Laser in der Fertigungstechnik

Laser in der Fertigungstechnik

 

Gebündelte, intensive Strahlung wie die eines Lasers eignet sich gut als Werkzeug, um beliebige Materialien zu bohren, schneiden, schweissen oder anderweitig zu bearbeiten. In den letzten Jahren hat sich die Laseranwendung in der Fertigungstechnik zu einer Technologie entwickelt, die ihren festen Platz in verschiedenen Technikbereichen wie z. B. in der Feinmechanik, Optik, Elektronik und Halbleitertechnik besitzt.

 

 Prinzip der Materialbearbeitung

 

Die Wirkung des Lasers in der Fertigungstechnik beruht hauptsächlich darauf, dass die eingebrachte Strahlungsenergie durch die Materialoberfläche aufgenommen und örtlich begrenzt in Wärme umgewandelt wird. Innerhalb von Milli- oder Mikrosekunden können Temperaturen von mehreren Tausend Grad entstehen. Je nach Stärke und Dauer der Einstrahlung schmilzt oder verdampft das Material. Unterhalb der Schmelztemperatur kann man mithilfe von Lasern Oberflächen härten. Nach dem Schmelzen lassen sich Materialien schweißen, legieren und beschriften. Die Verdampfung des Materials kann dazu genutzt werden, Löcher zu bohren, Drähte zu schneiden oder, wenn das Material bewegt wird, Schlitze zu fräsen. Verdampftes Material kann auch aufgetragen werden, um dünne Überzüge und Beläge zu erzeugen.

 

 Vorteile der Laserfertigung

 

Entgegen herkömmlichen Verfahren bietet die Laserfertigung neben der oft höheren Produktqualität weitere entscheidende Vorteile:

 

∙ Durch berührungslose und fast kräftefreie Strahleinwirkung entfällt der sonst übliche Werkzeugverschleiß. Selbst harte und spröde Werkstoffe können leicht bearbeitet werden, wobei das Werkstück nicht einmal eingespannt werden muss.

 

∙ Der Laserstrahl kann beliebig geformte Profile schnell und sauber, meist ohne Nachbearbeitung, herstellen.

 

∙ Es gibt Bearbeitungsverfahren, die nur mit dem Laser möglich sind. Dazu gehört u. a. das Schweißen von Elektroden in Vakuumröhren durch das Glas hindurch.

 

∙ Laserstrahlung ist über Spiegel und Quarzfasern leicht zu führen. Das ermöglicht, vor allem im Zusammenhang mit Robotersystemen, flexible Arbeitsverfahren.

 

Beim Bearbeitungsvorgang können allerdings auch gasförmige Schadstoffe entstehen, die abgesaugt werden müssen.

 

 Laser für die Fertigung

 

Um die vielfältigen Anforderungen zu erfüllen, arbeitet man überwiegend mit drei Lasertypen: dem Kohlendioxidlaser (Gaslaser), dem Neodymlaser (Festkörperlaser) und dem Excimerlaser (Gaslaser).

 

Der Kohlendioxidlaser (CO₂-Laser) stellt die bisher wichtigste Strahlquelle für die Fertigung dar. Er arbeitet im Infrarotbereich und wird sowohl kontinuierlich als auch gepulst betrieben. Er besitzt einen guten Wirkungsgrad von bis zu 20 %. Sein Strahl lässt sich unter ¹/₁₀ Millimeter bündeln, was bei hohen Ausgangsleistungen zu enormen Leistungsdichten führt. Bei Stahlblechen lassen sich damit Schnitt- und Schweißgeschwindigkeiten von einigen Metern pro Minute erreichen. So wird der CO₂-Laser vor allem zur Bearbeitung mittlerer und größerer Werkstücke eingesetzt, wobei sich ein Großteil der Anwendungen auch heute noch auf Schneid- und Schweißarbeiten sowie Materialhärtungen in der Automobilindustrie und ihren Zulieferern konzentriert. Industrielle CO₂-Laser sind relativ großvolumige Geräte. Kosten und apparativer Aufwand setzen den Anwendungen daher gewisse Grenzen.

 

Der Neodymlaser arbeitet ebenfalls im Infrarotbereich, allerdings bei geringerer Wellenlänge und Strahlleistung. Er wird vorwiegend im Pulsbetrieb gefahren. Da sich seine Strahlung aufgrund der geringen Wellenlänge noch schärfer bündeln lässt, kommt dieser Laser hauptsächlich in der Feinwerktechnik, der Optik und der Elektronik zum Einsatz. Man kann mit ihm fast alle metallischen und nichtmetallischen Werkstoffe schneiden, mikrobohren oder schweißen. Auch zur Markierung oder Beschriftung von z. B. Gläsern oder Schmuck durch Aufschmelzen oder Verdampfen von Material werden Neodymlaser verwendet. Außerdem lässt sich die Strahlung gut durch Quarzfasern leiten, sodass sie direkt an Industrieroboter gekoppelt werden kann.

 

Der Excimerlaser sendet seine energiereiche, kurzwellige UV-Strahlung in kurzen Pulsen von nur wenigen Nanosekunden Länge aus. Sie lässt sich bis unter einen Mikrometer bündeln und wird überwiegend dazu benutzt, Mikrostrukturen zu trennen oder feinste Löcher, z. B. für Siebe und Düsen, zu bohren. In der Mikroelektronik wird die gepulste Strahlung ausgenutzt, um Mikrostrukturen in der Halbleitertechnik aufzubauen. Zukunftsweisend ist die Möglichkeit, durch Photoablation (Materialabtragung ohne Umgebungserwärmung) ganze Schaltkreise aus Mikrochips herauszuarbeiten.