Laserbearbeitung NCC-Glasfasern optimieren industrielle Laserapplikationen

Autor / Redakteur: Holger Bäuerle / M.A. Frauke Finus

In industriellen Metallbearbeitungsprozessen wie Laserablation und Laserschneiden spielt das Profil des Laserstrahls oft eine wichtige Rolle. Als effektivste Lösung hat sich dabei in vielen Fällen ein rechteckiges Flat-Top-Strahlprofil herauskristallisiert. Die Erzeugung solcher Spezialprofile war jedoch bisher nur mithilfe kostspieliger Optiken möglich. Glasfasern mit rechteckiger Kerngeometrie bieten jetzt eine einfache und kostengünstigere Alternative.

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Glasfaser mit rechteckiger Kerngeometrie.
Glasfaser mit rechteckiger Kerngeometrie.
(Bild: Ceram Optec)

Prozesse der industriellen Metallbearbeitung werden heute immer häufiger mit Hilfe 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 Material 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.

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 Materialbearbeitung. Durch das orthogonale Profil können Werkstücke in Ablations- oder Beschichtungsverfahren mit weniger Überlappungen bearbeitet werden, im Schneiden werden insbesondere bei Dickblechen präzisere Schnittkanten erzeugt. Mit Hilfe rechteckiger Top-Hat-Strahlen lässt sich in den genannten Anwendungen somit letztlich eine effizientere und kostengünstigere Prozessführung realisieren als mit jedem anderen Strahlprofil.

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Leistungsverluste durch Strahlformungsoptiken

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. Mit Hilfe 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 auf dem Markt 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 Fiber). Sie stellen technisch und wirtschaftlich eine ernstzunehmende Alternative dar, weil sie teure Homogenisatoren vollwertig ersetzen können.

Glasfasern mit rechteckiger Kerngeometrie als Alternative

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 mit Hilfe 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 x 600 µm2 können nachweislich unter Produktionsbedingungen eine Laserleistung von mehr als 10 Kilowatt transportieren und ebenfalls in Kombination mit industrietypischen Hochleistungslasern verwendet werden.

Durch den Einsatz von NCC-Fasern von Ceram Optec wird die Erzeugung orthogonaler Strahlprofile deutlich vereinfacht und der Bedarf an teuren Strahlformungsoptiken reduziert. Die Gesamtkosten der Anwendung werden so erheblich gesenkt. Ein weiterer Pluspunkt ist der weitaus geringere Leistungsverlust des Lasers. Auch müssen keine Qualitätseinbußen in Kauf genommen werden: Selbst bei Dickblechen mit bis zu 50 Millimeter Materialstärke werden saubere Schnittkanten erzielt, bei Ablations- und Cladding-Prozessen sind deutlich weniger überlappende Bearbeitungen nötig. Die Optran-NCC-Fasern sind mit Gesamtdurchmessern zwischen 50 und 200 µm 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 verschiedenste Prozessanforderungen durch kundenindividuell-flexible Konfigurationen unterstützen.

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