Ceram Optec: Laserbearbeitung Profilierte Glasfasern optimieren Laser

Von Holger Bäuerle

Für industrielle Laserbearbeitung hat sich ein rechteckiges Flat-Top-Strahlprofil als besonders günstig erwiesen. Solche Strahlprofile erforderten bisher kostenintensive Spezialoptiken. Wirtschaftlich gelingen sie mit Glasfasern mit rechteckiger Kerngeometrie.

Industrielle Oberflächenbearbeitungen und Schneidverfahren mit Laser werden durch die NCC-Fasern deutlich wirtschaftlicher, da der Laserstrahl verlustfrei und mit gleichmässiger Intensitätsverteilung an die Fokusposition gelangt.
Industrielle Oberflächenbearbeitungen und Schneidverfahren mit Laser werden durch die NCC-Fasern deutlich wirtschaftlicher, da der Laserstrahl verlustfrei und mit gleichmässiger Intensitätsverteilung an die Fokusposition gelangt.
(Bild: ©istock.com/SafakOguz)

Prozesse der industriellen Metallbearbeitung werden heute immer häufiger mithilfe von Lasern umgesetzt. Beim Fügen oder Trennen von Metallbauteilen kommt die Lasertechnik ebenso zum Einsatz wie im Be- und Entschichten sowie im Härten und Entfestigen. In vielen Anwendungen wird dabei der klassische Gaussstrahl verwendet, dessen kreisförmiges oder elliptisches Profil einen energetischen Peak in der Strahlmitte aufweist. Dieses Strahlprofil ist für die meisten Industrielaser charakteristisch und so vielfach ohne technische Anpassungen verfügbar. Es ist jedoch nicht für alle industriellen Anwendungen gleichermassen geeignet. Bei Entschichtungs- oder Schneidapplikationen etwa beeinträchtigt die ungleichmässige Energieverteilung des Gaussstrahls die Effizienz wie auch das abschliessende Ergebnis des Prozesses: In der Ablation muss das Bauteil meist überlappend und in mehreren Bahnen bearbeitet werden, um die uneinheitliche Energieverteilung auszugleichen. Beim Trennen wird die Herstellung sauberer Schnittkanten erschwert. Insbesondere bei materialstärkeren Blechen ist eine Gratbildung an den Rändern deutlich erkennbar.

Optik vermindert Leistung

Beim Entschichten und Schneiden mit Lasern, aber auch in anderen Anwendungen wie vor allem Cladding-Prozessen erweist sich ein rechteckiges Top-Hat-Strahlprofil deshalb oft als bessere Alternative. Top-Hat-Strahlen besitzen über die gesamte Brennfläche hinweg eine einheitliche Intensitätsverteilung und ermöglichen so eine gleichmässige Bearbeitung. Durch das orthogonale Profil können Werkstücke in Ablations- oder Beschichtungsverfahren mit weniger Überlappungen bearbeitet werden, im Schneiden werden insbesondere bei Dickblechen präzisere Schnittkanten erzeugt. Mithilfe rechteckiger Top-Hat-Strahlen lässt sich in den genannten Anwendungen somit letztlich eine effizientere und kostengünstigere Prozessführung realisieren als mit jedem anderen Strahlprofil. Die Erzeugung rechteckiger Top-Hat-Profile bedeutete bisher allerdings einen erheblichen Aufwand. Um den Gaussstrahl entsprechend zu modifizieren, wurden meist hochkomplexe Strahlformungsoptiken wie Mikrolinsen-Arrays oder diffraktive optische Elemente (DOE) eingesetzt. Mithilfe dieser sogenannten Homogenisatoren kann die annähernd gaussförmige Intensitätsverteilung zugunsten einer homogenen Verteilung aufgehoben werden. Um eine rechteckige Spotgeometrie zu erreichen, müssen dann zusätzliche optische Komponenten wie teilreflektierende Spiegel und strukturierte Blenden integriert werden. Teile des Strahls werden dadurch abgelenkt, andere wiederum geblockt, um die gewünschte rechteckige Geometrie in der Brennfläche zu erzeugen. In industriellen Laserapplikationen hat der Einsatz solcher Homogenisatoren letzten Endes technische und wirtschaftliche Nachteile. Die Integration dieser homogenisierenden Optiken in den Strahlengang bedeutet stets eine Verringerung der Lichtausbeute und damit einen Leistungsverlust des Lasers. Am kostengünstigsten ist hier die Verwendung von Blenden, jedoch gehen dadurch bis zu 75 Prozent der Laserleistung verloren. Diffraktive optische Elemente sind bereits effektiver, verzeichnen aber in der Anwendung einen Leistungsverlust von etwa 30 Prozent. Mikrolinsen-Arrays sind hier energetisch gesehen die besseren Homogenisatoren, da nur noch etwa 10 Prozent der Leistung verloren gehen. Allerdings muss diese vertretbare Verlustbilanz teuer erkauft werden, da Mikro­linsen-Arrays die kostenintensivsten Homogenisatoren sind. Insgesamt wirkt sich der Gebrauch von Formungsoptiken somit negativ auf die Investitions- sowie Betriebskosten einer Laserapplikation aus. Inzwischen entscheiden sich deshalb immer mehr Anwender für den Einsatz von Spezialfasern wie den von Ceram Optec entwickelten und hergestellten Optran-NCC-Fasern (Non-Circular Core Fibers). Sie stellen technisch und wirtschaftlich eine ernst zu nehmende Alternative dar, weil sie teure Homogenisatoren vollwertig ersetzen können.

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Rechteckige Kerngeometrie

Die NCC-Fasern von Ceram Optec weisen ein rechteckiges Kern- und Manteldesign auf, sind aus Quarzglas gefertigt und in fluordotierten oder dotierungsfreien Ausführungen verfügbar. Sie übernehmen im Gegensatz zu herkömmlichen Rundkernfasern einen aktiven Part in der Strahlformung. Die nichtzirkuläre Kerngeometrie regt alle optischen Moden an und homogenisiert dadurch die Intensitätsverteilung. Dieser sogenannte Mode-​Scrambling-Effekt tritt bereits bei einer Faserlänge von wenigen Zentimetern ein. Als zusätzlicher Effekt vollzieht sich eine Angleichung von Kern- und Spotgeometrie. Da beim Mode-Scrambling der rechteckige Faserkern vollständig ausgefüllt wird, nimmt der Ausgangsstrahl ebenfalls eine annähernd orthogonale Form mit entsprechender Brennflächengeometrie an. Die Erzeugung präziser Rechteckprofile stellt dann ebenfalls kein Problem mehr dar, weil infolge des annähernd orthogonalen Ausgangsstrahls nur geringe optische Korrekturen nötig sind, um einen klar definierten Profilrand zu erzeugen. Durch die verminderte Anzahl der optischen Elemente im Strahlengang kommt es gegenüber Prozesskonfigurationen mit Strahlformungsoptiken nur zu einem geringen Leistungsverlust. Auch die Herstellung eines runden Top-Hat-Strahlprofils kann mithilfe der NCC-Faser realisiert werden. In diesem Fall wird der NCC-Faser eine Rundkernfaser nachgeschaltet; die homogene Intensitätsverteilung bleibt beim Eintritt in diese nachgeordnete Faser erhalten.

Im Vergleich zu Rundkernfasern weisen NCC-​Fasern eine bessere Transmission und Leistungs­abgabe auf, sodass keine nennenswerten Effizienzverluste zu verzeichnen sind. NCC-Fasern von 600 × 600 µm2 können nachweislich unter Produktionsbedingungen mehr als 10 kW Laserleistung transportieren und in Kombination mit industrie­typischen Hochleistungslasern verwendet werden. NCC-Fasern von Ceram Optec vereinfachen, orthogonale Strahlprofile zu erzeugen. Kostenintensive Strahlformoptiken entfallen. Das mindert die Gesamtkosten. Bei gleicher Strahlqualität haben die Laser weniger Leistungsverluste. Selbst bei 50 mm dicken Blechen werden saubere Schnittkanten verwirklicht. Bei Ablations- und Cladding-Prozessen sind deutlich weniger überlappende Bearbeitungen nötig. Die Optran-NCC-Fasern sind mit 50 bis 200 µm Gesamtdurchmesser und Kern-Mantel-Verhältnissen bis 1 : 20 erhältlich. Die gängigsten Kern-Seiten-Verhältnisse sind 1 : 1 bis 1 : 4, bei Kantenlängen zwischen 15 und 1300 µm. Zudem lassen sich unterschiedliche Prozessanforderungen durch kundenindividuell flexible Konfigurationen unterstützen.

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