Faserlaser beim Schweißen von Automobilkomponenten

So sieht das Schweißen von Automobilkomponenten mit einem Hochleistungsfaserlasern von Coherent Rofin aus. Das Laserschweißen ist nur eines der vielen Anwendungsgebiete für Faserlaser. - Bild: Coherent

In der Materialbearbeitung stehen zum Schneiden, Schweißen, Löten, Beschriften oder Markieren die unterschiedlichsten Lasertypen zur Verfügung, mit denen sich die verschiedensten Anforderungen erfüllen lassen. Der Faserlaser ist das echte Allround-Genie unter ihnen: Er verfügt über sehr gute Strahl-Qualität und hohe Effizienz sowohl im kontinuierlichen als auch im gepulsten Betrieb. Außerdem sind die Ausgangsparameter sehr flexibel, was ihn für viele industrielle Anwendungen interessant macht. Das ist aber noch lange nicht alles - hier lesen Sie, was diesen speziellen Laser ausmacht und wo er eingesetzt werden kann.

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Wer sind die Hersteller von Faserlasern?

Es gibt viele Hersteller, die Anlagen mit Faserlasern zur Materialbearbeitung anbieten. Dabei muss man unterscheiden, ob diese Laser-Quellen, -systeme oder ganze Laseranlagen produzieren.

Beispielsweise sind IPG Laser und Coherent Rofin vor allem für ihre Faserlaser-Quellen und -systeme bekannt. Auch Fanuc, eher bekannt als Unternehmen für Fabrikautomation, hat Faserlaserquellen im Sortiment.

Mazak und Bystronic hingegen bieten hauptsächlich Anlagen zu Laserschneiden und/oder Laserschweißen mit Faserlasern an. Trumpf stellt sowohl Faserlaser her, bietet aber auch komplette Laseranlagen für verschiedenste Fertigungsverfahren an.

Wie funktioniert ein Faserlaser?

Der Faserlaser zählt zu den Festkörperlasern, also zu den Lasern bei denen ein kristalliner oder glasartiger Festkörper zur Lichtemission angeregt wird. Das emittierende Medium ist in diesem speziellen Fall ein mit Seltenerd-Ionen dotierter Kern einer Glasfaser, daher der Name. Die Dotierung erfolgt je nach gewünschter Wellenlänge zum Beispiel mit Erbium (Er), Thulium (Tm) oder Ytterbium (Yb).

Der laseraktive Kern hat einen Durchmesser im einstelligen bis zweistelligen Mikrometerbereich und ist von einem Mantel umgeben, der eine geringere Brechzahl als der Kern besitzt. Darin wird das Pumplicht reflektiert, sodass es den Kern mehrfach durchquert. Abhängig vom Faserlasertyp und der Leistung hat die Ummantelung einen Durchmesser von einigen 100 Mikrometern. Zusätzlich wird um diesen Mantel ein Polymer aufgetragen. Dieses besitzt wiederum eine noch geringere Brechzahl.

Das Pumplicht wird in den inneren reflektierenden Mantel eingeleitet und durchquert dann mehrmals die aktive Faser, wodurch die Lichtemission im aktiven Medium stimuliert wird.

Schematische Darstellung der Laserstrahlerzeugung im Singlemode eines Faserlasers
Schematische Darstellung der Laserstrahlerzeugung im Singlemode eines Faserlasers: Die Elektronen des Faserkerns werden mittels des Pumplichts angeregt und beim Übergang in ein anderes Energieniveau wird Licht emittiert. - Bild: IPG Laser

Welche Wellenlänge hat ein Faserlaser?

Die Wellenlänge des Lasers hängt vom aktiven Medium der Faser ab. Ytterbium-Faserlaser haben beispielsweise einen Wellenlängen-Bereich von 1030 bis 1090 Nanometer und Erbium-Laser von 1535 bis 1565 Nanometer. Mit Thulium lassen sich Wellenlängen zwischen 1900 und 2050 Nanometern erreichen. Grüne Faserlaser, wie sie mittlerweile von einigen Herstellern angeboten werden, haben Wellenlängen zwischen 510 und 550 Nanometern.

Aufgrund der verschiedenen Faser-Materialien lassen sich also viele verschiedene Wellenlängen realisieren. Das ist auch einer der Vorteile des Faserlasers (alle Vorteile erfahren Sie in diesem Abschnitt). Außerdem gibt es mittlerweile Faserlaser mit flexibel abstimmbarer Wellenlänge, was besonders für spektroskopische Anwendungen und den Einsatz in der Medizintechnik interessant ist.

Forscher des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) haben darum ein Abstimmkonzept realisiert, das erstmals verschiedene Emissionswellenlängen voneinander unabhängig und synchron erzeugt. „Die Basis für abstimmbare Laser sind spektrale Filter, sogenannte Faser-Bragg-Gitter. Mit einem am Institut entwickelten Verfahren haben wir die Möglichkeit, während des Faserziehens die Gitter schnell und kostengünstig in fast unbegrenzter Anzahl in den Kern einzuschreiben und so ein Gitter-Array zu erzeugen“, beschreibt Projektmitarbeiter Tobias Tieß die Funktionsweise.

Jedes dieser Gitter besitzt eine andere Brechzahlstruktur und reflektiert daher Licht mit einer spezifischen Wellenlänge wie ein Spiegel. „Indem wir die Laufzeit der Lichtpulse durch die Faser im Nanosekunden-Bereich steuern, können wir einzelne Gitter des Arrays ansteuern und damit die Wellenlänge des Laserlichts wie gewünscht einstellen“, erklärt Tieß weiter.

Dazu mussten die Forscher bisher die Pulsschussrate des Lasers verändern, was Anwendungen in der Spektroskopie erschwert, da diese oft auf synchronisierten Prozessen beruhen. Das Abstimmkonzept erlaubt es, eine beliebige Wellenlänge mit konstanter Pulsschussrate und stabilen Pulseigenschaften über den kompletten Arbeitsbereich einzustellen.

Flexibel abstimmbare Faserlaser sind insbesondere auch für spektroskopische Anwendungen und ebenfalls für die Medizintechnik interessant.
Flexibel abstimmbare Faserlaser sind insbesondere auch für spektroskopische Anwendungen und ebenfalls für die Medizintechnik interessant. - Bild: Leibniz-IPHT

Welche Leistung und Strahlqualität können Faserlaser erreichen?

Von der Wellenlänge des emittierten Laserlichts hängt auch die Pumpwellenlänge ab. Im Bereich der Materialbearbeitung werden häufig Faserlaser mit einer Ausgangswellenlänge von 1.064 beziehungsweise 1.070 Nanometer eingesetzt. Diese werden, abhängig von der Dotierung des Kerns, mit Laserdioden bei einer Wellenlänge von 940 bis 975 Nanometer gepumpt. An der Grenzfläche des Mantels mit dem Polymer findet eine Totalreflexion des Pumplichts statt, der dotierte Faserkern absorbiert die Pumpstrahlung und verstärkt dadurch weiter die Lichtemission im aktiven Medium.

Die Verstärkung bestimmt die Laserleistung. Diese ist umso größer, je länger die aktive Faser ist. Daher lässt sich ein breiter Leistungsbereich realisieren. Die momentan mögliche maximale Leistung liegt bei zirka 20 Kilowatt bei Singlemode-Fasern und 500 Kilowatt bei Multimode-Fasern (zum Beispiel die Hochleistungs-Faserlaser von IPG Laser).

Schließlich wird das Ende der aktiven Faser an eine Auskoppelfaser angebunden. Deren Durchmesser muss mindestens so groß wie der Kern der aktiven Faser sein, damit das ganze Laserlicht in die Auskoppelfaser übertragen werden kann. Auf diese Weise lässt sich mit Singlemode-Fasern eine Grundmodestrahlqualität ≥ 0,35 mm*mrad erzeugen, also auch ein sehr kleiner Fokusdurchmesser.

Schematischer Aufbau eines Faserlasers im Multimode
Im Multimode wird das Pumplicht mehrerer Pumpdioden in die aktive Faser gekoppelt, um eine höhere Ausgangsleistung zu erzielen. - Bild: IPG Laser

Was sind die Hauptanwendungen für Faserlaser-Technologie?

Faserlaser eignen sich aufgrund ihrer hohen Strahlqualität, Effizienz und Robustheit für eine Vielzahl von Anwendungen. Nicht umsonst erzielen die Hersteller momentan mit Faserlasern die höchsten Umsätze, verglichen mit anderen Festkörperlasern, CO2-Lasern und Diodenlasern. Faser-Systeme mit niedrigen Leistungen werden beispielsweise zum Markieren oder zu medizinischen Zwecken eingesetzt, die mit höherer Leistung zum Schweißen oder Schneiden.

Beispielsweise eröffnet der Faserlaser im Singlemode zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, wobei die Hauptanwendungen für Systeme mit einer Leistung zwischen 400 und 1.000 Watt das Fein- und Feinstschneiden dünner Blechfolien sowie das Punkt- und Nahtschweißen sind.

Selbst eigene Technologien haben sich aus diesen Anwendungen entwickelt, wie zum Beispiel das Wobbling. Bei diesem Laserschweißen im Überlapp mittels hochfrequenter örtlicher Modulation können Tiefe und Breite der Schweißnähte im Mikrometer- bis Millimeterbereich unabhängig voneinander eingestellt werden.

Mit dieser Technik gelingt hochwertiges Schweißen auch bei Spalten zwischen den Schweißteilen. Zudem lassen sich die Schweißparameter für unterschiedliche Materialien optimieren. Die Feinstbearbeitung von Cu-Al-Verbindungen im Bereich E-Mobility wäre ohne Faserlaser zum Beispiel gar nicht möglich.

Beschriftungsvorgang eines IPG Laser Logos mithilfe eines Faserlasers
Beim Beschriften und Markieren ist der Faserlaser bereits Standard. Hier eine Schwarzmarkierung mit einem Ultrakurzpulsfaserlaser. - Bild: IPG Laser

Der Klassiker unter den Anwendungen des Faserlasers im Singlemode ist aber das Markieren: Als kostengünstige und präzise Werkzeuge lassen sich Faserlaser einfach in existierende Produktionslinien integrieren. Ob Kunststoffgehäuse, Ohrmarken oder Label in der Automobilindustrie, ob zu Zwecken der Traceability, der Qualitätssicherung oder zum Plagiatsschutz – wo Leistungen bis 1 Kilowatt ausreichen, kann der Faserlaser schon seit längerer Zeit mit seiner Strahlqualität punkten.

„Beim Beschriften von Werkstücken, Bauteilen oder Produkten hat sich der Faserlaser gegenüber herkömmlichen Kristalllasern wie Nd:YAG- oder Nd:YVO-Lasern durchgesetzt“, weiß Natalie Eichner vom Marketing bei Trotec. Und obwohl Kristalllaser mit 1.064 Nanometern dieselbe Wellenlänge wie Faserlaser aufweisen und sich somit ebenfalls zum Beschriften von Metallen und Kunststoffen eignen, kennt der Hersteller von Lasersystemen zum Markieren und Gravieren die Vorteile eines Faserlasers für diese Zwecke sehr genau: Die Möglichkeit zur Einstellung der Pulsdauern beim Einsatz als Mopa-Laser (Master Oscillator Power Amplifier) erlaubt die Tiefengravur bei Metallen und verleiht Flexibilität bei der Anlassbeschriftung.

Welche Vorteile haben Faserlaser?

Das wichtigste zuerst: Der größte Vorteil ist die bereits öfter erwähnte hohe Strahlqualität sowohl im kontinuierlichen als auch im gepulsten Betrieb. Aber es gibt noch weitere Punkte, die den Faserlaser auszeichnen.

Festkörperlaser benötigen im Vergleich zu CO2-Lasern kein Schweißgas, Kühl- und Wartungsaufwand sind geringer, der elektrisch-optische Wirkungsgrad von mehr als 50 Prozent ist dagegen rund fünfmal so hoch.

„Der Faserlaser ist für jegliche Anwendungen prädestiniert, bei der die bestmögliche Fokussierbarkeit gefordert ist“, bringt es Michael Stark, Project Manager Marketing and Sales bei IPG Laser, auf den Punkt. Von dieser Option profitiert zum Beispiel die Druckindustrie, um hohe Auflösungen zu erreichen. Und auch bei der additiven Fertigung von filigranen Bauteilen muss die optimale Fokussierbarkeit des Laserstrahls gegeben sein. Dabei hilft, dass es mit Faserlasern einfach ist, die bestmögliche Strahlqualität zu erreichen, da der Laserstrahl direkt in der Faser erzeugt wird.

Dass der Festkörperlaser mit Fasern sich gleich in mehreren Anwendungsgebieten etabliert hat, zeigt seine Vorteile auf. Zum Beispiel beim Schneiden und Schweißen metallischer Werkstoffe: Für den Einsatz eines Faserlasers in diesen Bearbeitungsprozessen sprechen für Dr. Wolfram Rath von Coherent Rofin auch wirtschaftliche Gründe, denn beim Schmelzschneiden sinken mit dieser Laservariante die Kosten pro Teil.

Aus der Möglichkeit der Skalierung der Schneidgeschwindigkeit linear mit der Laserleistung ergibt sich für den Product Line Manager Fiber Laser bei Coherent Rofin auch der aktuelle Trend zu größerer Leistung. Eine höhere Ausgangsleistung wird erreicht, indem die Pumpleistung erhöht wird. Allerdings erhöht sich dabei zwangsläufig die Intensität in der aktiven Faser, welche irgendwann ein physikalisches Limit erreicht.

Um die für die Bearbeitung dickerer Materialien nötigen hohen Leistungen zu erreichen, werden die Strahlen vieler Einzellaser parallel eingekoppelt. In diesem Multimode sind dann auch ein effizientes und kostengünstiges Schneiden von Baustahl mit hoher Leistung sowie Hochgeschwindigkeitsschneiden möglich. Mit Ausgangsleistungen von 50 Kilowatt werden zum Beispiel dicke Metallplatten im Schiffsbau verschweißt. 

Wissenswertes rund um die Lasertechnik

Sie interessiert, welche Themen die Lasertechnik-Branche momentan beschäftigen? Dann kann Ihnen unser praktischer Überblick helfen: "Das sind die Trends in der industriellen Lasertechnik".

 

Hier gibt's Informationen zu unterschiedlichen Laser-Typen:

Was sind die Grenzen des Faserlasers?

Obwohl das klingt, als wäre der Faserlaser das ultimative Werkzeug zum Schneiden, Schweißen, Bohren und Löten sowie zur Oberflächen- und der Wärmebehandlung, so stößt auch er an seine Grenzen: Beispielsweise bei der Begrenzung der Pulsspitzenleistung.

Das Nachsehen – allen voran gegenüber einem CO2-Laser – hat der Laser mit Faser-Kern auch bei der Bearbeitung von Materialien, bei denen es aufgrund der Wellenlänge des Laserstrahls zu keiner Absorption und damit zu keiner Wechselwirkung zwischen dem Licht und dem Werkstoff kommt. Dies sind hauptsächlich organische Stoffe wie Holz oder Textilien.

Mit Material und Interviews von Iris Lindner

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