Schweißen von Automobilkomponenten mit Hochleistungsfaserlasern aus dem Hause Coherent Rofin. - Bild: Coherent

Schweißen von Automobilkomponenten mit Hochleistungsfaserlasern aus dem Hause Coherent Rofin. - Bild: Coherent

In der Materialverarbeitung stehen zum Schneiden, Schweißen, Löten, Beschriften oder Markieren die unterschiedlichsten Lasertypen zur Verfügung, mit denen sich die verschiedensten Anforderungen erfüllen lassen. Eine davon, eine hohe Effizienz bei niedrigen Gesamtbetriebskosten, ist für den Faserlaser charakteristisch.

Dieser Festkörperlaser benötigt im Vergleich zu einem CO2-Laser kein Schweißgas, Kühl- und Wartungsaufwand sind geringer, der elektrisch-optische Wirkungsgrad von mehr als 50 Prozent ist dagegen rund fünf mal so hoch. Seine wahre Stärke spielt der Faserlaser jedoch bei der Strahlqualität aus.

„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. Die bestmögliche Strahlqualität zu erreichen ist mit Faserlasern noch dazu sehr einfach, da der Laserstrahl direkt in der Faser erzeugt wird.

Der Faserlaser zählt zu den Festkörperlasern. Je nach gewünschter Wellenlänge bildet bei ihm der mit zum Beispiel Erbium (Er) oder Ytterbium (Yb) dotierte Kern einer Glasfaser das aktive Medium. Der aktive Kern hat einen Durchmesser lediglich im einstelligen bis zweistelligen Mikrometerbereich und ist von dem sogenannten Cladding ummantelt, welches eine geringere Brechzahl als der Kern besitzt. A

bhängig vom Faserlasertyp und der Leistung, hat das Cladding einen Durchmesser von einigen 100 µm. Zusätzlich wird um das Cladding ein Polymer aufgetragen. Dieses besitzt wiederum eine geringere Brechzahl als das Cladding.

Wie funktioniert der Faserlaser?

Schematische Darstellung der Laserstrahlerzeugung im Singlemode.
Schematische Darstellung der Laserstrahlerzeugung im Singlemode. - Bild: IPG Laser

Mit dem von einem leistungsfähigen Pumplaser in die aktive Faser eingekoppelten Pumplicht wird die Lichtemission im aktiven Medium stimuliert. Im Bereich der Materialbearbeitung werden meist Faserlaser mit einer Ausgangswellenlänge von 1.064 beziehungsweise 1.070 nm eingesetzt.

Diese werden, abhängig von der Dotierung des Kerns, mit Laserdioden bei einer Wellenlänge von 940 bis 975 nm gepumpt. An der Grenzfläche des Claddings 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, also letzten Endes die Laserleistung, ist umso größer, je länger die aktive Faser ist. 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.

Was sind die Hauptanwendungen des Faserlasers?

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

Selbst eigene Technologien haben sich daraus 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.

Damit 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.

Der Klassiker unter den Anwendungen des Faserlasers im Single­mode ist aber wohl 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 kW ausreichen, kann der Faserlaser schon seit längerer Zeit mit seiner Strahlqualität punkten.

  • Platz 10: Noch relativ alltäglich ist das sogenannte ‚Extreme Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen‘ (EHLA). Mit dieser vom Fraunhofer ILT entwickelten Methode lassen sich Metallschutzschichten blitzschnell aufbringen. Das Verfahren ist eine umweltfreundliche Alternative zur Chrom(VI)-Beschichtung.

    Platz 10: Noch relativ alltäglich ist das sogenannte ‚Extreme Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen‘ (EHLA). Mit dieser vom Fraunhofer ILT entwickelten Methode lassen sich Metallschutzschichten blitzschnell aufbringen. Das Verfahren ist eine umweltfreundliche Alternative zur Chrom(VI)-Beschichtung. – Bild: Fraunhofer ILT

  • Platz 9: Nicht ganz ernst zu nehmen ist diese Laser-Anwendung. Per Laserstrahl werden 100 in Reihe aufgestellte Luftballons zerschossen. Die ersten fünf Ballons hat der grüne Laserstrahl bereits zum Platzen gebracht.

    Platz 9: Nicht ganz ernst zu nehmen ist diese Laser-Anwendung. Per Laserstrahl werden 100 in Reihe aufgestellte Luftballons zerschossen. Die ersten fünf Ballons hat der grüne Laserstrahl bereits zum Platzen gebracht. – Bild: youtube/WorldScott

  • Platz 8: In dieser Anwendung schützen Laser vor Produktpiraterie. Das Laser Zentrum Hannover (LZH) arbeitet an einem flexiblen Markier- und Identifikationsverfahren, um unter anderem hochwertige Medikamente in Glasampullen fälschungssicher zu machen. Das kann nicht nur vor wirtschaftlichen Schäden bewahren, sondern auch Leben retten.

    Platz 8: In dieser Anwendung schützen Laser vor Produktpiraterie. Das Laser Zentrum Hannover (LZH) arbeitet an einem flexiblen Markier- und Identifikationsverfahren, um unter anderem hochwertige Medikamente in Glasampullen fälschungssicher zu machen. Das kann nicht nur vor wirtschaftlichen Schäden bewahren, sondern auch Leben retten. – Bild: LZH

  • Platz 7:  Tief am Meeresgrund verbergen sich viele wertvolle Bodenschätze. Sie aufzuspüren ist mit hohem Aufwand und Kosten verbunden. Ein Forschungskonsortium arbeitet daher daran, ein laserbasiertes, autonomes System zu entwickeln, das zum Beispiel Manganknollen detektieren kann. Beteiligt ist an dem Forschungsprojekt unter anderem das Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung ‚Gemoar‘.

    Platz 7: Tief am Meeresgrund verbergen sich viele wertvolle Bodenschätze. Sie aufzuspüren ist mit hohem Aufwand und Kosten verbunden. Ein Forschungskonsortium arbeitet daher daran, ein laserbasiertes, autonomes System zu entwickeln, das zum Beispiel Manganknollen detektieren kann. Beteiligt ist an dem Forschungsprojekt unter anderem das Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung ‚Gemoar‘. - Bild: Geomar/FrankMelzner

  • Platz 6: Wenn sich die Rakete der europäisch-russischen Mission ExoMars 2020 auf den Weg zum roten Planeten macht, ist auch ein Laser aus Hannover mit an Bord. Der Laser ist Bestandteil eines Laserdesorptions-Massenspektrometers, das dabei helfen soll, die Marsoberfläche zu erkunden.

    Platz 6: Wenn sich die Rakete der europäisch-russischen Mission ExoMars 2020 auf den Weg zum roten Planeten macht, ist auch ein Laser aus Hannover mit an Bord. Der Laser ist Bestandteil eines Laserdesorptions-Massenspektrometers, das dabei helfen soll, die Marsoberfläche zu erkunden. - Bild: LZH

  • Platz 5: Bis jetzt sind Laserschwerter noch reine Fiktion und begeistern dennoch Kinogänger weltweit. Das britische Militär soll das nun ändern. So hat das britische Verteidigungsministerium laut Webseiten wie Focus oder Welt einen Auftrag an das Konsortium „Dragonfire“ erteilt, bis zum Jahr 2019 eine reale Laserwaffe zu entwickeln. Wir sind gespannt.

    Platz 5: Bis jetzt sind Laserschwerter noch reine Fiktion und begeistern dennoch Kinogänger weltweit. Das britische Militär soll das nun ändern. So hat das britische Verteidigungsministerium laut Webseiten wie Focus oder Welt einen Auftrag an das Konsortium „Dragonfire“ erteilt, bis zum Jahr 2019 eine reale Laserwaffe zu entwickeln. Wir sind gespannt. - Bild: Pixaby/ColiNOOB

  • Platz 4: Hoch hinaus soll der Laser aus dem Forschungsprojekt ‚Britespace‘. Mit Hilfe einer Halbleiter-Laserquelle sollen dabei die Treibhausgase im Weltall und ihre Auswirkungen auf die Erde untersucht werden.

    Platz 4: Hoch hinaus soll der Laser aus dem Forschungsprojekt ‚Britespace‘. Mit Hilfe einer Halbleiter-Laserquelle sollen dabei die Treibhausgase im Weltall und ihre Auswirkungen auf die Erde untersucht werden. – Bild: Pixaby/Wikilmages

  • Platz 3: Normales Laserschneiden ist eine Standardanwendung. Doch hier geht es um Laserschneiden unter Wasser. Ein neu entwickeltes Verfahren des Laserzentrums Hannover macht dies nun möglich. So können Taucher, die Reparaturarbeiten unter Wasser vornehmen müssen, beträchtlich schneller arbeiten.

    Platz 3: Normales Laserschneiden ist eine Standardanwendung. Doch hier geht es um Laserschneiden unter Wasser. Ein neu entwickeltes Verfahren des Laserzentrums Hannover macht dies nun möglich. So können Taucher, die Reparaturarbeiten unter Wasser vornehmen müssen, beträchtlich schneller arbeiten. – Bild: LZH

  • Platz 2: Leben retten dank Laser. Bei Autounfällen könnte das in Zukunft wirklich werden. Denn in einem vom BMBF geförderten Forschungsprojekt entsteht gerade ein innovatives Lasersystem zur Rettung bei komplexen Unfallszenarien. Erforscht wird, ob eine kompakte Lasereinheit Einsatzkräften dabei helfen kann, verunfallte Fahrzeuge schneller zu öffnen und so die verunglückten Personen befreien zu können.

    Platz 2: Leben retten dank Laser. Bei Autounfällen könnte das in Zukunft wirklich werden. Denn in einem vom BMBF geförderten Forschungsprojekt entsteht gerade ein innovatives Lasersystem zur Rettung bei komplexen Unfallszenarien. Erforscht wird, ob eine kompakte Lasereinheit Einsatzkräften dabei helfen kann, verunfallte Fahrzeuge schneller zu öffnen und so die verunglückten Personen befreien zu können. – Bild: Pixaby/pcdazero

  • Platz 1: Auch beim Bomben entschärfen könnten Laser in Zukunft eine Rolle spielen. Noch immer schlummern Blindgänger aus früheren Zeiten an vielen Orten unter der Erde. Um diese Bomben zukünftig sicher entschärfen zu können, arbeitet das Laser Zentrum Hannover gemeinsam mit der LASER on Demand GmbH und dem Kampfmittelräumdienst Hamburg (KRD) an einer laserbasierten Deflagration.

    Platz 1: Auch beim Bomben entschärfen könnten Laser in Zukunft eine Rolle spielen. Noch immer schlummern Blindgänger aus früheren Zeiten an vielen Orten unter der Erde. Um diese Bomben zukünftig sicher entschärfen zu können, arbeitet das Laser Zentrum Hannover gemeinsam mit der LASER on Demand GmbH und dem Kampfmittelräumdienst Hamburg (KRD) an einer laserbasierten Deflagration. – Bild: LZH

Faserlaser versus Kristalllaser

„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.

Zum einen haben diese Kristall­laser kostspielige Pumpdioden als Verschleißmaterial. Zum anderen hat der Kristall selbst eine deutlich niedrigere Lebensdauer als der Faserlaser.

Und obwohl Kristall­laser mit 1.064 nm dieselbe Wellenlänge wie Faserlaser aufweisen und sich dadurch zum Beschriften von Metallen und Kunststoffen eignen, so 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.

Dass der Faserlaser sich gleich in mehreren Anwendungsgebieten etabliert hat, das weiß auch Michael Stark aus eigener Erfahrung zu berichten: „Sicherlich kann man sagen, dass viele unserer Kunden den Faserlaser vor allem beim Schneiden von metallischen Werkstoffen verwenden. Unsere Entwicklungen und unser Jahresbericht zeigen jedoch auch, dass der Faserlaser für diverse Schweißanwendungen gesetzt ist und circa 20 Prozent unseres letzten Jahresumsatzes ausgemacht hat.“

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 bei steigender Ausgangsleistung 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 nun auch ein effizientes und kostengünstiges Schneiden von Baustahl mit hoher Leistung sowie Hochgeschwindigkeitsschneiden möglich.

Mit Ausgangsleistungen von 50 kW werden zum Beispiel dicke Metallplatten im Schiffsbau verschweißt. Mit Hochleistungsfaserlasern sind sogar Ausgangsleistungen bis zu hunderten von Kilowatt möglich.

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

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 Faserlaser 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.

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

„Die Entwicklung von Faserlasern mit Wellenlängen vom sichtbaren bis hin zum UV-Bereich im CW- als auch im Kurzpuls- und im Ultrakurzpulsbetrieb wird derzeit stark forciert“, nennt Michael Stark einen der aktuellen Forschungstrends. Diese Bestrebungen sollen das Feld der Materialbearbeitung und auch das Spektrum möglicher Materialien erweitern.


Eine Neuentwicklung, die vor allem für spektroskopische Anwendungen und die Medizintechnik interessant ist, ist den Wissenschaftlern des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts ‚FlexTune‘ gelungen.

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

Basis für abstimmbare Laser: Faser-Bragg-Gitter

Sie realisierten ein Abstimmkonzept, das erstmals verschiedene Emissionswellenlängen voneinander unabhängig und zeit­lich 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 Gitter besitzt eine andere Brechzahlstruktur und reflektiert dadurch 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. Mit den flexiblen, gepulsten Faserlasern öffnet sich ein perspektivisches Anwendungs­spektrum für die Lebenswissenschaften und Biophotonik.

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