Per Laser in die Zukunft

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Ohne F&E läuft gar nichts

155 Millionen Euro investiert das Unternehmen jährlich in Forschung und Entwicklung (über alle Technologiebereiche), das sind fast 10% vom Gesamtumsatz, der sich in 2008/09 auf 1,66 Milliarden Euro belief. Wie H. Marfurt in seinem Referat betonte, kann ein technologiebasiertes Unternehmen wie Trumpf nur bestehen, wenn auf Innovation gesetzt wird. Von den weltweit rund 8000 Mitarbeitern arbeiten in der Schweiz 800, davon 60 Lernende, an den beiden Standorten Baar und Grüsch. Auch in Baar wird Forschung betrieben: Das magnetgelagerte Turboradialgebläse - es ist für die Umwälzung des Gases in CO2-Lasern zuständig - wird in Baar entwickelt und gefertigt. Hohe technologische Anforderungen sind im Bereich der Magnetlagerung gefordert, die für eine reibungslose und wartungsfreie Kühlung des CO2-Lasers sorgen.

Die Lasertechnik im Überblick

Beat Sidler, Leiter der Laser Division Trumpf Maschinen AG, Baar, ging auf die Lasertechnologie als solche ein. Generell kann Laserlicht durch unterschiedliche Laserquellen erzeugt werden, die verschiedene Eigenschaften haben und je nach Anwendungsgebiet entsprechend favorisiert werden. Trumpf entwickelt als einziges Unternehmen weltweit sämtliche Laserstrahlquellen. Folgende Festkörperlaser finden bei dem Unternehmen Anwendung:

- Stablaser

- Scheibenlaser

- Faserlaser

- Diodenlaser

Das laseraktive Medium kann als Stab, Scheibe oder Faser ausgeführt werden. Die in dem Stablaser sich entwickelnde Temperatur muss von aussen über die Mantelfläche des Stabs gekühlt werden. Es ergibt sich durch die schlechte Wärmeleitung des Materials eine relativ starke Temperaturdifferenz zwischen den inneren und äus­seren Bereichen des Stabes, infolgedessen eine sogenannte optische Linse am Austritt des Stablasers entsteht, weil der innere Bereich sich stärker dehnt als der äussere.

Aus diesem Grund verfügt der Stablaser bei hoher Leistung nicht über die hohe Strahlqualität, wie beispielsweise der Faserlaser und Scheibenlaser. Denn diese beiden Laserarten verfügen über ein erheblich gleichmässigeres Temperaturprofil und eine bessere Strahlqualität. Im Folgenden werden verschiedene am Markt verfügbare Festkörper-Lasertypen beschrieben.

Pikosekundenlaser für präziseste Bearbeitung

Der Pikosekundenlaser (TruMicro) ermöglicht aufgrund der extrem kurzen Pulsdauern (minimal 6 Pikosekunden) eine sogenannte «kalte» Materialbearbeitung. In 6 Pikosekunden (die aktuelle kürzeste prozesssichere Taktzeit) legt ein Lichtstrahl gerade einmal 1,8 mm zurück. Dies verdeutlicht, wie extrem kurz der Laserimpuls ist.

Die Laserintensität ist dabei sehr hoch, aber nur von kürzester Einwirkzeit. Der TruMicro eignet sich zum Feinschneiden, Abtragen, Laserstrukturieren und Bohren. Es können Materialdicken von 0,01 mm bis 0,8 mm bearbeitet werden. Das zu bearbeitende Materialspektrum (Edelstahl, Nitinol [Stents], Titan, Buntmetalle, Glas, Kristalle, Silizium) ist bemerkenswert vielseitig.

Sehr gut fokussierbar

Die kompakten Pikosekundenlaser der TruMicro-Serie 5000 sind ideale Werkzeuge für viele Mikroanwendungen. Branchen, die diese Laser nutzen, sind beispielsweise die Halbleiter-, Photovoltaik-, Elektronik- und Medizintechnikindustrie (s.u.).

Aufgrund der hohen Strahlqualität lässt sich der Laserstrahl der TruMicro-Serie 5000, die auf der Scheibenlasertechnologie basiert, sehr gut fokussieren. Ausserdem ermöglichen die Mikrobearbeitungslaser, die in verschiedenen Wellenlängen erhältlich sind (1030 nm, 515 nm und 343 nm), mit ihren Pulsdauern von weniger als 10 Pikosekunden einen optimalen Ablationsprozess für die unterschiedlichsten Materialien.

Ideal für Schichtabtrag von Solarzellen

Die Mikrobearbeitungslaser der TruMicro- Serie 3000 wurden speziell zum P1-, P2- und P3-Schichtabtrag von Solarzellen aus amorphem und mikrokristallinem Silizium oder Cadmiumtellurid entwickelt. Die Bearbeitung der Schichten mit transparenten leitenden Oxiden (Transparent Conductive Oxide, TCO) erfolgt meist mit Lasern infraroter Wellenlänge und einem optimierten Puls-zu-Puls-Überlapp.

Mit ihrer hohen Puls-zu-Puls-Stabilität bei hohen Wiederholraten ermöglichen die Mikrobearbeitungslaser Vorschubgeschwindigkeiten von mehr als 2 m/s. Die Laser der TruMicro-Serie 3000 mit grüner Wellenlänge (532 nm) tragen auf der Solarzelle den Absorber und den Rückkontakt so schonend ab, dass die TCO nur minimal geschädigt werden.

Aufgrund ihrer geringen Baugrösse lassen sich alle Laser der TruMicro-Serie 3000 leicht in bestehende Anlagen integrieren. Dabei können Anwender dank der softwaregesteuerten Fokuslagenverstellung den Bearbeitungsprozess an unterschiedliche Glasdicken anpassen.

Scheibenlaser - zuverlässig bis 16 kW

Der TruDisk-Scheibenlaser ist eine ideale Kombination von Diodenlaser als Pumpquelle (sorgt für hohen Wirkungsgrad) und die Scheibe als Festkörperlaser sorgt für die hohe Strahlqualität. Mit einer Scheibe können 4 kW Laserleistung generiert werden, in Reihe geschaltet können so bis zu 16 kW erzeugt werden.

Die Strahlqualität kann unabhängig von einer Erhöhung der Leistung konstant gehalten werden. Mit der in den TruDisk integrierten Leistungsmessung und einer Echtzeit-Leistungsregelung wird eine ständig gleich bleibende und zuverlässige Laserleistung garantiert.

Faserlaser - hohe Strahlqualität bis 400 W

Die TruFiber-Serie (Faserlaser) bringt Leistungen von 200, 300 und 400 Watt in 19-Zoll-Bauweise, sodass die Laser in einem Rack installiert werden können. Mit der Bediensoftware TruControl, allen industrieüblichen Schnittstellen und Sicherheitseinrichtungen sowie einem grossen Angebot an Fokussieroptiken erhält der Anwender mit der TruFiber-Serie alle relevanten Laserkomponenten - für eine schnelle Integration in seine Produktionssysteme.

Diodenlaser - höchste Effizienz bis 4 kW

Die Diodenlaser der TruDiode-Serie runden das Produktportfolio ab. Das Herzstück der neuen TruDiode-Serie ist ein fasergekoppeltes Diodenmodul. Es erzeugt eine Leistung von bis zu 100 Watt, die in eine Faser mit einem Durchmesser von 100 Mikrometern eingekoppelt wird. Die numerische Apertur beträgt dabei weniger als 0,12.

Mehrere dieser Module werden zu einer Lasereinheit zusammengeführt, um die gewünschte Ausgangsleistung zu erzielen. Aktuell können bis zu 4 kW Diodenlaser-Leistung erzeugt werden. Das technologische Konzept der TruDiode-Laser garantiert dabei, dass die Effizienz der eingesetzten Diodenmodule auch in der Gesamteinheit erhalten bleibt und Werte von bis zu 40 Prozent erreicht. Nach diesem Laserüberblick geht es im Folgenden um die Anwendungsbereiche.

Laserschneiden: durch dick und dünn

Das Laserschneiden lässt sich nach Angaben des Referenten Simon Baschung (Vertrieb Laser Division, Trumpf Maschinen AG, Baar) in zwei Kategorien einteilen, zum einen das Schmelz und Trennschneiden und zum anderen das Feinschneiden.

Für das Schmelz- und Trennschneiden kommen CO2-Laser als auch Scheibenlaser zum Einsatz. Für das Feinschneiden werden die Trumpf-Lasertypen TruPulse, TruFiber und TruMicro eingesetzt.

Die Einsatzbreite des CO2-Lasers zeigt sich allein darin, dass sein Leistungsspektrum von 700 Watt bis 20 kW reicht. Mit den Lasern werden Bleche von 0,5 bis 40 mm Dicke geschnitten. Sie können aus Baustahl, Edelstahl als auch Aluminium sein.

Faszinierend in dem Beitrag war die enorme Bandbreite der Applikationen. Geht es im Bereich des Schmelzschneidens in sehr dicke Blechbereiche, können im Feinschneidbereich selbst kleinste Strukturen beispielsweise für die Uhrenindustrie in Serie gefertigt werden. Dazwischen bietet das Unternehmen das gesamte Spektrum an Lösungen an.

Der diffusionsgekühlte CO2-Laser mit bis zu maximal 3200 Watt Leistung baut derart kompakt, dass er ideal auf Roboter zu bauen ist und somit hochflexibel selbst komplexeste 3D-Strukturen mit enormen Produktionsgeschwindigkeiten schneiden kann.

Laser-Feinschneiden für die Uhrenindustrie

Beim Feinschneiden sind zum Teil geringste Schnittspalte gefordert. Der TruPulse oder HL101P sind für diese Bereiche perfekt zugeschnitten. Letzterer wird oft in der Uhrenindustrie eingesetzt. Um Blechdicken von 0,05 (!) bis 2,5 mm zu schneiden. Die Materialien, die bearbeitet werden können, sind folgende: Baustahl, Edelstahl, Messing, Cu, Bronze, CuBe und Titan.

Gerade in der Feinbearbeitung sind feinste Schnitte unabdingbar. Da die Fasern der eingesetzten Faserlaser nur einen Durchmesser von 12 Mikrometer haben, sind beim Schneiden Schnittspalte ab 0,03 mm bei sehr dünnen Blechen möglich. 50 Mikrometer Schnittspalte sind bei einem Blech von etwa 1?mm Dicke realisierbar, was noch immer bemerkenswert ist.

Faszination Laserschweissen

Einen faszinierenden Einblick in die Möglichkeiten des Laserschweissens zeigte Andreas Mettlach (Vertrieb Laser Division, Trumpf Maschinen AG, Baar) auf. Noch bevor er auf die Technologie einging, sprach er die relativ hohen Investitionskosten im Bereich des Laserschweissens an.

Sie sind in der Regel ein Vielfaches höher als Investitionen in klassische Verfahren. Gleichwohl sind die Laserschweissanlagen ein Erfolgsprodukt, wie er betont und zwar liegt das an folgenden Vorteilen des Laserschweissens:

- sehr hohe Reproduzierbarkeit,

- wenig Nacharbeit der Werkstücke,

- wenig Verzug,

- hohe Zugänglichkeit,

- hohe Ästhetik der Naht.

Neben diesen Aspekten ist im Vergleich zu konventionellen Schweissverfahren auch die reine Haupt-Schweisszeit erheblich schneller. Richtig zum Tragen kommt aber vor allem die geringe Nacharbeit, die in den meisten Laseranwendungen komplett entfällt und somit auch diese Kosten entfallen. Aufgrund dieser Aspekte kommt das Laserschweissen in vielen Anwendungen immer mehr zum Tragen.

Laserschweissen - CO2-Laser oft erste Wahl

Beim Laserschweissen findet der CO2-Laser nach wie vor grosse Anwendung. Aber nicht nur. Gleichwohl ist der CO2-Laser das Universaltalent in diesem Sektor. Er überzeugt neben der ausgezeichneten Strahlqualität ebenso über höchste Leistungsreserven.

Das Verhältnis der Reflexion und Absorption ist beim Laserschweissen von übergeordneter Bedeutung. Je nachdem, welche Längenwellen die Materialien absorbieren, können sie mit entsprechendem Laserlicht verschweisst werden.

Anders sieht das bei Stahl aus, hier bietet der Festkörperlaser eine Absorption von ca. 30%, der CO2-Laser wird dagegen nur um 10% absorbiert. Trotzdem wird der CO2-Laser mehrheitlich eingesetzt. Der Grund ist folgender: Der 90%ige Reflexionsgrad bezieht sich auf die Oberfläche. Da aber der Laserstrahl zu Beginn ein tiefes und schmales Keyhole aufbaut, wird in diesem Keyhole praktisch die gesamte Laserleistung des CO2-Lasers in Wärme umgewandelt.

Die Wahl des Lasertyps ist somit je nach Schweissanwendung sehr präzis zu eruieren und keineswegs immer «logisch». Oft gibt es Anwendungsfälle, die praktisch identisch sind, aber bei dem einen Fall der Festkörperlaser erste Wahl ist und beim anderen der CO2-Laser.

Es ist aber auch festzuhalten, dass auf Grund neuer technologischer Entwicklungen der Festkörperlaser gegenüber dem CO2-Laser zugelegt hat. Andreas Mettlach bescheinigt dem CO2-Laser noch ein langes Leben, auch deshalb, weil man mit ihm von 0,5 bis ca. 15 mm Dicke alles schweis­sen kann. Hier sind dem Festkörperlaser heute noch einige Grenzen gesetzt.

Flexibel und sicher beschriften

Ein weiteres Themenfeld ist das Laser-Beschriften und -markieren. 60 Prozent der Beschriftungslaser werden in Produktionsanlagen integriert und müssen so eine sehr schnelle Taktzeit aufweisen. Dank der internen Fokuslagensteuerung des Beschriftungslasers muss die Z-Achse nicht verfahren werden, was eine erheblich produktivere Beschriftung ermöglicht. Das ist insbesondere bei Bauteilen von Bedeutung, deren Beschriftungsebene in der Z-Achse variiert.

Generell können unterschiedlichste Laserbeschriftungsverfahren gewählt werden. Das Lasergravieren geht in die Tiefe über einen spezifischen Materialabtrag. Die Problematik dieses Verfahrens liegt im Aufwurf von Partikeln aus der Tiefe, was eine unerwünschte Eigenschaft ist. Reduzieren lässt sich dieser Aufwurf, wenn man kleine Leistungen nimmt. Mit sehr kurzpulsigen Lasern können Aufwürfe fast ganz reduziert werden.

Elegant: Anlassbeschriftung

Eine Alternative ist die Anlassbeschriftung, die allerdings nur bei bestimmten Metallen möglich ist. Hier können generell alle Anlassfarben des Werkstoffes generiert werden. Wichtig in diesem Zusammenhang ist zu erwähnen: Wenn das Material wieder stark (>300 Grad) erwärmt wird, kann sich die Anlassfarbe und somit die Beschriftungsfarbe verändern.

Generell sind auch Kunststoffe per Laser sehr variabel beschriftbar. Der Farbumschlag bei Kunststoffen wird beispielsweise mit Additiven, sogenannten Laserbatchs, erzeugt. Diese Additive sorgen dafür, dass die Farbe sich durch die Lasereinstrahlung gezielt verändern.

Vorteile des Lasermarkierens sind deren hohe Qualitäten mit typischen 30 µm Linienbreiten, Reproduzierbarkeiten, Datenmatrix und eine hohe Beständigkeit. Das Material bildet Farbe von sich aus und schliesslich ist es ein berührungsloses Verfahren. Gerade in der Medizintechnik ist das gewünscht.

Wie diese Beispiele eindrucksvoll zeigen, ist die Vielseitigkeit des Lasers enorm hoch. Dank kontinuierlicher Weiterentwicklungen wird der Laser in Zukunft in weitere Anwendungsbereiche eindringen, die ihm heute noch verschlossen bleiben. Somit bleibt der Laser eine spannende Technologie der Gegenwart und der Zukunft.

Autor

Matthias Böhm

Chefredaktor SMM

Information

Trumpf Maschinen AG

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Fax 041 769 66 00

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