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Lasertechnik – Bionik – 3D Druck
Industrielle Anwendungen und Forschungskooperation
mit China
Prof. Dr.-Ing. CME Harald Kohn
ITC International Technology Consulting
康海德 Kang Hai De
Shanghai Jiao Tong University
College of Materials Science and Engineering
Hamburg, 11th of October 2018
My first visit in Shanghai 1960
Bausubstanz
Pudong
Haustechnik
Hutons
Deng Xiaoping
Zhou Enlai
Oriental Pearl Tower Shanghai Tower
Shanghai W. Financial Center
Jin Mao Tower
Uferpromenade Bund
Jin Mao TowerAtrium Grand Hyatt
Shanghai World Financial Center (Flaschenöffner)
1997 HTDF Hochtechnologie Dialogforum China – Germany
START of Discussion in 2002 about God and the World
From Einstein to Automation in Shipbuilding by Laser Technology
im Rahmen von 2+2 Projekten
Prof. Wu et al, Shanghai J.T.U. & Prof. Kohn et al, Bremen University
45.000 Students 2.000 Profs
Government
PR China
Government
FR Germany
Scientific Steering Committee Laser Technology
MOST- China/Germany - BMBF
1 Industrial Partners
Hudong Shipyard
SAIC Automotive
Shanghai Tractor
City of Shanghai
2 Research & Development – Shanghai
Jiaotong University
School of Material Science & Engineering
Key Laser Processing Lab
1 Industrial Partners
IPG Photonics • Laser source
Linde AG • Process Gases
Held • Systems
Elisental • Filler Material
Dinse • Wire feeder systems
DNV-GL • Classification Society
2 Research & Development – BIAS , IWS
FhG Institute of Material & Beam Techn. Dresden
Chairman of German
Consortion
Chairman of Chinese
Consortium
Financial Frame Projects Chinlas Sinodilas & Sigefilas
German side
Industry 1.800 kEUR
Government BMBF 1.900 kEUR
Total 3.700 kEUR
Chinese side
Industry 1.900 kEUR
Government MoST 5.800 kEUR
Total 7.700 kEUR (incl. Lab Building+Equipment)
Projects cost total 11.400 kEUR
Time schedule -
Duration of project 3 x 36 months
Start of project March 2004 – May 2017
Sign of MOA in Berlin - May 2004 –
Chancellor G. Schröder – Premier Wen – Chairmen Shen & Kohn
Min Hang Campus Lab Ground Zero2004
Stone Ceremony for Shanghai Laser Lab2005
River Delta Soft soil,
28 m columns
Laser Lab
2006
Laboratory
Hall
15 kW CO2 Laser System with Clamping device
(45 tons) Project Chinlas
Opening Ceremony Shanghai Laser Lab 2006
22
Chairmen of Chinese & German Consortium
Shen & Kohn
2+2 Project CHINLAS - Medal from Mint Munich 2006
Official Certificate of Shanghai Laser Lab from German Lloyd hand over to Director Prof. Wu Yixiong
2007
Minister Schavan and Embassador Schäfer visitingLaser Lab
2008
Minister Schavan and Delegation 2008
Minister J. Wanka & Minister Wan Gang visiting10th anniversary LPL in 2016
Ministers & Delegats on Lab tour
CHINLAS项目
2004 - 2007
SinoDiLas项目
2009 - 2012
SiGeFiLas项目
2014 - 2017
IPG Fiber laserTrumpf CO2 laser Rofin Diode laser
Financial Frame Projects Chinlas Sinodilas & Sigefilas
German side
Industry 1.800 kEUR
Government BMBF 1.900 kEUR
Total 3.700 kEUR
Chinese side
Industry 1.900 kEUR
Government MoST 5.800 kEUR
Total 7.700 kEUR (incl. Lab Building+Equipment)
Projects cost total 11.400 kEUR
Time schedule -
Duration of project 3 x 36 months
Start of project March 2004 – May 2017
Supports from German Side
Supports from Chinese side
Konfizius Tempel in Nanjing
Laotse Tempel Kanton
Teehaus im Yu
Garden Shanghai
35
36
Laserstrahlung ist Licht – aber Licht mit besonderen Eigenschaften
Eigenschaften von Laserstrahlung
Alltägliches Licht (Sonne, Glühbirne) besteht aus einer
Überlagerung un-zähliger Lichtwellen verschiedener Farben und Richtungen.
Laserlicht hingegen ist•ein gerichteter Strahl•monochrom (einfarbig)•zeitlich und räumlich
kohärent
Jeder Laser besteht aus vier Komponenten:
Resonator mit aktivem Medium, Pumpquelle, Kühlung
Der Laser
Verlustenergiesenke(Kühlung)
Pumpenergiequelle
Blitzlampen, Dioden
Spiegel Spiegel
(teildurchlässig)
Laseraktives Medium
z.B. Nd:YAG
Angeregte Moleküle
Induzierte Emission
Spontane Emission
Energieform der höchsten physikalischen Qualität
900 Terawatt/femtosekunden
z.B. 1063 nm
Ultrakurze Laserpulse –wie kurz?
1 Sekunde (s) = 10-0 s = 1 s
1 Millisekunde (ms) = 10-3 s = 0.001 s
1 Mikrosekunde (µs) = 10-6 s = 0.000 001 s
1 Nanosekunde (ns) = 10-9 s = 0.000 000 001 s
1 Pikosekunde (ps) = 10-12 s = 0.000 000 000 001 s
Ein Vergleich mit der Lichtgeschwindigkeit
Planckzeit 10 - 43
Urknall bis zurZeit Null am
Schwarzschild
Radius(Grenzlinie eines
Black Hole)
1 Femtosekunde = 10-15 s = 0, 000 000 000 000 001
Nobelpreis 2018
Verstärkung von Femtosekunden
Laserimpulsen bis zu
900 Terawatt/cm2
(Gerard Mourou/Donna Strickland)
Laserpinzette für Viren Einzelatome Moleküle
(Arthur Ashkin)
Optische Falle
DESY
Röntgenlaser im DESY HH3,4 km 99,999999 %c Undulators
Mrd. intensiver Laser Röntgenphotonen 27.000 Blitze/s zur Analyse von z.B. Eiweissmolekülen und Viren
0,1 nm Wellenlänge (Atomdurchmesser) Noch kleiner LHC Large Hadron Collider Genf
42
ALBERT EINSTEINOn the Quantum Theory of Radiation
1917
1954 Towes, Basov, Prohorov - QT Laser
(Nobel Price 1964, next Laser Nobel 2018)
1960
70th
Ted Maiman - First Rubin LASER
First industrial Application in generalMaritime: MAN Cylinder Liner mico cracks
1985 First maritime Laser Cladding Applicationfor piston grooves, DSR Rostock
90th Welding in Shipbuilding, Denmark,Blohm & Voss, Meyer Werft
1997 HTDF Hochtechnologie Dialogforum China - Germany
Laser portal
Stiffened deck element
Blohm & Voss
44
T- Joint Welder Meyer Shipyard
X
1
4
3
2
U
Panel Width 20.2 m
Implementations at European Automotive OEMs
Mercedes-Benz S-class:Aluminum rear subframelaser hybrid welding
Volvo XC60: Welding A-/B-/D-pillar, front/rear header, roof, sill (4x4kW)
Audi Q5: Aluminum tailgatewelding with diode laser
6-axis robot
4kW diode
400µm fiber
filler wire
Renault Megane: Flexible roof brazing with diode laser
6-axis robots
8x6kW diode lasers in France and Spain
(including 2 for back up)
Modular geo-tooling for 4 models
Ford Mondeo: Roofbrazing with diode laser
Replacement of roof
ditch spot welds
by laser brazed joint
6-axis robot
4kW diode
BMW 7-series: Aluminum door welding with disk laser
4 doors
15m fillet welds
6 robots
4X4kW lasers
filler wire
With courtesy of
Aerosalon Le Bourget 2005
47
optic head
alternative structures
Micro structuring of engine cylinder wall
Advantages:
reduction of
• oil consumption by a
factor 3 to 7
• particle emission
• friction and wear
Objective
Piston Type Cast Iron
Bore size 210 mm
Groove height 4.5 mm
Groove depth 8.5 mm
Material GGG60
Reconditioning of 4-stroke PistonWear of upper groove
48
4,5
mm
8,5 mm
R=0,5
49
Piston Rod
Regeneration of a piston
rod for large diesel
engines, which was
damaged by a defective
cutting tool.
Base material: 42 CrMo 4
Filler material: 10 Cr 4
50
Cross-head Pin of a two-stroke EngineRepair coating on the
functional surface of a
cross-head pin
Mass: 4.2 tons
Bulk material: Ck45, forged
Filler material: Stellite 21
laser cladded laser annealed
HAZ
Base materialCladdingmaterial
Distance of the surface [mm]
0 0,5 1 1,5 2 2,5-0,5-1
200
400
600
800
1000
0
Har
dnes
s H
V0,3
Hardness profile
51
Exhaust Valve Discs
Base material:
Nimonic 80A
Area 1 and 3:
NiCrW alloy
Area 2 and 4:
NiCrAlY2 alloy
Area 5:
NiCrAlY1 alloy
52
Drilling of Diesel injection nozzles
nozzle:
Ø: 40 – 150 µm
cylindrical or conical
Øin: 70 µm
H: 15 ns
: 1.06 µm
Øout: 70 µm
trepaning optic
fleetmon.com
Engine blocks with corrosion defects
within upper cylinder liner seats
Standard repair method: Placing of rings
Reference: 2 Ferry-Vessels – Grete and Saaremaa
Rescue of Wartsila L20 Engine blocksJoint project of Carl Baguhn and LaserCladding Gemany
fleetmon.com
Issue
After machining to maximal ring size
severe corrosion remains
Measures
Local grinding of defect to clean
material
Additional: Accessibility for Laser
Rescue of Wartsila L20 Engine blocks
Robot of
MoRU- Plant placed of Engine Block
Pre turning of ring area
Local Laser-Powder-Cladding based
on DNVGL certified Process
Rescue of Wartsila L20 Engine blocks
Extended Ship Life time by
In-situ Laser-Powder-Cladding on Crank Shaft
First in-situ LaserCladding
Inside Engine
Konstruktionsbeispiele der Natur
Image source: sciencefoto.de, Nachtigall, Hill, Matheck, bambus.de
Kieselalgen
Vielfalt von Ausführungsformen
Bereits im Jahr 1870 erkannte der Ingenieur K. Cullmann, dass die Knochenbälkchen genau dem Verlauf der theoretischen Druck- und Zuglinien folgen. Dieses Leichtbauprinzip wurde unter anderem beim Bau des Eiffelturms durchGustave Eiffel im Jahr 1889 angewandt.
Der Londoner Kristallpalast von 1851
Nach dem das Blatt der
Victoria amazonica
Radiolarien
USA-Pavillon – Expo ’67Buckminster Fuller
Architeckturbionik
Große Klette (Arcticum lappa)
Patent für einen technischen Klettverschluss 1951
George de Mestral (1907-1990
Velcro® („velours“ und „crochet“ )
Mikro-Optik
des
Mottenauges
130 x
420 x
1050 x
4120 x
Mikro-Noppen100 nm Ø
Geprägte Nanostruktur
mit 200 nm
Noppenabstand
Eine Mottenaugen-
Glasscheibe Mit Struktur
licht<
λLicht 380-780 nm
Gecko-Tape
Technik Biologie
Temporäre
Haftung
ohne
Klebereste
Geben Sie hier eine Formel ein.
2 kg auf idealer Fläche
500000 Mikrohaare
Geckos haften über atomare Kräfte
(Van-der-Waals-Kräfte) an der Wand
Unterwassertransport der Zukunft
Elastisch dämpfende Haut (Vorbild Delfin)
Mikro-Längsrillen (Vorbild Haifisch)
Mikro-Blasenschleier (Vorbild Pinguin)
Die „Stars & Stripes“ gewinnt den Americas Cup 1987 mit einer
Haifisch-Rillen-Oberfläche
Technische Nachbildung der Delfinhaut
0,5 mm
1,5 mm
1,0 mm
0,5 mm
Außenhaut
Innenhaut
Mittelschicht
Dämpfungs-Flüssigkeit
1,8 mm
1,0 2,0
Nach M. O. Kramer
Anwendung des Pinguin-Effekts
Oberfächeneffekte
Lotoseffekt
Superhydrophobe
Blattstrukturen der
Lotusblume mit
wasserabweisenden
Wachskristallen
Salvina EffektSuperhydrophobe Schneebesenhaare mit Hydrophilen Spitzen können eine
stabile Luftschicht unter Wasser haltenAnwendungg im Unterwasserschiff 10% Treibstoffeinsparung (FhG HH)
Wasser
Rotierende
Luft-ZellenWasser-
Tropfen
Der Salvinia -
Effect
Nach W. Barthlott
Mit dem
bionischen Bootslack
ausgestattete Schiffe
könnten dann in Zukunft in
einer Hülle aus Luft durch
das Wasser gleiten
Salvinia -Effect
Das Salvinia-Blatt umgibt
sich mit einer dauerhaft
haltenden Lufthülle
®
Zum Salvinia-Effekt
Prinzip des selektiven Laserstrahlschmelzens
Einkomponentige Werkstoffe
Edelstahl; hochfester, temperatur-beständiger Edelstahl; Werkzeugstahl
Aluminium-Legierungen
Reintitan und Titan-Legierungen (TiAl6Nb7,TiAl6V4)
Nickelbasislegierungen
Kobalt-Chrom-Legierungen
Polymere
nach: Leistner
Computertomographie
EOS M 400-4: Vier Laser für höhere Produktivität
Ruduzierung der HerstellungskostenA380 Fuel Connector
Reduction of quantity of parts from 14 to 1
Reduction of processing steps from 18 to 5
Reduction of manufacturing cost of 50%
Conventional Design Integral AM-Design
Offene Gitterstruktur für osseointegrative und isoelastische Knochen Implantate
Anfertigung während der Operation möglich
digital model for datapreparation andnetwork application
fabricated implant with surface modificationLAM process
79
Hydraulik Schaltblock
weight reduction of 80%
reduction of pressure losses of 50%
additional functionalities: sensors,
cooling, …
Schalthebel für Airbus Helicopter
1
2
bird bone
avoid supports
bionic structures
Weight saving: 38%
Messe
Formnext
Frankfurt
September
2017
Status Quo der Prozesskette beim 3D-Druck
EntfernungSupport-struktur
ReinigungWärmebe-handlung
Ober-flächenbe-handlung
1 2 3
Spanende Be-arbeitung
4 5
Fertigteil
6
Manuelle Bearbeitung und Handling
Micromaschine mit UPK Laser
Positioniergenauigkeit
1 micrometer
Gewicht 12 t
Trumpf Ultrakurzpulslaser
Pulsdauer 10 picosekunden
Wiederholungsrate 400 kHz
85
Material wird so schnell verdampft, dass das umliegende Material keine Zeit hat sich zu erwärmen. Man spricht von einer kalten Bearbeitung.
Was ist das besondere dieser extrem kurzen Pulse?
Es gibt Leute die
versuchen Frauen zu
verstehen, ich
beschäftige mich mit
einfacheren Dingen wie
der Relativitätstheorie
(Albert Einstein)
感谢各位的到来向在座的各位及家人至以问候和祝福
愿我们的合作更上一层楼
Thanks for AttentionAll the best to You and Your Family
For good Succes of our Cooperation