Zu den traditionellen Bearbeitungsverfahren gehören mechanisches Schneiden, thermisches Schneiden (z. B. Plasma/Flamme) und konventionelles Laserschneiden. Die mechanische Bearbeitung ist kontaktbasiert; Werkzeugverschleiß und Schneidkräfte können Mikroschäden und Verformungen verursachen, was die erreichbare Präzision und Oberflächenintegrität einschränkt. Thermisches Schneiden ist für dicke Querschnitte effizient, erzeugt aber typischerweise große WEZ, Eigenspannungen und Mikrorisse, die die mechanische Leistung verringern. Die konventionelle Laserbearbeitung ist zwar vielseitig, kann aber immer noch unter einer relativ großen WEZ und instabiler Leistung bei hochreflektierenden oder wärmeempfindlichen Materialien leiden.

Wie in Abb. 3 zusammengefasst, verwendet WJGL Wasser als Übertragungsmedium und gleichzeitiges Kühlmittel, wodurch die WEZ deutlich reduziert und Verformungen und Mikrorisse unterdrückt werden, wodurch die Präzision und die Kanten-/Oberflächenqualität verbessert werden (siehe Abb. 4). Seine Vorteile lassen sich wie folgt zusammenfassen:

1. Geringe thermische Schädigung und verbesserte Qualität: Die hohe spezifische Wärmekapazität und der kontinuierliche Wasserfluss führen zu einer schnellen Wärmeabfuhr, wodurch die Wärmeansammlung begrenzt und die Mikrostruktur und die Eigenschaften erhalten bleiben.

2. Verbesserte Fokussierungsstabilität und Energieausnutzung: Die Begrenzung innerhalb des Strahls reduziert die Streuung und den Energieverlust im Vergleich zur Freiraumausbreitung, was eine höhere Energiedichte und eine konsistentere Bearbeitung ermöglicht—gut geeignet für Feinschneiden, Mikrobohren und komplexe Geometrien.

3. Saubererer und sicherer Betrieb: Das Wassermedium erfasst und entfernt Dämpfe, Partikel und Ablagerungen, wodurch die Luftverschmutzung reduziert und die Arbeitssicherheit verbessert wird.

Spezifikation

Anwendungsanteil und Sektorenverteilung von wasserstrahlgeführten Laser (WJGL)-Schneidmaterialien

Luft- und Raumfahrt und Energie (≈30–35%)

Dieser Sektor stellt den größten Anteil der WJGL-Anwendungen dar. Typische Materialien sind kohlenstofffaserverstärkte Polymere (CFK), Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffe (Al MMC) und Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe (CMC). WJGL eignet sich besonders für diese Materialien, da es die thermische Schädigung minimieren und die mechanischen Eigenschaften beim Schneiden von wärmeempfindlichen und anisotropen Verbundwerkstoffen, die in Hochleistungs-Luft- und Raumfahrt- und Energiestrukturen verwendet werden, erhalten kann.

Präzisionsinstrumente und metallische Werkstoffe (≈25–30%)

Ein erheblicher Teil der WJGL-Nutzung entfällt auf die Präzisionsmetallbearbeitung. Repräsentative Anwendungen sind Triebwerksschaufeln aus Ni-basierten Superlegierungen (z. B. Inconel 718, Haynes 188), Titanlegierungen (Ti-6Al-4V) und hochpräzise Komponenten wie Armbanduhrteile aus Cu, Al und Ti. Die Technologie ermöglicht hohe Maßhaltigkeit, schmale Schnittbreiten und hervorragende Oberflächenqualität.

Halbleiter und Mikroelektronik (≈20–25%)

Im Halbleiter- und Mikroelektroniksektor wird WJGL häufig zum Schneiden von kristallinen und spröden Materialien eingesetzt, darunter Siliziumwafer, Diamanten und Photovoltaikmaterialien wie Si und GaAs. Seine Fähigkeit, Mikrorisse, Ausbrüche und Oberflächenschäden zu unterdrücken, macht es gut geeignet für das hochpräzise Wafer-Dicing und die Mikrofertigung.

Medizinische Komponenten (≈10–15%)

Obwohl der Gesamtanteil geringer ist, haben medizinische Anwendungen einen hohen technologischen Wert. WJGL wird hauptsächlich zur Herstellung von kardiovaskulären Flachstents aus biokompatiblen Legierungen wie CoCr, NiTi, Cr-Pt und Magnesiumlegierungen verwendet. Das Verfahren erfüllt strenge Anforderungen an ultrafeine Merkmale, enge Toleranzen und minimale wärmebeeinflusste Zonen, die für die Leistung von Medizinprodukten entscheidend sind.

Insgesamt zeigt die Sektorenverteilung, dass das WJGL-Schneiden vorwiegend in fortschrittlichen Fertigungsbereichen eingesetzt wird, in denen hohe Präzision, geringe thermische Auswirkungen und eine ausgezeichnete Materialintegrität unerlässlich sind.

Häufig gestellte Fragen zu wasserstrahlgeführten Lasern (WJGL)

 

1) Was ist die wasserstrahlgeführte Laser (WJGL)-Bearbeitung?

WJGL ist ein Laserbearbeitungsverfahren, bei dem der Laserstrahl in einen Mikro-Wasserstrahl eingekoppelt wird. Der Wasserstrahl fungiert sowohl als strahlführendes Medium als auch als Kühl-/Abtragsmedium, wodurch hohe Präzision bei reduzierter thermischer Schädigung ermöglicht wird.

2) Wie funktioniert WJGL?

WJGL basiert auf Totalreflexion an der Wasser–Luft-Grenzfläche. Da Wasser und Luft unterschiedliche Brechungsindizes haben, kann der Laser innerhalb der Wassersäule eingeschlossen und geführt werden—ähnlich einer „flüssigen optischen Faser“—und stabil zur Bearbeitungszone geliefert werden.

3) Warum reduziert WJGL die wärmebeeinflusste Zone (WEZ)?

Das kontinuierlich fließende Wasser entfernt Wärme effizient aufgrund seiner hohen Wärmekapazität. Dies unterdrückt die Wärmeansammlung und reduziert so WEZ, Verformung und Mikrorisse.