CO2-Laser

Es gibt viele verschiedene Lasertypen, die für verschiedene Einsatzzwecke benötigt werden. - Bild: Fotolia/motorradcbr

Was ist ein CO2-Laser?

Dem Kohlenstoffdioxid als Lasermedium verdankt der CO2-Laser seinen Namen. Sein infraroter Laserstrahl, mit Wellenlängen zwischen 9,4 und 10,6 µm, Ausgangsleistungen bis zu 80 kW und Pulsenergien bis 100 kJ, wird in der Metallbearbeitung zum Schweißen und Schneiden verwendet. Auch die Bearbeitung von Glas oder Keramik zählt zu den Haupteinsatzgebieten. Kohlendioxid-Laser sind zuverlässig, effizient und kostengünstig und in verschiedenen Bauformen verfügbar.

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 Laserschneiden zu spüren – hier deckt der CO2-Laser nur noch ca. 20 – 30 Prozent des Gesamtmarktes ab.

„Es zeichnet sich ab, dass sich der CO2-Laser einem langzeitstabilen Niveau nähert, das seine Zukunft als nicht ersetzbare Strahlquelle sichern dürfte. Ursache dafür sind alle Applikationen, die Wellenlängen zwischen circa 9 und 10 µm erfordern, die es bereits in einer großen Vielzahl gibt“, sagt Lebrecht von Trotha, Product Line Manager bei Coherent-Rofin. 

Beispiele, die auch respektable Volumina benötigen, sind laut 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 kW.

„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 das Schneiden von Glas und Kunststoffen als Volumenapplikation im 2D-Bereich. 

Warum die Zigarettenindustrie den CO2-Laser braucht

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.

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.“

Ein strategisch wichtiges Feld für die CO2-Laser des Ditzinger Maschinenbauers ist die Elektronikbranche, genauer gesagt die EUV-Lithografie. 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.

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

Zuverlässige Arbeitspferde in der Materialbearbeitung

Die Aussagen von Coherent-Rofin und Trumpf beweisen: Der CO2-Laser ist keine Maschine, die zum alten Eisen gehört. Es gibt zahlreiche Anwendungsgebiete für ihn. So sagt auch 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. Beispielsweise wird das Haltbarkeitsdatum auf Getränkeflaschen und Verpackungen mittels CO2-Laser markiert, Jeans-Hosen wird ein used Look verliehen, Polarisationsfolien für Displays und Batterien werden geschnitten und Glas oder Keramikwerkstoffe getrennt. Kluge: „Die Liste der bewährten Applikationen lässt sich endlos fortsetzen.“ Dass das so ist, kommt nicht von ungefähr.

Der CO2-Laser hat viele Vorteile. Neben der klassischen Wellenlänge des CO2-Lasers von 10,6 µm, finden sich heute alternative Wellenlängen von 9,4 µm beziehungsweise 10,2 µm, die bei einigen An­wendungen deutliche Vorteile bieten. „Im Verpackungsmittelbereich können mit 10,2 µm 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 µm Wellenlänge das Bohren von sogenannten µ-vias in Multi-Layer-Leiterplatten. µ-vias sind Sack- respektive Durchgangsbohrungen und dienen der späteren Verbindung von Signalstrecken der verschiedenen Lagen der Leiterplatten. „Diese µ-via 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 µm wirtschaftlich nur mit dem CO2-Laser erzeugt werden“, erklärt Kluge.

Till 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. Eine Stärke von CO2-Lasern ist auch, dass sie beim Schweißen kaum Spritzer erzeugen, sodass die Laserleistung direkt in Vorschubgeschwindigkeit umgesetzt werden kann. Selbstverständlich liefert der CO2-Laser aber auch hervorragende Ergebnisse bei einer großen Bandbreite unterschiedlich dicker Bleche.“

Festkörperlaser dringt in die Domänen des CO2-Laser vor

CO2-Laser haben eine Wellenlänge von rund 10 Mikrometern. Anders als mit Festkörperlaser lassen sich deswegen auch nichtmetallische Werkstoffe makro­skopisch schneiden, perforieren oder etwa abtragen. Schneider er­gänzt: „Auch die Lasersicherheitskonzepte sind aufgrund der Wellenlänge einfacher und kostengünstiger zu realisieren.“

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.

Lebrecht von Trotha, Product Line Manager bei Coherent-Rofin, sieht durchaus Vorteile des CO2-Lasers im Vergleich zu seinem Festkörper-Pendant: „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.“ Vergleichbare Einschränkungen gäbe es auch bei der Herstellung von Qualitätsrohren beispielsweise für Einspritzleitungen oder nachgelagerte IHU-Prozesse bei Zulieferern aus der Automobilindustrie. 

Auch wenn der CO2-Laser vom Grundprinzip einer der ersten Laser für Industrieanwendungen war, hat er sich doch im Laufe der Zeit den wachsenden Anforderungen angepasst und bietet heute ein breites Spektrum an unterschiedlichen Varianten hinsichtlich Laserparameter und Wellenlängen. 

„Die Vorteile sind seine relativ günstigen Anschaffungskosten“

Interview mit Dr. Tobias Laumer, Leiter Prozesstechnik Kunststoffe beim Bayerischen Laserzentrum.

Herr Laumer, bei welchen Anwendungen kommen CO2-Laser vornehmlich zum Einsatz?
CO2-Laser werden primär in zwei Bereichen eingesetzt. Zum einen beim Schneiden von unterschiedlichsten Werkstoffen, da die Wellenlänge des Lasers in eine Vielzahl an unterschiedlichen Werkstoffen sehr gut, d. h. oberflächennah, einkoppelt und dadurch eine sehr hohe Effizienz erreichbar ist. Die andere wichtige Anwendung ist das selektive Laserstrahlsintern. Auch hier werden CO2-Laser mit Leistungen von 50 bis 100 W eingesetzt, um die mittels Infrarotheizstrahler vorgewärmten Kunststoffpulver aufzuschmelzen. Auch hierbei ist die oberflächennahe Einkopplung im wichtigsten Pulverwerkstoff, Polyamid 12, der Hauptgrund.

Was sind die Vorteile gegenüber anderen Lasern?
Die Vorteile sind neben der hohen Absorption bei den meisten Kunststoffen seine relativ günstigen Anschaffungskosten (auch bei hohen Leistungen bis in den kW-Bereich). Die Nachteile mitunter die komplexe Strahlführung mittels Fest­op­tik­aufbau, da eine flexible Strahlführung mittels Lichtleitfaser, wie bei den Faserlasern, nicht möglich ist, da die Laserstrahlung in die aus Glas bestehenden Fasern einkoppeln und diese zerstören würde. Weiterhin ist der Wartungsaufwand bzgl. der Gaszusammensetzung ein Nachteil und das damit verbundene Einschwingverhalten, sodass es in den ersten Sekunden des Einschaltens zu einem Überschwingen oder zeitverzögerten Erreichens der Soll-Leistung kommen kann. Dies kann wiederum negative Auswirkungen auf den eigentlichen Bearbeitungsprozess haben.