Zurechtfinden in der Vielfalt der Laserbezeichnungen

Laser werden nach verschiedenen Kriterien bezeichnet - der Nichtfachmann gerät dadurch schnell in der Begriffswelt durcheinander. Wir möchten Ihnen mit diesen Gliederungsansätzen das Verstehen erleichtern:

Gliederung nach dem Aggregatzustand des aktiven Mediums

Das aktive Medium ist der Stoff, in dem die Laserstrahlung (Photonen) entstehen.

Ist dieser Stoff ein Gas (oder in der Praxis ein Gasgemisch), dann sprechen wir vom Gaslaser.

Ein Beispiel: Der CO2-Laser

Ist dieser Stoff fest (oder in der Praxis ein festes Stoffgemisch), dann sprechen wir vom Festkörperlaser.

Ein Beispiel: Der Nd:YAG-Laser

Gliederung nach dem Stoff des aktiven Mediums

Das aktive Medium ist der Stoff bzw. das Stoffgemisch, in dem die Laserstrahlung (Photonen) entsteht. Man benennt Laser daher entsprechend der in diesem Stoff vorkommenden chemischen Elemente:

Beispiel 1: Nd:YAG-Laser; Neodym:Yttrium-Aluminium-Granat-Laser - Die Laserstrahlung entsteht im Neodym

Beispiel 2: CO2-Laser; Kohlendioxid-Laser - Die Kohlendioxidmoleküle erzeugen die Laserstrahlung. Dieser Laser ist ein Gaslaser - im Gasgemisch sind noch andere Gase enthalten.

Gliederung nach der Anregung

Dem Laser muss Energie zugeführt werden, damit Laserstrahlung entstehen kann. Man spricht hierbei auch vom Pumpen (Energie "hineinpumpen").

Beispiel 1: Lampengepumpt - die Energie wird durch starke Blitz- oder Bogenlampen zugeführt

Beispiel 2: HF-gepumpt - Hochfrequenzgepumpt - die Energie wird in Form von Radiowellen zugeführt

Beispiel 3: Diodenlasergepumpt - hier werden Diodenlaser (Halbleiterlaser) genutzt, um dem Laser die nötige Energie zuzuführen. Ja - Laser können Laser mit Energie versorgen - wenn man so will, ein "zweistufiger" Laser.

Gliederung nach den Strahleigenschaften – Strahlprofil

Laser erzeugen parallele Lichtstrahlen mit einem bestimmten Profil. So kann der Laser z. B. einen runden oder einen rechteckigen Fleck ausleuchten, oder einen Ring bilden.

Gliederung nach den Strahleigenschaften – Wellenlänge

Laser erzeugen Strahlen mit recht genau einer Wellenlänge - liegt diese Wellenlänge in dem Bereich, der für uns Menschen sichtbar ist, dann sagen wir auch: Licht genau einer Farbe.

Beispiel 1: UV-Laser; Ultraviolettlaser - die Strahlung hat kürzere Wellen als Licht, wir können sie nicht sehen

Beispiel 2: IR-Laser; Infrarotlaser - die Strahlung hat längere Wellen als Licht, wir können sie nicht sehen

Gliederung nach den Strahleigenschaften – Zeitachse

Laser können die Strahlung stetig vom An- bis zum Ausschalten erzeugen oder periodisch arbeiten; also ihre Ausgangsleistung über der Zeit verändern.

Beispiel 1: cw-Laser continuous wave - gleichmäßig an

Beispiel 2: pw-Laser pulsed wave - gepulst arbeitend

Beispiel 3: ps-Laser - der Picosekundenlaser erzeugt sehr kurze Laserimpulse

Gliederung nach der geometrischen Form des aktiven Mediums

Im Lasergerät befindet sich das aktive Medium in einer bestimmten geometrischen Form. So unterscheidet man:

Beispiel 1: Stablaser

Beispiel 2: Scheibenlaser

Beispiel 3: Faserlaser

Der gebündelte Lichtstrahl eines Lasers trifft auf das zu bearbeitende Werkstück, in einer Tiefe von weniger als einem Mikrometer wird das Licht in Wärme gewandelt - das Werkstück wird an der Oberfläche erhitzt. Nach etwa 0,1 Sekunde hat das Material nahezu Schmelztemperatur, die Wärme breitet sich durch Wärmeleitung in tiefere Materialbereiche aus. Durch eine Relativbewegung des Strahls ist eine bestimmte Einwirkzeit gegeben, danach wird die im oberflächennahen Bereich vorhandene Wärme sehr schnell in tiefer liegende Bauteilbereiche geleitet - so erfolgt die für die Martensitbildung nötige schnelle Abkühlung. Das Ergebnis ist eine Härtespur. Soll eine größere Fläche gehärtet werden, wird das durch mehrere Spuren erreicht.

Das Verfahren kann als "Blankhärtung" unter Schutzgas durchgeführt werden. Vorteil dabei ist, dass keine Verzunderungen entstehen, der durchgeführte Härtevorgang ist mit bloßem Auge am Werkstück nicht erkennbar. Das Laserhärten wird oft auch ohne Schutzgaszufuhr ausgeführt. Es entstehen sehr dünne, kaum messbare Zunderschichten. Diese sind am gehärteten Bauteil leicht zu entfernen und bieten den Vorteil einer höheren Laser-Leistungsausnutzung im Härteprozess (ein höherer Strahlanteil wird absorbiert).

Wird das Verfahren bei höheren Leistungen betrieben, dann erschmilzt das Material und erstarrt danach schnell - es wird vom Laserumschmelzen gesprochen.

Wo liegen die Vorteile beim Laserhärten?

Die so erzeugten Härtespuren haben je nach Bearbeitungsparametern Breiten von 0,1 bis über 10 Millimetern, es können Einhärtetiefen bis zu über einem Millimeter erreicht werden. Das Oberflächenhärteverfahren bietet folgende Vorzüge: 

  • äußerst verzugsarm,
  • oft an spanend fertig bearbeiteten Bauteilen einsetzbar,
  • kein Abschreckmittel nötig,
  • sehr sauber,
  • schnell und berührungslos,
  • höchste Härtewerte erreichbar,
  • partielles Härten möglich und sinnvoll,
  • Härten auch an schwer zugänglichen Stellen,
  • Härteverlauf an Bauteilgeometrie gut anpassbar und

gut in einen kontinuierlichen Fertigungsablauf zu integrieren.

Einsatzbeispiele Laserhärten:

Das Laserhärten kann dort sinnvoll eingesetzt werden, wo nur bestimmte Bauteilbereiche gehärtet werden müssen, wie z. B.:

  • Härten von Schneidkanten,
  • Härten von Lagersitzen.

Insbesondere dann, wenn durch die Härtebehandlung kein Verzug in das Werkstück gebracht werden darf, kann das Laserhärten eine Lösung anbieten, so z. B.:

  • Härten von Führungsleisten und
  • Härten von Kurvenscheiben.

Selbst schwer zugängliche Bauteilbereiche (z. B. Innenkonturen) können gehärtet werden, da nur ein schmaler optischer Weg zur Verfügung stehen muss:

  • Härten von abrasiv beanspruchten Partien in Kanälen und
  • Härten von Kulissen.

Was bietet Ihnen LASERVORM?

Innerhalb Ihrer Produktionsvorbereitung informiert Sie LASERVORM über die Möglichkeiten des Verfahrens, berät Sie zur Lösung Ihrer Härteaufgabe und erarbeitet Lösungsmöglichkeiten durch die Fertigung von Musterteilen. Wir übernehmen die Lohnfertigung Ihrer Bauteile und bieten Ihnen durch den Einsatz modernster Lasertechnik (Nd:YAG-Laser und Diodenlaser) zuverlässig beste Fertigungsergebnisse. Durch den Einsatz von 4 bis 6-Achs-NC-Anlagen und 6-Achs-Industrieroboter können selbst komplizierteste Flächen gehärtet werden. Mit einer Simulationssoftware (WIAS SHarP) kann die Martensitbildung auch an komplizierten Geometrien vorausberechnet werden. Bei Bedarf bieten wir Ihnen eine zugeschnittene Härtemaschine auf Grundlage unserer Basismaschinen LV Midi und LV Maxi, oder als Sondermaschine LV Special an.

Sie fordern Gewissheit darüber, wie Ihr Werkstück bearbeitet wurde?

Wir nutzen bei Bedarf eine pyrometerbasierte Temperatursteuerung und bieten verschiedene Möglichkeiten zur Dokumentation der Laserbehandlung, wie z. B. die Fertigung von Querschliffen zur Beurteilung von Härte, Härtegeometrie und Gefügeausbildung. 

Wie wird mit Licht beschichtet?

Das Laserbeschichten - oder besser das Laserauftragschweißen - erfolgt als ein- oder zweistufiges Verfahren. Genaugenommen ist dabei zu unterscheiden in: 

  • Auftragschweißen (Beschichten) Zusatzwerkstoff wird als Schicht auf dem Grundwerkstoff aufgeschmolzen, keine (gewollte) Vermischung von Grund- und Zusatzwerkstoff
  • Legieren Grund- und Zusatzwerkstoff bilden eine Legierung
  • Dispergieren Zusatzwerkstoff wird in den schmelzflüssigen Grundwerkstoff eingelagert, keine (gewollte) Veränderung des Zusatzwerkstoffes

Alle drei o. g. Verfahren sind mit dem Laser gleichermaßen durchführbar, die typischen Schichtdicken liegen bei 0,1 mm bis 1 mm.

Wo liegen die Vorteile des Laserauftragschweißens?

Es entstehen dichte Schichten (sehr geringe Porosität). 

  • Die Schichten haben eine schmelzmetallurgische Bindung mit dem Substrat - daraus ergibt sich eine gute Schichthaftung.
  • Eine breite Materialpalette kann verarbeitet werden, selbst thermisch sensible Hartstoffe können eingelagert werden.
  • Das Verfahren erlaubt einen geometrisch genau dosierten Auftrag - Abdeckungen nicht zu beschichtender Bereiche sind nicht nötig, es fällt ein minimaler Nachbearbeitungsaufwand an (Neben der besseren Ausnutzung hochwertiger Beschichtungsmaterialien spart das besonders bei harten, verschleißfesten Schichten Bearbeitungszeit und Werkzeugkosten.).
  • Auch komplizierte Werkstückformen können definiert beschichtet werden.
  • Trotz einem (einstellbaren) Anschmelzen des Substrates erfolgt ein sehr geringer Wärmeeintrag in das zu beschichtende Bauteil. 

 Einsatzbeispiele Laserauftragschweißen:

Heute bekannte und industriell genutzte Laserauftragschweißungen werden zum Beispiel eingesetzt an: 

  • Ventilen und Ventilsitzen von Verbrennungsmotoren,
  • Bauteilen des Werkzeug- und Formenbaus und
  • abgenutzten Turbinenschaufeln zur Regenerierung.

Durch die ständige Weiterentwicklung des Verfahrens bezüglich der Verfahrenssicherheit und der verarbeitbaren Werkstoffe bestehen jedoch zunehmende Einsatzmöglichkeiten für Bauteile 

  • des Maschinenbaus,
  • der Feinwerktechnik,
  • der Medizintechnik,
  • des Motoren- und Turbinenbaus u. a.

Dabei können durch den Einsatz der Laserverfahren die Ziele

  • Bauteiloptimierung entsprechend der konkreten örtlichen Belastung (z. B. Heißgaskorrosion, Punktlast),
  • Reduktion der das Produkt bildenden Bauteilanzahl (Integralbauweise) und
  • Materialanpassung (gradierte Schichten)

erreicht werden.

Was bietet Ihnen LASERVORM?

LASERVORM macht durch eigene Entwicklungen und den Einsatz neuer Technik das einstufige Laserbeschichten mit pulverförmigem Zusatzwerkstoff zum Werkzeug für die Lösung konstruktiver und fertigungstechnischer Aufgaben im industriellen Einsatz. Für den Job Shop stehen 6 unterschiedliche Laseranlagen mit Pulver- und Drahtzusatzwerkstoff zur Verfügung.

Mit geeigneter Auswertetechnik dokumentieren wir die Bearbeitungsergebnisse - so kann entsprechend Ihren Anforderungen der Qualitätsnachweis erbracht werden. Wir informieren und beraten Sie gern ausführlich, fertigen Musterteile und Serien - sprechen Sie mit uns über Ihre Aufgaben, wir erarbeiten die auf Sie zugeschnittene Lösung.

Sie wollen Strukturleichtbauteile in LVAdditiveStructure-Technologie in Ihren Produkten einsetzen? Bitte kontaktieren Sie uns, wir beraten Sie bei der konstruktiven Auslegung oder übernehmen die konstruktive Überarbeitung, um Ihnen komplette Strukturleichtbauteile zu liefern.

Umschmelzen mit dem Laser?

Das Prinzip des Verfahrens gleicht dem Laserhärten. Durch die Anwendung höherer Leistungsdichten wird auf der Bauteiloberfläche jedoch der Schmelzpunkt überschritten. Durch Strahl- oder Bauteilbewegung wird ein Streifen des Werkstückes kurzzeitig erschmolzen. Auch bei diesem Verfahren erfolgt eine schnelle Abkühlung dadurch, dass die Wärme in die noch kalten Bauteilbereiche abgeführt wird.
Der hohe Energieeintrag an der Oberfläche bewirkt große Temperaturgradienten im erschmolzenen Material. Die resultierende hohe Schmelzbadkonvektion führt zu einer homogenen Verteilung der Elemente innerhalb des erschmolzenen Bereiches.

Wo liegen die Vorteile des Laserumschmelzens?

Die dem Prozess eigene starke Schmelzbadkonvektion und die schnelle Erstarrung des erschmolzenen Materials führt zu den folgenden Vorteilen in der Anwendung des Verfahrens: 

  • Beseitigung von Materialinhomogenitäten
  • Erzeugung von feinkörnigen und damit festen, zähen Erstarrungsgefügen
  • geringe thermische Gesamtbelastung des behandelten Bauteiles 

Auch können vorher aufgebrachte Beschichtungen mit unzureichender Substrathaftung oder zu großer Porosität mit diesem Verfahren nachbehandelt und damit vergütet werden.

Einsatzbeispiele Laserumschmelzen:

Die Einsatzbereiche dieses Verfahrens liegen insbesondere bei der Behandlung von Funktionsflächen an Bauteilen aus Gusseisenwerkstoffen und in der Nachbehandlung thermischer Spritzschichten.

  • Umschmelzen von Nockenwellen aus GGG in den hochbelasteten Oberflächenbereichen der Nocken
  • Nachverdichten von Plasmaspritzschichten

Was bietet Ihnen LASERVORM?

Wir bieten Information über das Verfahren und beraten Sie zu den Einsatzmöglichkeiten an Ihren Produkten. Durch die Fertigung von Musterteilen werden Sie in die Lage versetzt, unser Verfahrensangebot zu prüfen und zu bewerten.

Neben der Laserbearbeitung vom Einzelstück bis zur Serie bieten wir Ihnen auch die Prüfung und Dokumentation der Bearbeitungsergebnisse. Unsere Standardmaschinen sind ebenfalls für Umschmelzapplikationen geeignet. 

Laser erzeugen parallele Strahlung einer Wellenlänge. Solche Strahlung lässt sich (z. B. durch eine Sammellinse) sehr gut auf einen kleinen Punkt bündeln - den Fokus.

Genau dieses wird in der Lasermaterialbearbeitung regelmäßig genutzt: Das Licht wird im Fokus gebündelt und die Linse wird so angeordnet, dass der Fokus auf der zu bearbeitenden Bauteiloberfläche liegt. Die technologisch wichtige Größe ist Leistung pro Fläche (Leistungsdichte).

Die Lichtbündelung der Sammellinse beruht auf dem unterschiedlichen Brechungsindex von Linsenmaterial (z. B. Glas), der umgebenden Luft und der Form der Linse.

Wird nun eine nennenswerte Energie durch die Linse (oder auch andere optische Bauelemente) transferiert - die Laseranlage wird betrieben - dann führt dieses zu einer Erwärmung der Optik. Die Folge können nennenswerte Fokuslageänderungen durch Geometrieänderung der Optik und Brechungsindexänderung innerhalb der Optik sein. Einen extrem starken Einfluss haben jede Form von Verschmutzungen der Optikoberflächen, da diese zu einer nennenswerten Erhöhung des absorbierten Strahlanteilens führen und damit die Optikerwärmung deutlich verstärken.

Die technologische Folge: Es ändert sich mit der Zeit die Leistungsdichteverteilung auf der Werkstückoberfläche - der Fokusshift beeinflusst das Bearbeitungsergebnis.

Das Thema Fokusshift kann massiv durch Optikauslegung beeinflusst werden. Weiterhin kann man dem Fokusshift mit aktiven und passiven Maßnahmen zur Fokusshiftkompensation begegnen.

LV CBase

Immer kleiner werdende Brennflecke der modernen Faser- oder Scheibenlaser führen zu steigenden Leistungsdichten am Werkstück und damit steigenden Prozessgeschwindigkeiten.

Dieser für die Produktion hervorragend positive Fakt fordert den Maschinenbau doppelt: Höhere Geschwindigkeiten und Beschleunigungen bei steigenden Anforderungen an die Bahntreue des Bewegungssystems.

LV CBase ist eine Antwort von Laservorm auf diese Herausforderung. Spezialbetonverstärkte Maschinengestelle bieten

  • Hohe Steife und gute Dämpfung
  • Wirtschaftliche Fertigung auch bei Stückzahl 1 (d. h. auch für Sondermaschinen kann diese Technologie genutzt werden)
  • Problemlose Entsorgung
  • Sehr große Gestaltungsfreiheit und hohe Integration von Funktionselementen

Industriebussysteme

Industriebusse sind das steuerungstechnische Rückgrat einer Lasermaschine oder -anlage. Laserprozesse verlaufen oft in hohen Prozessgeschwindigkeiten. Für gute Steuerungslösungen sind deshalb 

  • Echtzeitfähigkeit kombiniert mit einem kurzen
  • Bustakt, geringem
  • Jitter und die
  • Eignung für sicherheitskritische Informationen sowie
  • Trennung von zeitkritischen und zeitunkritischen Informationen für höchsten Datendurchsatz

wichtige Qualitätskriterien.

Hervorragend gelöst sind diese Anforderungen mit dem Echtzeit-Ethernetbus EthernetPOWERLINK. Harte Echtzeitforderungen für Antriebe, Laserleistung, schnelle Strahlformungseinrichtungen und alle sicherheitsgerichteten Aspekte können mit diesem System erfüllt werden.

Als Sondermaschinenbauer sind unsere Lösungen regelmäßig nach Kundenwunsch zu projektieren bzw. sind Anbindungen an Steuerungssysteme und Bussysteme des Kunden herzustellen. Selbstverständlich sind wir mit allen aktuellen Bussystemen vertraut.

Programmierbare Sicherheitstechnik

Programmierbare und busbasierte Sicherheitstechnik ist kein Selbstzweck sondern bietet Kundennutzen in Form von 

  • höherer Produktivität durch gestufte Sicherheitskonzepte,
  • größtmöglicher Flexibilität und Zukunftssicherheit einer Sondermaschinenlösung und
  • Senkung der Fehlerwahrscheinlichkeit und damit der Ausfallzeiten

einer Laseranlage.

Wir sind vertraut mit namhaften Produktlinien verschiedener Hersteller aber bevorzugen das openSAFETY-Konzept einer herstellerübergreifenden, busbasierten Sicherheitslösung.

HighSpeed-Multi-IO

Klassische speicherprogrammierbare Steuerungen und Industriebussysteme können oft die Belange moderner Lasermaschinen nicht vollständig abdecken.

Getrieben von diesem Wissen haben wir gemeinsam mit einem Elektronikentwickler und -fertiger der Region, der IMM Elektronik GmbH, eine extrem leistungsfähige Analoge und Digitale Schnittstellenbaugruppe entwickelt. Damit können deutlich schneller als mit klassischer CNC- und SPS-Technik Signale koordiniert verarbeitet werden.

Das Produkt wurde im Rahmen des FASKAN-Verbundes entwickelt. Wir bedanken uns für die Förderung dieses Forschungs- und Entwicklungsvorhabens.

Reale Bauteile haben nicht die ideale Geometrie, daher muss das konkrete Bearbeitungsprogramm ggf. für jedes Bauteil separat angepasst werden. Die klassische Form des „Manuellen Anlernens“ wird heute oft durch automatisierte Vermessungs- und Korrekturvorgänge ersetzt.

„Istzustand erfassen“ → „mit Ideal vergleichen und daraus das konkrete Bearbeitungsprogramm berechnen“ → „das konkrete Bauteil bearbeiten“

Die Erfassung der erforderlichen Kenngrößen (oft Lage und/oder Geometrie) kann dem eigentlichen Bearbeitungsschritt vorgelagert erfolgen oder auch ständig, während der Bearbeitung erfolgen. Mit dem letztgenannten Vorgehen können auch während des Prozesses auftretende Veränderungen (wie z. B. Lageänderungen durch Schweißverzug) abgefangen werden.

Es gibt sehr unterschiedliche Komplexität in praktisch umgesetzten Lösungen. Eine sehr einfache Form ist z. B. die automatische Korrektur nur einer Koordinate im Raum (Wo soll die Schweißung nun genau entlang der X-Achse starten?). Komplexere Lösungen erfassen beispielsweise eine Vielzahl von Koordinaten im Raum, führen diese zu Flächen zurück, berechnen Bahnen zum Abrastern einer 3D-Oberfläche usw.

Kohlenstoff ist das Element, durch das Eisen zum Stahl wird. Der Anteil des Kohlenstoffs wirkt sich auf verschiedene Eigenschaften des Stahls wie Festigkeit, Umformbarkeit, Schweißbarkeit usw. aus.
Unlegierte Stähle sind in der Regel bis zu einem Kohlenstoffgehalt von 0,24 % schweißbar. Bei höheren Werten sind zusätzliche Vor- und Nachbehandlungen erforderlich.

Stahl kann aber noch weitere Legierungselemente enthalten, die sich unterschiedlich stark auf die Schweißeigenschaften auswirken.
Das Kohlenstoffäquivalent ist eine Vergleichsgröße, die über die Schweißbarkeit Auskunft gibt. Bis zu einem Anteil von 0,44% ist ein legierter Stahl theoretisch schweißbar. In der Praxis hängt das aber noch von einigen anderen Faktoren (wie z. B. einem Vor- oder Nachwärmregime) ab.

Aufgrund der Vielzahl von Stählen gibt es verschiedene Formeln, um den Wert des Kohlenstoffäquivalents zu ermitteln. Folgende Formel wird vom International Institute of Welding für einen Stahl mit mehr als 0,18% Kohlenstoff empfohlenen:

Unter Pulsformung wird allgemein verstanden, dass die Laserleistung innerhalb eines Laserpulses eine von der Rechteckform abweichende Form (eine veränderliche Laserleistung über der Zeit) erhalten kann.

Bei gepulsten Lasern zum Schweißen (typische Pulslängen von 0,1 ms bis 20 ms) wird dieses Verhalten über eine zeitlich veränderliche Pumpenergiezufuhr erzielt.

Wobei kann Pulsformung helfen?

Durch geformte Pulse kann der Energieeintrag und damit das technologische Ergebnis optimiert werden.

Eine typische Anwendung beim gepulsten Laserschweißen ist dabei folgendes Vorgehen: Der Schweißimpuls beginnt mit einer sehr hohen Leistung und fällt nach kurzer Zeit (z. B. 1 ms) auf ein deutlich niedrigeres Niveau ab - dieser Wert wird dann länger gehalten (z. B. 10 ms). Durch dieses Regime wird das Material schnell erhitzt aber nicht überhitzt - es wird eine längere Phase der Schmelzbildung (Zeit für Schmelzverteilung, Ausgasung) bei geringer Spritzerneigung ermöglicht.

Folgen verschmutzter Optik

In Laseranlagen zur Materialbearbeitung muss ein besonderes Augenmerk auf die Sauberkeit der optischen Bauelemente gelegt werden. Dem Anwender fällt dabei die Verantwortung für die Lichtaustrittsöffnung zu - hier fordert die Schnittstelle zum Prozess die Aufmerksamkeit des Anwenders, denn verschmutzte Optiken führen zu 

  • Leistungsverlust (und damit geringerer Leistung am Bauteil),
  • Veränderungen in der Leistungsdichteverteilung auf der Werkstückoberfläche,
  • verstärkter Optikerwärmung und damit auch
  • Optikschaden.

Diese Erscheinungen können nennenswert das Bearbeitungsergebnis verändern.

Schutzgläser und Überwachungslösungen

Eine typische Schutzlösung für die hochwertigen Bearbeitungsoptiken besteht darin, ein als Verschleißteil konzipiertes Schutzglas vor die Prozessseite zu montieren. Hierbei ist anzumerken, dass auch diese Schutzgläser mit Entspiegelungsbeschichtungen versehen sein müssen, um keine zu starke Leistungsminderung zu erleiden.

Schutzgläser können bei leichteren Verschmutzungen gereinigt werden oder müssen bei starker Verschmutzung (z. B. eingebrannte Schweißspritzer) gewechselt werden.

In industriellen Anwendungen und besonders Automaten ist eine automatische arbeitende Schutzglasüberwachung sinnvoll (Maschinenbediener wird von der Kontrollfunktion entlastet, Prozesssicherheit steigt). Eine typische technische Lösung besteht in der Erfassung des (durch die Verschmutzung erhöhten) Streulichtanteils.

Wozu nutzt man einen Crossjet?

Besonders bei starker Schmutzbelastung aus dem Bearbeitungsprozess haben sich schnelle Gas-Querströmungen (Crossjet) als Hilfsmittel zum Optikschutz bewährt. Sie werden typisch zusätzlich zum Schutzglas eingesetzt, um z. B. in Richtung der Strahlaustrittsöffnung strömende Schweißspritzer so auszulenken, dass sie nicht auf das Schutzglas treffen.

Crossjet-Lösungen müssen mit sauberen Gasen (typisch gereinigte Druckluft) betrieben werden und verursachen damit eine nicht unerhebliche Betriebskostenkomponente und Schallemission.

Die Intensitätsspitzen eines Laserstrahls bezeichnet man als Moden. Die genaue Definition dieses Begriffes würde tief in die Wellenphysik hineinführen.

Laserstrahlung kann diverse Anzahlen an Moden haben oder auch aus nur einer Mode bestehen. Bei nur einer Mode - genannt Single-Mode - lässt sich der Laserstrahl bestens fokussieren und kann z. B. zum Laserstrahlbohren eingesetzt werden. Aber nicht immer ist es von Vorteil, nur eine Mode zu haben. So erzeugt man einen Strahl mit einer gleichmäßigen Intensität innerhalb des Strahlradius aus einem Strahl mit mehreren Moden, man homogenisiert ihn. (Multi-Mode)

Die Anzahl an Moden ist aber nicht das einzige Kriterium, was über die Fokussierbarkeit eines Laserstrahls entscheidet. Auch z. B. die Erzeugungsart spielt eine Rolle. Um also die Fokussierbarkeit eines Laserstrahls zu quantifizieren, wurde das Strahlparameterprodukt (SPP) eingeführt. Es ist das Produkt aus dem halben Öffnungswinkel und dem Strahlradius im Fokus, dabei handelt es sich um eine Größe, die über den gesamten Strahlverlauf hinweg konstant bleibt.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Eigenschaften von Laserstrahlung zu messen. Eine davon sind Fotodioden, die die einfallende Strahlung in einen elektrischen Stromfluss umwandeln. Man kann damit die Leistung messen. Ordnet man viele kleine Fotodioden in einem Feld, einem CCD-Element, an, so kann man auf vielen kleinen Flächen jeweils die ankommende Leistung messen, was wiederum ein Maß für die Intensität ist. Will man also die Intensitätsverteilung eines Laserstrahls ermitteln, so bieten sich CCD-Elemente an. Wie so etwas bei der Auswertung mittels Software aussehen kann, zeigen die folgenden Bilder:

Um die gewünschte Bearbeitungsaufgabe realisieren zu können, müssen Strahldurchmesser, -verteilung und -form an diese angepasst werden. Die Möglichkeiten der Strahlformung sind vielfältig. Wichtig sind die Fokussierlinsen und -spiegel. Zum Erreichen hoher Intensitäten sind diese von enormer Bedeutung, weil nur durch diese eine Fokussierung möglich ist. Die Intensität kann aber durch Strahlaufweitungssysteme noch weiter gesteigert werden. Obwohl dabei der Strahlradius erst erhöht wird, lässt sich der Laserstrahl dann anschließend besser fokussieren. Durch zwei Linsen, die wie bei einem Fernrohr positioniert sind oder durch eine gezielte Stellung zweier Prismen zueinander können solche Strahlaufweiter umgesetzt werden.

Zum Beschriften oder Strukturieren mittels Laserstrahl, der ein homogenes Strahlprofil besitzt, kann eine Strahlmaske benutzt werden, welche die Laserstrahlung nur innerhalb bestimmter Konturen durchlässt. Meistens ist der Laserstrahl von seiner Entstehung her noch nicht homogen verteilt, sodass Strahlhomogenisatoren benutzt werden müssen. Man kann diese durch eine aufgeraute und somit streuende Oberfläche eines gebogenen Quarzglasstabs realisieren. Aber durch eine Vielzahl kleiner Linsen erhält man diesen Effekt auch. Ein spezielles Bauteil zur Strahlhomogenisierung ist das Kaleidoskop. Dieses ist innen verspiegelt und verjüngt sich zum Ende hin. Auch durch Segmentspiegel oder durch eine Fresnel'sche Linse kann ein Strahl homogenisiert werden. Oft will man aber auch mehrere Stellen gleichzeitig bearbeiten. Dafür werden Strahlteiler genutzt, die auf der unterschiedlichen Reflexionsrichtung zweier Seiten eines Prismas oder auf teildurchlässigen Spiegeln beruhen.

Noch vielseitiger werden die Möglichkeiten der Strahlformung, wenn sich optische Bauteile bewegen. So kann durch eine Rotation selbiger ein spezielles Laserstrahlbohrverfahren umgesetzt werden, das man als Trepanierbohren bezeichnet. Der Durchmesser kann dadurch vergrößert werden und mögliche Asymmetrien des Strahls können ausgeglichen werden. Durch rotierende Optiken (Linsen, Spiegel) kann aber auch die Bearbeitung in Rohren und an unzugänglichen Stellen realisiert werden. Statt der Rotation kann aber auch eine Schwingung von Spiegeln angewendet werden, um z. B. kurze Linien zu bearbeiten. Bei komplizierteren zu bearbeitenden Formen kommen scannende Systeme zum Einsatz, die über zwei verdrehbare Spiegel umgesetzt werden. Durch dieses Verfahren werden größere Flächen erfasst, was aber auch bei Verwendung eines Polygonspiegels der Fall ist. Es handelt sich dabei um einen prismatisch geformten Spiegel, bei dem die Mantelflächen, die zudem alle die gleichen Kantenlängen haben, die reflektierenden Flächen sind. Ein weiteres Strahlformungselement ist der akustooptische Modulator. Dazu muss man wissen, dass eine Beugung eines Strahls mittels eines Gitters erfolgen kann. Dichteschwankungen reichen dazu aus. Da Schallwellen nichts anderes als Dichteschwankungen sind, kann durch Ultraschall der Strahl gebeugt werden. Optiken können nicht nur bewegt, sondern auch deformiert werden. Diese werden dann adaptive Optiken genannt und stellen letztendlich eine während der Bearbeitung veränderliche Strahlformung dar. Vor allem zur Anpassung der Fokuslage an Werkstückformen wird diese Technologie verwendet. Zur Steigerung der Intensität ist es weiterhin möglich, Laserstrahlen zu überlagern.

Programmierbare Strahlqualität

Streng genommen lässt sich die Strahlqualität bei den marktüblichen Lasern zur Materialbearbeitung nicht programmieren bzw. in Echtzeit verändern. Durch eine schnelle räumliche und zeitliche Modulation des Laserstrahls im Bearbeitungsfleck kann jedoch das de facto Ergebnis einer programmierbaren Strahlqualität erreicht werden.

Die Programmierbare Strahlqualität ist die Kombination aus der synchronen Bewegung auf der Vorschubbahn (NC-Achsen), der Anpassung und Änderung der Laserleistung bzw. Laserpulsung und die schnelle Auslenkung des Laserstrahls in ein bis drei Achsen (optischen Achsen). Die Laserleistung kann wegabhängig, geschwindigkeitsabhängig und zeitabhängig beeinflusst werden.

Einsatzzwecke Programmierbare Strahlqualität:

  • breitere Härtespuren
  • Strahlmodulation
  • variable Schweißraupenbreiten
  • gesteuerte Schmelzbadbewegung
  • beeinflusste Temperaturfelder

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Geschäftsführer Thomas Kimme

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Thomas Kimme

+49 3727 9974 - 11

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