Blick in eine Laserschneidmaschine in Betrieb

Laser werden immer mehr zu wichtigen Werkzeugen in der Industrie. Wir erklären in welchen Bereichen Industrielaser noch viel Potenzial haben. - Bild: I-Viewfinder - stock.adobe.com

| von Julia Dusold
Aktualisiert am: 18. Aug. 2020

Das sind die wichtigsten Trend-Themen der industriellen Lasertechnik:

  1. Das Streben nach mehr Laserleistung geht weiter
  2. Festkörperlaser und Ultrakurzpulslaser gewinnen an Relevanz in der Industrie
  3. Spezielle Quellen für spezifische Prozesse werden wichtiger
  4. Prozessperipherie wird bedeutender als der Industrielaser selbst
  5. Industrielaser erschließen neue Anwendungsfelder

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Bereits 1917 hatte Albert Einstein die theoretische Idee für den Laser und beschrieb die stimulierte Emission von Licht in seiner Arbeit 'Strahlungsemission und Absorption nach der Quantentheorie'. Im Jahr 1960 trägt Einsteins Theorie dann praktische Früchte: Der erste Laser – ein Rubinlaser – wird von Theodore Malman in den USA in Betrieb genommen.

Seitdem wurden zahlreiche weitere Lasertypen entwickelt: Gas- und Festkörperlaser, kontinuierlich strahlende und gepulste Laser. 14 Nobel-Preise gab es bereits für mit dem Laser verbundene Entdeckungen.

Einzug in die Industrie hielten die Laser in den 1970er-Jahren, als beispielsweise die Carl Haas GmbH im Jahr 1970 Laser beim Bohren von Uhrenfedern und -steinen einsetzte und als Trumpf 1979 die erste Laser-Stanzmaschine vorstellte. Übrigens entwickelte Trumpf den ersten eigens hergestellten Laser im Jahr 1985.

Mittlerweile finden Laser fast überall Anwendung. Sie helfen Smartphones, Robotern und Teleskopen beim Sehen, vermessen die Welt und haben sich in der Industrie als wichtiges Werkzeug etabliert.

Portrait von Stefan Kaierle, Vorstand des Laser Zentrum Hannover (LZH)
Stefan Kaierle ist geschäftsführender Vorstand des Laser Zentrum Hannover (LZH). - Bild: Laser Zentrum Hannover

"Der Laser ist in der Industrie schon in sehr vielen Bereichen etabliert und weitgehend konkurrenzlos" berichtet Dr. Stefan Kaierle, Geschäftsführender Vorstand des Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH). "Denn mit ihm lassen sich Prozesse automatisieren, es gibt wenig bis keinen Werkzeugverschleiß, Werkzeugwechsel sind nicht erforderlich und er ermöglicht eine schonende Bearbeitung. Bereits jetzt wird er für ein breites Spektrum an Anwendungen eingesetzt, vom Schweißen, Schneiden und Abtragen von Metall, Kunststoff und Glas bis hin zur Additiven Fertigung mit Pulver und Draht."

Auch wenn Laserlicht also bereits häufig und in vielen Bereichen der Industrie eingesetzt wird, gibt es noch viel Potenzial innerhalb und außerhalb dieser Applikationen.

Was sind die relevantesten Trends der industriellen Lasertechnik?

Betrachtet man momentan den Markt für Industrielaser und deren Einsatzgebiete fallen mehrere Dinge auf: Die Hersteller von Industrielasern und Lasermaschinen fokussieren sich zum einen auf die Entwicklung und Herstellung immer stärkerer und vielfältiger Quellen, und zum anderen geht es ihnen darum, die Prozesse rund um die eigentlichen Laser besser zu verstehen, zu optimieren und so die gesamte Lasertechnik voranzutreiben.

Für was werden Laser in der Industrie bisher eingesetzt?

Die meisten industriellen Anwendungen von Laserstrahlung liegen in der Materialbearbeitung. Dazu gehören:

  • das Laserschneiden,
  • das Laserschweißen,
  • das Laserlöten,
  • das Auftragsschweißen und das Reparaturschweißen,
  • das Aufbringen von Schutzschichten,
  • die Laserfusion zur additiven Fertigung,
  • Wärmebehandlungen wie das Härten, Entfestigen und Trocknen,
  • das Beschriften und Gravieren,
  • und die Oberflächenbehandlung.

1. Das Streben nach mehr Laserleistung geht weiter

Betrachtet man die Produktneuheiten von Laserherstellern geht es häufig um noch mehr Power für die Laserquellen. "Momentan geht der Trend zu Lasern mit hoher Ausgangsleistung", sagt Stefan Kaierle. Denn die starken Laser erlauben zum Beispiel auch das Verschweißen von dicken Blechstärken, wie sie etwa im Schiffbau vorkommen. "Dabei spielt der Laser seine klassischen Vorteile aus: Er arbeitet berührungsfrei und lässt sich automatisieren", so Kaierle. "Dabei entsteht weniger Verzug als bei konventionellen Schweißverfahren, weil weniger Energie eingebracht wird und die Schweißgeschwindigkeiten deutlich höher sind."

Portrait von Udo Klotzbach, Technologiefeldleiter Mikrotechnik am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS
Udo Klotzbach ist Technologiefeldleiter Mikrotechnik am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS. - Bild: Fraunhofer IWS

Die höheren Leistungen der Laser eröffnen also mehr Möglichkeiten in der industriellen Bearbeitung, besonders in der Mikromaterialbearbeitung mit gepulstem Laserlicht. In diesem Feld forscht Dr. Udo Klotzbach, er ist Technologiefeldleiter Mikrotechnik am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS und berichtet auch hier von immer weiter steigender Leistung. "Die Laserquellen mit Pulsdauern von Piko- und Femtosekunden werden weiter getrimmt zu mehr Energie", so der Experte für gepulste Lasersysteme. "Es gibt zunehmend Quellen mit einem bis zwei Kilowatt mittlerer Leistung und Pulsspitzenleistungen von einigen Gigawatt."

Diese Leistungen seien in Klotzbachs Feld auch sehr sinnvoll: "In der Mikromaterialbearbeitung freuen sich Wirtschaftsunternehmen über höhere Leistungen, da sie bei diversen Applikationen davon profitieren können – besonders in der Anwendung bei großflächigen Applikationen und Rolle-zu-Rolle-Verfahren zum Beispiel." Hier würden die Unternehmen bisher beispielsweise drei oder vier Laser einsetzen müssen aufgrund der Bahnbreiten. "Wenn diese Anwender einen Laser hätten mit ein bis zwei Kilowatt mittlerer Leistung und Pikosekundenpulsen, dann bräuchten sie deutlich weniger Laser und damit wäre ihnen auf alle Fälle geholfen", so Klotzbach. In der Mikromaterialbearbeitung mit Ultrakurzpulslasern (UKP-Laser) sei also ein positiver Effekt durch höhere Leistungen gegeben.

Etwas anders sieht dies im Bereich der Dauerstrichlaser (auch: Continous-Wave- oder CW-Laser) aus, die häufig für Trenn- und Fügeverfahren eingesetzt werden und für die ein bis zwei Kilowatt Leistung schon lange nichts Besonderes mehr sind.

"Bei den CW-Lasern werden zunehmend Modelle mit immer höheren Leistungen angeboten, womit man sich auch mehr Möglichkeiten eröffnet", erläutert Dr. Andreas Wetzig, Technologiefeldleiter Laserabtragen und -trennen am Fraunhofer IWS. Die Möglichkeiten liegen vor allem in der Dickblech-Bearbeitung, denn hier könne der Hochleistungslaser dem Plasmaschneiden weitere Marktanteile abnehmen.

Portrait von Andreas Wetzig, Technologiefeldleiter Laserabtragen und -trennen am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS
Andreas Wetzig ist Technologiefeldleiter Laserabtragen und -trennen am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS. - Bild: Fraunhofer IWS

Doch wirklich sinnvoll seien hohe Leistungen jenseits von zehn Kilowatt eben nur in jenen speziellen Fällen. "Die Musik spielt momentan im Bereich von sechs bis acht Kilowatt – aber selbst die acht Kilowatt sind beim Dünnblechschneiden häufig übers Ziel hinausgeschossen", so Wetzig. "Denn wenn dünne Bleche mit Dicken von bis zu drei Millimetern mit dem Laser geschnitten werden, dann ergeben diese hohen Leistungen keinen Sinn. Das beschränkende beim 2D- und 3D-Schneiden ist dann in der Regel nämlich nicht der Laser, sondern die Maschinendynamik. Sie können die hohe Leistung, die Ihnen zur Verfügung steht, gar nicht mehr in entsprechend schnelle, hochdynamische Konturbewegungen übersetzen."

Außerdem sollte der Einsatz der hohen Leistungen wohldurchdacht sein, denn mit steigender Leistung steigt auch der Verschleiß der eingesetzten Maschinen: Jedes Kilowatt Leistung, mit dem der Prozesskopf beansprucht wird, fördere den Verschleiß der Maschinenkomponenten und erhöhe somit den Wartungsaufwand, wie Wetzig weiter betont.

2. Festkörperlaser und Ultrakurzpulslaser gewinnen an Relevanz in der Industrie

Während noch vor zirka zehn Jahren hauptsächlich CO2-Laser zum Schneiden und Schweißen in der Industrie eingesetzt wurden, dominieren jetzt Festkörperlaser – das heißt Faserlaser beziehungsweise Scheibenlaser – diesen Markt.

Warum der CO2-Laser trotzdem nicht zum alten Eisen gehört, erfahren Sie in diesem Beitrag: "Warum der CO2-Laser eine echte Allzweckwaffe ist".

Diese Entwicklung wird auch in den nächsten Jahren weitergehen. "Die Festkörperlaser beherrschen den Markt beim Schneiden und Schweißen – seit etwa zehn Jahren haben sie dort den CO2-Laser verdrängt", erzählt Wetzig. "Und gerade im Schneiden wird der Faserlaser den Markt weiterhin dominieren." Zwar gäbe es interessante Entwicklungen hin zu anderen Lasertypen, vor allem aufgrund kürzerer Wellenlängen, aber diese Laserstrahlung sei in Bezug auf Leistung, Strahlqualität, Verfügbarkeit und Preis nicht das, was die Industrie nachfragt.

Lesen Sie mehr zum Faserlaser und dessen Stärken hier:

Ultrakurzpulslaser erreichen stabiles Industrieniveau

Festkörperlaser dominieren also im Bereich Schweißen und Schneiden – was einen Großteil der Anwendungen darstellt. Die übrigen Anwendungen könnten aber bald von einem anderen Lasertyp bestimmt werden: den Ultrakurzpulslasern. Sie haben nun ein Niveau erreicht, das einen breitgefächerten Einsatz in der industriellen Materialbearbeitung erlaubt.

"Piko- und Femtosekundenlaser waren viele Jahre sehr kompliziert und Sie brauchten mindestens zwei Physiker und einen Ingenieur, um sie zu betreiben", erzählt Klotzbach. Mittlerweile würden sie sich aber auf einem stabilen Industrieniveau und würden dort zunehmend eingesetzt. Außerdem seien die UKP-Laser nicht nur einfacher zu bedienen, sondern auch preislich günstiger geworden, weshalb sich der Einsatz für Unternehmen lohnen kann.

Auch die bereits erwähnte Leistungssteigerung erweitert das Einsatzgebiet von UKP-Lasern, wie Kaierle vom LZH bestätigt: "Bei Ultrakurzpulslasern im Piko- und Femtosekundenbereich werden hohe mittlere Leistungen erreicht werden. Diese werden zum Beispiel das Bearbeiten, also das Strukturieren, von großen Flächen ermöglichen."

Für welche Einsatzmöglichkeiten sich Ultrakurzpulslaser außerdem eignen, sehen Sie in dieser Bildergalerie mit den zehn Top-Anwendungen:

3. Spezielle Quellen für spezifische Prozesse werden wichtiger

Laserquellen für Standardanwenungen zum Schneiden und Schweißen werden zunehmend austauschbar sein. Dies begründet Wetzig vom Fraunhofer IWS folgendermaßen: "Letztlich werden die Quellen für die meisten Hochleistungsanwendungen und damit auch für das Gros der Laser-Anwendungen ersetzbar sein. Damit wird der Laser zunehmend Commodity – also ein Zukaufteil, das nach Leistung, Strahlqualität und weiteren Kriterien spezifiziert wird. Differenzieren können sich die Laserhersteller heutzutage nur über spezielle Eigenschaften wie adaptierbare Strahlqualitäten oder flexible, dem Prozess angepasste Leistungsdichteverteilungen."

Diese Entwicklung fördere den bereits stattfindenden Preiskampf auf dem Markt für Laserquellen, nicht gerade zugunsten der europäischen und nordamerikanischen Hersteller. Der Preiskampf wird eher dazu führen, dass vor allem asiatische Hersteller immer mehr Marktanteile gewinnen werden.

"Laser aus China werden sich etablieren", erläutert Klotzbach. "Die Qualität der Lasersysteme aus Deutschland und den USA ist sehr gut und die der Laser aus China ist aktuell noch nicht auf demselben Niveau, da sie auch noch keine Service- und Vertriebszentren in Europa haben, aber die Lernkurve der chinesischen Unternehmen ist sehr hoch."

Unter anderem aufgrund dieser Entwicklung setzen deutsche und amerikanische Industrielaser-Hersteller vermehrt auf die Anwendung von Prozess-Know-how, um spezielle Quellen für bestimmte wichtige Prozesse zu entwickeln. Dazu gehören zum Beispiel Faserlaser mit einem 'Adjustable Ringmode' wie sie zum besonders sauberen Laserschweißen eingesetzt werden oder Singlemode-Laser.

Blaue und grüne Laserquellen ermöglichen Bearbeitung hoch-reflektierender Materialien

Ebenfalls im Kommen seien vermehrt blaue und grüne Laserstrahlquellen, berichtet Kaierle vom LZH. "Damit lassen sich dann Materialien bearbeiten, die im Bereich von einem Mikrometer schlecht absorbieren. Interessant ist das insbesondere für Anwendungen im Bereich der Elektromobilität oder Batteriefertigung, aber auch für das Fügen von Mischverbindungen, zum Beispiel von Kupfer an Aluminium."

Im Allgemeinen liegen Anwendungen für die nicht-roten Industrielaser vor allem im Bereich der Bearbeitung von Kupfer und anderen hoch-reflektierenden Metallen. Diese lassen sich mit klassischen Infrarot-Lasern kaum bearbeiten, da rotes Laserlicht nur schlecht absorbiert wird. Grünes oder blaues Laserlicht wird dagegen wesentlich besser aufgenommen.

Beispiele für Industrielaser außerhalb des Infrarot-Spektrums zur Bearbeitung von Kupfer sind der LMDblue 2000-60 von Laserline, der Nuburu AO-500 von Laser 2000 und der TruDisk 2021 von Trumpf. Beide Laser verfügen über eine Laserleistung von zwei Kilowatt und werden hauptsächlich zum Fügen von Kupfer eingesetzt.

Blauer Laser von Laser 2000
Der blaue Hochleistungslaser Nuburu AO-500 eignet sich für eine qualitativ hochwertige Lasermaterialbearbeitung. Das Strahlparameterprodukt von 30mm*mrad bei 500 Watt ermöglicht eine Fokussierung, die in dem Leistungsbereich von 500 Watt laut Hersteller eine bislang unerreichte Schweißtiefe erzielt. - Bild: Laser 2000

Mikromaterialbearbeitung ist wichtiges Anwendungsgebiet für bunte Laserquellen

Auch die Mikromaterialbearbeitung ist bunt. "Bei den Pikosekundenlasern und in der Mikromaterialbearbeitung haben wir von infrarot über blau und grün hin zu ultraviolett alles", schildert Klotzbach. Interessant sei es, dass Industrielaser-Hersteller diese benötigte Vielfalt ausnutzen. Laut Klotzbach gibt es für solch 'bunte' Anwendungen nämlich durchaus schaltbare Laserquellen, also solche, die verschiedene Wellenlängen erzeugen können. "Laserapplikationen mit mehreren Wellenlängen finden durchaus Anklang und dies nicht nur in forschungsrelevanten Themen. Wir sehen hier Potenzial für Laserhersteller, Quellen mit mehreren Wellenlängen zu produzieren."

Insgesamt werden die Industrielaser außerhalb des Infrarot-Spektrums allerdings nicht zum Standard werden. Stattdessen würden sie bestimmte Nischen besetzen und für spezielle Anwendungen vorbehalten sein.

4. Prozessperipherie wird bedeutender als der Industrielaser selbst

Neben speziellen Laserquellen wird auch die Entwicklung der Prozessperipherie relevanter, denn hier können etablierte Hersteller mit ihrem Wissen punkten. Dabei geht es zum einen um die Entwicklung von Optiken und Strahlablenkungssystemen und zum anderen um verschiedenste Machine Learning Anwendungen rund um die Lasertechnik.

Ein Einsatzgebiet für Machine Learning in der Lasertechnik ist das Predictive Modelling, mit dem sich auch die Fraunhofer-IWS-Forscher beschäftigen. Ziel ist es, Informationen aus Prozessen derartig zusammenzuführen, dass sich Modelle entwickeln lassen, die den Prozessverlauf und dessen Ergebnisse vorhersagen können. "Es geht darum bessere Vorhersagemodelle für Unternehmen erstellen zu können", erklärt Klotzbach. "Wir testen das gerade in einem Projekt zum Thema Tribologie. Dort geht es beispielsweise darum, Vorhersagen zu machen, wie ein Zahnrad eines Kunden mit dem Laser strukturiert werden muss, sodass es optimal reibt."

Komplett automatisierte und geregelte Prozesse führen zum Erfolg

Predictive Modelling ist ein Bestandteil der digitalen Prozessumgebung, ein anderer ist beispielsweise die Qualitätssicherung mittels automatisierter Bildauswertung. Noch bedeutender ist allerdings das Zusammenspiel aller dieser Lösungen, denn damit sind vollständig automatisierte und geregelte Prozesse möglich.

Wie spezielle KI-Systeme für solche Prozesse entwickelt werden, erfahren Sie in diesem Beitrag:

Besonders weit sind solche Systeme bereits im Fall des Laserschweißens, dort gibt es bereits heute Maschinen, die selbstständig gegensteuern, wenn die Parameter des Prozesses nicht mehr im Normalbereich liegen. Beim Schneiden gibt es allerdings noch viel zu tun: "Ich kenne noch keine Maschine mit einer kompletten Regelung, die sich automatisch die Parameter sucht, schneidet und in der Lage ist festzustellen, wenn sich die Schneidparameter nicht mehr eignen in Hinsicht auf Gratbildung, Schnittbreite und Kantenrauheit – und dann entsprechend gegensteuert."

Wünschenswert wäre dies allerdings nicht nur für das Laserschneiden. Dies gelte eigentlich für jeden Laserprozess, so Wetzig. "Es ist auch eine Chance für die hiesige industrielle Lasertechnik, sich dort stärker zu engagieren." Denn schließlich werde der Quellenbau zunehmend schwieriger – zumindest bei den Standard-Quellen. Wenn Unternehmen sich besser auf die Prozesse konzentrieren würden und diese letztlich günstiger gestalten, sodass am Ende ein echter geregelter Prozess entstehe, dann wäre es möglich wieder mehr Fertigung nach Deutschland und Europa zu bringen.

5. Industrielaser erschließen neue Anwendungsfelder

Das Potenzial des Industrielasers liegt in seinen vielfältigen Anwendungsgebieten. Doch wo gibt es das größte Wachstumspotenzial? "Zukünftig werden sich sicherlich die bisher üblichen industriellen Anwendungen erweitern", so LZH-Forscher Kaierle. "Zum Beispiel wird der Laser im Bereich Food and Farming eingesetzt, also etwa Pflanzenschutz, Pflanzenwachstum und Traceability von Lebensmitteln. Oder für Unterwasser-Anwendungen wie die Reparatur von Schiffen, den Abbau von Spundwänden und anderer maritimer Infrastruktur." Auch würden die zukünftig noch höheren Strahlleistungen neue Herstellungsprozesse für den Schiffbau, Krane und Windenergieanlagen ermöglichen.

Der Fraunhofer-IWS-Forscher Wetzig sieht noch viel Potenzial im Fügen mit Laserstrahlen, wo noch lange nicht alle Applikationen adressiert würden, die mit dem Laser ausgeführt werden könnten und im Laserhärten, das nach Ansicht des Forschers noch zu wenig Beachtung findet.

Um die additiven Verfahren sei es hingegen etwas ruhiger geworden: "Die Technologie der laserbasierten additiven Fertigung hat ihren Weg in die Industrie bereits angetreten und findet zunehmend ihre Anwendungsfelder. Das Blech und seine Bearbeitung wird das Additive Manufacturing jedoch nicht ersetzen können", wie der Forscher weiter erklärt.

Sein Kollege betont außerdem die hohen Chancen für UKP-Laser bei Rolle-zu-Rolle-Verfahren. Klotzbach: "Ich sehe  diese Verfahren als große Gelegenheit für Ultrakurzpuls-Laser höherer Leistungen. Ein Beispiel dafür ist Heliatek in Dresden, die auf diese Weise organische Photovoltaik-Platten herstellen."

Darüber hinaus stecke auch enormes Potenzial in Applikationen für den  Leichtbau und die Oberflächenmodifikation. Besonders das Thema Oberflächenmodifikation biete viele Chancen für CW-Laser aber auch für gepulste Systeme, so Klotzbach. "Wir haben zum Beispiel ein System entwickelt, mit dem sich mittels direkter Laserinterferenzstrukturierung – DLIP – auch großflächige Oberflächen bearbeiten lassen."

Eine Applikation des Verfahrens ist das Enteisen von Flugzeug-Tragflächen. Wie das funktioniert, erfahren Sie im Video:

Quelle: Fraunhofer IWS

Oberflächenstrukturen können also durchaus viele Vorteile bringen und Laser machen es möglich diese zu realisieren: "Wir wollen noch viel von der Natur lernen. Im Sinne der biologischen Transformation können wir etwa biologische Strukturen und Oberflächen auf technische Geräte übertragen", sagt Klotzbach. "Auch da hat der Laser aus meiner Sicht viel Potenzial, um das zu ermöglichen."

Wie viel Potenzial noch in den Laserstrahlen steckt, das gilt es in Zukunft weiter herauszufinden: "Es gibt sicherlich noch viele technologische Nischen, die man mit dem Laser besetzen kann, die uns bisher noch gar nicht bekannt sind", bemerkt Wetzig.

Fun Fact: Mit Lasern lassen sich Strukturen auf dem Mond bauen

Die Moonrise-Technologie im Einsatz auf dem Mond. Links die Mondlandefähre Alina, rechts der Rover mit der Moonrise-Technologie – mit angeschaltetem Laser beim Aufschmelzen von Mondstaub. - Bild: LZH

Ja, Sie haben richtig gelesen: Mit dem ehrgeizigen Projekt Moonrise haben sich das Laser Zentrum Hannover und das Institut für Raumfahrtsysteme (IRAS) der Technischen Universität Braunschweig das Ziel gesetzt, mit einem Laserstrahl Mondstaub zu schmelzen, um ihn als Baumaterial nutzbar zu machen.

Konkret wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Braunschweig und Hannover Regolith auf der Mondoberfläche kontrolliert – mithilfe ihres Lasersystems – aufschmelzen. Nach dem Abkühlen liegt ein fester Körper vor, der beispielsweise geeignet wäre, als Baumaterial für das Moon Village, die Vision des globalen Dorfes auf dem Mond als Außenposten im All, zu dienen.

Das gezielte Aufschmelzen in vordefinierte Strukturen wird mit hochauflösenden Kameras überwacht und dokumentiert. Die Erkenntnisse aus den Versuchen werden grundlegenden Einfluss auf explorative Missionen generell haben. Denn gelingt das Experiment auf dem Mond, ließe sich das Moonrise-Verfahren auf die Erzeugung größerer Strukturen hochskalieren. Somit könnten auf lange Sicht ganze Infrastrukturen wie Fundamente, Wege und Landeflächen durch die Moonrise-Fertigungstechnologie erbaut werden.