CO2-Laser beim Schneiden von Blech. Funken fliegen.

Es gibt viele verschiedene Lasertypen, die für verschiedene Einsatzzwecke benötigt werden. Der CO2-Laser ist einer davon. PRODUKTION erklärt, wie er funktioniert und was er besonders gut kann. - Bild: Fotolia/motorradcbr

| von Gabriel Pankow und Julia Dusold
Aktualisiert am: 27. Nov. 2020

Der CO2-Laser war einer der ersten Laser für Industrieanwendungen und hat sich im Laufe der Zeit den wachsenden Anforderungen angepasst. Heute bietet er ein breites Spektrum an unterschiedlichen Varianten hinsichtlich der Wellenlängen und anderen Laserparametern. Allerdings haben andere Lasertypen den CO2-Laser mittlerweile an einigen Stellen aus traditionellen Anwendungen verdrängt.

Durch den starken Zuwachs der Mulitkilowatt-Festkörperlaser – insbesondere der Faserlaser – in den letzten Jahren, hat der Kohlendioxidlaser einen großen Teil seiner Marktanteile einbüßen müssen – im Wesentlichen bei den Metallanwendungen. Dies war insbesondere im Volumenmarkt des Laserschneidens zu spüren – hier deckt der CO2-Laser nur noch 20 bis 30 Prozent des Gesamtmarktes ab. Aber: "Es zeichnet sich ab, dass sich der CO2-Laser einem langzeitstabilen Niveau nähert, das seine Zukunft als nicht ersetzbare Strahlquelle sichern dürfte", sagt Lebrecht von Trotha, Product Line Manager bei Coherent-Rofin. "Ursache dafür sind alle Applikationen, die Wellenlängen zwischen ungefähr 9 und 10 Mikrometern erfordern, die es bereits in einer großen Vielzahl gibt."

Zusätzlich von den bereits vorhandenen Applikationen erschließt sich das 'zuverlässige Arbeitspferd' aber auch ständig neue Aufgabenfelder und bleibt so ein echter Tausendsassa. Warum das so ist, erfahren Sie in diesem Artikel, in dem wir Ihnen die folgenden Fragen beantworten:

(Eilige, die nur die Antwort auf eine der Fragen suchen, können mit den Links oben zum jeweiligen Abschnitt springen.)

Wissenswertes rund um die Lasertechnik

Eine Anwendung für Industrielaser ist das Laserschneiden. - Bild: I-Viewfinder - stock.adobe.com

Sie interessiert, welche Themen die Lasertechnik-Branche momentan beschäftigen? Dann kann Ihnen unser praktischer Überblick helfen. Darin erfahren Sie, was die Industrielaser in Zukunft leisten werden. Und dabei geht es nicht nur um pure Leistung, sondern zum Beispiel auch um sehr spezifische Laserquellen und die steigende Relevanz der Prozessperipherie. Hier zum Beitrag "Das sind die Trends in der industriellen Lasertechnik".

Wer sich über bestimmte Lasertypen informieren möchte, der ist übrigens hier gut aufgehoben:

Wie funktioniert ein CO2-Laser?

Der CO2-Laser ist ein spezieller Gaslaser, dessen Resonator mit einem Kohlenstoffdioxid-Gasgemisch (häufig CO2-N2-He) gefüllt ist. An den Resonator wird eine Spannung angelegt, mittels derer CO2-Moleküle in einen angeregten Zustand versetzt werden (elektrische Gasentladung/optisches Pumpen). Fallen die Moleküle wieder auf ein niedrigeres Energieniveau zurück, werden Photonen mit bestimmten Wellenlängen emittiert (je nach Band-Übergang), die mithilfe von Spiegeln zu einem Laserstrahl gebündelt werden.

Welche Wellenlänge hat ein CO2-Laser?

Das Laserlicht eines CO2-Lasers liegt im Infrarot-Bereich mit Wellenlängen zwischen 9 und 11 Mikrometern, je nachdem auf welches Energieniveau die CO2-Moleküle übergehen, was unter anderem von der Pump-Energie abhängt. Die am häufigsten emittierte Wellenlänge mit der größten Verstärkung und damit der größten Ausgangsleistung ist 10,6 Mikrometer. Diese kann gerade in der Metallbearbeitung gut genutzt werden, da die meisten Metalle im Wellenlängenbereich des Kohlendioxidlasers eine konstante Reflektivität haben.

Welche Leistung können CO2-Laser erreichen?

Die Ausgangsleistungen der CO2-Gaslaser können bis zu 100 Kilowatt im Dauerstrichbetrieb betragen. Bei gepulsten Systemen sind bisher Pulsenergien bis zu 100 Kilojoule mit Pulslängen von einer Nanosekunde möglich. Die Leistung hängt zum einen von der Wellenlänge und der Pump-Energie ab, zum anderen auch von der Größe des Resonators.

Aufgrund der hohen Leistung und der praktischen Wellenlänge ist der Kohlenstoffdioxidlaser einer der am häufigsten in der Industrie eingesetzte Lasertyp. Sie werden vor allem in der Materialbearbeitung häufig eingesetzt, aber auch in vielen anderen Bereichen.

Was sind die Hauptanwendungen für CO2-Laser?

Beispiele, die auch respektable Volumina benötigen, sind laut Coherent-Rofin-Experten von Trotha das Schlitzen und Trennen von Stanzformen aus Holz, das Schneiden von Textilien sowie das Schneiden von Papier in verschiedensten Varianten bis hin zu Schleifpapier. Typische Laserleistungen liegen hierbei im Bereich von ungefähr 2,0 bis 3,5 Kilowatt.

"Anwendende Branchen sind beispielsweise die Automobilindustrie für die Herstellung von Airbags, deren Anzahl stetig wächst und zudem antriebsunabhängig ist, Sitzbezügen und Interieurelementen wie Dachhimmeln oder Seitenverkleidungen", so von Trotha. Eine weitere Anwendung im Automobilbereich ist das gezielte rückseitige Schwächen von Armaturenbrettern im Bereich des Beifahrer-Airbags, um im Gegensatz zu den früheren Deckelelementen eine optisch ununterbrochene Sichtfläche zu schaffen, ohne die Sicherheitsfunktion zu behindern. Nicht zu vergessen sei das Schneiden von Glas und Kunststoffen als Volumenapplikation im 2D-Bereich.

Laser-Texturierung ist ein wichtiges Anwendungsfeld für CO2-Laser

Von Trotha ergänzt: "Auch in der Bekleidungsindustrie gibt es eine Reihe von Anwendungen, sowohl bezogen auf Zuschnitte als auch über das bekannte Texturieren von Jeansstoffen mit dem CO2-Laser als Alternative zu den sehr umweltschädlichen chemischen und abrasiven Verfahren." Eine ebenfalls etablierte Anwendung ist das Perforieren des Filterpapiers oder Filters für Zigaretten, das insbesondere im asiatischen Raum noch Wachstumspotenzial bietet. Hier ist die Gleichförmigkeit der Löcher ein wesentliches Kriterium im Hinblick auf den gleichen Geschmackseindruck von Zigarette zu Zigarette.

"Als eine weitere Anwendung mit Wachstumspotenzial ist das gezielte Schwächen von folienbasierten Verpackungen als Aufreißhilfe zu nennen", erklärt der Product Line Manager von Coherent-Rofin. Hierbei wird durch den Laser in einer Verbundverpackung eine der inneren Verpackungslagen äußerlich unsichtbar verdampft und damit an dieser Stelle das Verpackungsmaterial zum einfachen Öffnen geschwächt.

Coherent, CO2-Laser
Die Cx-10-Laser von Coherent sind für den Betrieb im Bereich großvolumiger Beschriftungs-, Schnitt- und Gravuranwendungen gedacht, bei denen die unterschiedlichsten Materialien eingesetzt werden. - Bild: Coherent

Till Schneider, Leiter Produktmanagement bei Trumpf, ergänzt: "Einer der Märkte, in welchem CO2-Laserstrahlquellen zum Einsatz kommen, ist das Rohr- und Profilschweißen im Endlosprozess. Hier lassen sich mit CO2-Lasern sehr hohe Prozessgeschwindigkeiten bei gleichzeitig sehr guten Schweißergebnissen erreichen."

CO2-Laser in der EUV-Lithografie zur Chipherstellung

Ein strategisch wichtiges Feld für die Kohlenstoffdioxidlaser des Ditzinger Maschinenbauers ist die Elektronikbranche, genauer gesagt die EUV-Lithografie (2020 gewannen Zeiss, Trumpf und Fraunhofer dafür den Deutschen Zukunftspreis). Schneider: "Wir liefern mit unserem Laserverstärker eine Schlüsselkomponente dafür, dass die Chipindustrie auch in Zukunft immer leistungsfähigere Chips herstellen kann." Vier Multikilowatt-CO2-Laser verstärken in dem Laserverstärker die Pulse eines fünften. Mit mehreren Megawatt Pulsspitzenleistung zünden sie die EUV-Blitze – und zwar 50.000-mal pro Sekunde.

"Ein weiteres Zukunftsfeld ist das Schneiden von faserverstärkten Kunstoffen – GFK und CFK", so Schneider. Vor allem im Automobilbau, der Luftfahrt und Windenergie seien carbonfaser-verstärkte Kunststoffe (CFK) ein wichtiger Teil der Antwort auf brennende Fragen der Zeit: Klimaschutz, E-Mobilität, Ressourceneffizienz, Nachhaltigkeit. Schneider: "Diese Megatrends sind entscheidende Treiber für den Leichtbau und damit auch für den Einsatz von Faserverbundwerkstoffen."

Die grundsätzliche Herausforderung beim Schneiden von Faserverbundwerkstoffen sei, dass das Material widerspenstig und empfindlich zugleich ist. Das stellt alle mechanischen Bearbeitungsverfahren vor Probleme – der Laser ist laut Schneider das richtige Werkzeug hierfür. "Weiterhin gibt es natürlich auch viele Auftrags- und Endproduktfertiger, die mit unseren CO2-Laseranlagen Bleche schneiden", resümiert der Trumpf-Manager.

Wie die Laserbearbeitung von CFK abläuft, sehen Sie in diesem Video von Trumpf:

Welche Vorteile haben CO2-Laser?

Die Aussagen von Coherent-Rofin und Trumpf beweisen: Der CO2-Laser ist keine Maschine, die zum alten Eisen gehört. Es gibt zahlreiche Dinge, die für ihn sprechen. So sagt Michael Kluge, Market Development Manager bei Coherent: "Die kompakten Coherent CO2-Laser gehören zu den zuverlässigsten Arbeitspferden in der Materialbearbeitung."

Jährlich werden mehrere zehntausend CO2-Laser entwickelt und produziert und es finden sich nach wie vor neue Applikationen, in denen der CO2-Laser die erste Wahl ist. Klassische Einsatzgebiete decken immer noch einige Anwendungen zum Schneiden und Schweißen ab. "Jedoch eignet sich der Laser heute überwiegend in der Bearbeitung von nichtmetallischen Werkstoffen in den unterschiedlichsten Branchen", berichtet Kluge.

Dass das so ist, kommt nicht von ungefähr, denn der CO2-Laser hat viele Vorteile. Kohlendioxid-Laser sind zuverlässig, effizient und kostengünstig und in verschiedenen Bauformen verfügbar. Neben der klassischen Wellenlänge des CO2-Lasers von 10,6 Mikrometern, finden sich heute alternative Wellenlängen von 9,4 Mikrometern beziehungsweise 10,2 Mikrometern, die bei einigen Anwendungen deutliche Vorteile bieten. "Im Verpackungsmittelbereich können mit 10,2 Mikrometern Wellenlänge Polypropylen-Folien schneller und mit besserer Qualität geschnitten und perforiert werden", sagt Kluge von Coherent.

Laut dem Market Development Manager ist eine der Hauptapplikationen für gepulste CO2-Laser mit 9,4 Mikrometern Wellenlänge das Bohren von sogenannten Mikrovias (auch: µ-via) in Multi-Layer-Leiterplatten. Mikrovias sind Sack- respektive Durchgangsbohrungen und dienen der späteren Verbindung von Signalstrecken der verschiedenen Lagen der Leiterplatten. "Diese Mikrovia Löcher müssen aufgrund der immer höheren Integrationsdichten, zum Beispiel bei Smartphones, immer kleinere Lochdurchmesser aufweisen und können bei Lochgrößen von weniger als 75 bis 100 Mikrometern wirtschaftlich nur mit dem CO2-Laser erzeugt werden", erklärt Kluge.

CO2-Laser arbeiten sauberer, sicherer und kostengünstiger als Faserlaser

Schneider von Trumpf sieht die Stärken des CO2-Lasers, insbesondere beim Stickstoffschnitt und beim Schweißen von Edelstahl und Aluminium. "Hohe Schnittqualität und ein großes Prozessfenster speziell bei dicken Blechen zeichnen diesen Lasertyp aus." Selbstverständlich liefere der Kohlenstoffdioxidlaser aber auch hervorragende Ergebnisse bei einer großen Bandbreite unterschiedlich dicker Bleche.

Eine weitere Stärke von CO2-Lasern ist auch, dass sie beim Schweißen kaum Spritzer erzeugen, sodass die Laserleistung direkt in Vorschubgeschwindigkeit umgesetzt werden kann. Von Trotha: "Insbesondere bei Schweißapplikationen mit hohen Qualitätsanforderungen bietet der CO2-Laser Vorteile gegenüber Festkörperlasern, da durch eine deutlich reduzierte Spritzerbildung nachgelagerte oder eventuell auch gar nicht realisierbare Reinigungsprozesse vermieden werden können."

Wie Spritzer beim Laserschweißen noch weiter reduziert werden können und welche Verfahren besonders sauberes Fügen ermöglichen, lesen Sie in diesem Artikel:

Da CO2-Laser eine Wellenlänge von rund 10 Mikrometern haben, lassen sich deswegen anders als mit Festkörperlaser auch nichtmetallische Werkstoffe makroskopisch schneiden, perforieren oder abtragen. Schneider ergänzt: "Auch die Lasersicherheitskonzepte sind aufgrund der Wellenlänge einfacher und kostengünstiger zu realisieren." Die Anschaffungskosten sind ebenfalls häufig geringer als bei Festkörperlasern.

 

Wo der CO2-Laser schlechte Karten hat

Gleichwohl ist bei Trumpf der Trend zum Festkörperlaser in den letzten Jahren und Monaten ungebrochen. Durch immer neue und innovative Technologieverfahren – wie beispielsweise BrightLine Fiber und BrightLine Weld – arbeitet das schwäbische Unternehmen daran, mit dem Festkörperlaser in immer mehr Domänen des CO2-Lasers vorzudringen.

Besonders die Faserlaser etablieren sich immer mehr. Warum das so ist, wie diese spezielle Art von Festkörperlasern funktioniert und wo Sie sich schon am meisten durchgesetzt haben, lesen Sie in diesem Beitrag:

Einer der Gründe, warum der CO2-Laser vom Festkörperlaser verdrängt wird, ist die starre Strahlführung, wie Dr. Tobias Laumer, Leiter Prozesstechnik Kunststoffe beim Bayerischen Laserzentrum berichtet: "Ein Nachteil des CO2-Lasers ist mitunter die komplexe Strahlführung mittels Festoptikaufbau. Eine flexible Strahlführung mittels Lichtleitfaser, wie bei den Faserlasern, ist nicht möglich, da die Laserstrahlung in die aus Glas bestehenden Fasern einkoppeln und diese zerstören würde."

Außerdem sei der Wartungsaufwand hinsichtlich der Gaszusammensetzung ein Nachteil. "Das damit verbundene Einschwingverhalten des Lasers führt dazu, dass es in den ersten Sekunden des Einschaltens zu einem Überschwingen oder zeitverzögerten Erreichens der Soll-Leistung kommen kann", so Laumer. "Dies kann wiederum negative Auswirkungen auf den eigentlichen Bearbeitungsprozess haben."

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