Große Leistungen aus dünnen Glasfasern - Neue Verpackung

05/2006
Neue Technologien
Lasertechnik
Hintergrundbericht
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Große Leistungen
aus dünnen Glasfasern
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Faserlaser im Fokus der Laserbranche
In der Laserbranche stehen Faserlaser im Mittelpunkt des Interesses. Diese
Festkörperlaser liefern ihre Leistung über einen fadendünnen Lichtleiter von
der zwei- bis dreifachen Dicke eines menschlichen Haars ab. Dank massiver
Leistungssteigerungen vollzog die Technologie den Sprung in die Materialbearbeitung.
von Klaus Vollrath
Robotergeführtes
Orbitalschweißen von
Rohrabschnitten mit
dem Hochleistungs-
Faserlaser. Bild: BIAS
Ursprüngliche Domäne des Faserlasers
war vor allem der Telekom-Markt. Leistungssteigerungen
eröffneten ihm dann Präzisionsanwendungen
beispielsweise bei
Druckerzeugnissen, beim Lasersintern und in
der Medizin- und Markiertechnik. Inzwischen
gibt es Systeme im Hochleistungsbereich bis
zu 36 kW.
Die Mehrzahl der Anwendungen liegt im
Bereich Schneiden bei 1 bis 2 kW, im Bereich
Schweißen bei 4 bis 10 kW. Für das Remoteschweißen
kommen Leistungen von 5 bis 10
kW und hohe Strahlqualität zum Einsatz. Erklärtes
Ziel des Marktführers – der IPG Laser
GmbH in Burbach – ist es, mit Faserlasern das
Widerstandsschweißen zu ersetzen.
Nicht zuletzt dank der massiven Leistungssteigerungen
des Faserlasers erwarten die Protagonisten
der neuen Technologie einen signifikanten
Durchbruch in diesen hoch interessanten
Marktsegmenten, müssen sich dort jedoch
auch der Konkurrenz mit etablierten
Technologien wie CO2- sowie Festkörperlasern
in Stab- oder Scheibenausführung stellen. Faserlaser
hoher Leistung befinden sich seit
zwei Jahren im industriellen Einsatz, und positive
Meldungen haben in der Branche hohe
Erwartungen geweckt.
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Faser als Resonator
Faserlaser sind monolithisch aufgebaute Laser.
Der Laserresonator besteht zum Beispiel
aus einer dotierten Glasfaser, die mit Hilfe
von mehreren Einzeldioden „gepumpt“ wird.
Die Faser dient dabei als Resonator, das heißt
die Laserstrahlung entsteht direkt innerhalb
des aktiven Faserkernes. Sie wird über äußerst
dünne Fasern mit Durchmessern von
15, 50 oder 100µm ausgekoppelt. Die Wellenlängenbereiche
hängen vom Dotierungsmaterial
ab: Ytterbium für Wellenlänge bei 1070
nm, Thulium für 1900 nm und Erbium für
1550 nm. Zu den wichtigsten Vorteilen des
Faserlasers gehören gute Strahlqualität, hoher
Wirkungsgrad, geringste Unterhaltskosten
und niedriger Anschaffungspreis.
„Bei unseren neuen gepulsten Faserlasern
mit 10 beziehungsweise 20 W haben wir eine
bisher nie erreichte Effektivität und Kompakt-
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Meinungen am Markt
heit erzielt“, weiß Michaela Schwarzer vom
Marketing des Laserherstellers Foba Technology
+ Services GmbH in Lüdenscheid. Die geringen
Dimensionen von Laserkopf, Ablenkeinheit
und Versorgungseinheit erleichtern die Integration
in kleine Maschinen und Produktionslinien
erheblich. Hervorzuheben sei insbesondere
die hohe Puls-zu-Puls-Stabilität, was wesentliche
Vorteile in punkto Beschriftungsqualität
und kürzerer Zykluszeiten bringe.
Niedrige Betriebskosten
Für die Pumpdioden gibt man eine garantierte
Lebensdauer von zwei Jahren an, tatsächlich
liegt sie jedoch um ein vielfaches höher.
Damit zeichnet sich das System durch sehr
niedrige Betriebskosten und geringen Wartungsaufwand
aus. Alle Laser sind als Basissystem
oder auch als komplette Kundenlösung
inklusive des gesamten Zubehörprogramms
erhältlich. Sie können für Beschriftungen auf
nahezu allen Werkstoffen, vorzugsweise auf
Kunststoff, Folie, Metall und elektronischen
Bauteilen, verwendet werden.
Einen 200 W-Faserlaser des Herstellers IPG
setzt EOS Electro Optical Systems, ein Hersteller
von Rapid-Prototyping-Systemen, seit
2004 in seinen Systemen für das Direkte Laser-Sintern
von Metallpulvern (DMLS) ein.
„Der neue Faserlaser zeichnet sich durch einen
extrem schmalen Fokusdurchmesser aus,
was der Detailgenauigkeit und der Teilequalität
zugute kommt“, sagt EOS-Produktmanager
Dr. Mike Shellabear.
„Durch den modularen und skalierbaren
Aufbau der Lasermodule wurde der Durchbruch
zu signifikant höheren Leistungen erreicht“,
berichtet Dr. Jörg Thieme, Leiter Vertrieb
von IPG Laser. Leistungen im Kilowatt-
Bereich werden durch Kombination mehrerer
single-mode-Faserlasermodule erzielt. Aktuell
werden so Faserlaser mit Leistungen von
1 bis hinauf zu 36 kW hergestellt. Solche Sy-
Der Wettbewerb beobachtet die Faserlaser-Entwicklung
natürlich sehr aufmerksam, reagiert
jedoch insgesamt eher gelassen. Big Player wie
Trumpf und Rofin Sinar setzen auf den Scheibenlaser,
den man für das zukunftsfähigere System
mit besserem Preis-Leistungsverhältnis
hält. Dabei wird auch darauf verwiesen, dass eine
Laserquelle allein noch keinen industriellen
Prozess darstelle und es Zeit brauche, die für einen
bestimmten Lasertyp erforderliche Peripherie
zu entwickeln und zu optimieren. Zudem gebe
es eine enorme Bandbreite unterschiedlichster
industrieller Prozesse mit entsprechend
weitem Spektrum an Anforderungsprofilen an
das jeweilige Lasersystem. Dies habe zu der
Vielfalt der unterschiedlichen heute erhältlichen
Lasersysteme und -technologien für ganz spezifische
Anwendungsbereiche geführt. Und last
but not least bleibe bei den neu entwickelten
Systemen auch noch abzuwarten, ob sich die
optimistischen Erwartungen bezüglich Kosten
und Verfügbarkeit der Systeme im realen industriellen
Alltag auch tatsächlich verwirklichen
lassen.
steme befinden sich seit über zwei Jahren im
Praxiseinsatz.
„Die ersten Schweißversuche mit einem
IPG-Faserlaser mit einer Strahlleistung von
6,9 kW am Werkstück führten wir bereits im
Sommer 2003 durch“, erinnert sich Dipl.-Ing.
Claus Thomy, Projektingenieur beim BIAS
Bremer Institut für angewandte Strahltechnik
GmbH. Ein Jahr später arbeitete man bereits
mit einem weiteren System mit 10 kW, und
seit April 2005 wurden am BIAS Versuche mit
einem dritten Hochleistungs-Faserlaser von
IPG mit 16,7 kW Leistung durchgeführt.
Messungen der Strahlqualität ergaben,
dass alle drei Systeme Strahleigenschaften
haben, die besser sind als die von lampenoder
diodengepumpten Nd:YAG-Festkörperlasern:
Beim 7 kW-Laser lag das Strahlparameterprodukt
bei 18,5 mm*mrad, die 10 kW-
Anlage erreichte 11,6 mm*mrad und die 17
kW-Ausführung 11,7 mm*mrad. Von den aktuellsten
Systemen werden die Strahlqualitäten
typischer Hochleistungskohlendioxidlaser
mit hoher Strahlqualität von 3,7 mm x mrad
erreicht oder sogar unterschritten.
Mit den Anlagen wurden umfangreiche
Tests u.a. beim Laserhybrid-Schweißen von
Aluminium-Strangpressprofilen sowie – mit
Quadratisch, praktisch: Die neuen gepulsten 10Wund
20W-Faserlaser von Foba zeichnen sich durch
hohe Puls-zu-Puls-Stabilität und kompakte Bauform
aus.
„Die ersten Schweißversuche mit
einem IPG-Faserlaser führten wir
im Sommer 2003 durch.“
Claus Thomy, Projektingenieur beim Bremer
Institut für angewandte Strahltechnik
Blick auf Anwendungen im Schiffsbau und im
Pipelinebereich – beim Schweißen von Bauund
Rohrleitungsstählen mit Dicken bis zu 16
mm durchgeführt. Als Fazit ergab sich, dass der
Faserlaser für beide Anwendungen geeignet ist.
Einen Einstieg im Bereich Schiff- und Stahlbau
konnte IPG dann im August 2005 vermelden.
Damals entschied sich die IMG Ingenieurtechnik
und Maschinenbau GmbH in Rostock,
ein kommerzieller Ausrüster aus diesem
Marktsegment, für den Einsatz von10 kW-Faserlasern
in Anlagen für das Hochleistungs-
Hybridschweißen von Schiffsbaustählen im
Dickenbereich zwischen 1 und 15 mm.
„Was den Faserlaser auszeichnet, sind die
Leistungen am Werkstück, die deutlich höheren
Strahlqualitäten und die gemessenen
Steckdoseneffizienzen“, sagt Dr. Thieme. Zu
den Vorteilen im Vergleich zu CO2-Lasern
zählt wie bei anderen Festkörperlasern die
einfache Strahlführung über eine flexible Faser
statt über aufwändige Spiegelsysteme.
Webguide
www.foba.de
Foba Technology + Services
www.eos.info
EOS
www.ipgphotonics.com
IPG Laser
www.bias.de
BIAS Bremer Institut für angewandte Strahltechnik
www.img-tech.de
IMG Ingenieurtechnik und Maschinenbau
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