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Laser als Werkzeug

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Reine Diodenlaser haben äußerst gute Wirkungsgrade von bis zu 60 %. Ihr Strahl entsteht aus der Bündelung einer Vielzahl einzelner Quellen und hat daher eine vergleichsweise geringe Qualität. Nichtsdestotrotz eignen sich Diodenlaser für Bearbeitungsprozesse mit geringeren Ansprüchen wie Laser-Markierung, -härten, -umschmelzen oder Lasercladding. Bezüglich der Führung des Strahls an das zu bearbeitende Objekt gibt es vor allem zwei Ansätze: Verfahren des Laserkopfs mit Hilfe einer mehrachsigen Maschine bzw. eines Roboters oder Ablenkung des Strahls mittels leichten und daher schnell beweglichen Spiegelsystemen. Erstere Technologie findet man häufig zum Beispiel bei Schneidsystemen für dickere Bleche, wo Scangeschwindigkeiten keine so entscheidende Rolle spielen, letztere dagegen beispielsweise bei Anwendungen wie Rapid Prototyping oder Dünnblechschweißen.

Eine entscheidende Frage beim Einsatz von Lasern zur Materialbearbeitung ist die Absorption im zu bearbeitenden Material. In Metallen erfolgt die Absorption innerhalb weniger Nanometer. Dies definiert auch das Volumen, in dem die Energie des Laserstrahls in Wärme umgesetzt wird. Die Abfuhr dieser Wärmeenergie erfolgt vor allem durch Wärmeleitung innerhalb des festen Werkstoffs oder durch Entfernung geschmolzenen Materials durch Wegblasen oder Verdampfung. Die Verdampfung erfordert etwa 5 bis 10 mal soviel Energieeinsatz wie das Aufschmelzen. Ein Abtransport durch Gaskonvektion oder durch Wärmestrahlung spielt bei technischen Laserbearbeitungsprozessen nur eine untergeordnete Rolle. Ein technischer Kniff zur Steigerung der Effizienz beim Schneiden von Stahl besteht darin, Sauerstoff durch den Schneidspalt zu blasen. Dies treibt einerseits die Schmelze aus, das heißt das entsprechende Material muss nicht verdampft werden, und unterstützt zudem durch die exotherme Reaktion des Sauerstoffs mit dem Stahl (Verbrennung) den Wärmeeintrag ins System.

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Pulsen – wann und mit welcher Pulsdauer

Um die Effizienz der Laserwirkung zu steigern, wird häufig gepulstes Laserlicht eingesetzt. Da hierbei die im Laser bereitgestellte Leistung auf Impulse sehr kurzer Dauer konzentriert wird, sind diese selbst extrem leistungsstark (teilweise bis in den Gigawattbereich hinein). Dadurch wird die unmittelbar abtragende Wirkung an der Oberfläche gesteigert, während Energieverluste durch Wärmeleitung begrenzt werden. Dies bewirkt geringere Materialschädigungen im Bereich der Schnittkanten. Heute gibt es Lasersysteme mit Pulsdauern bis herab in den Pico- und Femtosekundenbereich. Bei letzteren spricht man auch von „kalter Abtragung“, obwohl die Wirkung des Lasers nach wie vor thermisch bleibt, d.h. das Material wird aufgeheizt und verdampft. Jedoch verläuft der Energieeintrag so schnell, dass der Übergang in die Gas- und Plasmaphase erfolgt, noch bevor die Wärme in das Material eindiffundieren kann. Somit kann man selbst Streichholzköpfe bearbeiten, ohne dass sich diese entzünden.

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