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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Herstellung einer Glaskeramikkuppel gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1. Ein solches Verfahren ist aus der US-A-4,304,603
bekannt.
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Glaskeramikmaterialien sind eine
gut bekannte Klasse von Hybridwerkstoffen, welche in einer Vielfalt von
Anwendungen eingesetzt werden. Die Glaskeramikwerkstoffe sind bei
erhöhten.
Temperaturen fest, sind hart und gegen Erosion widerstandsfähig, haben
gute Widerstandsfähigkeit
gegen thermischen Schock und sind gegen die Ausbreitung von Sprüngen oder
Brüchen
resistent. Sie zeigen auch gute Übertragungseigenschaften
für elektromagnetische
Wellen, was von besonderer Wichtigkeit bei ihrer Verwendung im Kuppeln
für Raketen
und für
andere Anwendungsfälle
in schnell fliegenden Fahrzeugen ist.
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Glaskeramikwerkstoffe werden in brauchbare
Gegenstände
geformt, indem zuerst das Glaskeramikmaterial bei erhöhter Temperatur
in eine Form gegossen wird. Das gegossene Material, welches fakultativ
wärmebehandelt
werden kann, wird als Rohling bezeichnet. Für viele Anwendungsfälle wird
der Rohling danach bearbeitet, um seine Oberflächenschichten zu entfernen.
Wenn der fertige Gegenstand eine Kuppel oder eine andere Struktur
ist, welche mit hoher Geschwindigkeit strömender Luft ausgesetzt wird,
dann muß die
nach außen
weisende Oberfläche
sehr glatt und präzise
geformt sein.
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Im allgemeinen konisch geformte Kuppeln
für Anwendungen
bei hoher Geschwindigkeit sind seit über 30 Jahren aus Glaskeramikmaterialien
gefertigt worden. Während
dieser Zeit wurden gut durchdachte Bearbeitungstechniken entwickelt,
um insgesamt etwa 0,100 Zoll (0,254 cm) von der inneren Oberfläche und
der äußeren Oberfläche des
Kuppelrohlings zu entfernen, um den präzise geformten fertigen Artikel zu
erzeugen. Diese Bearbeitungstechniken basierten auf einer Materialabtragung
durch mechanisches Schleifen der Oberflächen. In einem typischen Falle
wird das Schleifen unter Verwendung eines Karborund- oder Diamant-Schleifrades
durchgeführt,
um etwa 0,005 Zoll (0,013 cm) je Durchlauf mit einer Zustellrate
zu entfernen, welche zu einem Materialabtrag je Minute von etwa
0,8 cm3 führt.
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Das Bearbeiten des Glaskeramikrohlings
durch Schleifen ist verhältnismäßig langsam,
erfordert eine Kühlung
des Werkstückes
und ist arbeitsintensiv. Während
diese Lösung
gangbar ist, besteht ein Bedarf an einer Verbesserung der Wirtschaftlichkeit
des Verfahrens durch Vermindern der Arbeitszeit und der Kosten zur Erzeugung
von Glaskeramikgegenständen,
beispielsweise Kuppeln. Die vorliegende Erfindung genügt diesem Bedarf
und bietet weitere zugehörige
Vorteile.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung schafft
ein Verfahren zur Herstellung von Glaskeramikkuppeln gemäß dem Anspruch
1.
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Das Verfahren ergibt Artikel guter
Qualität
zu einem Preis von etwa der Hälfte
desjenigen der herkömmlichen
Schleiftechnik. Das Verfahren ist berührungsfrei, erfordert keine
Kühlung
des Werkstückes
und ist nicht arbeitsintensiv.
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Gemäß der Erfindung umfaßt ein Verfahren
zur Herstellung einer Glaskeramikkuppel das Bereitstellen eines
Kuppelrohlings, der aus Glaskeramikmaterial hergestellt ist und
eine Längsachse
aufweist. Eine Schicht des Glaskeramikmaterials wird von einer Grobbearbeitungsoberfläche der
Kuppel aus unter Verwendung eines Hochleistungslasers grob bearbeitet,
während
der Rohling um seine Längsachse
gedreht wird, wobei ein Einwirkpunkt des Laserstrahls sich längs des
Kuppelrohlings im wesentlichen parallel zu dessen Längsachse bewegt.
Die Grobbearbeitungsoberfläche
kann sowohl die Innenoberfläche
als auch die Außenoberfläche des Kuppelrohlings
sein. Nach der Grobbearbeitung wird das Glaskeramikmaterial von
der Grobbearbeitungsoberfläche
aus durch eine Feinbearbeitungstechnik fein bearbeitet, vorzugsweise
durch mechanisches Schleifen oder Abschleifen von mindestens 0,002
Zoll (0,005 cm) des Materials von der grob bearbeiteten Oberfläche weg.
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Der Laser ist vorzugsweise ein Nd
: YAG-Laser, der mit einer Ausgangswellenlänge von 1,06 μm arbeitet.
Der Laser kann im Dauerstrichmodus vorzugsweise bei einem durchschnittlichen
Leistungspegel von etwa 500 bis etwa 2000 Watt arbeiten. Der Laser
kann auch im Impulswellenmodus arbeiten, vorzugsweise mit einem
Rechteckwellenimpuls mit einer Impulsdauer von etwa 0,3 bis etwa
3 Millisekunden, einer Impulsfrequenz von etwa 50 bis etwa 500 Impulsen
je Sekunde und einer Impulsintensität von mindestens etwa 3 × 104 Watt je Quadratzentimeter. Der Laser kann
Material mit Schnitt-Tiefen von etwa 0,020 Zoll (0,051 cm) bis etwa
0,100 Zoll (0,254 cm) entfernen, was die Entfernung von 0,100 Zoll
(0,254 cm) von Material insgesamt in 1–5 Schnitten ermöglicht.
Mehr als 1 cm3 von Glaskeramikmaterial je
Minute kann durch diese Technik entfernt werden.
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Die Laserbearbeitungstechnik kann
für bestimmte
Glaskeramikartikel eingesetzt werden, ohne daß eine weitere Bearbeitung
notwendig ist. Im Fall von Kuppeln jedoch hinterläßt die Laserbearbeitung
eine vom Laser angegriffene Oberflächenschicht, welche durch einen
Feinbearbeitungsvorgang entfernt wird. Die Endbearbeitung oder Feinbearbeitung
wird vorzugsweise durch Abschleifen von mindestens etwa 0,002 Zoll (0,005
cm) von der laserbearbeiteten rauhen Oberfläche durchgeführt.
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Die gegenwärtig bevorzugte Lösung der
Laserbearbeitung unter optimaler Steuerung der Laserbearbeitungsparameter
resultiert in einer Wirtschaftlichkeit des Verfahrens, welche gegenüber derjenigen
der herkömmlichen
Lösung
verbessert ist, während
ein akzeptabler fertiger Artikel erzeugt werden kann. Weitere Merkmale
und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierteren
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit
den begleitenden Zeichnungen, in welchen die Grundsätze der
Erfindung beispielsweise dargestellt sind.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Schnittansicht eines Teiles eines Rohlings für eine Glaskeramik-Raketenkuppel;
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2 ist
die Ansicht einer Mikrostruktur des Glaskeramikmaterials, welches
in dem Kuppelrohling von 1 verwendet
wird, im Bereich 2-2;
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3 ist
ein Blocksymbole enthaltendes Diagramm eines Verfahrens zur Herstellung
der Kuppel;
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4 ist
eine schematische Darstellung der Laser-Grobbearbeitung einer Außenoberfläche des
Kuppelrohlings;
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5 ist
eine schematische Darstellung der Laser-Grobbearbeitung einer Innenoberfläche des
Kuppelrohlings;
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6 ist
eine schematische vergrößerte Schnittansicht
der Oberflächenbereiche
eines laserbearbeiteten Glaskeramik-Kuppelrohlings;
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7 ist
eine schematische Darstellung der Endbearbeitung oder Feinbearbeitung
durch Schleifen der Außenoberfläche des
Kuppelrohlings;
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8 ist
ein Diagramm der Materialentfernung als Funktion der Laserenergiedichte,
wobei auch die Materialabtragsraten angezeigt sind; und
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9 ist
eine graphische Darstellung der Schnitt-Tiefe als Funktion der Laserenergiedichte
für drei
Arten von Nd : YAG-Lasern.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 zeigt
einen Glaskeramikgegenstand, im vorliegenden Falle bevorzugtermaßen einen
Kuppelrohling 20. Der Kuppelrohling 20 ist aus
Glaskeramikmaterial, beispielsweise PyroceramTM gegossen,
das durch Firma Corning Glass hergestellt wird. Ein Glaskeramikmaterial
ist eine bestimmte Art von Material, welche ein Hybrid von keramischen
und glasartigen Phasen ist, jedoch in seiner Zusammensetzung, Struktur
und im Verhalten sowohl von reiner Keramik als auch von reinem Glas
verschieden ist. 2 zeigt
die idealisierte Mikrostruktur eines typischen Glaskeramikmaterials 22.
Das Glaskeramikmaterial enthält
Körner 24 von
kristalliner Phase und Bereiche 26 einer amorphen Phase.
Die kristallinen Körper 24 machen
typischerweise etwa 90 Vol.-% des Materials 22 aus, während die
amorphen Bereiche 26 den Rest bilden. Das Glaskeramikmaterial 26 hat
eine Zusammensetzung, das einen Glasbildner, beispielsweise ein
Silikat, enthält
und typischerweise ein modifiziertes MgAl-Silikat ist. Das bevorzugte
Material PyroceramTM 9606 hat eine Zusammensetzung
in Gewichtsprozenten von 56% SiO2, 20 Gewichtsprozenten
Al2O3, 15% MgO und
9% TiO. Wenn das Glaskeramikmaterial verdampft, wird typischerweise
wenig, wenn überhaupt
irgendeine gasförmige
Phase erzeugt, welche ein Plasma über dem festen Stoff bildet.
Der Kuppelrohling 20 ist annähernd zylindersymmetrisch um
eine Längsachse 28.
Eine Außenoberfläche 30 des
als Gußteil
vorliegenden Kuppelrohlings 20 hat im wesentlichen eine
gute Oberflächenglätte, Gestalt
und Symmetrie, typischerweise aber nicht die Vollkommenheit, die
für eine
aerodynamisch vorausfliegende Spitze und die Außenoberfläche der fertigen Kuppel erforderlich
ist. Eine Innenoberfläche 32 des
Kuppelrohlings 20 hat im wesentlichen gute Gestalt und
Symmetrie, jedoch auch nicht die Vollkommenheit, die für die Innenoberfläche der
fertigen Kuppel benötigt
wird. Die Außenoberfläche 30 und die
Innenoberfläche 32 können auch
Bereiche von unregelmäßig strukturiertem
Glaskeramikmaterial enthalten, welche von dem Gießvorgang
herrühren.
Ein Radar- Sender/-Empfänger wird
durch die fertige Kuppel umschlossen, welche auf die Nase der Rakete
gesetzt wird. Die fertigen Innen- und Außenoberflächen der Kuppel sowie ihre
Materialzusammensetzung und Struktur, müssen in hohem Maße vollkommen
sein, um ein verzerrungsfreies Aussenden und Empfangen von Radarsignalen
zu ermöglichen
und um ein aerodynamisch annehmbares Verhalten bezüglich der
Außenoberfläche zu gewährleisten.
Um den erforderlichen Grad von Vollkommenheit zu erreichen, ist
es übliche
Praxis, eine äußere Oberflächenschicht 34 und
eine innere Oberflächenschicht 36,
jeweils etwa 0,100 Zoll (0,254 cm) dick, während der Herstellung zu entfernen.
Die bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung betrifft die Entfernung dieser oberflächlichen
Schichten 34 und 36.
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3 zeigt
ein bevorzugtes Verfahren für
die entsprechenden Bearbeitungsvorgänge bei der Herstellung. Ein
Rohling des Gegenstandes wird bereitgestellt (Bezugszahl 40),
welcher aus Glaskeramikmaterial gefertigt ist. Im bevorzugten Falle
ist der Rohling des Gegenstandes der Kuppelrohling 20 von 1.
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Es wird ein Hochleistungslaser bereitgestellt
(Bezugszahl 42). Der Laser arbeitet vorzugsweise mit kohärentem Lichtausfall
von 1,06 μm
und ist, besonders bevorzugt, ein Nd : YAG-Laser. (Diese Bezeichnung
der Laserart folgt Vereinbarungen des Industriestandards. Ein "Nd : YAG"-Laser ist ein solcher,
der mit einem Feststoff-Laserelement
aus Yttrium-Aluminium-Granat gebildet ist, das mit Neodym (Nd) dotiert
ist.) Während
der Entwicklung der vorliegenden Erfindung sind verschiedene Laser
eingesetzt worden, wobei der Nd : YAG-Laser, der bei 1,06 μm arbeitet,
sich als derjenige herausgestellt hat, der die besten Ergebnisse
bei den hohen Leistungspegeln liefert, die für eine wirtschaftliche Laserbearbeitung
dieser Glaskeramikarten erforderlich sind.
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Der Laser wird gemäß einer
Gruppe von Betriebsparametern betätigt. Der Laser kann ein Dauerstrichlaser
(CW-Laser) oder ein gepulster Laser sein. In jedem Falle ist die
Energie, die auf die zu bearbeitende Oberfläche hin abgegeben wird, mindestens etwa
1850 Joule je Quadratzentimeter. Wenn ein Dauerstrichlaser verwendet
wird, dann liegt die mittlere Leistung des Lasers im Bereich von
etwa 500 bis etwa 2000 Watt.
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Wenn ein gepulster Laser verwendet
wird, dann ist der Impuls vorzugsweise ein Rechteckwellenimpuls
mit einer Impulsdauer von etwa 0,3 bis etwa 3 Millisekunden, einer
Impulsfrequenz von etwa 50 bis etwa 100 Impulsen je Sekunde und
einer Laser-Impulsintensität von mindestens
etwa 3 × 104 Watt je Quadratzentimeter. Der Rechteckwellenimpuls
ist zu bevorzugen, um einen langgestreckten Nachlaufbereich des
Impulses zu vermeiden, von dem festgestellt wurde, daß er in
einer zu starken unerwünschten
Oberflächenaufschmelzung
resultiert. Die Impulsdauer von etwa 0,3 bis etwa 3 Millisekunden
gestattet es, daß ein
hoher Leistungspegel zu der zu bearbeitenden Oberfläche hin
abgegeben wird und stellt eine wichtige Unterscheidung zwischen
bestimmten Techniken für
die Laserbearbeitung von Keramik (im Unterschied zur Glaskeramik)
dar. Beispielsweise lehrt das US-Patent 5,138,130, daß Keramiken,
welche flüchtige
Bestandteile enthalten, die verdampfen, um ein Plasma zu erzeugen,
mit einem gütegeschalteten
Laser oder Excimer-Laser bearbeitet werden müssen, welcher Impulse bedeutend
geringerer Dauer im Mikrosekundenbereich oder Nanosekundenbereich
hat, wodurch die Leistung, die auf die zu bearbeitende Oberfläche abgegeben
wird, beschränkt wird.
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Der Laser und der Rohling des Gegenstandes
werden relativ zueinander bewegt (siehe Bezugszahl 44).
Die Art und Weise der Erzeugung einer Relativbewegung hängt von
der Art des Rohlings des Gegenstandes ab. Die 4 und 5 zeigen
die bevorzugte Handhabung für
einen Laser 60 und den Kuppelrohling 20, wobei 4 sich auf die Bearbeitung
der Außenoberfläche 30 bezieht
und 5 sich auf die Bearbeitung
der Innenoberfläche 32 bezieht.
In jedem Falle wird der Kuppelrohling, welcher mindestens annähernd konische Gestalt
und Symmetrie hat, um seine Längsachse 28 gedreht
und wird gleichzeitig parallel zu der Längsachse 28 durch
einen Support und eine Einspannung (nicht dargestellt) bewegt. Für die äußere Bearbeitung
gemäß 4 wird der Laser 60 so
positioniert, daß ein
Laserstrahl 62, der durch den Laser 60 erzeugt
wird, annähernd
senkrecht auf die Außenoberfläche 30 trifft.
Der Laser 60 ist von der Außenoberfläche 30 über einen Abstand
entfernt, der durch die Brennweite der Laseroptik bestimmt wird,
welche bei einer von den Erfindern verwendeten bevorzugten Ausführungsform
etwa 4,5 Zoll (11,4 cm) war. Der Laser 60 ist auf einem
Schlitten (nicht dargestellt) montiert, der es gestattet, daß er relativ
zu der Außenoberfläche 30 nach
einwärts
und nach auswärts
bewegt werden kann, um den gewünschten
Abstand aufrecht zu erhalten. Im Falle der Laserbearbeitung der
Innenoberfläche 32 ist
ein Laser 64 außerhalb
des Innenraumes des Kuppelrohlings 20 aufgestellt und die
Energie des Lasers wird auf die Innenseite des Kuppelrohlings 20 durch
eine Reihe von Spiegeln und Linsen, oder, wie dargestelt, eine Lichtleitung
oder ein optisches Faserbündel 66 übertragen,
das an einem (nicht dargestellten) Support abgestützt ist,
der es ermöglicht,
daß das
Faserbündel 66 an
die gewünschte Stelle
in der Nachbarschaft zur Innenoberfläche 32 bewegt wird.
Die Energie wird vorzugsweise senkrecht auf die Innenoberfläche 32 gerichtet.
Es ist wünschenswert,
wenn die Bewegungen des Supports des Kuppelrohlings und der Laser-Supportschlitten
durch einen nicht dargestellten Steuermechanismus koordiniert werden, um
eine steuerbare Zustellrate für
die Laserbearbeitung aufrecht zu erhalten.
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Der Kuppelrohling 20 wird
unter Verwendung des Lasers einer Grobbearbeitung unterzogen (Bezugszahl 46).
Die Zustellrate des Kuppelrohlings 20 beträgt vorzugsweise
etwa 100 Zoll je Minute (0,042 m/s) bis etwa 800 Zoll je Minute
(0,339 m/s). Die Tiefe des Laserschnittes, also die Materialtiefe,
die bei jedem Durchgang entfernt wird, beträgt vorzugsweise etwa 0,020
Zoll (0,051 cm) bis etwa 0,100 Zoll (0,25 cm). Der Laserstrahl bewegt
sich längs
der zu bearbeitenden Oberfläche
in einem spiraligen Muster, wobei die Vorschubrate den Grad der Überlappung
benachbarter Durchläufe
bestimmt.
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6 zeigt
schematisch das Glaskeramikmaterial nahe seiner Oberfläche 68 nach
der Laser-Grobbearbeitung. Die Oberfläche 68 zeigt eine
gewissen Oberflächenrauhigkeit.
Zusätzlich
findet sich an der Oberfläche 68 ein
modifizierter Bereich 70. Der Bereich 70 ist in
zwei Weisen modifiziert. Zum einen zeigt ein Teil des Bereiches
einen höheren
Anteil von amorphem glasigem Material als üblicherweise anzutreffen. Zum
anderen findet sich in dem Bereich 70 eine chemische Änderung.
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Der Bereich 70 hat typischerweise
eine Dicke von etwa 0,002 Zoll (0,005 cm) und wird in einem Endbearbeitungsschritt
oder Feinbearbeitungsschritt 48 vorzugsweise entfernt.
Insbesondere wird die Oberfläche der
Kuppel zur Herstellung einer aerodynamischen Glattheit durch Entfernen
von etwas mehr Material, wie bei 72 angedeutet, in der
Größenordnung
von etwa 0,010 Zoll (0,025 cm) in dem Endbearbeitungsschritt bearbeitet.
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Die Endbearbeitung 48 geschieht
durch eine Technik, welche von der Hochleistungs-Laserbearbeitung
verschieden ist, wie sie für
den Grobbearbeitungsschritt 46 eingesetzt wird. Vorzugsweise
geschieht die Endbearbeitung des Kuppelrohlings 20 durch
Schleifen unter Verwendung eines Karborund- oder Diamant-Schleifrades 74,
das durch einen Motor 76 angetrieben wird. Bei der. Endbearbeitung
wird der Kuppelrohling um die Längsachse 28 gedreht
und parallel zur Längsachse 28 verschoben
und das Schleifrad und der Motor werden so verschoben, daß die gewünschte Positionierung
relativ zu dem Kuppelrohling aufrechterhalten wird. Die Entfernung
von Material durch Schleifen in diesem Endbearbeitungsschritt geht
schnell vor sich, da sehr wenig Material entfernt wird, und führt zu einer
aerodynamisch glatten Oberfläche
mit derselben Struktur und Zusammensetzung, wie sie das Glaskeramikmaterial
innerhalb der Kuppel aufweist.
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Die vorliegende Erfindung wurde mit
einer Kuppel in die Praxis umgesetzt, wie sie an Standardraketen und
Prüfproben
verwendet wird. 8 zeigt
die Materialabtragung in Kubikzentimetern als Funktion der Energiedichte
des Laserstrahls von einem Lumonics MW2000-Multiwave-Laser von 2
kW. 9 ist ein Diagramm der
Schnitt-Tiefe in Zoll (1 Zoll = 2,54 cm) als Funktion der Energiedichte
für drei
unterschiedliche Laserarten, welche zur Bearbeitung des Glaskeramikmaterials
verwendet wurden, nämlich
der Lumonics MW2000-Multiwave-Laser von 2 kW (mwave), ein Lumonics
JK704-Laser von 400 W (lumo), und ein Raytheon-Laser von 400 W von
EB Tech (EB). Die Daten sind im wesentlichen linear abhängig von
der Energiedichte, unabhängig von
der Verwendung der drei Arten von Lasern.
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Chemische Untersuchungen der bearbeiteten
Oberfläche
des Pyroceram-Glaskeramikmaterials
wurden durch EDS durchgeführt.
Der modifizierte Bereich 70, der durch die Grobbearbeitung 46 erzeugt
wurde, zeigte eine Anreicherung von Al, Mg und Ti relativ zu dem
Ausgangs-Glaskeramikmaterial. Nach einem Materialabtrag von etwa
0,02 Zoll (0,005 cm) entsprechend dem Endbearbeitungsschritt 48 war
jedoch die Oberflächenzusammensetzung
im wesentlichen dieselbe wie diejenige des Ausgangs-Glaskeramikmaterials.
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Für
die Verwendung bei Kuppeln darf die Laserbearbeitung nicht die dielektrischen
Eigenschaften des Glaskeramikmaterials nachteilig beeinflussen,
was wiederum die Eignung bei Radareinsatz nachteilig beeinflussen
würde.
Um die dielektrischen Eigenschaften zu bestimmen wurden zwei Stücke aus
Pyroceram-Glasmaterial,
jedes etwa 1 Zoll × 2
Zoll × 0,250
Zoll (2,54 cm × 5,08
cm × 0,635
cm) auf einer breiten Fläche
laserbearbeitet. Die Proben wurden von den Stücken nahe des laserbearbeiteten
Randes und nahe der Mitte als Vergleichsproben ausgeschnitten, wo
sie nicht durch die Laserbearbeitung beeinflußt waren. Die Proben wurden
in einer X-Band-Übertragungsleitung
und in einem Resonanzhohlraum entweder bei 8,28 GHz oder 7,6 GHz
untersucht. Die folgende Tabelle faßt die Ergebnisse der Resonanzhohlraumprüfung für die Dielektrizitätskonstante
(ε) und
den Verlustwinkel (tan δ)
zusammen, wobei diejenigen Ergebnisse, welche nicht mit einem Stern
bezeichnet sind, die Prüfung
bei 8,28 GHz wiedergeben, und diejenigen, welche mit einem Stern (*)
versehen sind, die Prüfergebnisse
bei 7,6 GHz wiedergeben.
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Die Ergebnisse für Proben, welche nahe des laserbeeinflußten Randes
genommen worden waren, sind mit denjenigen für Proben nahe den Mitten vergleichbar.
