Die leistungsstarken, kostengünstigen Diodenlaser eignen sich sehr gut für Anwendungen in der Oberflächentechnik wie das Härten und Beschichten. Aufgrund ihrer kompakten Bauform sind sie leicht in Fertigungsprozesse zu integrieren.
Dr.-Ing. Andre Eltze ist Vertriebsleiter Europa der Laserline GmbH in Mülheim-Kärlich
Diodenlaser zeichnen sich aus durch kompakte Abmessungen, niedriges Gewicht, einen hohen Wirkungsgrad sowie Wartungsarmut und einfache Handhabung. Bei über 3000 W Ausgangsleistung nur etwa 9 kg schwer, sind diese kostengünstigen, prozessstabilen Strahlquellen prädestiniert für unterschiedliche Anwendungen der Oberflächenbehandlung wie Beschichten, Auftragsschweißen und Härten. Darüber hinaus eignen sie sich sehr gut für alle laserunterstützten Verfahren, darunter das Warmzerspanen.
Härten
Diodenlaser werden erfolgreich zum selektiven Härten von Stahl und Gusseisen im Werkzeugbau eingesetzt. Dabei erwärmt der Laserstrahl gezielt nur die besonders beanspruchten Bereiche eines Bauteils, beispielsweise die Kante eines Schneidwerkzeugs. Erwärmt wird nur ein oberflächennaher Bereich des Werkstücks, während der Grundwerkstoff auf Raumtemperatur verbleibt. Die maximalen Einhärtetiefen liegen bei 1 mm.
Die erwärmte Oberfläche kühlt durch Wärmeleitung sehr schnell ab, sobald der Laserstrahl einen anderen Punkt überstreicht. Durch diese Selbstabschreckung bildet sich ein besonders feinkörniges Gefüge hoher Härte. Im Gegensatz zum konventionellen Härten mit Abschrecken durch Wasser oder Öl wird demnach beim Laserstrahlhärten sehr selektiv gearbeitet. Hieraus resultiert ein geringerer Verzug, und das Grundmaterial versprödet nicht.
Um bei diesem Prozess ein Anschmelzen des Materials zu verhindern, wird die Oberflächentemperatur in der Regel mit Hilfe eines integrierten Pyrometers überwacht und über die Laserleistung auf einen konstanten Wert geregelt. Im Gegensatz dazu ist bei CO2-Lasern eine Pyrometer-Überwachung oder -Regelung nicht möglich, da diese Strahlquellen eine Graphitschicht auf dem Bauteil erfordern.
Zu den besonderen Vorteilen des Diodenlasers für das Härten zählt die Möglichkeit, den Fokus sehr gut an die Härtekontur anpassen zu können und so besonders hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten zu erzielen. Aufgrund seines geringen Gewichts und seiner kompakten Bauform lässt sich der Diodenlaser leicht in Fertigungsprozesse integrieren und zum Beispiel auch von einem Industrieroboter führen. Darüber hinaus zeichnen sich Diodenlaser gegenüber anderen Lasern zum Härten durch eine kurze Wellenlänge, die gut absorbiert wird, sowie eine sehr hohe Prozessproduktivität aus. An einem konkreten Beispiel zeigte sich, dass ein 2,5-kW- Diodenlaser bei doppelter Spurbreite eine 5-fach höhere Härtegeschwindigkeit erzielt als ein 2-kW-Nd:YAG-Laser.
Das Verfahren eignet sich insbesondere für verzugsanfällige Bauteile sowie für hochbeanspruchte Funktionsflächen, zum Beispiel auf Werkzeugen. Typische Anwendungen sind Teile der Losgröße 1, darunter Spritzgieß-, Schneid- und Umformwerkzeuge, aber auch Großserienbauteile wie Automobilkomponenten.
Beschichten
Aufgrund der genannten Vorteile lassen sich mit direkt arbeitenden oder fasergekoppelten Diodenlasern selbst korrosions- und verschleißbeanspruchte Metallbauteile sehr stabil und leicht automatisierbar beschichten – sei es lokal oder großflächig. Hierbei werden dem Laserfokus Hartstoffpartikel oder ein Metall in Form von Pulver zugeführt und mit dem Grundwerkstoff verschmolzen. Dieser lässt sich so in einem Arbeitsgang beschichten, auflegieren oder lokal ausbessern. Beispiele für Beschichtungen reichen von kleinen Motoren-Bauteilen bis zu über 10 m langen Bohrwerkzeugen, wie sie für Ölbohrungen auf offener See eingesetzt werden. Die Dicke der jeweiligen Schicht liegt zwischen 0,5 und 4 mm.
Dank der hohen Prozesseffizienz ergeben sich gegenüber konventionellen Beschichtungsverfahren sowie alternativen Laserverfahren wirtschaftliche Vorteile für den Anwender. Beispielsweise erreichen Diodenlaser mit einer 40 % geringeren Ausgangsleistung vergleichbare Ergebnisse wie herkömmliche CO2-Laser.
Durch die kompakte Bauform sowohl des Laserkopfes als auch des dazugehörigen Versorgungsgerätes sind direkte und fasergekoppelte Diodenlaser besonders einfach in bestehende Anlagenkonzepte von Werkzeugmaschinen zum Beispiel für Dreh-, Fräs- und Härteanwendungen sowie in sonstige Anlagen zu integrieren.
In der Fertigung zeichnen sich die kompakten Strahlquellen durch hohe Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit aus: Durch Kombination von optimiertem Betrieb und modernem Stack-Management sind kostengünstig Verfügbarkeiten von über 99,5 % möglich.
Die hohe Wirtschaftlichkeit der Diodenlaser erlaubt es auch in anderen Anwendungen, konventionelle Produktionsmethoden zu optimieren oder andere Lasertypen zu substituieren. Die Strahlquellen haben bereits eine Vielzahl weiterer Anwendungen erobert: Erfolgreiche Einsatzgebiete sind das Kunststoffschweißen, das Wärmeleitungsschweißen von Metallen sowie das Hartlöten zum Beispiel von verzinkten Blechen in der Automobilindustrie.
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