Laser 2007: Flexibler lasern

Laser haben sich zu einem unentbehrlichen Industrie-Werkzeug gemausert. Sie schneiden Autobleche, härten Turbinenschaufeln oder schweißen Flugzeugrümpfe. Die energiereichen Lichtbündel sind schnell, präzise und inzwischen in vielen unterschiedlichen Branchen heimisch. Doch so verschieden diese Lichtmaschinen auch sind, eines ist allen gemein – sie sind wenig flexibel. Zum einen kann ein Laser meist nur eine Sache wirklich gut – entweder Härten, Schneiden oder Schweißen. Zum anderen sind viele Industrie-Laser ausgesprochen unförmige, große Schränke und können komplex geformte dreidimensionale Bauteile nur mit hohem technischen Aufwand bearbeiten.

Forscher vom IWS haben einen Weg gefunden, Laser flexibler zu machen. Dazu setzen sie eine vergleichsweise junge Technik ein: den Faserlaser. Sie waren lange Zeit auf die Telekommunikation beschränkt. Ihre Signale waren gerade einmal stark genug, um zarte digitale Lichtsignale über Glasfasern zu verschicken – Telefonate und Internet-Botschaften. Doch mittlerweile haben die Faserlaser aufgeholt. Seit einigen Jahren gibt es Geräte, deren Fasern nur etwa 50 Mikrometer dick sind und Lichtpulse mit einer Leistung von mehreren Kilowatt erzeugen. Der Vorteil: Die Faser lässt sich flexibel wie ein Kabel durch den Raum und an komplex geformte Bauteile heranführen. Zudem erzeugt der Faserlaser Licht mit einer Wellenlänge von etwa einem Mikrometer, das optimal von Metallen wie Stahl und auch Aluminium absorbiert wird. Die Energie des Lasers dringt leicht ins Material ein. Damit kann ein Faserlaser bei gleicher Laserleistung etwa doppelt so schnell schneiden wie der vor allem bei Schneidprozessen etablierte CO2-Laser mit seinen zehn Mikrometer Wellenlänge. Der Faserlaser lässt sich für verschiedene Laser-Prozesse nutzen und dank der biegsamen Faser flexibel in eine Produktionslinie integrieren – ohne großen technischen Aufwand.

Den flexiblen Faserlaser zeigen die IWS-Forscher während der Laser2007 vom 18. bis 21. Juni in München (Halle B3, Stand 131) an ihrer neu entwickelten Laserschneid- und Laserhärteanlage. Das Gerät ist mit einem Knickarm-Roboter ausgerüstet, der die Faser mitsamt Laserkopf geschwind bis in den verborgensten Winkel eines komplexen Bauteils führt. „Unsere Entwicklung eignet sich insbesondere für kleine und mittelständische Unternehmen“, sagt Dr. Steffen Bonß, zuständig für die Härte-Komponenten der Anlage. „Weil herkömmliche Laseranlagen meist nur eine Funktion erfüllen, scheuen viele kleinere Firmen die Anschaffung.“ Mit der Faserlaser-Kombianlage können die Unternehmen Laser flexibel einsetzen – je nach Auftragslage zum Härten oder Schneiden. In Pilotprojekten wurde die Anlage auch schon mit einer Schweißfunktion ergänzt. Damit lohnt sich ein Laser erstmals auch für kleinere Betriebe. Der Faserlaser hat – ohne Roboterarme – etwa die Größe eines Kühlschranks. Damit ist er nur knapp halb so groß wie der CO2-Laser. Auch das erleichtert den flexiblen Einsatz. „Ein solches Gerät ist vor allem für den Bau von Bauteilmustern oder Kleinserien interessant“, sagt Bonß.

Dass die Anlage so wandlungsfähig ist, liegt besonders an der Qualität des Laserstrahls. Die Faser erzeugt sehr gleichmäßiges Licht und einen sehr kleinen Brennfleck. Der Laser kann die Energie besser bündeln, schneller und präziser arbeiten. „Zwar gilt der CO2-Laser, was das Schneiden angeht, als Arbeitspferd – mit einem Marktanteil von mehr als 90 Prozent“, sagt der für Laserschneidanwendungen verantwortliche Projektleiter am IWS Dr. Thomas Himmer. „Doch meist schneidet er nur flache Bleche. Um komplexere Geometrien zu bearbeiten, muss man erheblichen Aufwand betreiben.“ Durch die große Entfernung zum Bauteil ergeben sich lange Brennweiten – der Arbeitsabstand ist für den CO2-Laser dadurch beschränkt und somit auch die Größe des Arbeitsfeldes.

Nicht so bei der robotergesteuerten Faser: Sie lässt sich an jede Ecke des Bauteils heranführen. Zudem können Remote-Prozesse dank der extrem guten Fokussierbarkeit mit größeren Abständen und höheren Geschwindigkeiten geführt werden. Alles in allem bringt es der Faserlaser auf einen elektrischen Wirkungsgrad von gut 20 Prozent. Beim CO2-Laser sind es nur sechs bis zehn Prozent.

Natürlich gibt es nicht nur CO2- und Faserlaser. Vor allem beim Härten von Bauteiloberflächen – etwa scharfen Werkzeugkanten – hat sich der Diodenlaser etabliert. Er erzeugt gut absorbierbares Licht kurzer Wellenlänge, das wie beim Faserlaser leicht ins Metall eindringt. Beim Härten ist ein breiterer Brennfleck gefragt, damit auch eine größere Bauteiloberfläche in kurzer Zeit bearbeitet werden kann. Dafür wird der enge Fokus des IWS-Faserlasers mit dem ebenfalls am IWS entwickelten Strahlformungssystem LASSY aufgeweitet und in die optimale Form gebracht. Denn Bauteilecken lassen sich leichter mit einem rechteckigen als mit einem runden Brennfleck härten. LASSY formt den Strahl entsprechend und sorgt dank einer integrierten Temperatursensorik zugleich dafür, dass sich das Werkstück nicht überhitzt.

Minimal soll der Brennfleck beim präzisen Schneiden sein. Mit dem Faserlaser ist das kein Problem – der Diodenlaser kann da nicht mithalten. Zwar ist der Diodenlaser relativ preisgünstig und für Härteprozesse derzeit noch das Werkzeug der Wahl. Doch Betrieben, die hin und wieder auch schneiden und schweißen müssen, nützt das wenig. Mit dem Faserlaser lassen sich künftig alle Aufgaben lösen. „Erste Faserlaser-Anlagen arbeiten bereits in der Automobilindustrie – sowohl bei Zulieferern als auch bei OEMs“, sagt Himmer. Gemeinsam mit den Kunden entwickeln Bonß und er die optimale Laserkonstruktion: passen die Strahlparameter auf Werkstücke an und integrieren die Laseranlage in bestehende Produktionslinien. Dank des schnellen und präzisen Lasers lassen sich Taktzeiten oftmals deutlich verkürzen, gleichzeitig reduziert sich der Energieverbrauch. In München werden die Forscher erste Beispiele aus der Praxis vorstellen.