Laser

Industrielle Laserstrahlquellen liefern gebündeltes, kohärentes Licht mit hoher Leistungsdichte und stabiler Ausbreitung. Sie ermöglichen kontaktarme Bearbeitung und präzise, an Werkstoff und Geometrie angepasste Energieeinträge.

Grundlagen der industriellen Strahlquellen

Die Strahlbildung beruht auf stimulierter Emission, Besetzungsinversion im aktiven Medium und einem optischen Resonator mit Spiegeln. Diese Kombination erzeugt monochromatische, phasenstarre Strahlung, die auf kleine Fokusdurchmesser gebündelt werden kann.

Gas-, Festkörper-, Flüssigkeits- und Halbleiterlaser decken unterschiedliche Spektralbereiche ab. CO2-Laser emittieren typischerweise bei 10,6 µm. Faserlaser liegen um 1030–1080 nm. Neodym-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat (Nd:YAG) sendet um 1064 nm. Ultrakurzpuls-Laser (UKP) mit Femtosekunden bis Pikosekunden ermöglichen ablationsdominierte Prozesse.

Der Strahlqualitätsfaktor M² charakterisiert die Strahlqualität. Einmodenbetrieb liegt nahe M² = 1 und erzeugt kleinste Fokusdurchmesser. Multimode erhöht die verfügbare Leistung bei größerem Fokus. Betriebsarten reichen vom Dauerstrichbetrieb (CW) bis zu gepulsten Regimen mit einstellbarer Pulsdauer und Wiederholrate.

Wechselwirkung von Licht mit Materialien

Absorption, Reflexion und Transmission bestimmen die Kopplung der Strahlung in den Werkstoff. Infrarote Festkörperquellen koppeln stark in Stahl, Aluminium und Nickelbasislegierungen, während CO2-Quellen für organische Medien und Polymere häufig vorteilhaft sind.

Bei UKP-Pulsen führt die kurze Einwirkzeit zu ablationsdominiertem Abtrag mit geringer Wärmeeinflusszone. Material kann vom festen Zustand direkt in Plasma übergehen. Dadurch sinken Gratbildung und Mikrorisse, auch bei spröden oder transparenten Substraten.

Die Energiedichte am Fokus steuert die Prozessmodi. Unterhalb der Schmelzschwelle entstehen Modifikationen oder Randschicht-Texturen. Oberhalb davon treten Schmelzen, Verdampfen oder kollektive Ablation auf. Typische Abtragsraten liegen im Mikrometerbereich pro Puls und hängen von Wellenlänge sowie Fluenz ab.

Anwendungsfelder der Präzisionsbearbeitung

In Automobilbau, Luftfahrt, Medizintechnik und Mikroelektronik liefern strahlgeführte Prozesse hohe Formtreue bei minimaler Werkzeugabnutzung. Die berührungsarme Energieeinbringung verringert Partikelverschleppung und erleichtert Reinraum- sowie Inline-Bearbeitung.

Industrielles Laserschneiden, -schweißen und -beschriften

• Laserschneiden: Präzise Konturen in Metallen, Kunststoffen oder Keramiken mit geringer Wärmeeinflusszone. Blechdicken bis etwa 50 mm bei Quellen um 20 kW. Toleranzen nach ISO 9013 typischerweise ±0,05 mm.
• Laserschweißen: Schmale, tiefe Nähte mit geringen Verzügen. Geschwindigkeiten von mehreren m/min. Eindringtiefe 0,1 mm bis über 20 mm je nach Leistung, Fokus und Materialpaarung.
• Lasermaterialabtrag: Reinigung, Entlacken und Texturieren. Abtragsraten im Bereich weniger Mikrometer pro Puls. Gleichmäßige Oberflächen ohne Strahlmittel.
• Lasermikrobearbeitung: Funktionale Oberflächen, Mikrokanäle und Bohrungen. Mit UKP lassen sich Strukturgrößen im Submikrometerbereich realisieren.
• Beschriftungslaser: Dauerhafte Markierungen von Datamatrix bis UDI. Galvanometrisches Scannen bis etwa 12 m/s. Fokusdurchmesser typischerweise 10–100 µm.

Fallstudie 1: In der Batteriemodulfertigung wurden Laschen aus Kupfer und Aluminium mit einer faserbasierten Quelle bei 3 m/min und Inline-Pyrometrie verschweißt. Der Ausschuss lag unter 0,5 %, die Nahttiefe blieb über 800 µm konstant.

Fallstudie 2: In der Medizintechnik erzeugte ein Pikosekunden-System Mikrobohrungen von 30 µm in PEEK-Implantaten. Die Randzonen blieben frei von Schmelzperlen, die Rundheit lag innerhalb ±1 µm.

Integration in automatisierte Fertigungsprozesse

Strahlquellen werden mit Robotern oder CNC-Achsen kombiniert, um komplexe Bahnen stabil abzufahren. Taktzeit, Strahlführung und Fokuslage lassen sich synchronisieren, wodurch eine durchgängige 24/7-Produktion möglich ist.

Die Anbindung an MES (Manufacturing Execution System) und ERP (Enterprise Resource Planning) erfolgt über EtherCAT oder Profinet. Sensorik überwacht Schmelzbäder, Plasmaleuchten und Nahtlagen. OEE (Overall Equipment Effectiveness) steigt durch Zustandsüberwachung und vorausschauende Wartung.

Kriterien für die Auswahl eines Lasersystems

Die Auswahl beginnt bei Werkstoff, Geometrie und geforderter Taktzeit. Daraus folgen Anforderungen an Leistung, Fokusgröße, Pulsregime, Strahlführung und Peripherie aus Optik, Kühlung und Prozessgasen.

Spezifische Parameter und Leistungsklassen

• Wellenlänge: Absorptionsverhalten im Zielmaterial. Beispielsweise 1030–1080 nm für metallische Werkstoffe und 10,6 µm für organische Stoffe.
• Leistung und Pulsenergie: Von 20 W für Markierungen bis 6 kW und mehr für Trennschnitte. Pulsenergie und Spitzenleistung steuern Abtrag und Schmelzen.
• Pulsdauer und Repetitionsrate: Nanosekunden bis Femtosekunden. Wiederholraten bis etwa 1 MHz für hohe Bahngeschwindigkeiten.
• Strahlqualität M²: Nahe 1 für enge Spots. Größer bei Multimode für robuste Kopplung bei großen Dicken.
• Optikeinfluss: Fokuslänge, Düse, Gasdruck und Kollimation bestimmen Kerfbreite, Rauheit und Nahtform.

Typische Geometrietoleranzen liegen je nach Prozess zwischen ±0,02 mm und ±0,1 mm. Die Fokuslage sollte innerhalb weniger Zehntel Millimeter gehalten werden, um reproduzierbare Rauheiten und Nahtbreiten zu sichern.

Betriebskosten und Wartungsaufwand (TCO)

Total Cost of Ownership umfasst Anschaffung, Strombedarf, Prozessgase, Kühlung und Ersatzteile. Faserquellen erreichen elektrisch-optische Wirkungsgrade von etwa 30–40 %, CO2-Systeme liegen oft bei 10–15 %.

Die Wartung konzentriert sich auf Diodenmodule, Optiken und Filter. Diodenpumpen moderner Festkörperquellen erreichen Laufzeiten über 20.000 Stunden. Für hohe Stabilität sind saubere Strahlwege, geeignete Kühlung und regelmäßige Justagen erforderlich.

Der OEE-Wert steigt mit verfügbarer Laufzeit über 95 %, stabilen Prozessfenstern und verlässlicher Qualität. Remote-Diagnose und Logdateien unterstützen eine schnelle Ursachenanalyse bei Abweichungen.

Innovationen und der Einfluss der Photonik

Der Fortschritt in optischen Komponenten, Diodenpumpen und Strahlformung ermöglicht neue Prozessfenster. Die enge Verzahnung mit der Photonik erweitert Wellenlängenoptionen, Stabilität und Messmethoden für die Inline-Qualitätssicherung.

Fortschritte in der Ultrakurzpulstechnologie

Ultrakurzpuls-Quellen mit 100 fs bis 10 ps kombinieren hohe Spitzenleistung mit kontrollierter mittlerer Leistung. Burst- und Trepuls-Verfahren steigern Abtragsraten, ohne die Randzonentemperatur merklich zu erhöhen.

Beispiel Glasbearbeitung: Ein Femtosekunden-System strukturierte Einschnürungen in Borosilikat für definierte Sollbruchkanten. Die Kantenrauheit lag unter 1 µm Rz, die Stabilität blieb über 10.000 Bauteile konstant, gemessen mit konfokaler Inline-Metrologie.

Nachhaltigkeitsaspekte und Energieverbrauch

Hohe elektrisch-optische Wirkungsgrade reduzieren Stromaufnahme und Abwärme. Präzise Energieeinträge minimieren Ausschuss und Nacharbeit. Trockene Prozesse ersetzen Lösemittel oder Kühlschmierstoffe, wodurch Medienhandling und Entsorgung vereinfacht werden.

Hersteller entwickeln modulare Baugruppen, die sich tauschen und aufarbeiten lassen. Rücknahmeprogramme für Optiken und Dioden reduzieren Materialverbrauch. Datenbasierte Betriebsführung senkt Teillastzeiten und verlängert die Lebensdauer.

Relevante Anbieter sind Trumpf, IPG Photonics, Coherent, Lumentum, Jenoptik, Han’s Laser, Laserline, Rofin-Sinar (Teil von Coherent), NKT Photonics, Bystronic, Amada und Raycus. Die Auswahl sollte anhand von Referenzprozessen, Serviceabdeckung und Prozessdatenfähigkeit erfolgen.