Anwendungen und Perspektiven der Lasertechnik

70 Pages·1990·1.677 MB·German

by  Gerd Herziger, Manfred Weck (auth.)

Rheinisch-Westfalische Akademie der Wissenschaften
Natur-, Ingenieur-und Wirtschaftswissenschaften Vortrage . N 380
Herausgegeben von der
Rheinisch-Westfalischen Akademie der Wissenschaften
GERD HERZIGER
Anwendungen und Perspektiven
der Lasertechnik
MANFRED WEeK
Erhohung der Bearbeitungsgenauigkeit
- eine Herausforderung an die Ultraprazisionstechnik
Westdeutscher Verlag
361. Sitzung am 4. Oktober 1989 in Dusseldorf
CIP-Titelaufnahme der Deutsehen Bibliothek
Herziger, Gerd:
Anwendungen und Perspektiven dec Lasertechnik / Gerd Herziger. Erh6hung dec
Bearbeitungsgenauigkeit, eine Herausforderung an die Ultraprazisionstechnik /
Manfred Week. -Opladen: Westdt. VerI.. 1990
(Vortrage / Rheinisch-Westfalische Akademie dec Wissenschaften: Natur-,
Ingenieur-und Wirtschaftswissenschaften; N 380)
NE: Week, Manfred: Erh6hung dec Bearbeitungsgenauigkeit. eine Herausforderung
an die Ultraprazisionstechnik; Rheinisch-Westfalische Akademie dec Wissenschaften
(Dusseldorf): Vartrage / Natue-, Ingenieur-und Wirtschaftswissenschaften
Der Westdeutsche Verlag ist ein Unternehmen der Verlagsgruppe Bertelsmann International.
© 1990 by Westdeutscher Verlag GmbH Opladen
ISBN-13: 978-3-531-08380-3 e-ISBN-13: 978-3-322-85371-4
DOT: 10.1007/978-3-322-85371-4
Inhalt
Gerd Herziger, Aachen
Anwendungen und Perspektiven der Lasertechnik
Geschichtlicher Riickblick ......................................... 7
Dbersicht iiber die Anwendungen der Lasertechnik ................... 8
Lasereinsatz in der Medizin ........................................ 8
Laserme6technik ................................................. 11
Bearbeitungsverfahren mit Laserstrahlung ............................ 12
Schneiden mit Laserstrahlung ...................................... 16
Schwei6en mit Laserstrahlung ...................................... 19
Randschichtbehandlung mit Laserstrahlung .......................... 22
Laserperipherie ................................................... 30
Schlu6bemerkung ................................................ 37
Literatur ..........................................." ............ 38
Diskussionsbeitrage
Professor Dr. phil. nat. Reinhard Selten; Professor Dr.-Ing. Gerd Herziger;
Dr.-Ing., Dr.-Ing. E. h. Siegfried Batzel; Professor Dr. phil. Friedrich Scholz;
Professor Dr. techno Franz Pischinger; Professor Dr. sc. techno Alfred Fett
weis; Professor Dr. med. Sven Eifert; Professor Dr.-Ing. Friedrich Eichhorn;
Professor Dr. rer. nat. Hartwig Hocker ............................ 39
Manfred Week, Aachen
Erhohung der Bearbeitungsgenauigkeit - eine Herausforderung an die Ultra
prazisionstechnik
1. Einleitung ......................................... . . . . . . . . . . .. 45
2. Werkstiicke mit hochsten Qualitatsanforderungen .................. 45
3. Werkzeugmaschinen fur die Ultraprazisionsbearbeitung ............. 48
4. Einflu6gro6en auf die Fertigungsgenauigkeit von Ultraprazisionsma-
schinen ....................................................... 51
5. Erhohung der Genauigkeit und Bearbeitungskomplexitat durch steue-
rungstechnische Ma6nahmen .................................... 53
6 Inhalt
6. Zusammenfassung .............................................. 58
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 59
Diskussionsbeitrage
Professor Dr. rer. nat. Werner Schreyer; Professor Dr.-lng. Manfred Weck;
Professor Dr. techno Franz Pischinger; Professor Dr.-lng. Paul Arthur
Macke; Professor Dr. rer. nat. Eckart Kneller ......................... 65
Anwendungen und Perspektiven der Lasertechnik
von Gerd Herziger, Aachen
Geschichtlicher Riickblick
Ein Riickblick auf die Entwicklungsgeschichte des Lasers - der Laser wurde
1960, also vor rund dreiBig J ahren entdeckt - zeigt drei groBe Entwicklungsab
schnitte, die sich jeweils iiber etwa ein J ahrzehnt erstrecken:
1m ersten J ahrzehnt wurden die Grundlagen und das Verstandnis des Lasers erar
beitet, im zweiten J ahrzehnt wurde - basierend auf diesen Grundlagen - eine Viel
zahl von neuen Lasersystemen erforscht und technisch weiterentwickelt. 1m drit
ten Jahrzehnt fanden die neuen Lasersysteme iiberwiegend im Bereich der
Grundlagenforschung ein breites Spektrum von Anwendungen. Beispiele hierfiir
sind die Einsatze des Lasers in der Spektroskopie, wo die Entwicklung der koha
renten Streuverfahren und der ultrakurzen Laserpulse im Bereich von 1O-15s neue
Erkenntnisse iiber Bau und Verhalten der Molekiile geliefert hat; oder die Physik
der nichtlinearen Vorgange, die zusammen mit dem Prinzip der Selbstorganisa
tion neue physikalische Sichtweisen erschlossen haben und Briicken zu den Bio
und Sozialwissenschaften schlagen.
Nachdem der Laser seine Anwendungstauglichkeit im Bereich der Grundlagen
forschung erwiesen hatte, wurde er zunehmend fiir Anwendungen im Bereich der
Technik eingesetzt. Etwa ab Mitte der 80er Jahre beginnen sich Laseranwendungen
auch in der Industrie zu verbreiten.
Riickblickend ist man erstaunt, daB 25 Jahre Laserforschung und -entwicklung
erforderlich waren, bis der Laser in der Industrie FuB fassen konnte. En Vergleich
mit der Entwicklung anderer High-Tech-Bereiche wie der Computertechnik
zeigt, daB dort die gleiche Zeitspanne bis zur Anwendungsreife notwendig war.
Wahrend jedoch der Computer die Lasung fiir ein lange bekanntes Problem bot,
war der Laser eine Erfindung, die ihre Anwendung erst suchen muBte.
Noch ein weiteres Problem hat die Entwicklung der Lasertechnik verzagert:
Der Laser ist das physikalische System mit dem naturgesetzlich niedrigstmaglichen
Wert der Entropie. Soweit wir Wissenschaft zuriickverfolgen kannen, standen
immer Systeme im thermischen Gleichgewicht - also mit maxi maier Entropie -
im Mittelpunkt des Interesses. Nichtgleichgewichtssysteme mit minimaler Entro
pie wie der Laser kommen in der Natur nicht vor und haben sich deshalb unserem
Versdndnis lange Zeit entzogen.
8 Gerd Herziger
Laserstrahlung als die Energieform minimaler Entropie ist dadurch ausgezeich
net, daB sie mit maximalem Wirkungsgrad in andere Energieformen oder andere
physikalische Zustande umgewandelt werden kann. Diese U mwandlungsmoglich
keiten geben den Rahmen fur das Spektrum der Anwendungen. Als charakteristi
sches Merkmal konnen bei diesen U mwandlungen die naturgesetzlichen Grenzen
voll ausgeschopft werden.
Anwendungen des Lasers reichen daher von den hochsten Genauigkeiten bis zu
den hochsten Leistungsdichten, die terrestrisch oder extraterrestrisch bekannt
sind. Das Spektrum der Laseranwendungen solI im folgenden als Dbersicht darge
stellt und am Beispiel der Bearbeitung mit Laserstrahlung exemplarisch vertieft
werden.
Obersicht aber die Anwendungen der Lasertechnik
Bild 1 zeigt die wichtigsten Anwendungsfelder der Lasertechnik, soweit sie
heute industriell eingesetzt werden. Ein wesentlich umfangreicheres Bild wiirde
sich ergeben, wenn die Forschungsgebiete dargestellt werden, die als Vorlaufer
industrieller Anwendungen eingestuft werden konnen. Wir mussen deshalb
davon ausgehen, daB uns erst ein Bruchteil der industriellen Einsatzmoglichkeiten
von Lasern bekannt ist. Doch wird heute schon deutlich, daB der Laser in alle Berei
che mit wirtschaftlicher Bedeutung eindringt.
1m unteren Teil des Bildes uberwiegen Anwendungen des Lasers in der
Kommunikations- und Informationstechnik, dem zur Zeit groBten Einsatzbe
reich des Lasers. Mehr als 50% des Lasermarktes entfallen auf die Bereiche Laser
drucker, Drucktechnik, Kommunikationstechnik, Farbscanner, Strichkodierung
und digitale Speicherplatten. Als die groBen Marktbereiche der Zukunft werden
die optischen Computer und die optische Datenverarbeitung angesehen. Sie befin
den sich jedoch noch im Forschungsstadium oder in der Anfangsphase der
Markteinfuhrung.
Ein Beispiel fur das Marktpotential in der Kommunikationstechnik: Der Inve
stitionsbedarf fur die Ausstattung der EG mit Glasfaser-Breitbandkabeln wird auf
mindestens 200 Milliarden DM, der fur die Einrichtung des ISDN (Integrated Ser
vices Digital Network) auf uber eine Billion DM veranschlagt.
Lasereinsatz in der Medizin
In der Medizin werden Laser sowohl in der Diagnostik als auch in der Therapie
eingesetzt. In beiden Funktionen hat sich der Laser bewahrt und wird in einzelnen
Anwendungen und Perspektiven der Lasertechnik 9
MeBtechnik Fertigungstechnik
Langen-IWinkelmessungen Schneiden. Bohren
holographische Analysen SchweiBen. Loten
Laser-Anemometrie Veredeln. Harten
Laser-Doppler neue Werkstoffe
- Augen Spektrometer Material
heilkunde: OberflachenprOfung synthese- .'c
Netzhaut Standard fOr Kontroll Emissions- Q)
ablosung Langen und verfahren kontrolle ~
Starbehandlung Zeit Abstandsradar >
- Laserchirurgie Klopfsensoren
- SteinzertrOmmerung Flugwarnsysteme
- Angioplastie Nebelwarnsysteme
Tumorbehandlung Laser Fahrleitsysteme
technik
Strichkodierung CD-Schallplatten
Laserdrucker Bildplatten
Laserscanner Laserdisplays g>
Drucktechnik Lidar Videotechnik 3
Farbtaster Umwelt Lerriprogramme ro
-E
Mikroanalyse kontrolle .8
KodierprOf Lichtleiter Luft-Wasser c
::J
system Telefonsysteme analyse
integrierte Optik Kontrolle von
optische Verbrennungs
Entkoppler vorgangen
optische Plasmaspektroskopie
Rechnersysteme Fusionsforschung
Kommunikation Energie und Umwelt
Bild 1: Anwendungen der Lasertechnik
Bereichen, wie z. B. der Augenheilkunde, bereits als Standardgerat verwendet. In
den etablierten Verfahren kann die Laserwirkung yom Arzt unmittelbar makro
skopisch durch Veranderung des Gewebes infolge Koagulation, Karbonisation,
Vaporisation und Ablation verfolgt und gegebenenfalls beeinfluGt werden.
Neue therapeutische Verfahren machen zunehmend von Prozessen Gebrauch,
die tiber Reaktionsketten ablaufen, wie die photodynamische Therapie in der
Onkologie oder der Einsatz von Mikroplasmen in der intraokularen Mikrochirur
gie. Typisch fur diese Anwendungen ist, daG der EinwirkungsprozeG dem Auge
und EinfluG des Arztes ohne Hilfsmittel nicht zuganglich ist und daher, auch
wegen des hohen Gefahrdungspotentials, eine Erganzung durch objektive Kon
trollverfahren erforderlich wird. Das Risiko einer ungewollten Schadigung der
gesunden Umgebung laGt sich wegen der teilweise unsichtbaren, mit hoher
Geschwindigkeit ablaufenden Prozesse nur mit automatischen Regelverfahren
ausschlieGen, urn so den best en therapeutischen Nutzen zu erreichen.
10 Gerd Herziger
Ein Beispiel hierzu ist die Beseitigung von Triibungen im Auge durch intraoku
lare Mikrochirurgie ohne Offnung des Auges. Hierzu werden Mikroplasmen im
Auge erzeugt, deren Schockwellen und Kavitationswirkungen das Gewebe tren
nen. Die Lasertechnik hat hier zwei Aufgaben zu lasen:
- erstens das Mikroplasma auf Bruchteile eines Millimeters exakt im Bereich der
Triibung zu positionieren und
- zweitens Laser zu entwickeln, deren Intensitat und Pulsverlauf so prazise
abstimmbar ist, da6 der Augenhintergrund durch Selbstabsorption im Plasma
geschiitzt wird und damit irreversible Schadigungen verhindert werden.
Ein weiteres Beispiel ist die Rekanalisation verkalkter Gefa6e. Hier mu6 der
Laser Ablagerungen entfernen, ohne das Gefa6 zu verletzen. In diesem Beispiel
steht die Lasertechnik ebenfalls vor zwei Problemen:
- Erstens mu6 die zur Abtragung eingesetzte UV-Strahlung iiber Lichtleit
fasern - z. B. iiber die Armvene - in den Koronarbereich transportiert werden.
Lichtleitfasern fur UV sind heute kommerziell erhaltlich, befinden sich jedoch
erst in der Anfangsphase ihrer Entwicklung.
- Zweitens miissen Intensitat und Pulslange der Laserstrahlung exakt auf die Pla
que abgestimmt werden, was generell nur durch einen adaptiven, d. h. selbstlernen
den Regelvorgang erreichbar ist. Hierzu mu6 der Laser eine Mikrospektralanalyse
durchfiihren, urn festzustellen, ob es sich urn Plaque oder gesunde Gefa6wande
handelt. Dber ein Regelprogramm ist dann anschlie6end die optimale Strahlen
dosis einzustellen.
AIle Aufgaben sind heute im Prinzip las bar, miissen jedoch in eine betriebs
sichere Ausfiihrung gebracht werden.
Die Beispiele, in denen die Laserwirkung iiber eine Reaktionskette ablauft und
yom Arzt nur mit mikroskopischen Hilfsmitteln oder iiber objektive Kontrollver
fahren verfolgt bzw. beeinflu6t werden kann, lassen sich beliebig fortsetzen. Ais
typische Beispiele seien die photodynamische Therapie in der Tumorbehandlung,
die Zertriimmerung von Harnleiter-, Nieren-und Gallensteinen oder die Korrek
tur von Sehfehlern durch Modellieren der Hornhautoberflache genannt. In allen
Beispielen geniigt es nicht, nur die Lasereigenschaften zu verbessern; vielmehr
mu6 das gesamte laserspezifische Zubehar wie Handhabungssysteme, Strahlfuh
rungssysteme, Endoskope, Sensoren und Kontrollinstrumente entwickelt und in
ein Systemkonzept zur adaptiven Regelung integriert werden.
Weitere Voraussetzungen fur die Verbreitung der Lasertechnik in der Medizin
sind die Klarung der bislang nur unvollstandig bekannten Wechselwirkungspro
zesse zwischen Laserstrahlung und Gewebe, die Entwicklung einer geeigneten
Dosimetrie und die systematische Abstimmung der Lasersysteme auf diese Pro-