Laser Strahlend in die Zukunft

Keine Bearbeitungsmöglichkeit kann ihre Einsatzflexibilität so facettenreich demonstrieren wie der Laser. Schnell, präzise und in vielerlei Hinsicht materialschonend schweißt, schneidet oder strukturiert und markiert das Allroundwerkzeug aus gebündeltem Licht quasi alle Werkstoffe von Metall bis hin zu Glas und Keramik. Das tut der Laser mal sanft und filigran, etwa beim Ritzen von Glas für Displays, oder, wenn es um das Trennen zentimeterdicker Stahlplatten geht, mit richtig Power. Erfahren Sie hier nun, welche Trends und Ideen die Laserzukunft bestimmen werden.

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Auch die Hersteller und Anwender des „Allroundwerkzeugs Laser“ sowie laserbasierter Systeme, die in vielfältiger Art und Weise die industrielle Materialbearbeitung revolutionieren, kommen um das Thema Industrie 4.0, Digitalisierung und Vernetzung nicht mehr herum. Und geht es um den Laser, dann kommt man an Trumpf nicht vorbei. Als echter Pionier aus der Laserbranche hat das Unternehmen aus Ditzingen im Hinblick auf die Laserzukunft demonstriert, wie Strahlquellen samt Peripherie in die Datenwelt der Smart Factory integrierbar sind und wie die Laserbearbeitungsverfahren fit für Industrie 4.0 werden. Trumpf betont dazu, dass sich Laserprozesse quasi von der Steckdose bis zur Prozesszone komplett in Daten abbilden, überwachen und steuern lassen. Folglich stünden diese Daten für viele Industrie-4.0-typische Anwendungen, wie Qualitätsdatensicherung oder Cockpits zur Datenvisualisierung, relativ leicht zur Verfügung. Zu zeigen, wie das geht, war bei Trumpf ein Schwerpunkt auf der Messe Lasys.

Laser-Remote-Anbindung eröffnet Potenziale von Industrie 4.0

Ein Beispiel dafür ist die Laser-Remote-Anbindung, die es über ein sicheres IT-Konzept ermöglicht, die Applikationserfahrung und das Know-how der Trumpf-Experten für Services wie Condition Based Monitoring oder Predictive Maintenance zu nutzen, heißt es. Dazu übertrage man die Daten über verschlüsselte Leitungen in die Cloud, wo spezielle Algorithmen und die Trumpf-Experten daraus belastbare Trendanalysen berechnen könnten. Unregelmäßigkeiten und deren etwaige schädliche Auswirkungen auf Maschine und Produktion offenbarten sich so rechtzeitig, heißt es. Das Ziel ist, sich selbst kontrollierende und regelnde Systeme zu entwickeln.

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Beim Laserprozess komme es auch auf das optimale Zusammenspiel zwischen Strahlquelle und Bearbeitungsoptik an. Hier sind wir beim Stichwort Strahlformung. Unproblematisch soll es erst dann sein, wenn eine Lasersteuerung beide Systeme exakt miteinander synchronisieren kann. Smarte Bearbeitungsoptiken stehen dabei in ständigem Kontakt mit der Prozesssensorik und den Bahnführungssystemen, so Trumpf. Till Schneider, Leiter Produktmanagement der Laser- und Systemtechnik bei Trumpf, präzisiert: „Die jüngsten Entwicklungen in der Prozesssensorik haben der robotergeführten Remote-Bearbeitung einen zusätzlichen Schub gegeben. So positioniert das System beispielsweise Schweißungen mithilfe einer an der Optik angebundenen Kamera oder eines OCT-Sensors. Sie überwacht den Prozess dabei und regelt ihn in Echtzeit.“ Auch könnten moderne Scanneroptiken wie die intelligente programmierbare Fokussieroptik (I-PFO) die Roboterbewegung exakt steuern und überlagern dabei ihre Auslenkung des Laserstrahls im dreidimensionalen Arbeitsraum flexibel und hochdynamisch. Bauteil, Optik und Roboter können in einer Software von Trumpf simuliert und die Taktzeit optimiert werden. Vor Ort in der Fertigung kann der komplette Prozess dann am Panel des Roboterherstellers umgesetzt und angepasst werden.

Trumpf war außerdem ein Lasys-Aussteller, der eine Premiere zu bieten hatte. Nämlich den faserbasierten Festkörperlaser Trufiber 2000. Wie es heißt, erzeugt das neue System einen perfekten Single-Mode-Strahl, der sehr kleine Fokusdurchmesser mit hohen Leistungsdichten ermögliche. Dazu komme eine bessere Strahlqualität, woraus sich ein größeres Scanfeld bei der Remote-Bearbeitung ergebe. Außer für Schweißprozesse mit linearem Vorschub eignet er sich auch sehr gut für das Wobbelschweißen, das heißt mit Oszillation und überlagerter Vorwärtsbewegung des Strahls, so Trumpf. Dieser Prozess verbessere die Schweißnahtqualität und erlaube eine einstellbare Schweißnahtbreite. Die sehr gute Strahlqualität mache in diesem Fall eine höhere Einschweißtiefe bei gleicher Laserleistung möglich. Mit dem Trufiber 2000 gelingt laut Hersteller aber auch das präzise Feinschneiden an Blechteilen mit Stegbreiten von unter 50 µm.

Der Laser als Wegbereiter in die wirtschaftlichere E-Mobilität

Laut Trumpf ist der Trufiber beim Schneiden von Kleinserien oder sehr vielen Varianten dem Stanzen produktivitätsmäßig durchaus überlegen. Und wenn es um das Schweißen geht, dann sorgt seine Performance für absolut gas- und flüssigkeitsdichte Schweißnähte, wie sie etwa bei Batteriegehäusen für die E-Mobilität gefordert werden. Trumpf unterstreicht damit seinen Anfang des Jahres verkündeten Unternehmensfokus, mit seinen Lasern die Mobilität der Zukunft bezahlbarer und sicherer zu machen.

Und Trumpf ist dabei auf dem richtigen Weg. „Die Anwendung des Lasers zieht sich durch die gesamte Prozesskette der Elektroautomobilfertigung“, betont Dr. Jens Standfuß, Leiter des Geschäftsfelds Fügen beim Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden. Dabei ist es egal, ob es die Batterieherstellung, die elektrischen Kontaktierungen sowie die Verbindung oder den Antriebsstrang – also sowohl die Leistungselektronik als auch den Elektromotor – betrifft, so Standfuß.

Thibault Bautze, Leiter Technischer Vertrieb bei Blackbird Robotersysteme, ergänzt dazu: „Speziell bei der Elektromobilität sind diverse und viele stoffschlüssige Verbindung von unterschiedlichen Materialien, wie etwa zwischen Kupfer und Aluminium, als Ersatz für mechanisch gefügte Verbindungen interessant.“ Und Marc Kirchhoff, Leiter Branchenmanagement Automotive bei Trumpf, stellt fest: „Neue Strahlformungskonzepte oder veränderte Wellenlängen wie grünes Laserlicht helfen dabei, denn sie reduzieren zum Beispiel signifikant die Anzahl der Spritzer beim Schweißen von Kupferbauteilen. So steigt die Qualität der Produkte und der Ausschuss wird minimiert.“ Bereits jetzt und auch in Zukunft werde der Laser bei der Fertigung der Elektromotoren eine wesentliche Rolle spielen. Kirchhoff: „Laser werden eingesetzt, um beispielsweise Hairpins in Elektroantrieben remote zu verschweißen, berührungsfrei – und dank Bildverarbeitung hochpräzise.“ Neuentwicklungen, die derzeit im Bereich der Automobilindustrie laufen, betreffen etwa die Elektrobleche für die Rotoren.

Laser fertigen Motoren für Elektroautos

Auch das IWS engagiert sich erfolgreich auf diesem Gebiet. „Zum einen lassen sich Bleche mit Lasern wesentlich günstiger zuschneiden“, erklärt Standfuß, „zum anderen kann man damit die elektromagnetischen Verluste reduzieren.“ Denn die Schneidgeschwindigkeiten mit Lasern seien so hoch, dass letztlich die beeinflusste Zone entlang der Schnittkante deutlich kleiner sei, als es bei mechanischen Stanzverfahren der Fall sei. Das wirke sich auf die Ummagnetisierungsverluste und auf den elektrischen Wirkungsgrad des Motors aus.

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Aber nicht nur in Sachen Antriebsstrang der E-Mobilität ist der Laser ein gefragter Enabler. Im Rahmen der Eröffnungspressekonferenz am ersten Lasys-Tag sprach Dr. Armin Renneisen, Vice President und General Manager Industrial Lasers and Systems von Coherent-Rofin, über neueste Entwicklungen, die etwa den 3D-Schnitt an Glaskomponenten für den Kfz-Einsatz ermöglichen sollen. Eine Anwendung dafür seien Rückspiegel. Das Unternehmen biete derzeit ein sehr umfangreiches Angebot an Laserquellen. Coherent-Rofin helfe seinen Partnern bei der Integration von Lasersystemen – einem sehr gefragten Thema in der Kfz-Industrie – und stelle bei Bedarf aber auch schlüsselfertige Anlagen zur Verfügung.

Produktiver durch ausgeklügelte Laserbearbeitungssysteme

Was macht Fertigungsanlagen wirtschaftlich? Sie müssen möglichst viele Bauteile in der Stunde – wenn es geht, auch gleich einbaufertig – herstellen. Ein Lasys-Highlight in dieser Hinsicht präsentierte Weil Engineering mit dem System Cutfusion, einem Prozess, der speziell für Weils FLC (Flexible Laser Cell) entwickelt wurde. Damit sollen Schneid- und Schweißaufgaben in einer Aufspannung durchführbar sein (Aufmacherbild). Die Weil-Experten betonen, dass die Anwender so viel Handling-Zeit und -Aufwand sparen können. Auch werde der Fertigungsablauf als Ganzes sicherer. Möglich macht das die Idee, eine Schneid- und eine Schweißoptik auf einer gemeinsamen Antriebsachse durch je einen eigenen Linearmotor zu bewegen. Je nach Bedarf könnten maximal drei separate Achsen mit Schneid- oder Schweißoptik eingesetzt werden. Laut Weil Engineering können damit etwa komplexe 3D-Baugruppen aus Einzelteilen auch direkt vom Coil aufgebaut werden.

Die 3D-Micromac AG reihte sich im Rahmen der Messe in die Riege der Aussteller ein, die Lasersysteme für filigranere Aufgaben ins Rampenlicht stellten. Im Fokus der Präsentation sorgte die Anlage Microflex für Aufmerksamkeit: ein Rolle-zu-Rolle-System für die Lasermikrobearbeitung von flexiblen Bauteilen. Das Microflex-System soll vor allem bei der Display- und Solarzellenfertigung punkten, denn ein weiterer Motor für den Lasereinsatz ist außer der Automobilbranche und der Medizin auch die Elektronik. 3D-Micromac hat deshalb auch Anlagen im Portfolio, die für das Laser-Lift-off (Entfernen von Schutzfolien) im Displaybereich geeignet sind, etwa für die Bearbeitung der momentan stark im Kommen befindlichen, hochauflösenden OLEDs als flexible und damit robustere Displayalternative zu Glas.

Kompakte und damit auch leicht integrierbare Systeme sind gefragt

Einen Neuzugang in seiner Produktfamilie stellte Coherent unter anderem mit dem sinnigerweise gleich Highlight DL 4000 HPR genannten, fasergekoppelten Hochleistungsdiodenlaser vor. Coherent erfülle damit Anwenderwünsche in puncto Integrierbarkeit, heißt es. Denn das System ist als 19"-Standard-Rack ausgeführt, wodurch es leicht als Einschubgerät verwendet werden kann. Den Highlight DL 4000 HPR, dessen Energieversorgung und Steuerungselektronik bereits im Gehäuse integriert sind, hat man speziell für die Metallbearbeitung entwickelt. Seine Einsatzgebiete sind das Auftragschweißen, die Wärmebehandlung von Werkstücken sowie das Hartlöten. Zu den weiteren, wesentlichen Vorteilen des Lasers zählt Coherent, dass für die Dioden kein deionisiertes Wasser erforderlich ist. Das mache das System für Produktionsumgebungen ideal, bei denen die Wartung von Kühlkreisläufen mit deionisiertem Wasser problematisch werden könne.

Der Highlight DL 4000 HPR richte sich an kostensensible Marktsegmente, die von hohen Durchsätzen gekennzeichnet seien, wie die Öl-/Gasindustrie, die Landwirtschaft, den Energiesektor, den Baumaschinenmarkt, die additive 3D- sowie die Halbleiterfertigung. Für Anwendungen in der Metallverarbeitung und der Halbleiterindustrie sollen die leistungsstarken Diodenlaser bei der Wärmebehandlung eine attraktive Alternative zu konventionellen Methoden mit Öfen, Lampen oder Induktionsspulen bieten.

Klein, aber einsatzflexibel geht es auch bei SWS Laser zu, wie man erfahren konnte. Ganz frisch zur Lasys wurde die sogenannte „Compact Serie“ vorgestellt, die auch alle wichtigen Elemente, wie Strahlquelle, Steuerung und Versorgung, in einem Gehäuse vereint. Die Serie ist mit drei verschiedenen Lasertypen erhältlich: entweder mit CO₂-, Dioden- oder Faserlaser. Je nach Anwendungsfeld stünden drei verschiedene Prozessköpfe zur Verfügung: zum Markieren mit 2-Achs-Scanner, zum Schneiden mit Düse und zum Schweißen mit Schutzgas, so SWS. Als echten Clou bezeichnet der Hersteller die drei möglichen Bauformen, die auch kniffligen Einbausituationen entsprechen könnten. So gibt es sie laut SWS mit vertikaler Auskopplung (Strahlaustritt), zur horizontalen Auskopplung (Strahlaustritt 90°gewinkelt auf der Schmalseite) sowie zur horizontalen Auskopplung quer (Strahlaustritt gewinkelt auf der breiten Seite). Alle Systeme arbeiten mit einer einheitlichen Steuerung per Beckhoff-IPC und Twin-Cat. Dadurch sei die Anbindung an Standard-Ethernet, Ethercat und Profinet an eine übergeordnete Steuerung möglich. Auch OPC-UA hinsichtlich Industrie-4.0-Konformität sei gegeben.

Ein Allroundwerkzeug wird zum Enabler der Zukunft

Kein anderer als Gerhard Hein, unter anderem Geschäftsführer der VDMA-Arbeitsgemeinschaft Laser und Lasersysteme für die Materialbearbeitung, kann die Trends und die Zukunft des derzeit wandlungsfähigsten und deshalb immer wichtiger werdenden Werkzeugs namens Laser besser beschreiben. Nach Hein kristallisieren sich derzeit vier Wege in Sachen Lasereinsatz ab: 1. Ultrakurzpulslaser finden zunehmend ihren Weg in die Industrie. 2. Die Strahlquellenvielfalt – den CO₂-Laser inbegriffen – wird sich vergrößern und wird damit anwendungsbezogener werden. 3. Der Laser wird die Additive Fertigung zur Serientauglichkeit pushen. 4. Der Laser wird sich in der Photonik im Kontext der Quantentechnologie etablieren – allerdings nicht ohne Fördermittel. Entwicklungsfelder seien die Sensorik und hochsensible Abbildungsverfahren für Computerchips, das Quanten-Computing und Verschlüsselungsmethoden in der Kommunikationstechnik.

Das Laserjahr 2018 mit seiner wichtigsten Messe Lasys hat für alle strahlend angefangen, beziffert mit einem Plus von fast 10 % beim Auftragseingang im Vergleich zum Vorjahr, wie Hein informierte. So werde es aller Voraussicht nach auch ohne ernst zu nehmenden Dämpfer weitergehen. Das aber auch nur, wenn handelspolitisch oder von anderer Seite kein, wie er sich ausdrückte, „Störfeuer“ die Branche erschüttere.

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