Neue Anwendungen für den Dioden-Laser

Mit dem leistungsfähigen Scheiben-Laser, der Laser-Licht hoher Qualität mit Leistungen bis zu 10 kW abstrahlt, eröffnet die Firma Trumpf dem Dioden-Laser neue Anwendungen. Schweißarbeiten, die bis dahin nur von CO2-Lasern mit aufwendiger Strahlführung erledigt werden konnten, lassen sich jetzt auch mit Dioden-Lasern bzw. mit diodengepumpten Lasern durchführen.

Die Firma Trumpf hat, ausgehend von der Anwendung »Blechschneiden« seit den 70er Jahren Laser-Licht zum Schneiden, Schweißen, Markieren und für die Oberflächenbearbeitung eingesetzt. Mit der Entwicklung eigener Laser hat sich das Unternehmen zudem in einem völlig neuen Technologiefeld ein Standbein geschaffen, das über die Herstellung von Blechbearbeitungsmaschinen weit hinausgeht.

Elektronik-Redakteur Dr. Jens Würtenberg sprach mit Dr. Kurt Mann, dem Leiter des internationalen Vertriebs bei Trumpf-Laser, über neue Anwendungen und das Potenzial der Festkörper-Laser in Materialbearbeitung und Produktion.

Das Trennen oder Schweißen von Materialien lässt sich mit dem Laser in der Produktion oft besser durchführen als mit den herkömmlichen Methoden, etwa deshalb, weil sich ein Lichtwellenleiter leichter führen lässt als eine Schweißzange. Nun sind Laser-Systeme sicher teurer als Schweißbrenner. Warum werden trotzdem immer mehr Laser bei der Materialbearbeitung eingesetzt?

Dr. Kurt Mann: Laser-Systeme haben im Allgemeinen höhere Investitionskosten als Schweißbrenner. Letztendlich zählen aber die Kosten des fertigen Bauteils, das geschnitten oder geschweißt wird und hier punktet der Laser. Er bringt seine Energie sehr zielgerichtet auf das Werkstück, der Wärmeeintrag ist minimal, aufwendige Nacharbeit kann entfallen. In Verbindung mit einer lasergerechten Konstruktion kann das Werkstück oft leichter und mit weniger Material aufgebaut werden. Meist kompensiert schon die Einsparung von Zusatzdraht die höheren Anschaffungskosten für den Laser.

Bei der Nutzung des Laser-Lichtes für das Schweißen war die Laser-Leistung der entscheidende Parameter. Welche Rolle spielt die »Strahlqualität« heute in der Materialbearbeitung?

Die Strahlqualität ist neben Laser-Leistung und Wellenlänge der Parameter, der entscheidet, ob eine Anwendung mit einem Laser-Typ machbar ist oder nicht. Sie bestimmt neben dem Abstand zwischen Fokussieroptik und Werkstück die Größe der Fokussieroptik, die wiederum die Integrierbarkeit in Laser-Maschinen und Fertigungslinie beeinflusst. Vor allem aber bestimmt die Strahlqualität die Fokusgröße und damit die Intensität des Laser-Lichts auf dem Werkstück.

Beim Dioden-Laser im Kilowatt-Bereich war die Strahlqualität z.B. zum Schneiden oder Tiefschweißen bislang nicht ausreichend, so dass sich deren Anwendungsbereich hauptsächlich auf Löten, Wärmeleistungsschweißen oder Härten beschränkte. Erst mit neuen Dioden-Lasern, die über eine bessere Strahlqualität verfügen, können auch die anderen für Festkörper-Laser typischen Applikationen bewältigt werden.

Die Firma Trumpf hat mit ihrer Entwicklung des Scheiben-Lasers dem Festkörper-Laser neue Leistungsbereiche erschlossen. Was ist der wesentliche Grund für diese Leistungssteigerung?

Im Gegensatz zu den konventionellen Festkörper-Lasern, den Stab-Lasern, zeigt ein Scheiben-Laser keine thermische Linse und liefert daher bei höherer Pumpleistung nicht nur eine höhere Ausgangsleistung, sondern auch eine bessere Strahlqualität. Im Vergleich zu einem Laser-Stab bringt eine Scheibe die zehnfache Leistung und eine fünf- bis zehnfach bessere Strahlqualität. Zudem eignet sich die Scheibe besser zum Diodenpumpen als ein Stab, was eine Effizienzsteigerung von 100 Prozent bringt. Alles in allem ist die Scheibe eine hervorragende Technologie, um Festkörper-Laser zu optimieren.

Die Wellenlänge von CO2-Lasern liegt mit 10,6 µm im tiefen Infra-rot. Welche Materialien lassen sich hiermit besonders gut bearbeiten? Und in welchen Domänen ist der Scheiben-Laser mit seiner zehnmal kürzeren Wellenlänge besonders geeignet?

Der CO2-Laser ist heute der Laser der Wahl für das Schneiden von flachen Blechen bis Dicken von mehreren Zentimetern. Das liegt einerseits an den geringeren Kosten im Hochleistungsbereich, andererseits aber auch an der längeren Wellenlänge, die sich insbesondere bei dicken Materialien positiv auswirkt, übrigens auch beim Schweißen. Darüber hinaus lassen sich Nichtmetalle mit 10 µm im Allgemeinen besser als mit 1 µm bearbeiten. Der Scheiben-Laser mit der kürzeren Wellenlänge kann seine Vorteile in der Bearbeitung von Metallen bis zu Einwirktiefen von etwa 5 mm ausspielen. Darüber hinaus bieten sich natürlich die Vorteile der Strahlführung über Laser-Lichtkabel. Letztlich muss und sollte von Fall zu Fall geprüft werden, welche Wellenlänge für die jeweilige Applikation und das gewünschte Maschinenkonzept am Besten geeignet ist.