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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
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My first visit in Shanghai 1960
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Bausubstanz
Pudong
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Haustechnik
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Hutons
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Deng Xiaoping
Zhou Enlai
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Oriental Pearl Tower Shanghai Tower
Shanghai W. Financial Center
Jin Mao Tower
Uferpromenade Bund
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Jin Mao TowerAtrium Grand Hyatt
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Shanghai World Financial Center (Flaschenöffner)
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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
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45.000 Students 2.000 Profs
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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
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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
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Sign of MOA in Berlin - May 2004 –
Chancellor G. Schröder – Premier Wen – Chairmen Shen & Kohn
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Min Hang Campus Lab Ground Zero2004
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Stone Ceremony for Shanghai Laser Lab2005
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River Delta Soft soil,
28 m columns
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Laser Lab
2006
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Laboratory
Hall
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15 kW CO2 Laser System with Clamping device
(45 tons) Project Chinlas
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Opening Ceremony Shanghai Laser Lab 2006
22
Chairmen of Chinese & German Consortium
Shen & Kohn
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2+2 Project CHINLAS - Medal from Mint Munich 2006
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Official Certificate of Shanghai Laser Lab from German Lloyd hand over to Director Prof. Wu Yixiong
2007
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Minister Schavan and Embassador Schäfer visitingLaser Lab
2008
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Minister Schavan and Delegation 2008
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Minister J. Wanka & Minister Wan Gang visiting10th anniversary LPL in 2016
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Ministers & Delegats on Lab tour
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CHINLAS项目
2004 - 2007
SinoDiLas项目
2009 - 2012
SiGeFiLas项目
2014 - 2017
IPG Fiber laserTrumpf CO2 laser Rofin Diode laser
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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
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Supports from German Side
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Supports from Chinese side
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Konfizius Tempel in Nanjing
Laotse Tempel Kanton
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Teehaus im Yu
Garden Shanghai
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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Laser portal
Stiffened deck element
Blohm & Voss
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44
T- Joint Welder Meyer Shipyard
X
1
4
3
2
U
Panel Width 20.2 m
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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
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Aerosalon Le Bourget 2005
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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
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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
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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
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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
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51
Exhaust Valve Discs
Base material:
Nimonic 80A
Area 1 and 3:
NiCrW alloy
Area 2 and 4:
NiCrAlY2 alloy
Area 5:
NiCrAlY1 alloy
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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
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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
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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
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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
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Extended Ship Life time by
In-situ Laser-Powder-Cladding on Crank Shaft
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First in-situ LaserCladding
Inside Engine
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Konstruktionsbeispiele der Natur
Image source: sciencefoto.de, Nachtigall, Hill, Matheck, bambus.de
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Kieselalgen
Vielfalt von Ausführungsformen
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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.
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Der Londoner Kristallpalast von 1851
Nach dem das Blatt der
Victoria amazonica
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Radiolarien
USA-Pavillon – Expo ’67Buckminster Fuller
Architeckturbionik
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Große Klette (Arcticum lappa)
Patent für einen technischen Klettverschluss 1951
George de Mestral (1907-1990
Velcro® („velours“ und „crochet“ )
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Mikro-Optik
des
Mottenauges
130 x
420 x
1050 x
4120 x
Mikro-Noppen100 nm Ø
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Geprägte Nanostruktur
mit 200 nm
Noppenabstand
Eine Mottenaugen-
Glasscheibe Mit Struktur
licht<
λLicht 380-780 nm
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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
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Unterwassertransport der Zukunft
Elastisch dämpfende Haut (Vorbild Delfin)
Mikro-Längsrillen (Vorbild Haifisch)
Mikro-Blasenschleier (Vorbild Pinguin)
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Die „Stars & Stripes“ gewinnt den Americas Cup 1987 mit einer
Haifisch-Rillen-Oberfläche
![Page 71: Lasertechnik Bionik 3D Druck Industrielle Anwendungen und ... · Lasertechnik –Bionik –3D Druck Industrielle Anwendungen und Forschungskooperation mit China Prof. Dr.-Ing. CME](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022052408/5f079f647e708231d41de802/html5/thumbnails/71.jpg)
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
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Anwendung des Pinguin-Effekts
![Page 73: Lasertechnik Bionik 3D Druck Industrielle Anwendungen und ... · Lasertechnik –Bionik –3D Druck Industrielle Anwendungen und Forschungskooperation mit China Prof. Dr.-Ing. CME](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022052408/5f079f647e708231d41de802/html5/thumbnails/73.jpg)
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)
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Wasser
Rotierende
Luft-ZellenWasser-
Tropfen
Der Salvinia -
Effect
Nach W. Barthlott
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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
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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
![Page 77: Lasertechnik Bionik 3D Druck Industrielle Anwendungen und ... · Lasertechnik –Bionik –3D Druck Industrielle Anwendungen und Forschungskooperation mit China Prof. Dr.-Ing. CME](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022052408/5f079f647e708231d41de802/html5/thumbnails/77.jpg)
EOS M 400-4: Vier Laser für höhere Produktivität
![Page 78: Lasertechnik Bionik 3D Druck Industrielle Anwendungen und ... · Lasertechnik –Bionik –3D Druck Industrielle Anwendungen und Forschungskooperation mit China Prof. Dr.-Ing. CME](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022052408/5f079f647e708231d41de802/html5/thumbnails/78.jpg)
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
![Page 79: Lasertechnik Bionik 3D Druck Industrielle Anwendungen und ... · Lasertechnik –Bionik –3D Druck Industrielle Anwendungen und Forschungskooperation mit China Prof. Dr.-Ing. CME](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022052408/5f079f647e708231d41de802/html5/thumbnails/79.jpg)
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
![Page 80: Lasertechnik Bionik 3D Druck Industrielle Anwendungen und ... · Lasertechnik –Bionik –3D Druck Industrielle Anwendungen und Forschungskooperation mit China Prof. Dr.-Ing. CME](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022052408/5f079f647e708231d41de802/html5/thumbnails/80.jpg)
Hydraulik Schaltblock
weight reduction of 80%
reduction of pressure losses of 50%
additional functionalities: sensors,
cooling, …
![Page 81: Lasertechnik Bionik 3D Druck Industrielle Anwendungen und ... · Lasertechnik –Bionik –3D Druck Industrielle Anwendungen und Forschungskooperation mit China Prof. Dr.-Ing. CME](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022052408/5f079f647e708231d41de802/html5/thumbnails/81.jpg)
Schalthebel für Airbus Helicopter
1
2
bird bone
avoid supports
bionic structures
Weight saving: 38%
![Page 82: Lasertechnik Bionik 3D Druck Industrielle Anwendungen und ... · Lasertechnik –Bionik –3D Druck Industrielle Anwendungen und Forschungskooperation mit China Prof. Dr.-Ing. CME](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022052408/5f079f647e708231d41de802/html5/thumbnails/82.jpg)
Messe
Formnext
Frankfurt
September
2017
![Page 83: Lasertechnik Bionik 3D Druck Industrielle Anwendungen und ... · Lasertechnik –Bionik –3D Druck Industrielle Anwendungen und Forschungskooperation mit China Prof. Dr.-Ing. CME](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022052408/5f079f647e708231d41de802/html5/thumbnails/83.jpg)
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
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Micromaschine mit UPK Laser
Positioniergenauigkeit
1 micrometer
Gewicht 12 t
Trumpf Ultrakurzpulslaser
Pulsdauer 10 picosekunden
Wiederholungsrate 400 kHz
![Page 85: Lasertechnik Bionik 3D Druck Industrielle Anwendungen und ... · Lasertechnik –Bionik –3D Druck Industrielle Anwendungen und Forschungskooperation mit China Prof. Dr.-Ing. CME](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022052408/5f079f647e708231d41de802/html5/thumbnails/85.jpg)
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?
![Page 86: Lasertechnik Bionik 3D Druck Industrielle Anwendungen und ... · Lasertechnik –Bionik –3D Druck Industrielle Anwendungen und Forschungskooperation mit China Prof. Dr.-Ing. CME](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022052408/5f079f647e708231d41de802/html5/thumbnails/86.jpg)
Es gibt Leute die
versuchen Frauen zu
verstehen, ich
beschäftige mich mit
einfacheren Dingen wie
der Relativitätstheorie
(Albert Einstein)
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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