Six Sigma Analyse zur axialen Präzision des Laserabtragens im Werkzeugbau

Ruder, Susanna

Six Sigma Analyse zur axialen Präzision des Laserabtragens im Werkzeugbau

Zusammenfassung

Inhaltsangabe:Einleitung:
Mit der Erfindung des Lasers Ende der 50-ger Jahre wurde die Basis für eine Technologie geschaffen, die mittlerweile immer mehr Märkte erschließt. Während zu Beginn der Ausgangspunkt für die Entwicklung die Technologie an sich war, greift mittlerweile auch bei der Entwicklung der Lasertechnologie immer mehr das Market-Pull-Prinzip. Die treibenden Kräfte der Entwicklung sind also die Bedürfnisse des Marktes, auf Grund derer die Laser angepasst werden müssen.
Hierzu müssen die Laserparameter auf die jeweilige gewünschte Anwendung angepasst werden. Hierbei ist auch eine Überqualifizierung des Prozesses zu vermeiden, da ein solcher Prozess wirtschaftlich nicht bestehen kann.
Einer dieser neuen Märkte für Laser ist das Laserabtragen. Um das Laserabtragen zu einem konkurrenzfähigen und möglicherweise substituierenden Fertigungsverfahren zu entwickeln, muss der Prozess des Laserabtragens auf die jeweiligen Bedürfnisse des Marktes abgestimmt werden. Dazu müssen zuerst die Bedürfnisse der Fertigung ermittelt werden, auf die der Laserabtragprozess dann abgestimmt werden kann.
Eine geeignete Methode, den Prozess systematisch auf die notwendigen Bedingungen des Marktes abzustimmen, bietet die Six-Sigma-Methodik. Mit dieser später noch detailliert beschriebenen Prozessverbesserungsstrategie, die zur gleichen Zeit adäquate Maßnahmen zur Prozessanalyse beinhaltet, soll in diesem Fall das Laserabtragen im Werkzeugbau untersucht werden. Der Fokus liegt dabei auf der axialen Genauigkeit der durch das Laserabtragen hergestellten Kavitäten.
Ausgangspunkt dieser Arbeit bildet eine repräsentative Umfrage unter 1800 deutschsprachigen Werkzeugherstellern. In dieser Umfrage wurden Anforderungen an neue Fertigungstechnologien ermittelt. Im Vordergrund stehen hierbei kurze Prozessdurchlaufzeiten und die Einhaltung der Maßtoleranzen. Die Herstellkosten folgen erst an vierter Stelle, die Investitionskosten an elfter. Durch diese Priorisierung durch die potentiellen Anwender der neuen Technologie Laserabtragen im Werkzeugbau wird deutlich welche Eigenschaften die Substitutionstechnologie haben muss, um erfolgreich in den Markt eintreten zu können.
In Bezug auf die Durchlaufzeit lässt sich das Laserabtragen heutzutage schon bei kleinen Losgrößen, geringen Abtragtiefen und einer hohen Komplexität der Werkzeuge einsetzen. Eine weitere Erhöhung der Durchlaufzeit kann nur noch durch Erhöhung der Pulsfolgefrequenz erreicht werden (A. Lorenz 2006).
Um […]

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Susanna Ruder

Six Sigma Analyse zur axialen Präzision des Laserabtragens im Werkzeugbau

ISBN-10: 3-8324-9863-X

ISBN-13: 978-3-8324-9863-4

Druck Diplomica® GmbH, Hamburg, 2006

Zugl. Technische Universität Hamburg-Harburg, Hamburg-Harburg, Deutschland,

MA-Thesis / Master, 2006

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http://www.diplom.de, Hamburg 2006

Printed in Germany

AUTORENPROFIL

Susanna Ruder, MSc

Stettemer Str. 97

CH-8207 Schaffhausen

Tel.: 0041 52 643 31 08

susanna.ruder@googlemail.com

PERSÖNLICHE DATEN

Geburtsdatum: 21.12.1979

Geburtsort: Hamburg

SCHULBILDUNG

Abschluss: Abitur (Note 1,7) Sachsenwaldschule Reinbek

STUDIUM

1999-2003 Grundstudium"

Allgemeine Ingenieurwissenschaften"

Hamburg-Harburg

(Vordiplom

3,0)

2003-2004 Hauptstudium

,,Allgemeine Ingenieurwissenschaften"

Vertiefungsrichtung ,,International Production

Management"

Abschluss

BSc

(Note

2,3)

2004-2006 Masterstudium

,,International Production Management"

Abschluss MSc

Abschlussarbeit ,,Six Sigma Analyse zur axialen

Präzision des Laserabtragens im Werkzeugbau"

(Note 1,3)

SPRACHEN

Englisch fliessend

Schwedisch fliessend

Französisch Grundkenntnisse

AUSLANDSAUFENTHALTE

August-Dezember 2005

Technische Universität Göteborg,

Chalmers

INTERESSEN

Innovationsmanagement,

Technologiemanagement,

Produktmanagement,

Lasertechnik

AKTUELLE

ANSTELLUNG

Junior Product Manager bei

Georg Fischer Wavin Piping

Systems, Schaffhausen

ERKLÄRUNG

Hiermit erkläre ich, Susanna Ruder, dass ich die vorliegende Masterthesis mit dem

Titel ,,Six-Sigma Analyse zur axialen Präzision des Laserabtragens im Werkzeugbau"

selbständig verfasst und keine anderen als die angegebene Quellen und Hilfsmittel

benutzt habe.

Hamburg, 28.9.06

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis ... 1

Abbildungsverzeichnis ... 3

Tabellenverzeichnis ... 5

Abkürzungsverzeichnis... 6

1. Einleitung... 7

1.1 Motivation... 7

1.2 Zielsetzung... 8

1.3 Vorgehensweise ... 8

1.3.1 Grundlagen der Six Sigma Methode... 9

1.3.1.1 Prozess ... 9

1.3.1.2 Prozessfähigkeit ... 10

1.3.2 Six Sigma Phasen ... 12

1.3.3 Anwendung im Kontext dieser Arbeit... 13

2. Stand der Technik ... 14

2.1 Einordnung der Verfahren... 14

2.2 Konventionelle Verfahren zur Herstellung von Werkzeugen ... 15

2.2.1 Funkenerosives Abtragen... 15

2.2.2 Hochleistung NC-Fräsen ... 16

2.3 Laserabtragverfahren... 16

2.3.1 Lasergrundlagen... 16

2.3.1.1 Laserstrahlquelle ... 16

2.3.1.2 Strahlqualität ... 24

2.3.1.3 Güteschaltung ... 25

2.3.1.4 Polarisation... 27

2.3.2 Laserstrahlformung und führung... 28

2.3.2.1 Strahlführung mittels Spiegeln... 28

2.3.2.2 Strahlformung ... 29

2.3.2.3 Strahlführung mit optischen Fasern... 31

2.3.3 Laser-Material-Wechselwirkungen ... 32

2.3.3.1 Absorption ... 32

2.3.3.Abtragpulskratertiefe ... 37

2.3.4 Gütegeschaltete Festkörperlaser... 38

2.3.5 Verwendete Laser ... 40

2.3.6 Abtragstrategie ... 42

2.3.6 Vorteile des Laserabtragens... 44

3. Modellbildung zur axialen Varianz der Kavitäten ... 45

3.1 Versuchsplanung... 45

3.1.1 Design of Experiments (DoE) ... 45

3.1.2 Ergebnisse der Regression ... 48

3.2 Diskussion der Methodik ... 55

4. Versuche ... 58

4.1 Untersuchung der Einzelpulse ... 58

4.1.1 Messverfahren... 59

4.1.2 Messergebnisse ... 61

4.1.3 Diskussion der Ergebnisse ... 61

4.1.4 Erstpulse ... 64

4.2 Kavitätenvermessung... 66

4.2.1 Herstellung der Kavitäten ... 66

4.2.2 Vermessung der Kavitäten ... 67

4.2.3 Ergebnisse der Vermessung der Kavitäten ... 68

4.2.4 Diskussion der einzelnen Anlagen... 70

4.3 Korrelation der Ergebnisse der Untersuchung der Einzelpulse mit der

Maßhaltigkeit der Kavitäten... 75

5. Pulskrateranalyse ... 77

5.1 Betrachtung der Entstehung von Pulskratern... 77

5.1.1 Physikalische Betrachtung ... 77

5.1.2 Einflussfaktoren auf die Pulskratergeometrie ... 81

5.2 Einflüsse der Laserparameter auf die Pulsform ... 82

6. Zusammenfassung und Ausblick... 85

7. Anhang ... 87

7.1. DoE für die Überlagerung zweier Pulse ... 87

7.2. Einzelpulsvermessung ... 89

7.3. Kavitätentiefen ... 91

7.4 Pulskraterformhäufigkeiten des stabilen Bereichs ... 91

8. Literaturverzeichnis ... 92

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1-1: Grafische Darstellung eines Prozesses ... 10

Abbildung 1-2: Stabilität und Fähigkeit eines Prozesses ... 11

Abbildung 2-1: Absorption und Emission im Bohr'schen Atommodell...11

Abbildung 2-2: 4-Niveausystem des Nd:YAG-Lasers...12

Abbildung 2-3: Prinzipieller Aufbau eines stabilen Resonators...13

Abbildung 2-4: Prinzipieller Aufbau eines diodengepumpten Lasers...14

Abbildung 2-5: Prinzipieller Aufbau eines lampengepumpten Lasers...14

Abbildung 2-6: Mögliche Konfigurationen für Resonatoren...15

Abbildung 2-7: Radiale Verteilung der Intensität des Gausstrahls...16

Abbildung 2-8: Strahlausbreitung für kleine Divergenzwinkel...17

Abbildung 2-9: Verschiedene radialsymmetrische TEM mit Klassifizierung...18

Abbildung 2-10: Definitionsgrößen des Strahlparameterprodukts ... 25

Abbildung 2-11: Einfluss der Öffnungszeit des Q-Switch auf die Energie E im

Laserkristall und die Intensität I des Laserpulses ... 26

Abbildung 2-12: Lineare Polarisation...21

Abbildung 2-13: Zirkulare Polarisation...22

Abbildung 2-14: Optische Strahlführung und -formung... 30

Abbildung 2-15: Verschiedene Arten der Fasern... 31

Abbildung 2-16: Geometrische Größen und Effekte bei der Laser-Material-

Einkoppelung...28

Abbildung 2-17:Wechselwirkungen zwischen Werkstück und Laserstrahl ... 35

Abbildung 2-18: Schematische Darstellung der Materialdampfexplosion...29

Abbildung 2-19: Einfluss der Pulsdauer auf die Energiebilanz...30

Abbildung 2-20: Schematischer Aufbau einer Laseranlage ... 40

Abbildung 2-21: Prozessparameter des Laserabtragens...36

Abbildung 2-22: Bearbeitungsstrategien... 43

Abbildung 3-1: Exemplarische U-Pulskratergeometrie als Datengrundlage für die

Interpolation mit Maple...41

Abbildung 3-2: Absolute Effekte der Faktoren auf die Profiltiefe... 49

Abbildung 3-3: Einfluss der U-Form auf die Profiltiefe...44

Abbildung 3-4: Einfluss der Plateauform auf die Profiltiefe...45

Abbildung 3-5: Einfluss der W-Form auf die Profiltiefe...46

Abbildung 3-6: Einfluss von P- und W-Form auf die Profiltiefe...47

Abbildung 3-7: Einfluss von U- und W-Form auf die Profiltiefe...48

Abbildung 3-8: Abhängigkeit der Profiltiefe von den Faktoren und deren

Faktorstufen...49

Abbildung 4-1: Prinzip der konfokalen Mikroskopie...52

Abbildung 4-2: 3D-Visualisierung eines Erstpulses des TUHH-Lasers... 60

Abbildung 4-3: Beispielhafter Pulskrater mit Tiefenbemaßung. ... 60

Abbildung 4-4: Beispielhafter Erstpuls, erzeugt mit System 4...57

Abbildung 4-5: Bodenebene einer Kavität, die mit System 2 erstellt wurde...58

Abbildung 4-6: Bemaßung der Kavitäten...59

Abbildung 4-7: Darstellung der Vermessung der Kavitäten...60

Abbildung 4-8: Wüstitbenetzung einer Kavität der TUHH-Anlage...61

Abbildung 4-9: Boxplot der Tiefenmessungen für jede Laseranlage ... 70

Abbildung 4-10: Qualitätsregelkarte der axialen Genauigkeit des Systems 1...64

Abbildung 4-11:Qualitätsregelkarte der axialen Genauigkeit das Lasersystem 2 ... 72

Abbildung 4-12:Qualitätsregelkarte der axialen Genauigkeit des Systems 3... 73

Abbildung 4-13: Qualitätsregelkarte der axialen Genauigkeit des Systems 4...67

Abbildung 4-14: Korrelation zwischen der Häufigkeit des W-Pulses und der axialen

Varianz der Tiefen der Kavitäten ... 75

Abbildung 5-1: Berechneter Materialabtrag am Beispiel Aluminium mit Anteilen von

Schmelze und Dampf...71

Abbildung 5-2: Ishikawa-Diagramm der Einflussfaktoren auf die

Pulskratergeometrie...74

Abbildung 5-3: Alternierende Moden beim Abtrag durch das System 2...75

Abbildung 5-4: Ausbildung einer W-Pulskratergeometrie durch strömungstechnische

Ursachen...76

Tabellenverzeichnis

Tabelle 2-1: Übersicht über die technischen Daten der verwendeten Laser ... 41

Tabelle 3-1: Multiple Regression, dargestellt sind die Regressionskoeffizienten zur

Berechnung der Profiltiefe Pt...42

Tabelle 4-1: Deskriptive Statistiken für die Pulstiefe... ...54

Tabelle 4-2: Pulsformenhäufigkeit der gemessenen Pulse des Systems 1. ... 41

Tabelle 4-3: Pulsformenhäufigkeit der gemessene Pulse des Systems 2 ... 55

Tabelle 4-4: Pulsformenhäufigkeit der gemessenen Pulse des Systems 4. ... 56

Tabelle 4-5: Spurabstände der Laseranlagen ...60

Tabelle 4-6: Test auf Normalverteilung...61

Tabelle 4-7: Deskriptive Statistiken für die Tiefe der Kavitäten...62

Abkürzungsverzeichnis

Zeichen Bedeutung

3D Dreidimensional

Fähigkeitsindex

Fähigkeitsindex inklusive Zentrierung

CTQ

Critical to Quality

cw Continuous

Wave

DIN

Deutsches Institut für Normung

DoE Design

Experiments

Höhendifferenz der Einzelpulse

EDM

Electronic Discharge Machining

H Fluenz

Ablationsschwelle

ISO

International Standards Organization

K Strahlkennzahl

LSL

Lower Specification Limit

M² Modenfaktor

NA Numerische

Apertur

NC Numerical

Computing

Brechungindex

Profiltiefe

PÜ Pulsüberlapp

QRK Qualitätsregelkarte

Q-Switch Güteschaltung

R Kraterradius

Mittenrauhwert

SPP Strahlparameterprodukt

SÜ Spurüberlapp

TEM Transversal-elektromagnetischer

Mode

Verdampfungstemperatur

Verdampfungswärme

USL

Upper Specification Limit

Strahltaillenradius

Rayleighradius

Z Kratertiefe

Lage der Strahltaille

Rayleighlänge

Absorptionskoeffizient

Divergenzwinkel

thermische

Wärmeleitung

Wellenlänge

µ Mittelwert

Standardabweichung

Pulszeit

1. Einleitung

Mit der Erfindung des Lasers Ende der 50-ger Jahre wurde die Basis für eine

Technologie geschaffen, die mittlerweile immer mehr Märkte erschließt. Während zu

Beginn der Ausgangspunkt für die Entwicklung die Technologie an sich war, greift

mittlerweile auch bei der Entwicklung der Lasertechnologie immer mehr das ,,Market-

Pull"-Prinzip. Die treibenden Kräfte der Entwicklung sind also die Bedürfnisse des

Marktes, auf Grund derer die Laser angepasst werden müssen.

Hierzu müssen die Laserparameter auf die jeweilige gewünschte Anwendung

angepasst werden. Hierbei ist auch eine Überqualifizierung des Prozesses zu

vermeiden, da ein solcher Prozess wirtschaftlich nicht bestehen kann.

Einer dieser neuen Märkte für Laser ist das Laserabtragen. Um das Laserabtragen

zu einem konkurrenzfähigen und möglicherweise substituierenden

Fertigungsverfahren zu entwickeln, muss der Prozess des Laserabtragens auf die

jeweiligen Bedürfnisse des Marktes abgestimmt werden. Dazu müssen zuerst die

Bedürfnisse der Fertigung ermittelt werden, auf die der Laserabtragprozess dann

abgestimmt werden kann.

Eine geeignete Methode, den Prozess systematisch auf die notwendigen

Bedingungen des Marktes abzustimmen, bietet die Six-Sigma-Methodik. Mit dieser

später noch detailliert beschriebenen Prozessverbesserungsstrategie, die zur

gleichen Zeit adäquate Maßnahmen zur Prozessanalyse beinhaltet, soll in diesem

Fall das Laserabtragen im Werkzeugbau untersucht werden. Der Fokus liegt dabei

auf der axialen Genauigkeit der durch das Laserabtragen hergestellten Kavitäten.

1.1 Motivation

In diesem Kapitel wird der Ausgangspunkt der Arbeit beschrieben und die daraus

hervorgehende Motivation begründet.

Ausgangspunkt dieser Arbeit bildet eine repräsentative Umfrage unter 1800

deutschsprachigen Werkzeugherstellern. In dieser Umfrage wurden Anforderungen

an neue Fertigungstechnologien ermittelt. Im Vordergrund stehen hierbei kurze

Prozessdurchlaufzeiten und die Einhaltung der Maßtoleranzen. Die Herstellkosten

folgen erst an vierter Stelle, die Investitionskosten an elfter. Durch diese Priorisierung

durch die potentiellen Anwender der neuen Technologie Laserabtragen im

Werkzeugbau wird deutlich welche Eigenschaften die Substitutionstechnologie

haben muss, um erfolgreich in den Markt eintreten zu können.

In Bezug auf die Durchlaufzeit lässt sich das Laserabtragen heutzutage schon bei

kleinen Losgrößen, geringen Abtragtiefen und einer hohen Komplexität der

Werkzeuge einsetzen. Eine weitere Erhöhung der Durchlaufzeit kann nur noch durch

Erhöhung der Pulsfolgefrequenz erreicht werden (Lorenz 2006).

Um diese Priorisierung in Bezug auf die Maßhaltigkeit messbar machen zu können

wurden auch die erforderten Fertigungstoleranzen bestimmt, die sich nach DIN ISO

286 T1 auf IT6 festlegen lässt. Mit diesem Wert können 65% aller Unternehmen

bedient werden, da mit diesen Toleranzen auch geringere Genauigkeiten erfüllt

werden können. Eine Untersuchung in Bezug auf die laterale Genauigkeit des

Laserabtragens wurde bereits im Vorfeld dieser Arbeit abgeschlossen (Munsch

2005).

In dieser Arbeit soll daher die axiale Genauigkeit Gegenstand der Untersuchung

sein.

1.2 Zielsetzung

Um die in der Umfrage festgestellte Zieltoleranz von IT6 für den axialen Abtrag zu

erreichen, dürfen bei den Versuchskavitäten, die einen Tiefenzielwert von 2 mm

haben, maximale Abweichungen der Tiefe von 6 µm auftreten. Es soll dafür im

Rahmen dieser Arbeit eine Korrelation zwischen der Varianz der

Pulskraterprofiltiefen mit der axialen Maßhaltigkeit der Kavitäten nachgewiesen

werden. Daraus können dann die einflussreichsten Ursachen der axialen

Ungenauigkeit extrahiert werden, um diese letztendlich zu eliminieren.

1.3 Vorgehensweise

In diesem Kapitel wird die Methode, mit der die in Kapitel 1.2 beschriebene

Prozessverbesserung erreicht werden soll, zuerst in ihrer Herkunft und in ihren

Grundlagen beschrieben und dann in den Kontext des Laserabtragens im

Werkzeugformenbau gebracht.

1.3.1 Grundlagen der Six Sigma Methode

Die Six Sigma Methode ist eine unternehmensweite Managementstrategie, die auf

die Optimierung von Prozessen abzielt. Durch diese Prozessoptimierung soll die

Leistung erhöht und die Leistungsvarianz verringert werden. Unternehmen wie

General Electrics (GE) und Motorola waren Vorreiter ihrer Anwendung und haben

durch sie erhebliche Einsparungen erreicht. So hat GE zum Beispiel im Jahr 1999

1,5 Mrd. $ durch die erfolgreiche Einführung der Six Sigma Methode eingespart

(Jack Welch).

Rein mathematisch betrachtet ist Sigma ( ) die Standardabweichung der

Gauß'schen Normalverteilung. In einer Normalverteilung fallen 99,99966% aller

Werte in den Bereich von +/- 6 um den Mittelwert µ. Unter der Annahme einer

erlaubten Mittlerwertsschwankung von +/- 1,5 ergibt sich eine Defektrate von 3,4

Fehlern pro 1.000.000 Fehlermöglichkeiten.

Six Sigma zielt allerdings nicht nur auf die Produktqualität, sondern auf die

Verbesserung unternehmensweiter Prozessketten ab. Six Sigma ist eine

Managementphilosophie, eine strukturierte Vorgehensweise zur Prozessoptimierung

und ein statistisches Maß zur Erfüllung von Qualitätsanforderungen (Emmelmann

2005). Daher lässt sich die Methode auch als Strategie bezeichnen, sie muss

unternehmensweit eingeführt und gelebt werden, da nur die Verbesserung des

ganzen Prozesses Erfolge bringt.

Der Unterschied zu vorhergehenden Null-Fehler-Strategien ist insbesondere, dass

Six Sigma erstmals eine erlaubte Fehlerzahl spezifiziert. Es gibt allerdings auch

Bereiche, wie zum Beispiel der Flugzeugbau, in denen auch eine 6 -Qualität nicht

ausreicht.

1.3.1.1 Prozess

Ein Prozess ist laut DIN ISO 9000 ein Satz von in Wechselbeziehungen stehenden

Tätigkeiten, der Eingaben in Ergebnisse umwandelt. Hierbei ist das Prozessergebnis

nicht nur von den gewollten Prozessumwandlungen und den Eingangsgrößen

abhängig, sondern auch von Störgrößen. Dies ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1-1: Grafische Darstellung eines Prozesses

Die Störgrößen verursachen das Prozessrauschen und damit unerwünschte

Prozessergebnisse. Das Ziel einer Prozessverbesserung muss es also sein, die

Störgrößen zu eliminieren, oder zumindest ihren Einfluss auf das Prozessergebnis zu

reduzieren.

1.3.1.2 Prozessfähigkeit

Die Leistung eines Prozesses ist kein konstanter Wert sondern variiert. In den

meisten Fällen lässt sich diese Variation durch die Standardabweichung einer

Normalverteilung beschreiben. Um einen Prozess zu beschreiben, werden zwei

Kriterien angewendet: Stabilität und Fähigkeit. Die Stabilität beschreibt die

Zentrierung eines Prozesses und die Fähigkeit die Varianz.

Prozesseingangsgrößen x

Prozessergebnis

Störgrößen w

f(x

)=y

USL

LSL

LSL=Lower Specification Limit

USL = Upper Specification Limit

Abbildung 1-2: Stabilität und Fähigkeit eines Prozesses (Pfeifer 2001)

Ein Prozess, der über die Zeit ein unterschiedliches Verhalten zeigt, ist nicht stabil

und damit nicht beherrschbar (Abb.1: Quadrant 1). Die fehlende Zentrierung zeigt

eindeutig systematische Störeinflüsse, die Breite der Kurve außerdem auch zufällige.

Im zweiten Quadranten sind die systematischen Störeinflüsse beseitigt, der Prozess

ist über die Zeit zentriert. Er ist damit stabil. In den beiden unteren Quadranten

werden nun die Toleranzen mit in Betracht gezogen. Der Prozess im dritten

Quadranten ist stabil, seine Streuung ist aber breiter als es die Toleranzen zulassen.

Erst im vierten Quadranten wurden die zufälligen Störgrößen soweit beseitigt, dass

die Prozessstreuung sich im erlaubten Bereich aufhält. Dieser Prozess ist stabil und

fähig.

Diese Fähigkeit wird mit den Kenngrößen c

und c

beschrieben.

Der Fähigkeitsindex c

beschreibt die Streuung des Prozesses im Verhältnis zu

seinen Toleranzen.

( )

LSL

USL

(Gl. 1.1)

Hierbei bezeichnen USL (Upper Specification Limit) die obere Toleranzgrenze und

LSL (Lower Specification Limit) die untere Toleranzgrenze.

Üblicherweise wird ein Prozess als fähig bezeichnet, wenn seine Streuung nicht

mehr als +/- 3 beträgt. Wenn also die Streuung genau diesem Toleranzbereich

entspricht, ist c

=1.

Der Index c

berücksichtigt außerdem die Lage der Verteilung. Er bezeichnet den

geringsten Abstand des Mittelwertes bis zu einer Toleranzgrenze im Verhältnis zu

den Toleranzgrenzen.

min

(Gl. 1.2)

Wenn der Prozess zentriert ist, ist c

gleich c

. Eine Abweichung hiervon bedeutet,

dass c

kleiner als c

wird.

Bei einem fähigen Prozess, wovon man üblicherweise ab einem 3 -Niveau spricht,

müssen also beide Fähigkeitsindizes mindestens 1 sein (Pfeifer 2001).

Im Rahmen von Six Sigma spielt die Prozessfähigkeit eine besondere Rolle. Es ist

genau das Ziel von Six Sigma Prozessfähigkeit zu erlangen. Dies bedeutet allerdings

nicht, dass auch wirklich Prozessfähigkeit auf 6 -Niveau erreicht werden muss. Dies

wäre das optimale Ergebnis, dazu bräuchte man allerdings auch ein 6 -Niveau in

allen Zulieferprozessen, da ansonsten schon die Eingangsgrößen des Prozesses,

ohne Betrachtung der Störgrößen, die statistischen Qualitätsanforderungen nicht

erfüllen würden.

Im Kontext dieser Arbeit wird ein 3 -Niveau für das Laserabtragen angestrebt.

1.3.2 Six Sigma Phasen

In der Anwendung besteht Six Sigma aus 5 Phasen, die üblicherweise DMAIC

(Define, Measure, Analyze, Improve, Control) abgekürzt werden. Für jede Phase

existieren verschiedene Methoden, die hier jedoch nicht alle beschrieben werden

sollen.

An dieser Stelle wird eine abstrakte Beschreibung der einzelnen Phasen gegeben, die zugehörigen

Methoden können beispielsweise bei Yang 2003 in Erfahrung gebracht werden.

In der Define-Phase wird der zu betrachtende Prozess definiert und die

Kundenanforderungen werden spezifiziert. Dazu wird ein Projektplan erstellt und der

definierte Prozess modelliert und analysiert. Die Kundenanforderungen werden

ermittelt und priorisiert.

In der Measure-Phase werden die Prozesseinflussfaktoren (Input, Output,

Störgrößen) ermittelt und gemessen. Aus diesen kann dann der aktuelle Sigmalevel

des Prozesses ermittelt werden.

In der Analyze-Phase werden die gemessenen Daten analysiert, um die

Haupteinflussgrößen zur Verbesserung des Prozesses zu identifizieren. Zu der

Betrachtung der einzelnen Messgrößen kommt dann auch eine Analyse der

Prozesse, um nicht-wertschöpfende Teilprozesse herauszufiltern und zu minimieren.

In der Improve-Phase werden dann die identifizierten Schwachstellen verbessert

oder wenn möglich eliminiert.

In der letzten Phase, der Control-Phase, werden die Prozessverbesserungen

aufrechterhalten und dokumentiert. Diese Phase ist auch die Feedbackphase für die

bereits implementierten Verbesserungen (Yang 2003).

1.3.3 Anwendung im Kontext dieser Arbeit

In dieser Arbeit werden Teile der Phasen Analyze, Improve und Control durchgeführt.

Den zu verbessernden Prozess stellt die Herstellung der Kavitäten dar. Zu der

Analyze-Phase gehört die axiale Analyse der Lasereinzelpulse. Nach dem genauen

Messen der axialen Ausbreitung wird ein theoretisches Modell entwickelt, anhand

dessen die Einflussfaktoren auf die axiale Genauigkeit abgeleitet werden. In der

Improve-Phase werden die Einflussfaktoren in technische Daten übersetzt, die

angepasst werden müssen, um Prozessfähigkeit zu erreichen. In der Control-Phase

wird dann das erstellte theoretische Modell validiert.

Die zugehörigen verwendeten Methoden sind Design of Experiments (DoE),

Ishikawa-Diagramm, Gage R&R, CTQ-Baum und Qualitätsregelkarte.

2. Stand der Technik

In diesem Kapitel soll der aktuelle Stand der Technik dargestellt und das notwendige

Prozessverständnis als Basis der folgenden Analysen vorbereitet werden. Hierzu

wird zuerst das Laserabtragen in die genormten Fertigungsverfahren eingeordnet,

die konventionellen Konkurrenzverfahren zum Laserabtragen vorgestellt und die

Technologie des Laserabtragens dargestellt.

2.1 Einordnung der Verfahren

Nach DIN 8580 sind die Fertigungsverfahren in sechs Hauptgruppen eingeteilt. Eine

dieser Gruppen ist das Trennen. In dieser Gruppe befinden sich alle Verfahren, bei

denen die Form des Werkstücks durch Aufhebung des Zusammenhalts verändert

wird.

Diese Verfahren sind:

· Zerteilen

· Spanen mit geometrisch bestimmter Schneideform

· Spanen mit geometrisch unbestimmter Schneideform

· Abtragen

· Zerlegen

· Reinigen

· Evakuieren

Das Laserabtragen ist als Abtragverfahren einzuordnen. Abtragen ist das Abtrennen

von Stoffteilchen auf nicht-mechanischem Weg. Nach DIN 8590 gibt es hier drei

Untergruppen:

· Thermisches Abtragen

· Chemisches Abtragen

· Elektrochemisches Abtragen

Hierbei fällt die Laserstrahlbearbeitung in den Bereich des thermischen Abtragens.

Der Vollständigkeit halber wird im folgenden Kapitel das wichtigste

Konkurrenzverfahren des Abtragens zum Laserabtragen aufgeführt und beschrieben.

2.2 Konventionelle Verfahren zur Herstellung von Werkzeugen

In diesem Kapitel werden die Hauptkonkurrenzverfahren des Laserabtragens im

Werkzeugformenbau, das funkenerosive Abtragen und die Hochgeschwindigkeits-

NC-Zerspanung vorgestellt. Zur Herstellung von Werkzeugen, die eine hohe

Genauigkeit und filigrane Konturen erfordern, werden diese Verfahren allein oder in

Kombination innerhalb komplexer Fertigungsprozessketten verwendet.

2.2.1 Funkenerosives Abtragen

Das funkenerosive Verfahren (electro-discharge machining - EDM) basiert auf dem

physikalischen Prinzip des Materialabtrages durch elektrische Entladungen zwischen

zwei elektrisch leitenden Materialien. Dabei bildet sich die Form der

Werkzeugelektrode im Werkstück ab.

Der Abtragprozess findet dabei in einer elektrisch nicht-leitenden Flüssigkeit statt,

indem eine Spannung an Werkstück und Werkzeug angelegt wird, während

zwischen beiden nur ein Arbeitsspalt Abstand gelassen wird. Bei Erreichen der

Durchschlagfestigkeit wird ein energiereicher Plasmakanal gebildet, der durch

ungleichen Abtrag an Anode und Kathode einen wirtschaftlichen Abtrag ermöglicht.

Bei der Funkenerosion stehen thermische Mechanismen im Vordergrund, was

kraterförmigen Abtrag und Gefügeveränderungen in der Werkstückoberfläche

verursacht.

Als Materialien für die Elektroden werden heutzutage Kupfer oder Graphit verwendet.

Das Dielektrikum dient der Erhöhung der Energiedichte im Entladekanal, der

Entfernung der Abtragpartikel aus dem Spalt und der Kühlung. Hierfür werden meist

Kohlenwasserstoffverbindungen eingesetzt, bei Graphitelektroden neuerdings auch

mit organischen, wasserlöslichen Substanzen versetztes Wasser (König 1990).

Das funkenerosive Senken ist in der Lage in hochvergüteten, gehärteten Materialien

bei ausreichenden Genauigkeiten und Oberflächengüten filigrane Konturen

abzubilden. Die typischen Abtragraten liegen bei 100...1000 mm³/min, wobei bei die

Oberflächengüte bei aufeinander folgender Anwendung von Schrupp-, Schlicht- und

Feinschlichtelektroden deutlich verbessert werden kann. Nach der

Feinschlichtbearbeitung sind arithmetische Mittenrauhwerte von R

= 0,2µm möglich.

Die sicher beherrschte Fertigungstoleranz beträgt +/- 5 µm.

2.2.2 Hochleistung NC-Fräsen

Das Fräsen bietet sich vor allen Dingen bei großflächigen Abtragarealen an, da die

Herstellung von großflächigen Elektroden zum Erodieren nicht wirtschaftlich möglich

ist. Der Bearbeitung sind hierbei durch die Härte des Werkstoffs Grenzen gesetzt.

Die Abtragraten variieren je nach Oberflächengüte von 6...5000 mm³/min.

Für den Werkzeugformenbau bietet sich eine Kombination von beiden Verfahren an,

um die hohen Abtragraten des Fräsens und die Genauigkeit des Erodierens

auszunutzen.

2.3 Laserabtragverfahren

In diesem Kapitel werden die theoretischen Grundlagen des Laserabtragens

vorgestellt. Hierzu wird zunächst allgemein von den Grundlagen der Erzeugung des

Laserlichts über die Strahlführung auf die Wechselwirkung des Lasers mit dem

Material eingegangen. Weiterhin folgen die Besonderheiten von gütegeschalteten

Festkörperlasern, die in dieser Arbeit verwendeten Laser, die Abtragstrategie und die

Vorteile der Verwendung des Lasers zum Abtragen.

2.3.1 Lasergrundlagen

Der Begriff LASER wurde 1957 von Gordon Gould geprägt und bedeutet Light

Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Wikipedia 2006). Dieses Akronym

leitet sich aus dem Funktionsprinzip des Lasers ab, welches in diesem Kapitel

behandelt werden soll.

Laserlicht zeichnet sich im Vergleich zu konventionellem Licht dadurch aus, dass es

· kohärent,

· monochromatisch,

· gut fokussierbar ist,

· eine hohe Strahlungsintensität und

· eine geringe Strahldivergenz hat. (Emmelmann 2005b)

2.3.1.1 Laserstrahlquelle

Zunächst soll die Laserstrahlquelle erklärt und die wichtigsten Charakteristika

vorgestellt werden.

Die Entstehung von Laserlicht lässt sich mit dem Bohr'schen Atommodell erklären.

Generell gibt es zwei gegenläufige Effekte: Absorption und Emission. Bei der

Absorption gelangt ein Atom von einer niedrigenergetischen Innenbahn durch

Elektronenstoßanregung auf ein höheres Energieband. Wenn das Atom dann wieder

auf die ursprüngliche Energiebahn zurückfällt emittiert es ein Lichtquant. Dieses wird

Emission genannt.

Abbildung 2-1: Absorption und Emission im Bohr'schen Atommodell (Eichler 2002)

Die beim Laser erwünschte Emission ist die stimulierte Emission, die in Konkurrenz

zur Absorption steht. Die stimulierte Emission überwiegt bei einer

Besetzungsinversion des höherenergetischen Bandes, was durch weitere

Energiezufuhr erreicht wird. Dieses nennt man Pumpen. Die Energie des Lichts wird

von dem laseraktiven Medium absorbiert und hebt dessen Elektronen in einen

höheren Energiezustand. Durch das Pumpen werden mehr Atome in einen höheren

Energiezustand versetzt als im Grundzustand, weshalb man diesen künstlich

erzeugten Zustand auch Besetzungsinversion nennt.

Das Pumpen von Festkörperlasern erfolgt optisch mittels Lampen, einem weiteren

Laser oder Dioden.

Absorption

Spontane

Emission

Stimulierte

Emission

Abbildung 2-2: 4-Niveausystem des Nd:YAG-Lasers (Emmelmann 2005b)

Da für die vorliegenden Versuche nur Festkörperlaser verwendet wurden, werden

auch nur diese im Folgenden behandelt.

In Abbildung 2-2 ist die Erzeugung von Laserstrahlung im 4-Niveausystem des

Nd:YAG dargestellt. Die Atome werden aus dem Grundzustand durch Pumpen

angeregt. Nach einer kurzen Verweildauer von 10

-9

s auf dem Pumpniveau fallen die

Elektronen auf das metastabile Laserausgangsniveau. Unter der Emission von

Laserstrahlung fallen sie daraufhin auf das Laserendniveau und schließlich zurück in

den Grundzustand. Beim Nd:YAG beträgt die emittierte Wellenlänge 1064 nm.

Durch das Pumpen entsteht eine ebene, monofrequente Lichtwelle, deren Richtung

mittels Spiegeln im Resonator vorgegeben wird.

Im Resonator findet die stimulierte Emission statt. Der Resonator besteht prinzipiell

aus zwei Spiegeln, einem vollreflektierenden und einem teildurchlässigen. Das Licht

oszilliert zwischen den beiden Spiegeln, während das laseraktive Medium von außen

immer weiter angeregt wird. Das Laserlicht tritt dann durch den teildurchlässigen

Spiegel aus.

Relaxation

Laserstrahlung

Laserendniveau

Pumpen

Pumpniveau

Grundzustand

Laserausgangsniveau

Details

Seiten
Erscheinungsform: Originalausgabe
Erscheinungsjahr: 2006
ISBN (eBook): 9783832498634
ISBN (Paperback): 9783838698632
Dateigröße: 2.3 MB
Sprache: Deutsch
Institution / Hochschule: Technische Universität Hamburg-Harburg – Ingenieurwissenschaften, Laser- und Anlagensystemtechnik
Note: 1,3
Schlagworte: laser präzision laserabtragen werkzeugbau werkzeug
Produktsicherheit: Diplom.de

Autor

Susanna Ruder (Autor:in)

Six Sigma Analyse zur axialen Präzision des Laserabtragens im Werkzeugbau

Zusammenfassung

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

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Autor

Susanna Ruder (Autor:in)