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Lasertechnik

Q-Switch-Laser zum Abtragen, Reinigen und Isolieren

28.01.2008 | Autor / Redakteur: Sonja Müller / Rüdiger Kroh

Bei den Tailored Blanks wird die Beschichtung mit gütegeschalteten Lasern entfernt.
Bei den Tailored Blanks wird die Beschichtung mit gütegeschalteten Lasern entfernt.

Abtragen, Reinigen, Isolieren – konventionelle Verfahren wie Sandstrahlen oder chemisches Ätzen bekommen Konkurrenz: die Q-Switch-Laser hoher Leistung von Rofin-Sinar. Das Unternehmen Thyssen-Krupp Tailored Blanks setzt zukünftig beim Abtragen metallischer Beschichtungen von hochfesten Tailored Blanks auf dieses Verfahren und die neue DQ-Serie.

Neu ist die Idee nicht. Weder der diodengepumpte Nd:YAG-Laser noch die Güteschaltung sind revolutionär. Nutzt man beides doch schon seit vielen Jahren zum Lasermarkieren oder in der Mikromaterialbearbeitung. Neu ist jedoch die DQ-Serie des Laserherstellers Rofin mit ihren hohen Leistungen bis 850 W, die diese Laser nun auch für Anwendungen wie Abtragen, Reinigen oder Isolieren interessant machen.

Interessant findet auch die Thyssen-Krupp Tailored Blanks GmbH diese gütegeschalteten Laser für die Bearbeitung ihrer Tailored Blanks aus Mangan-Bor-Stahl. Im Vergleich zu konventionellen Stahlsorten ist die Zugfestigkeit dieser Stähle nach der Warmumformung um ein Vielfaches größer, wodurch Blechdicken reduziert werden können, ohne dass die Strukturfestigkeit beeinträchtigt wird.

Für die Warmumformung der hochfesten Tailored Blanks wird eine Beschichtung aus Aluminium und Silizium eingesetzt. Notwendig ist diese Beschichtung, da hochfeste Bleche nur bei Temperaturen über 900 °C dauerhaft umgeformt werden können. Bei diesen Temperaturen würde eine Zinkbeschichtung verdampfen und das Bauteil wäre nicht mehr vor Verzunderung und Korrosion geschützt.

Nachteilig wirkt sich jedoch sowohl Aluminium als auch Silizium auf das Laserschweißen der Tailored Blanks aus, weil es zu einer Vermischung von Grundwerkstoff und Beschichtung in der Schweißnaht kommt. Abhilfe soll das Abtragen der Beschichtung im Bereich der Laserschweißnaht schaffen - und das ist mit den gütegeschalteten Lasern kein Problem.

Laserabtragen schlägt Sandstahlverfahren bei größeren Stückzahlen

Nun galt es in Versuchen und Tests die speziellen Anforderungen der Anwendung zu qualifizieren. Die linearen, auf Stumpfstoß zu schweißenden Bleche sollten mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 10 m/min und einer Abtragbreite von 1 mm bearbeitet werden. „Anfangs haben wir per Sandstrahlverfahren eine kleine Serie dieser hochfesten Bauteile bearbeitet. Unser Kunde erwartet allerdings eine Lieferung von 30000 Teilen im Monat, da steigen die Kosten für dieses Verfahren schnell ins Unermessliche“, berichtet Jörg Maas, Key Account Manager bei der Thyssen-Krupp Tailored Blanks GmbH in Duisburg.

„Unsere Versuche mit den Lasern verliefen sehr positiv. Von der geforderten Bearbeitungsgeschwindigkeit bis hin zur Abtragbreite konnten alle unsere Anforderungen erreicht werden, so dass wir uns zum Kauf eines DQ-Lasers mit 450 W entschieden haben“, berichtet Maas weiter.

Laserabtragen auch für Solarzellen-Fertigung interessant

In Hamburg arbeitet man an der Qualifizierung weiterer Anwendungen wie dem Laserabtragen in der Herstellung von Solarzellen. Der Solarmarkt verzeichnete im vergangenen Jahr hohe Zuwachsraten, was nicht zuletzt dazu führte, dass die Entwicklung von Solarzellen mit Hochdruck weiter vorangetrieben wird.

Zunehmend Einsatz finden inzwischen so genannte Dünnschicht-Solarzellen, die bis zu 100-mal dünner als klassische Solarzellen sind. Diese Dünnschichtzellen werden meist durch Abscheiden aus der Gasphase direkt auf einem Trägermaterial (zum Beispiel Glas) aufgebracht und können mehrere Quadratmeter groß sein.

Um die Solarzelle dauerhaft gegen Umwelteinflüsse zu schützen und um eine zweite, schützende Glasscheibe oder Plastikfolie dauerhaft mit dem Trägermaterial zu verbinden, ist je nach Hersteller das Abtragen der Schichten in einer Breite von 10 bis 20 mm rund um die Solarzelle notwendig.

Sandstrahlen hinterlässt rauere Oberfläche als Laserabtragen

Das bisher eingesetzte Sandstrahlen hinterlässt eine raue Oberfläche, welche die sichere Verbindung und ein hermetisches Abschirmen der beiden Scheiben erschwert. Zudem ist die Entsorgung des Sandes problematisch und mit hohen Kosten verbunden.

Das Kanten-Abtragen der Solarschichten mit einem gütegeschalteten Laser erfolgt mit Abtraggeschwindigkeiten von mehr als 50 cm²/s in der Regel durch das Trägerglas hindurch. Neben dem vollständigen Abtrag der leitenden Schichten und der elektrischen Isolierung sind die Flächen bestens präpariert für die perfekte Verbindung mit dem zweiten schützenden Glas.

Faserlaser mit neuen, quadratischen Fasern

Sowohl beim Abtragen an Solarzellen als auch an Tailored Blanks werden neue, quadratische Fasern eingesetzt, die den Prozess optimieren und für höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten sorgen. Die Tatsache, dass das Laserlicht von Festkörperlasern über Lichtleitfasern geführt werden kann, ist einer der großen Vorteile, macht es diese Laser doch sehr flexibel. Dabei sind heute standardmäßig meist runde Fasern verfügbar.

Bei den klassischen Anwendungsgebieten von Q-Switched-Lasern kommt es jedoch meist auf einen optimalen Flächenabtrag an. Mit den eckigen Fasern bietet Rofin nun ergänzend ein Werkzeug, mit dem bei gleichem Faserdurchmesser eine bis zu 51% größere Fläche pro Puls bearbeitet werden kann. Zudem ist aufgrund der Geometrie die Abtragsrate bei einer Pulsüberlappung deutlich effizienter. Eine Bearbeitung ist sowohl mit dem direkten Strahl als auch mit einem Scanner möglich.

 

Q-Switch-Betrieb sorgt für hohe Pulsleistungen

 

DQ-Laser mit Leistungen bis 850 W

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