CO2-Laser: Champion oder Auslaufmodell? 1

LANDSBERG (hi). Seit den 1970er Jahren, als man entdeckte, dass CO2-Laser Bleche schneiden können, begann eine beispiellose Entwicklung der Lasersysteme. Der Festkörper-Laser, dessen kurzwelligerer Strahl problemlos in Glasfasern eingekoppelt werden konnte mit der Möglichkeit, den Strahl zu splitten, erhöhte die Effizienz in der Produktion deutlich.

Aber „dem Laser stehen seine besten Jahre noch bevor“, so Peter Leibinger, Vorsitzender des Geschäftsbereichs Lasertechnik/Elektronik bei Trumpf. Abgesehen von sinkenden Investitionskosten pro Watt, stehen heute viele Wellenlängen, Leistungen und Pulsdauern zur Verfügung, die Industrie kann sich praktisch für ihre Anwendungen Lasersysteme maßschneidern lassen.

Krones setzt Laser in der ganzen Produktion ein. „Meist werden CO2-Laser zum Schneiden eingesetzt, aber der Faserlaser ist eine Überlegung wert“, so Ralf Goldbrunner, Leiter Fertigung bei Krones. Auch bei weil engineering führt gegenwärtig noch nichts am CO2-Laser vorbei. „Momentan arbeiten bei uns 90 Prozent CO2-Laser und 10 Prozent Festkörperlaser, aber das Verhältnis wird sich zu Gunsten der Festkörperlaser (Faser, Scheibe, Diode) ändern“, ist sich Wolfgang Weil, CEO von weil enginering sicher.

Nur „beim Schneiden ist man was Vorschubgeschwindigkeit angeht an der Grenze angekommen, die durch die Mitführung der Prozessgasdüse gesetzt ist“, fügt Prof. Reinhart Poprawe, Leiter des Fraunhofer-ILT bei. Und hier hat zumindest bei Folien und dünnen Blechen der Faserlaser die Nase vorn. Die mit Schmelze gefüllte Schneidfuge ist hier, dank schlankem Laserstrahl, so eng, dass der Druck, des beim Schmelzen entstehenden Metalldampfs ausreicht um die Schmelze auszublasen. Damit kann der Laserkopf in relativ großer Entfernung vom Blech mit minimalen Schwenkbewegungen arbeiten. So schafft es ein 5 kW Single-Mode-Faserlaser ein 0,5 mm dicke Blech mit 800 m/min zu schneiden, wobei der Scanner das Limit setzt, nicht der Laser.

Beim Schweißen heißt das Thema Prozessüberwachung. Das Ziel ist, aus der optischen Überwachung des Prozesses Kenngrößen zu ermitteln, die den Prozess regeln. „Die Industrie will robuste Prozesse, man will Parameter einstellen und dann laufen lassen. Die Bereitschaft die Komplexität zu akzeptieren wächst erst nah und nach“, so Reinhart Poprawe. Leider funktioniert die automatisierte Prozessüberwachung noch nicht optimal.

Das Abtragen passiert mit gepulstem Stahl und je kürzer die Pulse umso weniger wird das Material in Mitleidenschaft gezogen. „Die Abtragungsraten sind aber noch steigerungsfähig“, bemerkt Reinhart Poprawe. Mittlerweile sind Picosekundenlaser auf dem Markt, die dank kalter Ablation sogar Kunststoffe präzise bearbeiten können. Und das eröffnet Chancen das Schneiden und Bearbeiten von Verbundstoffen, speziell von CFK (Kohlenfaser verstärkter Kunststoff) zu vereinfachen.

Statt Oberflächen abzutragen können die Laserpulse die Oberflächen auch strukturieren, um ihr neue Funktionalität zu geben: etwa hydrophob oder hydrophil. Und effizient polieren geht auch schon. „Bei Metall schafft man eine Oberflächenrauhigkeit von 0,1 mm und bei Glas von wenigen Nanometern, das liegt unterhalb der Wellenlängen des sichtbaren Lichts, die Fläche ist also auch optisch glatt“, so Poprawe. Grenzen sind hier Prozessgeschwindigkeit und die Kosten. Hochskalieren könnte man den Prozess etwa durch Aufspalten des Laserstrahls und parallele Bearbeitung der Oberfläche den Teilstrahlen.

Seit einigen Jahren kann man mit dem Laser auch aufbauen. So fertigt die Firma BegoDental schon Zahnimplantate aus Keramik in Serie und bei MTU repariert man mittels Metallpulver und Laser schadhafte Triebwerksschaufeln. Aber beim ersten werden nur relativ kleine Volumina generiert und beim zweiten ist es praktisch jeweils eine Einzelreparatur. „Obwohl wir am ILT den Rekordwert von 10 cm3/min geschafft haben, reicht das noch lange nicht für die Großserie“, weiß Reinhart Poprawe.

Bedingt durch den Kristall beziehungsweise die Halbleiter-Kombinationen der Dioden sind primär nur diskrete Spektralfarben zu haben. Über Frequenzverdoppelung und Shiften lässt sich dieses Spektrum aufweiten. Aber vollständig, also auch in Leistung, Pulsdauer und so weiter, durchstimmbare Laser wird es wohl nie geben. Gefragt sind Teilaspekte, wie Adaption der Pulsfrequenz an den entsprechenden Bearbeitungsprozess oder die durchstimmbare Wellenlänge für die chemische Analyse über die Fluoreszenz mit Lasersystemen, die den ganzen Bereich, von UV bis um IR abdecken.

Bei weitem noch nicht ausgelotet ist das Potential des Faserlasers. Leistungsmäßig Stand der Dinge ist ein 5 kW Single-Mode Faser-Laser, als Multimode-Version gibt es ihn schon mit mehr als 16 kW. Das Schneiden mit der Single-Mode-Variante ist aber nur begrenzt sinnvoll. Single-Mode-Faserlaser haben beim Schmelzschneiden von mittleren Blechdicken bis 3 mm ihre Stärke, sowie beim Remote-Schneiden ohne Gasunterstützung bis zu Dicken von maximal 1 mm. Und er hat wie der Scheibenlaser mit einem Wirkungsgrad um 30 Prozent und geringeren laufende Betriebskosten gegenüber den normalen Festkörper- und CO2-Laser Vorteile. Aber je nach Ausführung kann ein System bis zu mehreren Hunderttausend Euro kosten. Laut Fraunhofer-IWS erwartet man nicht, dass sie auf absehbare Zeit wesentlich billiger werden, denn die Herstellung von Lasern im Hochleistungsbereich, egal welcher Art, ist keine Massenproduktion, sondern bewegt sich im Bereich Kleinserien bis Einzelstücke.

Schneiden, Abtragen, Strukturieren, Fügen und Aufbauen kann der Laser und das alles in einem System käme der eierlegenden Wollmilchsau gleich. Solche Systeme wären aber so teuer, dass kein Unternehmen sie bezahlen könnte oder wollte.

Aber hier ist auch noch für Visionen Platz: Die Metallverarbeitung von der Bramme bis zu Endprodukt ist eine elend lange Prozesskette. „Die bestehende Kette durch generierende Verfahren ersetzen und vom CAD direkt in den 3D-Druck gehen, das wäre was“, schwärmt Reinhart Poprawe.

Wolfgang Weil sieht den Festkörper- und Diodenlaser in zwei bis drei Jahren mit einer noch höheren Leistungsdichte. Er wünscht sich Diodenlaser direkt und nicht nur als Pumplicht nutzen zu können und sieht die Zukunft nur mit Festkörper und direkten Diodenlasern. Hier ist er einer Meinung mit Peter Leibinger. Seiner Meinung nach könnte in 10 Jahre der Diodenlaser die dominierende Technologie in der Materialbearbeitung sein. Aber, bis das passiert müssen noch einige Hürden genommen werden.