01 Technische Grundlagen und Merkmale
Das Grundprinzip des wassergeführten Lasers besteht darin, den Laserstrahl in einen Hochdruck-Mikrowasserstrahl einzukoppeln und den Laser durch den Wasserstrahl zur Oberfläche des Materials zu führen. Bei diesem System durchläuft der von der Laserquelle erzeugte Laser zunächst eine Reihe optischer Komponenten (wie Linsen und Spiegel) zur Kollimation und Fokussierung und wird dann durch eine spezielle Düse mit dem Hochdruckwasserstrahl kombiniert. Der Wasserstrahl bildet einen winzigen Kanal in der Düse und der Laserstrahl wird durch diesen Kanal zur Oberfläche des Werkstücks geleitet, wie in Abbildung 1 dargestellt. Da sich der Brechungsindex von Wasser von dem von Luft unterscheidet, ändert sich der Ausbreitungsweg des Lasers im Wasser. Daher ist ein präzises optisches Design erforderlich, um die Stabilität und den Energiefokus des Laserstrahls sicherzustellen.
Abbildung 1. Das technische Prinzip wassergeführter Laser.
Hohe Präzision: Die wassergeführte Lasertechnologie kann eine Bearbeitungsgenauigkeit im Submillimeter- oder sogar Mikrometerbereich-erreichen. Da der Durchmesser des Wasserstrahls sehr klein ist, normalerweise nur einige zehn bis hunderte Mikrometer, kann der Laserstrahl für feine Schneid-, Bohr- oder Gravurarbeiten präzise an bestimmte Positionen auf dem Werkstück geführt werden. Hohe Effizienz: Bei der wassergeführten Laserbearbeitung wird der Laserstrahl durch den Wasserstrahl direkt auf die Werkstückoberfläche übertragen, wodurch Energieverluste und Streuung in der Luft reduziert werden. Darüber hinaus sorgt der Wasserstrahl auch für Kühl- und Spüleffekte, wodurch die Oberflächentemperatur des Werkstücks effektiv gesenkt und die Wärmeeinflusszone reduziert wird, wodurch die Bearbeitungseffizienz und -qualität verbessert wird. Reduzierter thermischer Schaden: Aufgrund der Kühlwirkung des Wasserstrahls ist die Wärmeeinflusszone (HAZ) bei der wassergeführten Laserbearbeitung sehr klein. Die Wärmeeinflusszone bezieht sich auf den Bereich auf der Oberfläche und im Inneren des Werkstücks, in dem es aufgrund von Wärmeleitung und Strahlung während der Laserbearbeitung zu thermischen Verformungen, Schäden oder Phasenänderungen kommt. Durch die schnelle Abkühlung des Wasserstrahls bei der wassergeführten Laserbearbeitung wird die Wärme schnell von der Werkstückoberfläche abgeleitet, wodurch die Größe und Tiefe der Wärmeeinflusszone verringert und thermische Verformung und Beschädigung des Materials verhindert werden.
Abbildung 2. (a) REM-Bilder von Schnittabschnitten aus Titanlegierungen durch „konventionelles Trockenlaserschneiden“ und wassergeführtes Laserschneiden, (b) Vergleich der Schnittflächen von CFK, die durch wassergeführtes Laserschneiden und „konventionelles Trockenlaserschneiden“ erhalten wurden.
02 Anwendungsgebiete
Luft- und Raumfahrt: In der Luft- und Raumfahrt werden sehr hohe Anforderungen an die Präzision und Qualität der Materialbearbeitung gestellt, und wassergeführte Lasertechnologie wird in diesem Bereich häufig eingesetzt. Es kann zur Bearbeitung von Schlüsselkomponenten von Luft- und Raumfahrttriebwerken wie Schaufeln, Turbinenscheiben und Brennkammern verwendet werden, die normalerweise aus schwer zu verarbeitenden Materialien wie Superlegierungen und Titanlegierungen bestehen. Wassergeführte Laser können diese Materialien effektiv schneiden und gravieren und gleichzeitig die Bearbeitungspräzision und Oberflächenqualität gewährleisten, wodurch die Leistung und Zuverlässigkeit der Komponenten verbessert wird. Darüber hinaus können wassergeführte Laser auch zur Bearbeitung von Strukturteilen von Luft- und Raumfahrzeugen wie Flügeln und Rümpfen eingesetzt werden, was die Bearbeitung komplexer Formen und Leichtbaukonstruktionen ermöglicht.
Halbleiterbereich: In der Halbleiterfertigung können wassergeführte Laser zum Schneiden von Halbleitermaterialien wie Siliziumwafern sowie zum Verpacken und Testen von Chips verwendet werden. Da Halbleitermaterialien eine extrem hohe Bearbeitungspräzision und Oberflächenqualität erfordern, sind wassergeführte Laser aufgrund ihrer hohen Präzision und geringen thermischen Schädigung ein ideales Bearbeitungswerkzeug. Sie können Siliziumwafer fein schneiden, Risse und Beschädigungen vermeiden und so die Ausbeute und Leistung der Chips verbessern. Darüber hinaus können wassergeführte Laser für die Mikrobearbeitung von Halbleiterbauelementen verwendet werden, beispielsweise für die Herstellung mikroelektronischer Komponenten und das Ätzen von Mikroschaltkreisen, wodurch Bearbeitungspräzisionen im Mikrometer- oder sogar Nanometerbereich erzielt werden.
Neues Energiefeld: Im neuen Energiesektor können wassergeführte Laser zur Bearbeitung von Schlüsselkomponenten neuer Energiegeräte wie Solarpaneele und Brennstoffzellen eingesetzt werden. Beispielsweise können bei der Herstellung von Solarmodulen wassergeführte Laser zum Schneiden von Siliziumwafern und zum Ätzen von Elektrodenmustern auf der Oberfläche von Solarzellen verwendet werden, wodurch die Effizienz und Leistung der Photovoltaik-Umwandlungsmodule verbessert wird. Bei der Herstellung von Brennstoffzellen können wassergeführte Laser Komponenten wie Membran-Elektroden-Baugruppen und Bipolarplatten bearbeiten und so hochpräzises Schneiden und Gravieren ermöglichen, wodurch die Leistung und Lebensdauer von Brennstoffzellen verbessert wird.
Abbildung 3. Anwendungen von wasser-geführten Lasern.
03 Herausforderungen und Probleme bei wassergeführten Lasern
Stabilität des Wasserstrahls: Bei der wassergeführten Laserbearbeitung kann der mit hoher Geschwindigkeit fließende Wasserstrahl instabil werden, was die Qualität der Bearbeitung beeinträchtigen kann. Beispielsweise können Schwankungen im Wasserstrahl beim Schneiden zu Abweichungen in der Schnittlinie oder zu einer Erhöhung der Oberflächenrauheit führen, was sowohl die Bearbeitungsgenauigkeit als auch die Oberflächenqualität beeinträchtigt. Um die Stabilität des Wasserstrahls zu gewährleisten, ist es notwendig, das Wasserstrahlkontrollsystem so zu optimieren, dass es während der gesamten Verarbeitung einen stabilen Zustand aufrechterhalten kann.
Laser-Wasserkopplungseffizienz: Die Kopplungseffizienz zwischen dem Laserstrahl und dem Wasserstrahl wirkt sich direkt auf die Bearbeitungsergebnisse aus. Bei geringer Kopplungseffizienz erhöht sich der Laserenergieverlust im Wasserstrahl, wodurch sowohl die Bearbeitungseffizienz als auch die Qualität sinken.
Technische Anforderungen an Düsenlöcher: Um eine qualitativ hochwertige wassergeführte Laserbearbeitung zu gewährleisten, sind das Design und die Fertigungsgenauigkeit des Düsenlochs von entscheidender Bedeutung. Das Düsenloch muss extrem dünne Wände haben und gleichzeitig eine hohe Rundheitsgenauigkeit und keine Konizität aufweisen, um den Auswirkungen des Wasserflusses standzuhalten. Darüber hinaus muss die Rauheit der Innenfläche des Lochs äußerst gering gehalten werden, um die Stabilität und Konsistenz des Wasserstrahls zu gewährleisten.
Umweltverträglichkeit: Für wassergeführte Laserbearbeitungsgeräte gelten hohe Umweltanforderungen. Der Betrieb der Geräte erfordert beispielsweise eine stabile Stromversorgung, sauberes Wasser und eine Umgebung mit konstanter Temperatur und Luftfeuchtigkeit. In Umgebungen mit schlechten Bedingungen, wie großen Temperaturschwankungen, hoher Luftfeuchtigkeit oder instabiler Stromversorgung, kann die Leistung der Geräte nachlassen oder sogar ausfallen. Darüber hinaus können Faktoren wie Staub und Vibrationen in der Umgebung die Bearbeitung beeinträchtigen und die Bearbeitungsgenauigkeit und -qualität beeinträchtigen. Daher sind in praktischen Anwendungen eine strenge Kontrolle und Verwaltung der Betriebsumgebung der Ausrüstung erforderlich.
04 Aktueller Entwicklungsstand der Branche im In- und Ausland
Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Laserpräzisionsbearbeitungstechnologie und der steigenden Marktnachfrage entwickelt und verbessert sich auch die wassergeführte Laserbearbeitungstechnologie kontinuierlich. Zu den international anerkannten führenden Herstellern von wassergeführten Lasergeräten gehören hauptsächlich zwei Unternehmen: Synova und Avonisys aus der Schweiz. Derzeit entwickeln sich unter den inländischen Unternehmen für wassergeführte Laserbearbeitungsgeräte unter anderem Wot Intelligent Manufacturing, Cosset und Shanghai Lengchen Technology relativ schnell. Einige andere Unternehmen verfolgen den Ansatz, verwandte ausländische Technologien direkt einzuführen und diese dann im Inland zu montieren und zu produzieren und gleichzeitig ihre Produkte zu optimieren. Obwohl dies kurzfristig technologische Lücken schließen und F&E-Kosten und -Zeit reduzieren kann, bestehen auf lange Sicht immer noch bestimmte Probleme, wie etwa die Abhängigkeit von ausländischen Kerntechnologien, unausgewogene F&E-Investitionen und Spillover-Risiken in der Industriekette. Der Autor ist der Ansicht, dass ein positiver Zyklus der „Einführung-Absorption-Überschreitung“ etabliert werden sollte. Die gute Nachricht ist, dass es inzwischen inländische Unternehmen gibt, die in der Lage sind, kommerzielle Geräte mit zu 100 % lokal hergestellten Komponenten auszustatten. Mit der Transformation und Modernisierung der chinesischen Fertigungsindustrie wird die wassergeführte Laserbearbeitungstechnologie eine immer wichtigere Rolle in der High-End-Fertigung spielen, insbesondere bei Fahrzeugen mit neuer Energie, in der Luft- und Raumfahrt sowie bei der Fertigung von High-End-Geräten. Der Einsatz der wassergeführten Lasertechnologie wird die technologische Innovation und Produktverbesserung in diesen Branchen vorantreiben.
