Berührungslos, präzise und schnell Laser als Werkzeug

Autor / Redakteur: Klaus Vollrath / M.A. Frauke Finus

In der Materialbearbeitung hat sich der Laser fest etabliert. Die Vielfalt an Systemen ist schwer überschaubar. In diesem Beitrag wird aufgezeigt, welche Technologien es gibt und wofür sie sich eignen. Vor einem Kauf empfehlen sich fachmännische Beratung sowie ein praktischer Eignungsnachweis.

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Eine Strahlablenkung über Spiegelsysteme ermöglicht hohe Scangeschwindigkeiten, zum Beispiel beim Dünnblechschweißen.
Eine Strahlablenkung über Spiegelsysteme ermöglicht hohe Scangeschwindigkeiten, zum Beispiel beim Dünnblechschweißen.
(Bild: Vollrath)

Prof. Dr. Patrik Hofmann, Abteilungsleiter Advanced Materials Processing an der Empa in Thun und Adjunkt Professor LPMAT an der ETH Lausanne sagt: „Trotz aller Fortschritte ist der Laser weiterhin ein teures Werkzeug, weshalb Fragen bezüglich der Einsatzeffizienz sorgfältig geklärt werden sollten.“ Vorteil des Lasers ist, dass sein Strahl berührungslos und damit verschleißfrei arbeitet, schnell bewegt werden kann und sich sowohl räumlich als auch zeitlich mit hoher Genauigkeit ausrichten lässt. Jedoch liegt der Preis industrieller Laserquellen je nach Typ und Leistung nach wie vor im fünf- bis sechsstelligen Bereich. Da Laserlicht bei der Bearbeitung vor allem thermisch auf das Material einwirkt, beruht seine Wirkung auf Wärmeabsorption im Material bzw. an der Materialoberfläche. Deshalb stellt sich sofort die Frage, wie hoch der Anteil der (teuren) Laserenergie ist, der absorbiert wird. Reflektierte Anteile – das können bis zu 99 % sein – gehen schlicht verloren. Auch ist zu klären, wo genau die Absorption und damit die Wärmeentwicklung stattfinden, wohin die Wärme transportiert wird und was mit verflüssigtem bzw. verdampftem Material passiert.

Industrielasertypen und ihre wesentlichen Eigenschaften

Wesentliche Komponenten eines Lasers sind die Pumpquelle, das Medium, in welchem die Strahlung entsteht, sowie der Resonator (Spiegelsystem), welcher den Aufbau der Strahlungsenergie im Medium beeinflusst. Laserstrahlung ist monochromatisch, kohärent gerichtet und hat eine hohe Intensität. Entscheidend ist die Eignung der gewählten Wellenlänge für das hauptsächlich zu bearbeitende Material. Materialbearbeitungslaser haben genau definierte Lichtwellenlängen. Gebräuchliche Typen sind zum Beispiel CO2-Gaslaser (mittleres Infrarot, 10,6 µm), Excimerlaser (UV) oder die unterschiedlichen Festkörperlaser wie Dioden-, Stab-, Faser- oder Scheibenlaser. Hierzu gehören auch die Nd:YAG-Laser (Nahinfrarot 1,064 µm). CO2-Laser ermöglichen hohe Dauerstrichleistung und hohen Wirkungsgrad (bis 35 %), die Strahlübertragung erfordert jedoch aufwendige Rohr- und Spiegelsysteme. Der Strahl von Festkörperlasern kann durch flexible Fasern geführt werden. Neben den früher dominierenden Stablasern wurden auch Scheibenlaser oder Faserlaser entwickelt. Letztere haben sehr hohe Strahlqualitäten und Leistungsniveaus von bis zu 50 kW.

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