Lasertechnik Industrie-Laser für viele Aufgaben

Industrie-Laser sind bislang eher einseitig begabt – sie können Metalle entweder gut härten, schneiden oder schweißen. Außerdem sind sie meist unförmig und unhandlich. Forscher vom Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden haben jetzt ein echtes Multitalent entwickelt – eine Faserlaser-Anlage, die härten, schneiden und auf Wunsch auch schweißen kann.

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Fraunhofer IWS Dresden

Laser haben sich in den letzten Jahren zu einem unentbehrlichen Industrie-Werkzeug entwickelt. Sie schneiden Autobleche, härten Turbinenschaufeln oder schweißen Flugzeugrümpfe. Die energiereichen Lichtbündel sind schnell und präzise und werden inzwischen in vielen unterschiedlichen Branchen eingesetzt. Doch so verschieden diese Lichtmaschinen auch sind, eine Eigenschaft ist allen gemein – sie sind wenig flexibel.

Zum einen kann ein Laser meist nur eine Sache wirklich gut – härten, schneiden oder schweißen. Zum anderen sind viele Industrie-Laser ausgesprochen unförmige und große Schränke und können komplex geformte dreidimensionale Bauteile nur mit hohem technischen Aufwand bearbeiten. Forscher vom Fraunhofer IWS in Dresden haben jetzt einen Weg gefunden, den Laser flexibler zu gestalten und dadurch eine höhere Anwendungsvielfalt zu ermöglichen. Eingesetzt wurde eine vergleichsweise junge Technik: der Faserlaser.

Faser mit flexiblen und innovativen Eigenschaften

Diese Laser waren lange Zeit auf die Telekommunikation beschränkt. Ihre Signale waren gerade einmal stark genug, um zarte digitale Lichtsignale über Glasfasern zu verschicken – Telefonate und Internet-Botschaften. Doch mittlerweile haben die Faserlaser aufgeholt. Seit einigen Jahren gibt es Geräte, deren Fasern nur noch etwa 50 µm dick sind und Lichtpulse mit mehreren Kilowatt Leistung erzeugen.

Der Vorteil: Die Faser lässt sich flexibel wie ein Kabel durch den Raum führen. Außerdem erzeugt der Faserlaser Licht mit einer Wellenlänge von etwa 1 µm, die laut Fraunhofer IWS optimal von Metallen wie Stahl und auch Aluminium absorbiert wird.

Die Energie des Lasers dringt leicht ins Material ein. Damit kann ein Faserlaser bei gleicher Laserleistung etwa doppelt so schnell schneiden wie der vor allem bei Schneidprozessen etablierte CO2-Laser, der mit 10 µm Wellenlänge arbeitet. Der Faserlaser kann für verschiedene Fertigungsprozesse zur Anwendung kommen. Aufgrund der biegsamen Faser ist es möglich, dieses Fertigungswerkzeug flexibel in eine Produktionslinie zu integrieren – ohne großen technischen Aufwand.

„Unsere Entwicklung eignet sich insbesondere für kleine und mittelständische Unternehmen“, sagt Dr. Steffen Bonß, zuständig für die Härte-Komponenten der Anlage. „Weil herkömmliche Laseranlagen meist nur eine Funktion erfüllen, scheuen viele kleinere Firmen die Anschaffung.“ Mit der Faserlaser-Kombianlage können die Unternehmen den Laser flexibel einsetzen – je nach Auftragslage zum Härten oder Schneiden. In Pilotprojekten wurde die Anlage auch schon mit einer Schweißfunktion ergänzt.

Damit lohnt sich ein Laser erstmals auch für kleinere Betriebe. Die Anwendungsgebiete sind gerade auch in der Blechbearbeitung vielfältig. Neben dem Schweißen und dem Schneiden im 2D- und 3D-Bereich ist ein Faserlaser besonders interessant für das Hochgeschwindigkeitsschneiden.

Der Faserlaser hat – ohne Roboterarme – etwa die Größe eines Kühlschranks. Damit ist er nur knapp halb so groß wie der CO2-Laser. Auch diese vergleichsweise geringen Abmessungen erleichtern den flexiblen Einsatz. „Ein solches Gerät ist vor allem für den Herstellung von Bauteilmustern oder Kleinserien interessant“, sagt Bonß.

Geeignet für komplexe Geometrien

Dass die Anlage so wandlungsfähig ist, liegt besonders an der Qualität des Laserstrahls. Die Faser erzeugt sehr gleichmäßiges Licht und einen sehr kleinen Brennfleck. Der Laser kann die Energie besser bündeln, schneller und präziser arbeiten. „Zwar gilt der CO2-Laser, was das Schneiden angeht, als Arbeitspferd – mit einem Marktanteil von mehr als 90%“, sagt der für Laserschneidanwendungen verantwortliche Projektleiter am IWS, Dr. Thomas Himmer. »Doch meist schneidet er nur flache Bleche. Um komplexere Geometrien zu bearbeiten, muss man erheblichen Aufwand betreiben.“

Durch die große Entfernung zum Bauteil ergeben sich lange Brennweiten – der Arbeitsabstand ist für den CO2-Laser dadurch beschränkt und somit auch die Größe des Arbeitsfeldes. Denkbar ist an dieser Stelle beispielsweise ein Einsatz des Faserlasers. Der robotergesteuerte Faserlaserbearbeitungskopf ist wesentlich beweglicher und flexibler in der Strahlführung und kann so auch an schwer zugängliche Stellen eines Bauteils herangeführt werden.

Außerdem können Remote-Prozesse dank der extrem guten Fokussierbarkeit mit größeren Abständen und höheren Geschwindigkeiten geführt werden. Alles in allem bringt es der Faserlaser auf einen elektrischen Wirkungsgrad von gut 20%. Beim CO2-Laser sind es nur 6 bis 10%.

Beim präzisen Schneiden soll der Brennfleck minimal sein. Mit dem Faserlaser ist das kein Problem – der Diodenlaser kann da nicht mithalten. Zwar ist der Diodenlaser preisgünstiger und für Härteprozesse derzeit noch das Werkzeug der Wahl. Doch Betrieben, die hin und wieder auch schneiden und schweißen müssen, nutzt das wenig. Mit dem Faserlaser lassen sich künftig alle Aufgaben lösen. „Erste Faserlaser-Anlagen aus der Forschung und Entwicklung des IWS arbeiten bereits in der Automobilindustrie – sowohl bei Zulieferern als auch bei OEMs“, sagt Himmer.

Sie werden erfolgreich für das Beschneiden von Automobilkomponenten wie A- und B-Säulen eingesetzt. Gemeinsam mit den Kunden entwickeln Bonß und er die optimale Laserkonstruktion: Sie passen die Strahlparameter den Werkstücken an und integrieren die Laseranlage in bestehende Produktionslinien. Dank des schnellen Lasers lassen sich Taktzeiten oftmals deutlich verkürzen, gleichzeitig reduziert sich der Energieverbrauch. In München werden die Forscher erste Beispiele aus der Praxis vorstellen.

Neuentwicklung wird zur Laser 2007 präsentiert

Den flexiblen Faserlaser zeigen die IWS-Forscher während der Laser 2007 vom 18. bis 21. Juni in München (Halle B3, Stand 131) an ihrer neu entwickelten Laserschneid- und Laserhärteanlage. Das Gerät ist mit einem Knickarm-Roboter ausgerüstet, der die Faser mitsamt Laserkopf schnell bis in den verborgensten Winkel eines komplexen Bauteils führt.

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