Niedrigere Betriebskosten sowie Leistungen, die andere Festkörperlaser kaum erreichen: Das macht Faserlaser für die Fertigung interessant. Das Anwendungsspektrum reicht vom Mikroteil-Schneiden bis zum Schweißen von Rohren.
Von unserem Redaktionsmitglied Dr. Birgit Oppermann birgit.oppermann@konradin.de
Am Bremer Institut für Angewandte Strahltechnik GmbH (Bias) sind eine Reihe von Faserlasern im Testeinsatz. „Uns interessieren vor allem die Ergebnisse, die ein Anwender mit diesen Geräten erzielen kann“, sagt Bias-Mitarbeiter Thomas Seefeld, der im Auftrag von Unternehmen die Potenziale der neuen Technik prüft und auch Seminare für Anwender organisiert. Sein Fazit: Die Faserlaser halten im Markt Einzug und besetzen ihre Anwendungsgebiete, ohne herkömmliche Laser komplett zu verdrängen.
Einsetzen lassen sich Faserlaser in verschiedenen Bereichen, wie etwa beim Schneiden von Blechen. Ein Vorteil, den sie hier gegenüber herkömmlichen Lasern haben sollen, ist nach Auskunft von Dr. Jörg Thieme vom Burbacher Laser-Hersteller IPG Laser GmbH die Schnittgeschwindigkeit: Mit einem 1-kW-Faserlaser lasse sich ein Blech von 1mm Dicke doppelt so schnell schneiden wie mit einem 2,5-kW-CO2-Laser.
„Die Qualität der Schnittflanken hängt nach Angaben von Experten aber von mehreren Einflussfaktoren ab, unter anderem von der verwendeten Wellenlänge“, sagt Bias-Mitarbeiter Seefeld und empfiehlt einen Test, bevor der Einsatz in der Produktion geplant wird. Lohnfertigern, die das Lasern medizintechnischer Mikrobauteile wie gefäßerweiternder Stents anbieten, verschaffe der Faserlaser hingegen klare Wettbewerbsvorteile: Im Mikrometerbereich sei seine Schnittqualität unübertroffen.
Interessant ist die neue Technik laut Seefeld auch, wenn es um hohe Leistungen geht. Für Schweiß- und Härteanwendungen lieferte IPG bereits ein 36-kW-Faserlaser-System nach Japan sowie einen 20-kW-Laser in die USA. Bei der deutschen Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in Berlin wiederum wird ein 20-kW-Gerät eingesetzt, um extrem dicke und „laserunfreundliche Materialien“ zu schweißen.
Mit solchen Multi-Mode-Faserlasern, in denen mehrere Module gekoppelt sind und ihre Leistung vereinen, lassen sich laut Bias-Mitarbeiter Seefeld sogar die Rohre für Pipelines direkt beim Bau der Leitung verschweißen. „Diese Laser sind sehr robust. Der Transport auf dem Lastwagen macht ihnen nichts aus, und justieren muss man auch nichts“, lobt der Bremer, der seine Versuche mit einem 17-kW-Laser durchführt. Und er ergänzt: „Die Entwicklungskosten für einen herkömmlichen Festkörper-Laser mit einer solchen Leistung wären viel zu hoch, als dass sich eine entsprechende Anlage verkaufen ließe.“ Multi-Mode-Laser hätten darüber hinaus einen hohen Wirkungsgrad, der die Betriebskosten im Vergleich zu anderen Festkörperlasern senke.
Diese Eigenschaft war für Stefan Wischmann, Leiter des Bereichs Strahl- und Sensortechnik bei der Duisburger Thyssen Krupp Steel AG, das Hauptargument für ausgedehnte praxisnahe Tests. „Uns hat neben den Betriebskosten vor allem die Zykluseffizienz interessiert.“ Der 4-kW-Faserlaser, den er zum Schweißen und Schneiden von Karosserieblechen einsetzte, schnitt dabei sehr gut ab. In der Stand-by-Zeit, also während des Zu- und Abführens der Bleche, lässt sich der Faserlaser komplett herunterfahren. „Nur die Steuerrechner laufen weiter, und trotzdem ist das System sehr schnell wieder für den nächsten Schweißvorgang bereit“, lobt Wischmann. Wegen dieser Effizienz und wegen des geringen Aufwandes für Handling und Wartung gehört seiner Ansicht nach „den Faserlasern die Zukunft“.
Darüber hinaus ermöglichen Faser-Laser eine sehr gute Strahlqualität. „Damit können Sie Karrosserieteile aus rund einem Meter Entfernung schweißen“, sagt Bias-Experte Seefeld. Wie das in der Praxis aussehen könnte, untersuchen Wissenschaftler der TU München am Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (IWB) in Garching. Dort startete im Juli 2005 das Projekt Rofalas, in dem die Beteiligten Roboter und Faserlaser kombinieren. Davon versprechen sie sich nicht nur niedrigere Taktzeiten und Kosten, sondern auch die Möglichkeit, den Fertigungsablauf neu zu konzipieren.
Für Mikroteile bringen Faserlaser nur Vorteile
Infoquellen zu Faserlasern
Die Einsatzmöglichkeiten von Faserlasern werden unter anderem an den folgenden Instituten untersucht:
- Bremer Institut für Angewandte Strahltechnik GmbH (Bias), Bremen: Hochleistungsfaserlaser für das Schweißen von Rohren www.bias.de
- Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS), Dresden: Seminar zu Hochleistungsfaserlasern zusammen mit Fraunhofer ILT und IOF www.iws.fraunhofer.de
- Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (IWB) der TU München, Garching: Projekt Rofalas zum Einsatz von Schweißrobotern mit Faserlasern www.iwb.tum.de
Faserlaser: Technik und Anwendung
Mit den bis vor kurzem üblichen Leistungen von wenigen Watt waren Faserlaser nur für die Kommunkationstechnik geeignet. Heute wird das Licht aus der Glasfaser auch in der Fertigung eingesetzt.
Technik
Im Kern der Glasfaser entsteht das Laserlicht: Er ist mit Ytterbium-, Neodym- oder Erbium-Ionen dotiert, die Laserlicht abstrahlen, wenn sie optisch angeregt werden. Die Anregungsenergie bekommen diese Ionen von der Pumpstrahlung, die in dem Bereich geführt wird, der den Faserkern umgibt. Hier leiten Laserdioden ihre Pumpstrahlung in das System ein. Auf dem langen, engen Weg durch die Glasfaser wird das im Kern entstandene Laserlicht so stark gebündelt, dass die Faserlaser auch bei hohen Leistungen eine sehr gute Strahlqualität erreichen. Darüber hinaus bietet die lange Strecke reichlich Oberfläche, um Wärme abzuführen. Das erleichtert die Kühlung des Systems.
Faserlaser vom Single-Mode-Typ sind heute bis zu einer Leistung von 1 kW auf dem Markt erhältlich. In Multi- Mode-Faserlasern wird das Licht mehrerer Module in Strahlkopplern kombiniert. So sind nach Auskunft von Experten mit wenig Entwicklungsaufwand hohe Leistungen zu erreichen, die durch die Zahl der kombinierten Module sogar skalierbar sind. Einheiten mit einer Leistung über 20 kW wurden bereits ausgeliefert.
Anwendungen
Rasche Fortschritte führten die Faserlaser in den vergangenen Jahren zu einer Leistung von einigen 100 W und ermöglichten zunächst Anwendungen in der Medizintechnik, der Mikromaterialbearbeitung sowie beim Schneiden von Blechen bis zu 3 mm Dicke. Inzwischen sind diese Laser laut Experten schon beim Mikroschweißen im Einsatz. Ihre Praxistauglichkeit haben auch Multi-Mode-Faserlaser im Kilowattbereich bereits bewiesen: beim Schweißen von Karosserieteilen, Rohren oder im Schiffbau.
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