28.09.2006 | Redakteur:
Leistungsstarke Faserlaser mit hoher Strahlqualität eröffnen neue Möglichkeiten der Materialbearbeitung.
Faserlaser gelten als eine zukunftsweisende Entwicklung in der Lasertechnik mit enormem Innovationspotenzial. Bis vor wenigen Jahren war der Einsatz von Faserlasern aufgrund der geringen Leistung noch auf die Telekommunikation und die Messtechnik beschränkt. Jüngste Fortschritte auf den Gebieten der Faser- und Wellenleiteroptik sowie die Entwicklung leistungsstarker Laserdioden zum optischen Pumpen eröffnen dem Faserlaser neue Perspektiven in vielen Anwendungsbereichen.Beim Faserlaser handelt es sich um einen Festkörperlaser, dessen Kernstück eine optische Faser bildet. Diese ist mit geringen Mengen eines aktiven Materials dotiert – meist handelt es sich dabei um Ionen aus der Gruppe der seltenen Erden, wie Neodym oder Ytterbium. Durch die besonders enge Führung des Lichts in der Faser wird eine sehr gute Strahlqualität erzielt. Die große Oberfläche der mehrere Meter langen Faser sorgt für eine gleichmäßige und effiziente Kühlung und verhindert thermische Effekte, die sonst zu einer Verschlechterung der Strahlqualität führen. Der große Vorteil des Faserlasers: Von der Strahlerzeugung in der Diode bis zur Bearbeitungsoptik verlässt der Laserstrahl die Faser nicht mehr. Damit wird eine Justierung des Lasers weitgehend überflüssig, der Wartungsaufwand wird minimiert. Weitere Vorteile sind die kompakte Bauweise und die hohe Lebensdauer. Die hervorragenden Strahleigenschaften bieten neue Möglichkeiten der Lasermaterialbearbeitung. In der Medizintechnik, Messtechnik und Mikrobearbeitung eröffnet die Ultrapräzisionsbearbeitung mit gepulsten Faserlasern neue Anwendungen. Seit 2005 beschäftigt sich das Fraunhofer-IWS in Dresden mit Anwendungen des Faserlasers in den Bereichen Laserschweißen und -schneiden. Interessante Erkenntnisse hat man auch zur Nutzung des Faserlasers in der Mikromaterialbearbeitung und bei der Remote-Bearbeitung gewonnen. Die Mikromaterialbearbeitung kann durch den gezielten Einsatz von Hochleistungsfaserlasern eine wesentliche technische Erweiterung erfahren, indem einerseits die Flexibilität des Lasereinsatzes als auch die Geschwindigkeit und Genauigkeit der Bearbeitung gesteigert werden können. Durch die beugungsbegrenzte Strahlqualität (Strahldurchmesser entsprechend dem physikalisch möglichen Minimum) ergeben sich grundsätzlich neue Möglichkeiten in der Lasermikrobearbeitung. So sollen zukünftig mit dem Faserlaser Werkzeuge zur Verfügung stehen, die unter anderem im Kurzpulsbetrieb mittlere Ausgangsleistungen von weit über 100 W bereitstellen. Mittels Hochleistungsfaserlaser werden so bei hohem Durchsatz Strukturgrößen möglich, die bis dato nur mit anderen, wesentlich kostenintensiveren Techniken realisierbar waren (Excimerlaser, Lithographie). Damit eröffnen sich grundsätzlich neue Anwendungsfelder von der Grundlagenforschung über die industrielle Forschung bis zur Integration in die laufende Produktion.Im Bereich gepulster Faserlaser (ns-Pulse) sind derzeit noch keine Systeme und Bearbeitungsoptiken verfügbar, die den Anforderungen der Mikromaterialbearbeitung genügen würden. Künftige Applikationen liegen in der Mikrostrukturierung von Oberflächen (metallische und nichtmetallische Werkstoffe), im Pulverschmelzen für 3D-Strukturen, im selektiven Laserschmelzen, im Rapid Prototyping und beim Trennen und Vereinzeln von Elektronikbauteilen. Auch das Beschriften und Markieren, dabei speziell die On-the-fly-Bearbeitung, bilden ein bedeutendes Marktsegment für den gepulsten Faserlaser. Das Kunststoffschweißen stellt eine potenzielle Anwendung für den Faserlaser dar, bei dem die Wirtschaftlichkeit (minimaler Wartungsaufwand, hoher Wirkungsgrad, lange Lebensdauer) sowie die technischen Vorteile dieser Strahlquelle zum Tragen kommen. Die Baugröße des Faserlasers und die optische Zuführung des Laserstrahls mittels Faser an die Bearbeitungsstelle ermöglichen eine einfache Integration in neue oder bereits bestehende Maschinen und Anlagen. Beispielhaft sei das Fügen von Polymeren erläutert. Das Prinzip des Verschweißens von Kunststoffen durch lokale Erwärmung mit Laserstrahlung über die Erweichungstemperatur hinaus und einen darauf folgenden Fügevorgang ist seit Jahren bekannt. Dabei wurden ursprünglich CO2- und Nd:YAG-Laser, später auch Diodenlaser, verwendet. Nun wird die Palette um eine weitere viel versprechende Strahlquelle erweitert - den Faserlaser. Dieser wurde im Fraunhofer-IWS hinsichtlich seiner Eignung zum Kunststoffschweißen getestet, dabei kamen Laser der Firma SPI im mittleren Leistungsbereich zum Einsatz. Ziel der Untersuchungen war es, bekannte Ergebnisse klassischer Strahlquellen im Laserdurchstrahlschweißen mit dem Faserlaser zu reproduzieren. Die Versuche wurden hinsichtlich Zugfestigkeit, Dichtheit sowie der Schweißnahtbreite ausgewertet und konnten die gestellten Erwartungen bestätigen.Aufgrund der hervorragenden Fokussierbarkeit des Faserlaserlichtes ergeben sich neue Möglichkeiten in der Remote-Bearbeitung, vor allem auch beim Einsatz höherer Laserleistungen. Als konkretes Beispiel ist das Remote-Schweißen in Kombination mit Industrierobotern für den Karosseriebau zu nennen. Dabei wird eine Strahlablenkoptik in einem Abstand von bis zu einem halben Meter über das Bauteil geführt. Zwei durch Galvanometerscannerantriebe sehr schnell und genau kippbare Planspiegel richten den Laserstrahl auf die zu bearbeitenden Bereiche des Bauteiles. Die eigentliche Schweißbearbeitung erfolgt dann während der Bewegung der Optik durch den Roboter (welding on the fly). Durch die sehr schnell ansteuerbaren Scannerspiegel kann der Laserstrahl aus der Ferne (englisch: remote) punktgenau auf der zu erzeugenden Schweißbahn abgebildet werden. Bahnungenauigkeiten des Roboters werden kompensiert und Korrekturkoordinaten von Bauteillagesensoren oder Nahtverfolgungssystemen verrechnet. Voraussetzung für das robotergeführte Remote-Schweißen ist die Verfügbarkeit von Festkörperlaserquellen mit einer dem CO2-Laser vergleichbaren Strahlqualität. Laserstrahlung im Wellenlängenbereich von 1070 bis 1080 nm ermöglicht die Strahlübertragung mittels Lichtleitfasern, was die Voraussetzung für den Einsatz an Industrierobotern ist. Eine hohe Strahlqualität bietet folgende entscheidende Vorteile beim Remote-Schweißen: - Kompakte Bearbeitungsoptiken, - großer Arbeitsabstand und - geringe Verschmutzung der optischen Komponenten. Durch Faserlaser beim Remote-Schweißen lässt sich die Substitution von Punktschweißoperationen, zum Beispiel bei der Karosseriefertigung, wirtschaftlich umsetzen. Hinzu kommen weitere Vorteile der Remote-Laserbearbeitung wie die Erzeugung festigkeitsoptimierter Schweißnähte (beispielsweise Steppnähte, Kreisgeometrien, Krampen). Durch eine Einsparung der Positionierzeiten von Schweißnaht zu Schweißnaht durch die schnelle Strahlablenkung sind höhere Prozessgeschwindigkeiten realisierbar. Diese Erhöhung der Prozesseffizienz durch den Faserlaser wird dafür sorgen, dass die Remote-Bearbeitung zukünftig ein fester Bestandteil jeder Karosseriefertigung wird.
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