Die Entwicklung der Lasertechnik Laser – von der Theorie zum Allround-Werkzeug

Autor / Redakteur: Lea Drechsel / Jürgen Schreier

Die Idee des Lasers geht auf Albert Einstein zurück. Heute füllt er die Produktionshallen und überzeugt durch hohe Geschwindigkeiten und Genauigkeit. Der Markt für Lasersysteme wächst weiter und die Einsatzgebiete des Lasers nehmen zu. Aktuelle Entwicklungen und Anwendungen fordern neue Technologien.

Eine von vielen Aufgaben des Lasers ist beispielsweise das Schweißen von Getriebeteilen.
Eine von vielen Aufgaben des Lasers ist beispielsweise das Schweißen von Getriebeteilen.
(Bild: Trumpf)

Bereits 1917 entdeckt Albert Einstein die theoretischen Grundlagen stimulierter Emission von Licht, was 1921 zur Verleihung des Nobelpreises für Physik führte. Einstein bewies, dass es möglich sei, Licht geordnet und stark gebündelt auszusenden.

Dies führe zu faszinierenden Lichteigenschaften. Theodor Herold Mainman entwickelte 1960 den ersten Laser (light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), einen Festkörperlaser aus Rubinkristall, mit dem gerade einmal ein Streichholz entflammt werden konnte. Damit war der Beweis erbracht, dass Einsteins Prinzip auch praktisch funktioniert. Jedoch blieb die Frage, wozu derartige Gerätschaften eingesetzt werden könnten, weshalb die Technologie belächelt wurde.

Ein Leben ohne Lasertechnik ist heute nur schwer vorstellbar

Heutzutage ist ein Leben ohne Lasertechnik nur schwer vorstellbar. Vom Laserpointer für Präsentationen, in CD-/Blu-ray-Laufwerken, Augenoperationen, bis hin zur industriellen Fertigung, Laser sind heute fester Bestandteil unseres Lebens, auch in der Industrie. In den ersten Lasern fungierten entweder Gase oder Rubinkristalle als aktives Medium (Sauerstoff, Stickstoff, CO22 und He-Ne), die Gasatome wurden angeregt um Photonen emittieren zu können.

Professor der Physik Harald Lesch an der LMU München bezeichnet Laser als den „Perfekten Kommunismus“, da möglichst viele Photonen (Lichtteilchen) dazu gezwungen werden das gleiche zu tun. Sie emittieren im selben Takt Licht, was zu einer extremen Verstärkung führt. Mittels einer Pumpe wird Energie in Form von Licht oder Gasentladungen, bei Laserdioden als elektrischer Strom, zugeführt. Anschließend filtert der sogenannte Resonator die Photonen mit den gewünschten Eigenschaften und lässt diese energetisch gleichen und synchron gepulsten Photonen austreten. Laserlicht ist stets einfarbig, da alle Photonen dieselbe Wellenlänge besitzen.

1980 wurden erste mögliche Anwendungen entdeckt und umgesetzt. So erhielt der Laser Einzug in die Feinmechanik- und Elektronikfertigung um beispielsweise Bildröhren herzustellen. Hauptsächlich bohrten sich die verwendeten Festkörperlaser vollautomatisiert stündlich durch bis zu 20 000 Bohrungen. Bereits fünf Jahre später gab es die ersten CO2-Laser, welche im Motorenbau und in der Blechbearbeitung eingesetzt wurden.

Laser ist als Messgerät unantastbar genau

Das spanlose Verfahren setzt sich hier vor allem dank seiner Präzision und hohen Geschwindigkeiten durch. Das Schneiden von Blech gehört bis heute zu einem der größten Anwendungsfelder der Lasertechnik. Als Messgerät ist der Laser unantastbar genau, um Dicken, Entfernungen und Oberflächen von unterschiedlichen Objekten zu vermessen, dies geschieht mittels der Laufzeitmessung. Durch unterschiedliche Pulsmuster, ähnlich dem Morsen, kann extrem exakt gemessen werden. So ist die Entfernung zwischen Erde und Mond dank Lasertechnik heute auf bis zu 20 cm genau vermessen.

Die Flexibilität und Automatisierbarkeit der CO2-Laser sorgen 1987 für erste Großserieneinsätze im Karosseriebau für Schneidarbeiten. Zu Beginn der 90er Jahre entstehen erste, mittels Lichtleitkabeln (Glasfaser) geführte, Festkörperlasern welche ebenfalls zunächst in der Automobilindustrie zum Karosserieschweißen verwendet werden. 1995 präsentiert das Institut für Strahlwerkzeuge der Universität Stuttgart (IFSW) den ersten funktionierenden Scheibenlaser (aktives Medium hat die Form einer Scheibe).

Bis zur ersten industriellen Anwendung 2003 im UW-Bereich wurde noch einiges an Optimierungsarbeit an der neuen Art von Festkörperlaser geleistet. Seit 2004 existieren hochproduktive Kombinationsanlagen. Dies wird robotergeführtes Remotschweißen, oder auch „Welding-on-the-fly“ genannt. Der Roboter scannt das zu schweißende Bauteil und positioniert den Laserstrahl stets in einem Abstand von einem halben Meter. Die neuartigen Steuerungen und Roboterarme ermöglichen so problemloses und zügiges Schweißen von Bauteilen jeglicher Art und Form, hauptsächlich werden so Komponenten wie Autotüren präzise und zuverlässig geschweißt.

Der Laserindustrie ging es stets gut

Der Weltmarkt für Lasersysteme zur Materialbearbeitung nimmt seit 2003 stetig zu, so waren es 2008 6,4 Mrd. Euro Volumen. Da es sich bei Lasermaschinen um Investitionsgüter handelt, reagiert die Nachfrage auf die konjunkturellen Erwartungen. Abgesehen von der Depression 2009 und der langsamen Expansion 2010 ging es der Laserindustrie stets gut.

Seit 2011 hat sich die Branche wieder regeneriert und steigt kontinuierlich an, 2012 waren es dann bereits 7,9 Mrd. Euro mit einem Anstieg von 9 % im Vergleich zum Vorjahr. Jedoch beruht ein Großteil des Wachstums lediglich auf Währungseffekten. Von den 7,9 Mrd. Euro gingen 39 % auf das Konto der Elektroindustrie und 36 % in die Metallbearbeitung, weitere 15 % kommen auf die Automobilindustrie und der Rest in die Nichtmetallbearbeitung. Wobei 2012 China und Europa die Hälfte des Marktes in Hinblick auf die Nachfrage nach Lasersystemen ausmacht. Die Konsumelektronik, vor allem Smartphone- und Displayherstellung gelten momentan als Treiber im Lasermarkt. Die immer kleiner werdenden Geräte müssen präzise und schnell hergestellt werden, Lasertechnik gilt hier als Wundermittel.

Faserlaser kommen in der Blechbearbeitung zum Einsatz

Aktuell werden immer mehr die beiden Bauarten der Festkörperlaser, Faser- und Scheibenlaser, verwendet. Da mittels ihnen hohe Leistungen bei guter Strahlqualtität erzielt werden können. Sie unterscheiden sich in der Art des Pumpens, beim Scheibenlaser durchläuft die Pumpstrahlung des Öfteren eine Scheibe, gelenkt durch einen Prismenreflektor, um möglichst vollständig absorbiert zu werden. Der Faserlaser leitet die fokussierte Pumpstrahlung durch beispielsweise Glasfaserkabel zum Werkstück.

Sie werden zum Schneiden (meist von Blechen bis 25 mm), Bohren, Gravieren, Schweißen, Löten, Reinigen und Härten genutzt. Sie können kürzeste Pulslängen und damit die höchsten Spitzenleistungen erreichen. Die Herstellung von Halbleitern, Flachbildschirmen, Leiterplatten, Solarzellen und etlichen mehr wurden durch Lasertechnik teils überhaupt möglich und meist wirtschaftlich durch Effizienz in der Fertigung.

* Lea Drechsel ist Fachjournalistin in Nürnberg.

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