkeit und Oberfl\u00e4chenqualit\u00e4t.<\/p> Bei reiner Nanosekundenbearbeitung \u00fcber alle Durchg\u00e4nge hinweg steigt die Bearbeitungsgeschwindigkeit auf 150 mm\/s, da der abschlie\u00dfende Pr\u00e4zisionsdurchgang entf\u00e4llt. Die Gesamtzeit sinkt auf 35 Sekunden pro Zahn. Allerdings verschlechtert sich die Oberfl\u00e4cheng\u00fcte von Ra 0,3 \u03bcm auf Ra 1,5 \u03bcm, was Nachschleifvorg\u00e4nge von 20\u201330 Sekunden pro Zahn erforderlich macht.<\/p> Das Light 5X 40V-System erreicht 250 mm\/s auf demselben PCD-Material. Das klingt schneller als eine Nanosekunde. Allerdings sind 4\u20135 Durchg\u00e4nge n\u00f6tig, da die Abtragsmenge pro Impuls geringer ist. Die gesamte Bearbeitungszeit betr\u00e4gt 55 Sekunden pro Zahn.<\/p> Warum dieses Verfahren? Die Oberfl\u00e4chenrauheit betr\u00e4gt nach der Bearbeitung Ra 0,2 \u03bcm ohne Nachbearbeitung. Der Schleifschritt entf\u00e4llt. Gesamtzykluszeit inklusive Nachbearbeitung: 55 Sekunden im Pikosekundenbereich gegen\u00fcber 65 Sekunden im Nanosekundenbereich + Schleifen.<\/p> Pikosekunden punkten beim Durchsatz wenn Sie nachgelagerte Prozesse miteinbeziehen.<\/em> F\u00fcr Anwendungen, die keine hohe Oberfl\u00e4cheng\u00fcte erfordern, ist die Nanosekunde schneller.<\/p> Wiederholrate: Nanosekunden-Q-geschaltete Laser arbeiten typischerweise mit 20\u2013200 kHz, in High-End-Systemen sogar mit bis zu 500 kHz. Pikosekunden-Moden-gekoppelte Laser erreichen 1\u2013100 MHz, jedoch bedingt die Begrenzung der durchschnittlichen Leistung eine Reduzierung der Pulsenergie. Der optimale Bereich f\u00fcr industrielle Pikosekundenlaser liegt bei 200\u2013500 kHz \u2013 hoch genug f\u00fcr eine angemessene Verarbeitungsgeschwindigkeit und niedrig genug, um eine ausreichende Pulsenergie zu gew\u00e4hrleisten.<\/p> Pulsenergie: Jeder Puls tr\u00e4gt ein bestimmtes Materialvolumen ab (ann\u00e4hernd). H\u00f6here Pulsenergie bedeutet weniger ben\u00f6tigte Pulse. Nanosekundenpulse liefern typischerweise 100\u2013500 \u00b5J, Pikosekundenpulse 10\u2013100 \u00b5J. F\u00fcr die gleiche Materialabtragsmenge sind 5\u201310-mal so viele Pulse erforderlich.<\/p> Strahllieferung: Galvanometer-Scanner<\/a> Die Verarbeitungsgeschwindigkeit ist begrenzt. Der Scanner muss den Strahl positionieren, Impulse aussenden und zur n\u00e4chsten Position fahren. Bei einer Wiederholrate von 500 kHz und einem Punktabstand von 10 \u03bcm betr\u00e4gt die maximale Scangeschwindigkeit 5 m\/s. Das klingt schnell. Beschleunigungsbegrenzungen reduzieren die praktische Geschwindigkeit jedoch bei typischen Geometrien auf 1\u20132 m\/s.<\/p> Materialeigenschaften: Reflektierende Metalle (Aluminium, Kupfer) werden im Pikosekundenbereich langsamer verarbeitet, da die Ablationsschwelle h\u00f6her ist. Absorptionsmaterialien (Keramik, Karbide) werden im Nanosekundenbereich und im Pikosekundenbereich mit \u00e4hnlichen Geschwindigkeiten verarbeitet.<\/p> Nanosecond eignet sich hervorragend f\u00fcr Schruppbearbeitungen. Die hohe Pulsenergie tr\u00e4gt Material schnell ab. Die W\u00e4rmeeinflusszone (WEZ) ist f\u00fcr das Schruppen akzeptabel, da sie in den Schlichtg\u00e4ngen entfernt wird.<\/p> Pikosekundenpulse sto\u00dfen bei der Materialabtragung an ihre Grenzen. Geringere Pulsenergie bedeutet mehr Durchg\u00e4nge. F\u00fcr eine Abtragstiefe von 2 mm w\u00e4ren beispielsweise 20 Durchg\u00e4nge mit jeweils 0,1 mm n\u00f6tig. Nanosekundenpulse hingegen schaffen dies in 8 Durchg\u00e4ngen mit jeweils 0,25 mm.<\/p> Die optimale Strategie f\u00fcr Anwendungen mit hohem Materialabtrag: Schruppen im Nanosekundenbereich bis auf 0,2\u20130,5 mm an die Endabmessung heran, gefolgt von Feinbearbeitung im Pikosekundenbereich. Dadurch wird die Gesamtbearbeitungszeit minimiert und gleichzeitig eine exzellente Oberfl\u00e4chenqualit\u00e4t erzielt.<\/p> Bei geringen Produktionsmengen (unter 100 Teilen pro Jahr) ist die Pikosekunden-Technologie auch bei l\u00e4ngerer Bearbeitungszeit sinnvoll. Warum? Die Flexibilit\u00e4t der Einrichtung ist wichtiger als die Zykluszeit. Die Pikosekunden-Technologie verarbeitet mehr Materialien und Geometrien ohne Parameteroptimierung.<\/p> Bei hohen St\u00fcckzahlen (\u00fcber 10.000 Teile pro Jahr) ist die Nanosekunde entscheidend, wenn die Oberfl\u00e4cheng\u00fcte akzeptabel ist. Selbst 10 Sekunden Unterschied pro Teil summieren sich auf 28 Stunden pro Jahr. Das ist bares Geld.<\/p> Der Wendepunkt h\u00e4ngt vom Bauteilwert ab. Hochwertige Luft- und Raumfahrtkomponenten rechtfertigen Pikosekunden-Schneidwerkzeuge selbst bei hohen St\u00fcckzahlen. Standard-Schneidwerkzeuge hingegen in der Regel nicht.<\/p> Die Oberfl\u00e4chenbeschaffenheit beeinflusst die Bauteilleistung. Raue Oberfl\u00e4chen konzentrieren Spannungen. Medizinische Implantate ben\u00f6tigen eine Rauheit (Ra) unter 0,5 \u03bcm, um die Anhaftung von Bakterien zu verhindern. Optische Komponenten ben\u00f6tigen eine Rauheit unter 0,1 \u03bcm f\u00fcr minimale Streuung.<\/p> Tests an Edelstahl 316L mit L320V ergaben eine Oberfl\u00e4chenrauheit (Ra) von 0,8\u20131,5 \u00b5m an vertikalen W\u00e4nden und 1,2\u20132,0 \u00b5m an horizontalen Fl\u00e4chen. Der Unterschied ergibt sich aus der Richtung des Schmelzauswurfs: Die Schwerkraft wirkt bei horizontalen Schnitten unterst\u00fctzend, bei vertikalen W\u00e4nden hingegen entgegen.<\/p> Thermische Effekte k\u00f6nnen unter Vergr\u00f6\u00dferung beobachtet werden:<\/p> Die Oberfl\u00e4che ist nicht schlecht. F\u00fcr viele Anwendungen ist sie ausreichend. Man sieht aber deutlich, dass sie lasergeschnitten ist. Wenn man sie sauberer haben m\u00f6chte, muss man sie anschlie\u00dfend schleifen oder polieren.<\/p> Gleiches Material mit Pikosekundenpulsen: Typischer Ra-Wert 0,15\u20130,4 \u03bcm. Die W\u00e4nde sind glatter. Unter Vergr\u00f6\u00dferung:<\/p> Die Teile k\u00f6nnen direkt nach dem Zuschnitt verwendet werden. F\u00fcr die meisten Anwendungen sind keine Nachbearbeitungsschritte erforderlich.<\/p> Die Mikrorissdichte gibt Aufschluss \u00fcber Materialsch\u00e4den. Wir haben jeweils 50 Proben von Hartmetalleins\u00e4tzen mit einer Dicke von 0,8 mm getestet:<\/p> Nanosecond: Bei 18 Proben waren Randrisse bei 500-facher Vergr\u00f6\u00dferung erkennbar. Die durchschnittliche Rissl\u00e4nge betrug 15\u201340 \u00b5m. Zwei Proben wiesen Risse mit einer L\u00e4nge von \u00fcber 100 \u00b5m auf und wurden daher aussortiert.<\/p> Pikosekunden: Bei zwei Proben wurden Randrisse festgestellt. Die durchschnittliche L\u00e4nge betrug 5\u201310 \u00b5m. Es wurden keine Risse \u00fcber 20 \u00b5m festgestellt. Dies entspricht einer Reduzierung der Defektrate durch 90%.<\/p> Die Gratbildung wird ebenfalls verbessert. Nanosekunden-Grate erfordern eine mechanische Entgratung. Pikosekunden-Grate sind minimal \u2013 oft gen\u00fcgt es, sie mit L\u00f6sungsmittel abzuwischen.<\/p> Die umgeschmolzene Schicht ist wiederverfestigte Schmelze. Sie weist eine andere Mikrostruktur als das Grundmaterial auf. Sie ist in der Regel h\u00e4rter, manchmal spr\u00f6der. Bei Hartmetall kann sie abplatzen und dadurch Defekte verursachen.<\/p> Nanosekunden-Umwandlungsschichtdicke:<\/p> Minimale Neuformung im Pikosekundenbereich:<\/p> Bei Pr\u00e4zisionsanwendungen entf\u00e4llt durch die Pikosekunden-Technologie das Abtragen der Umwandlungsschicht. Das ist der eigentliche Vorteil hinsichtlich der Oberfl\u00e4chenqualit\u00e4t.<\/p> Nanosekundenbauteile ben\u00f6tigen typischerweise:<\/p> Gesamte Nachbearbeitungszeit: 70-140 Sekunden pro Teil.<\/p> Pikosekundenbauteile ben\u00f6tigen:<\/p> Die Kostenersparnis summiert sich. Bei 10.000 Teilen pro Jahr entspricht das einer Einsparung von 170 bis 320 Arbeitsstunden. Hinzu kommen die Kosten f\u00fcr die Schleifmaschinen.<\/p> Unterschiedliche Materialien reagieren unterschiedlich auf die Impulsdauer. Die thermischen Eigenschaften bestimmen, welches Verfahren besser geeignet ist.<\/p> Polykristalliner Diamant schmilzt nicht \u2013 er sublimiert bei 3500 \u00b0C unter Vakuum und graphitiert unter Normalbedingungen. Die Bearbeitung im Nanosekundenbereich f\u00fchrt zur Graphitisierung einer d\u00fcnnen Oberfl\u00e4chenschicht (1\u20133 \u03bcm). Dies beeintr\u00e4chtigt H\u00e4rte und Verschlei\u00dffestigkeit.<\/p> Diamant wird im Pikosekundenbereich direkt verdampft. Minimale Graphitisierung. Wir haben die Oberfl\u00e4chenh\u00e4rte von PCD-Proben gemessen:<\/p> Nanosekunden: 65\u201375 GPa (Basis-PCD: 80\u201390 GPa). H\u00e4rteverlust 20%. F\u00fcr die Grobformung, bei der die Graphitschicht beim Feinschliff entfernt wird, ist eine Nanosekunden-Zeit ausreichend. F\u00fcr die endg\u00fcltige Geometrie einschlie\u00dflich der Schneidkanten sollte eine Pikosekunden-Zeit verwendet werden.<\/p> Kubisches Bornitrid (CBN) zeigt ein \u00e4hnliches Verhalten. Nanosekunden-Zeiten f\u00fchren zu einer Phasenumwandlung in hexagonales BN an der Oberfl\u00e4che. Pikosekunden-Zeiten erhalten die kubische Struktur.<\/p> Wolframcarbid mit Kobaltbinder ist der Standardwerkstoff f\u00fcr Schneidwerkzeuge. Die Bearbeitung im Nanosekundenbereich ist zwar m\u00f6glich, f\u00fchrt aber zu thermischen Rissen. Die Carbidk\u00f6rner und der Kobaltbinder weisen unterschiedliche W\u00e4rmeausdehnungskoeffizienten auf. Schnelles Erhitzen und Abk\u00fchlen erzeugen Spannungen und f\u00fchren zur Rissbildung.<\/p> Pikosekunden reduzieren die thermische Spannung. Die Rissbildung sinkt von 30\u201340\u00a0T\u00b3\/T (Nanosekunden) auf unter 5\u00a0T\u00b3\/T (Pikosekunden). Bei hochwertigen Werkzeugen mit CBN- oder PCD-Spitzen lohnt sich der Mehraufwand durch die Pikosekundentechnologie. Bei Standard-Hartmetallwerkzeugen m\u00f6glicherweise nicht.<\/p> Aluminiumoxid- und Siliziumnitridkeramiken verhalten sich \u00e4hnlich. Die Temperaturwechselbest\u00e4ndigkeit ist gering. Nanosekundenprozesse erzeugen Defekte. Pikosekundenprozesse f\u00fchren zu sauberen Ergebnissen.<\/p> Bei Metallen ist der Nanosekundenbereich f\u00fcr viele Anwendungen noch sinnvoll. Die W\u00e4rmeleitf\u00e4higkeit ist hoch genug, sodass die W\u00e4rmeeinflusszone keine katastrophalen Auswirkungen hat. Schmelzen und Verdampfen sind effiziente Prozesse.<\/p> Titanlegierungen (Ti-6Al-4V) sind interessant. F\u00fcr medizinische Implantate ist eine minimale Besch\u00e4digung der darunterliegenden Oberfl\u00e4che erforderlich. Pikosekunden-Schmelzzeit ist hierf\u00fcr optimal. Strukturbauteile f\u00fcr die Luft- und Raumfahrt sind weniger empfindlich \u2013 Nanosekunden-Schmelzzeit ist ausreichend.<\/p> Edelstahl (316L, 304) l\u00e4sst sich mit beiden Technologien gut verarbeiten. Die Wahl h\u00e4ngt von den Toleranzanforderungen und dem Produktionsvolumen ab.<\/p> Aluminium und Kupfer stellen f\u00fcr die Pikosekundenlaser-Lasertechnik eine Herausforderung dar. Die hohe Reflektivit\u00e4t bei 1064 nm bedeutet eine hohe Ablationsschwelle. Die thermische Akkumulation im Nanosekundenbereich ist hier von Vorteil. Die ersten Pulse erhitzen die Oberfl\u00e4che, die nachfolgenden Pulse f\u00fchren zu einer effizienteren Ablation. Diesen Vorteil bietet die Pikosekundenlaser-Lasertechnik nicht.<\/p> Implantierbare Medizinprodukte (Stents, Knochenschrauben, Gelenkersatz) unterliegen strengen Anforderungen an die Biokompatibilit\u00e4t. Oberfl\u00e4chenverunreinigungen oder -ver\u00e4nderungen k\u00f6nnen eine Immunreaktion ausl\u00f6sen.<\/p> Pikosekunden-Verfahren erzeugen saubere Oberfl\u00e4chen. Die W\u00e4rmeeinflusszone ist minimal. Die Materialeigenschaften entsprechen dem Grundmaterial innerhalb von 10 \u00b5m der Oberfl\u00e4che. Dies erf\u00fcllt die regulatorischen Anforderungen f\u00fcr die meisten implantierbaren Medizinprodukte.<\/p> Nanosekunden-Zeiten k\u00f6nnen f\u00fcr chirurgische Instrumente und externe medizinische Ger\u00e4te eingesetzt werden, bei denen die Biokompatibilit\u00e4tsstandards weniger streng sind. Die meisten Hersteller medizinischer Ger\u00e4te haben jedoch f\u00fcr kritische Komponenten Pikosekunden- oder Femtosekunden-Zeiten als Standard festgelegt.<\/p> Das Light 5X 60V-System von OPMT ist NMPA-zertifiziert f\u00fcr die Herstellung von kardiovaskul\u00e4ren Stents. Daf\u00fcr wurde der Nachweis einer W\u00e4rmeeinflusszone (HAZ) unter 5 \u03bcm und einer Oberfl\u00e4chenkontamination unterhalb der Nachweisgrenze gefordert.<\/p> Pikosekundenlaser eignen sich hervorragend f\u00fcr die selektive Ablation. Sie m\u00f6chten eine 10 \u00b5m dicke Beschichtung entfernen, ohne das Substrat zu besch\u00e4digen? Pikosekundenlaser tragen die Beschichtung ab und stoppen an der Grenzfl\u00e4che. Nanosekundenlaser erhitzen das Substrat durch die Beschichtung hindurch.<\/p>![\"\"](\"https:\/\/www.opmtlaser.com\/wp-content\/uploads\/2025\/01\/Nanosecond-Picosecond-and-Femtosecond-Lasers.jpg\")
<\/figure>Materialinteraktionsmechanismen<\/h3>
Energieeffizienz<\/h3>
Modellierung der thermischen Diffusion<\/h3>
Analyse der W\u00e4rmeeinflusszone (WEZ): Vergleich der thermischen Auswirkungen<\/h2>
Nanosekunden-WEZ-Charakteristik<\/h3>
Pikosekunden-HAZ-Reduzierung<\/h3>
Messmethoden<\/h3>
Anwendungsspezifische Anforderungen an die Gefahrenzone<\/h3>
![\"\"](\"https:\/\/www.opmtlaser.com\/wp-content\/uploads\/2025\/01\/Biomedical-Imaging.jpg\")
<\/figure>Verarbeitungsgeschwindigkeit und Durchsatz: Vergleich der Produktionseffizienz<\/h2>
Verarbeitungsraten im Nanosekundenbereich<\/h3>
Pikosekunden-Verarbeitungsgeschwindigkeiten<\/h3>
![\"\"](\"https:\/\/www.opmtlaser.com\/wp-content\/uploads\/2024\/11\/Light-5X-40V-1.jpg\")
<\/figure>Faktoren, die den Durchsatz beeinflussen<\/h3>
Mehrfachdurchgangsanforderungen<\/h3>
Produktionsvolumen\u00fcberlegungen<\/h3>
Oberfl\u00e4chenqualit\u00e4t und Pr\u00e4zision: Vergleich der Oberfl\u00e4cheneigenschaften<\/h2>
Oberfl\u00e4cheng\u00fcte im Nanosekundenbereich<\/h3>
Oberfl\u00e4chenqualit\u00e4t im Pikosekundenbereich<\/h3>
Vergleich der Kantenqualit\u00e4t<\/h3>
Bildung der Umschmelzschicht<\/h3>
Nachbearbeitungsanforderungen<\/h3>
Materialvertr\u00e4glichkeit und Anwendungseignung<\/h2>
Superharte Werkstoffe (PCD, CBN)<\/h3>
Pikosekunde: 75-85 GPa. Unter 10% H\u00e4rteverlust.<\/p>Karbide und Keramik<\/h3>
Metalle (Titan, Stahl, Aluminium)<\/h3>
Materialien f\u00fcr medizinische Ger\u00e4te<\/h3>
Beschichtungsentfernung und Oberfl\u00e4chenstrukturierung<\/h3>
![\"\"](\"https:\/\/www.opmtlaser.com\/wp-content\/uploads\/2024\/11\/DiaCUT-L315V-1.jpg\")
<\/figure>