Lasertechnik: Laser zum Bohren, Schneiden, Schweißen und Beschriften

Lasertechnik: Laser zum Bohren, Schneiden, Schweißen und Beschriften

 

Bereits im Altertum vor mehr als 2000 Jahren nutzte Archimedes der Überlieferung nach durch Hohlspiegel gebündeltes Licht, um feindliche Schiffe in Brand zu setzen. Um aber Licht wie ein Werkzeug aus Metall als Bohrer oder Säge einsetzen zu können, musste erst das kohärente Licht des Lasers erfunden worden sein. Freilich dauerte es nach den ersten Anfangserfolgen der Lasertechnik in den 1960er-Jahren noch einmal etwas mehr als zehn Jahre, bis die ersten Lasersysteme erfolgreich in den Fertigungshallen industrieller Betriebe arbeiteten und die hohen Erwartungen, die anfänglich in sie gesetzt worden waren, zumindest teilweise erfüllen konnten. Zu komplex sind die Anforderungen in der industriellen Praxis an die zuverlässige, präzise und preiswerte Bearbeitung von Werkstücken. Hinzu kommt, dass sich der Laser gegen eine große Zahl seit langem ausgereifter und etablierter Verfahren durchsetzen musste.

 

Im Laufe der Entwicklung gelang es dann aber den Physikern und Ingenieuren, zuverlässig arbeitende Lasersysteme zu realisieren, die problemlos in der Lage sind, Leistungen vom mehreren Tausend Watt auf kleinste Areale von weniger als 0,1 Millimetern Durchmesser zu bündeln. Heute können leicht Intensitäten von mehreren Milliarden Watt pro Quadratzentimeter erzeugt werden. Gepulste Lasersysteme, die ganze Fabrikhallen einnehmen, erreichen gar unvorstellbare 10²⁰ Watt pro Quadratzentimeter. Diese Intensität reicht aus, um damit Materie auf mehrere Millionen Grad Celsius aufzuheizen; diese Temperatur herrscht im innersten Bereich der Sonne. Für die Materialbearbeitung reichen allerdings Temperaturen von »nur« 5000—6000 Grad Celsius, um etwa Metalle oder Keramiken zum Schmelzen oder zum Verdampfen zu bringen und dadurch Löcher, Schnitte oder Schweißnähte herzustellen.

 

Industrielle Laseranlagen mit einer mittleren Ausgangsleistung von einigen 100 bis 1000 Watt benötigen heute nur noch wenig Wartung und überschreiten kaum mehr die Größe einer Tiefkühltruhe. In vielen Bereichen der Produktion vereinfacht und verbilligt der Laser den Herstellungsprozess entscheidend und hat sich deshalb in zahlreichen Betrieben gegenüber konventionellen Werkzeugen durchgesetzt. In der Automobilindustrie ist er genauso etabliert wie in feinmechanischen Produktionsbetrieben, der Halbleiterindustrie oder bei den Herstellern von optischen Instrumenten. Zu den wichtigsten Aufgaben des Lasers zählt das Bohren und Schneiden, das Schweißen, sowie das Härten und Beschriften von Oberflächen. Das zu bearbeitende Material reicht dabei vom Babyschnuller über die Rasierklinge bis hin zur gehärteten Turbinenschaufel eines Strahltriebwerks.

 

 Die wichtigsten Industrielaser: vom Neodym-YAG- bis zum Excimerlaser

 

Etwa 90 Prozent aller derzeit angewendeten Laserfertigungsverfahren nutzen entweder den Neodym-YAG-Laser (kurz Nd:YAG-Laser) oder den Kohlenstoffdioxidlaser (kurz CO₂-Laser) als Strahlquelle. Der Grund dafür liegt zum einen in ihrem vergleichsweise hohen Wirkungsgrad — sie setzen einen relativ hohen Anteil der aufgewendeten Pumpenergie in Laserstrahlung um und arbeiten daher wirtschaftlicher als andere Systeme. Andererseits sind diese beiden Lasertypen zurzeit die einzigen Laser, mit denen man die für die Bearbeitung von Metallen notwendigen hohen Leistungen überhaupt erzeugen kann. Die Metallbearbeitung stellt bislang auch den größten Einsatzbereich für die Laserfertigung dar. Gerade bei der Bearbeitung von Metallen ist man glücklicherweise nicht so sehr auf eine spezielle Wellenlänge des verwendeten Lichts angewiesen, sondern kann die vom Lasertyp vorgegebene feste Wellenlänge oder Frequenz benutzen. Dies liegt daran, dass Laserstrahlung nahezu unabhängig von der Wellenlänge nur wenige Nanometer, also Bruchteile der Wellenlänge, in metallische Werkstoffe eindringt.

 

Die Entscheidung, ob ein Nd:YAG-Laser oder ein CO₂-Laser zum Schneiden, Bohren oder Schweißen von Metallen eingesetzt wird, richtet sich vor allem nach der jeweils erforderlichen Laserleistung. Der Hauptvorteil des CO₂-Lasers gegenüber dem Nd:YAG-Laser ist seine unerreicht hohe Leistungsausbeute. Anlagen, bei denen eine Laserleistung von mehr als 10 000 Watt erforderlich ist, werden in der Regel von CO₂-Lasern bedient. Derartige Leistungen sind beispielsweise in der Kfz-Industrie zum Schweißen größerer Bleche und Stähle genauso erforderlich wie etwa in der Schwerindustrie, etwa zum Schweißen von Pipelines.

 

Der größte Nachteil des Kohlendioxidlasers zeigt sich beim Transport der Strahlung zum Werkstück. Die vom CO₂-Laser abgegebene Strahlung hat eine Wellenlänge von zehn Mikrometern (Millionstel Metern) und wird von den meisten optischen Materialien absorbiert. Linsen und Fenster für diesen Wellenlängenbereich müssen aus exotischen Materialien wie Zinkselenid oder Germanium gefertigt werden. Insbesondere gibt es bislang keine Möglichkeit, CO₂-Laserstrahlung hoher Leistung mittels Lichtleitfasern so zu transportieren, wie es beim sichtbarem und nahinfrarotem Licht mit Quarzfasern möglich ist. In der Regel haben CO₂-Laseranlagen daher eine feste Strahlführung, in deren Fokus (Brennpunkt eines optischen Systems, etwa einer Linse oder eines Hohlspiegels, in dem im Idealfall alle einfallenden Strahlen zusammentreffen) das Werkstück bewegt wird. Ist das Werkstück dafür zu groß oder komplex, muss die Strahlung über einen aufwendigen Spiegelgelenkarm geführt werden.

 

Der Nd:YAG-Laser kennt dieses Problem nicht. Seine Strahlung von etwa einem Mikrometer Wellenlänge ist ideal für die Übertragung in Lichtleitern geeignet. Entsprechend transparent sind auch die gängigen Optiken aus Glas oder Quarz. Das Einkoppeln und Transportieren von mehreren 100 Watt Lichtleistung durch Quarzfasern von nur einem halben Millimeter Durchmesser ist heute selbstverständlich. Entsprechend flexibel kann die Laserleistung zum Werkstück geführt werden. Der Hauptnachteil des Nd:YAG-Lasers ist seine zumindest im Vergleich zum CO₂-Laser geringere maximale Ausgangsleistung. Typisch für einen Nd:YAG-Laser sind mittlere Leistungen von einigen 100 bis maximal 3000 Watt.

 

Mit ihrer stetig wachsenden Ausgangsleistung werden in zunehmendem Maße Halbleiter- oder Diodenlaser für die Bearbeitung unterschiedlicher Werkstoffe, insbesondere von Kunststoffen, interessant. Hochleistungsdiodenlaser emittieren bei Wellenlängen zwischen 790 und 980 Nanometern. Sie besitzen einen sehr hohen Wirkungsgrad von 30—60 Prozent. Die typische Ausgangsleistung eines Diodenlasers liegt zwar nur bei einigen Watt. Zusammengeschaltet lassen sich jedoch leicht Systeme von mehreren 1000 Watt Gesamtausgangsleistung einrichten. Problematisch ist derzeit noch die verhältnismäßig schlechte Strahlqualität der Diodenlaser.

 

In der Mikrosystemtechnik, wo äußerst feine Strukturen mit Abmessungen im Mikrometerbereich und kleiner bearbeitet werden müssen, nutzt man eher die im Ultravioletten emittierenden Excimerlaser als Strahlungsquelle. Die Verwendung kürzerer Wellenlängen hat in diesem Bereich zwei gute Gründe: Zum einen nimmt die Fokussierbarkeit von optischer Strahlung mit abnehmender Wellenlänge zu. Um etwa einen Fokus in der Größenordnung von weniger als einem halben Mikrometer zu erzeugen oder Strukturen dieser Größe abzubilden, muss die Wellenlänge mindestens ebenso klein sein, also im blauen oder ultravioletten Spektralbereich liegen. Zum anderen handelt es sich bei den Materialien, in denen Mikrostrukturen eingearbeitet werden, nicht immer um Metalle, sondern oft um Halbleitermaterialien, Gläser oder Kunststoffe. In diesen Materialien wird infrarote Strahlung, insbesondere die des Nd:YAG-Lasers, so wenig absorbiert, dass die Strahlung eine Eindringtiefe besitzt, die weit größer als die zu erzeugenden Strukturen ist. UV-Licht wird dagegen in den allermeisten Fällen so stark absorbiert, dass die optische Eindringtiefe nur Bruchteile eines Mikrometers beträgt.

 

 Bohren

 

In der Industrie wird der Laser als Bohrwerkzeug heute vor allem in Bereichen eingesetzt, in denen das konventionelle, mechanische Bohren versagt, zu lange dauert oder schlechtere Ergebnisse liefert. Dazu gehören beispielsweise das Bohren von sehr kleinen Löchern mit Durchmessern im Bereich von Mikrometern, das Bohren von Löchern, deren Abmessungen bis auf wenige Mikrometer genau reproduziert werden müssen, oder Bohrungen in Materialien, die für herkömmliche Bohrgeräte zu hart oder zu weich sind.

 

Löcher mit einem Durchmesser von unter 200 Mikrometern lassen sich mit einem klassischen feinmechanischen Bohrer praktisch nicht mehr herstellen. Mit dem Laser dagegen erreicht man auch bei solch kleinen Löchern eine sehr hohe Präzision. Diese ist beispielsweise bei der Erzeugung der winzigen Düsen eines Tintenstrahldruckers oder auch bei der Herstellung von Einspritzdüsen für die Motorentechnik unbedingt erforderlich.

 

Laserbohrungen lassen sich auch mit sehr hohen Geschwindigkeiten von bis zu 1000 Löchern pro Sekunde durchführen. Gebraucht werden derartig hohe Bohrgeschwindigkeiten zum Beispiel in der Elektronikindustrie zur massenhaften Bearbeitung von Computerplatinen und Mikrochips.

 

Immer häufiger werden auch Bohrungen in Materialien benötigt, die aufgrund ihrer Härte oder aber ihrer besonderen Elastizität keine herkömmlichen Bohrverfahren erlauben. Dazu gehören zum Beispiel das Bohren von kleinsten Löchern in chirurgischen Nadeln oder die Herstellung von Kühlkanälen in Turbinenschaufeln. Zur Fertigung eines Lochs in einem Diamantziehstein für Uhrenlager würde man mit herkömmlichen Verfahren bis zu 24 Stunden benötigen — der Laser braucht dafür nur einige Minuten. Doch nicht nur bei den extrem harten Werkstoffen bahnt sich der Laser im wahrsten Sinn des Wortes seinen Weg. Auch Löcher in besonders weichen Materialien wie Gummischläuchen oder Babyschnullern sind oftmals mechanisch kaum herzustellen. Hier lässt sich das Laserlicht nutzen, um die Bohrungen berührungsfrei, also ohne Belastung oder Verformung des Materials herzustellen.

 

Schließlich ist es oft schwierig, Bohrungen auf geneigten Oberflächen, also im spitzen Winkel, durchzuführen. Speziell bei keramikbeschichteten Metallen ist der Laser die einzige Möglichkeit solch schräg orientierten Bohrlöcher zu erzeugen, ohne dass die Beschichtung beschädigt wird.

 

 Wie bohrt ein Laser?

 

Das Prinzip, nach dem ein Laser Löcher bohrt, klingt einfach: Die auf das Material gebündelte Lichtenergie wird absorbiert und in Wärme umgewandelt; ist der Energieeintrag groß genug, verdampft das Material Stück für Stück, sodass sich der Laserstrahl in das Werkstück eingräbt. Problematisch wird es allerdings beim Bohren von Metallen. Hier ist die Wärmeleitung so groß, dass bei dickeren Werkstücken schon während des Bohrprozesses ein relativ großer Anteil der Laserenergie in das Metall hineinwandert — das Werkstück wird über die Bearbeitungszone hinaus unnötig aufgeheizt. In der hiervon betroffenen Wärmeeinflusszone können die physikalischen Eigenschaften des Werkstoffs ungünstig verändert werden. Ebenso können angrenzende, weniger wärmebeständige Materialien beschädigt werden. Die Lösung dieses Problems besteht im Pulsen des Lasers: Wird die Laserenergie in kurzen, aber intensiven Portionen abgegeben, so hat das bestrahlte Material zwischen den Pulsen Zeit, sich wieder abzukühlen. Die optimale Pulsdauer richtet sich unter anderem nach der Wärmeleitfähigkeit des bestrahlten Materials. Sie variiert zwischen 10 Millisekunden und 100 Femtosekunden (eine Femtosekunde entspricht 10^-15 Sekunden, also einer billiardstel Sekunde beziehungsweise dem millionsten Teil einer milliardstel Sekunde). Das Pulsen beim Bohren bringt noch einen weiteren entscheidenden Vorteil mit sich: Während des Bohrprozesses entsteht normalerweise über dem Bohrkrater eine dichte Wolke aus verdampftem, gasförmigem Werkstoffmaterial. Diese Wolke kann den Laserstrahl so stark abschirmen, dass ein Großteil der Laserleistung den Boden des Bohrlochs gar nicht mehr erreicht. Die Wolke kann zwar durch ein Prozessgas weggeblasen werden, ab einer bestimmten Lochtiefe ist dies jedoch nicht mehr effizient genug. Auch hier liefern die Pausen zwischen den Laserpulsen ausreichend Zeit für die Materialdämpfe, sich aus der unmittelbaren Umgebung des Bohrkanals zu entfernen.

 

Bei genügend hoher Leistungsdichte des Laserpulses dehnt sich die entstehende Gaswolke am Kraterboden so heftig aus, dass der noch flüssige Anteil des erhitzten Metalls aus dem Bohrloch herausgetrieben wird. Durch geschickte Wahl von Pulsenergie und Pulsdauer lässt sich somit beim Bohren von Metallen sehr viel Energie und Zeit sparen, denn eine völlige Verdampfung des abzutragenden Metalls braucht etwa 20- bis 30-mal mehr Energie als einfaches Schmelzen.

 

Die Lochform beim Laserbohren wird wesentlich davon bestimmt, welche Form der Fokus, also der winzige Raum hat, in dem das Laserlicht maximal konzentriert ist. Je kleiner der Durchmesser von Loch und Laserstrahl ist, umso schneller läuft der Laserstrahl hinter dem Fokus wieder auseinander. Möchte man etwa mit dem Nd:YAG-Laser ein zylinderförmiges Bohrloch mit einem Durchmesser von wenigen zehn Mikrometern erzeugen, dann kann die Bohrtiefe maximal einige 100 Mikrometer betragen. Für den CO₂-Laser sind hier die Verhältnisse aufgrund seiner größeren Wellenlänge sogar noch ungünstiger. Durch besondere Tricks ist es aber möglich, das Verhältnis von Bohrtiefe zu Bohrungsdurchmesser, das Schachtverhältnis, zu vergrößern. So kann man durch steigende Laserintensität bei größer werdender Bohrtiefe dafür sorgen, dass der Schmelzaustrieb stärker und der Bohrprozess damit effizienter wird. Dies verhindert, dass der Querschnitt des Bohrlochs mit zunehmender Bohrtiefe abnimmt, das Bohrloch also eine Kegelform bekommt. Besonders hohe Schachtverhältnisse erreicht man bei Materialien, bei denen man die Reflexion der Laserstrahlung an den Bohrwänden ausnutzen kann. Bohrt man etwa Plexiglas mit einem CO₂-Laser, so sind Schachtverhältnisse von 100 zu 1 möglich.

 

 Schneiden

 

Ähnlich wie beim Bohren liegen die Hauptvorteile des Lasers beim Schneiden in seiner besonderen Flexibilität und Präzision. Der Laserstahl kann ohne Schwierigkeiten komplizierten Bahnen, etwa beim Schneiden von Stoffen, folgen. Bei den meisten Textilien versiegelt der Laser beim Schneiden auch gleich die Schnittkanten, ein anschließendes Umsäumen des Stoffs entfällt. Wird der Laserstrahl durch eine Glasfaser geleitet und ist diese mit einem Roboterarm verbunden, so lassen sich, computergesteuert, auch komplizierte Bahnen mit räumlicher Tiefe verfolgen. Da der Laser auch beim Schneiden berührungsfrei arbeitet, werden keine Schwingungen auf das Werkstück übertragen, was für manche, insbesondere spröde Bauteile beim konventionellen Sägen oder Fräsen ein großes Problem darstellt. Obwohl eine Laserschneideanlage in der Regel teurer ist als eine herkömmliche mechanische Anlage, amortisiert sie sich meistens binnen kurzer Zeit. Zum einen braucht der Anwender keine teuren Verschleißteile wie neue Schneidköpfe zu kaufen und zu lagern. Zum anderen arbeiten Laserschneideanlagen deutlich schneller und besitzen damit eine viel höhere Produktivität. Eine CO₂-Laseranlage mit zwei bis drei Kilowatt Leistung kann zwei Zentimeter dicke Stahlplatten mit einer Geschwindigkeit von bis zu zwei Zentimetern pro Sekunde schneiden!

 

Grundsätzlich unterscheidet man beim Laserschneiden drei unterschiedliche Schneidtechniken: Schmelz-, Brenn- und Sublimationsschneiden.

 

Das Schmelzschneiden funktioniert ähnlich wie das Laserbohren; dabei wandert gewissermaßen das Laserbohrloch entlang der Schnittlinie durch das Material. Dieses Verfahren wird häufig bei Gläsern und Metallen angewandt. Die Laserenergie erhitzt den Werkstoff bis zur Schmelztemperatur, während ein von außen, unter hohem Druck zugeführtes Gas die Schmelze aus der Bestrahlungszone spült. Das Gas muss dabei chemisch neutral sein, darf also nicht mit dem Werkstoff reagieren. Die hierzu am häufigsten verwendeten Gase sind Stickstoff oder Argon. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt in seinem relativ geringen Energieverbrauch, da das Material nicht vollständig verdampft werden muss. Nachteilig wirkt sich die Bildung von Riefen aus, die durch das Austreiben der Schmelze entstehen.

 

Beim Brennschneiden wird Sauerstoff als Schneidgas zugeführt. Dadurch verbrennt das erhitzte Metall und liefert dem Schneidprozess zusätzliche Energie. Dieses Verfahren ist dadurch bis zu fünfmal schneller als das Schmelzschneiden. Allerdings ist die Wärmeeinflusszone aufgrund der höheren Prozesswärme deutlich größer als beim Schmelzschneiden, was wiederum die Präzision des Verfahrens herabsetzt.

 

Sublimationsschneiden bedeutet, dass das bestrahlte Material beim Erhitzen nicht erst flüssig wird, sondern sofort gasförmig die Oberfläche verlässt. Dies gilt insbesondere für Werkstoffe, die keinen geschmolzenen Zustand besitzen, wie manche Kunststoffe oder Keramik. Beim Sublimationsschneiden treten besonders glatte Schnittkanten auf. Durch Verwendung eines Schutzgases kann eine Oxidation (Verbrennung) vermieden werden.

 

 Schweißen und Löten

 

Laserschweißen ist gewissermaßen die Umkehrung des Laserschneidens — die vom Laser bewirkte Materialerhitzung wird nicht zum Trennen, sondern zum Verbinden von Teilen benutzt, insbesondere von solchen Teilen, die mit herkömmlichen Schweißtechniken nicht oder nur mit hohem Aufwand zusammengefügt werden können. Für das Laserschweißen werden sowohl gepulste als auch kontinuierlich emittierende Systeme verwendet. Im Pulsbetrieb setzt der Laser in schneller Folge einzelne Schweißpunkte, die sich bei entsprechender Überlappung zu einer Schweißnaht vereinen. Dieses Verfahren ist zwar langsamer als das kontinuierliche Schweißen, hat aber den Vorteil, dass man mit deutlich kleineren Lasersystemen auskommt, da Laser im Pulsbetrieb jeweils nur für eine kurze Zeit die zur Materialverflüssigung notwendigen hohen Intensitäten aufbringen müssen.

 

Die Vorteile des Lasers als Schweißgerät gegenüber herkömmlichen Verfahren sind vielfältig. Schweißdrähte und Flussmittel sind überflüssig. Der Laserstrahl kann über Glasfasern oder Spiegel bequem an normalerweise schwer zugängliche Stellen geführt werden, zum Beispiel an die Innenseite eines Rohrs oder eines Gehäusebauteils. Durch den gezielten und sehr schnellen Wärmeeintrag mit gepulstem Laserlicht lassen sich Materialien verbinden, die sich bei Erwärmung unterschiedlich stark ausdehnen. Beim konventionellen Schweißen treten bei solchen Materialien innere Spannungen und Risse im Werkstück auf, welche die Stabilität des Bauteils erheblich beeinträchtigen. Erfolgt die Erwärmung jedoch schnell genug, so haben die zu verschweißenden Stücke sozusagen keine Zeit, um sich über nennenswerte Distanzen auszudehnen. Ebenso lassen sich Bauteile verschweißen, die wärmeempfindliche Stoffe enthalten. Dazu gehört zum Beispiel das Anschweißen von Drähten an elektronische Schaltkreise oder die Befestigung von Elektroden an Batterien.

 

Bei Zahntechnikern und Goldschmieden ergibt sich oft das Problem, dass kleine Werkstücke bearbeitet werden müssen, die eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit besitzen. Das Schweißen von Titanprothesen oder Reparaturschweißungen direkt neben Edelsteinen und Perlen ist mit herkömmlichen Methoden praktisch nicht möglich. Durch den großen Hitzeeintrag verzieht sich das gesamte Werkstück sehr schnell, und hitzeempfindliche Materialien in der unmittelbaren Umgebung werden zerstört. Gepulst arbeitende Laser ermöglichen dagegen durch ihren extrem schnellen Wärmeeintrag von nur wenigen Tausendstel Sekunden und kürzer eine lokal eng begrenzte Erhitzung selbst solcher Werkstoffe mit hoher Wärmeleitung. Dadurch konnten in Design und Verarbeitung von Zahnprothesen und Schmuck völlig neue Wege beschritten werden.

 

Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet des Laserstrahlschweißens liegt in der Fertigung von Tailored Blanks. Tailored Blanks — zu Deutsch: »maßgeschneiderte Rohlinge« — sind flächige Werkstücke aus Metall, die durch Laserstrahlschweißen aus mehreren Einzelblechen zusammengefügt werden. Die einzelnen Bleche können aus unterschiedlichen Stahlsorten bestehen und unterschiedliche Oberflächenbeschichtungen und Dicken aufweisen; dadurch wird es möglich, jedem Bereich des fertig verbundenen Tailored Blanks ganz gezielt bestimmte Materialeigenschaften wie Festigkeit, Gewicht oder Härte zuzuweisen, die auf die jeweiligen Anforderungen im Betrieb »maßgeschneidert« sind. Im Gegensatz dazu muss etwa ein einzelnes herkömmliches Blech in einer Autokarosserie als Ganzes eine Dicke und damit auch Masse aufweisen, die eigentlich an nur wenigen besonders belasteten Stellen nötig wäre. Ist ein Tailored Blank zusammengeschweißt, kann es in einer Umformanlage in eine Vielzahl verschiedener Formen gepresst werden. Dies erklärt, dass vor allem in der Automobilindustrie Tailored Blanks in kürzester Zeit so große Bedeutung erlangt haben, dass sie aus der Fertigung nicht mehr wegzudenken sind. Sie bieten, genau wie der Stahlbeton in der Architektur, dem Konstrukteur vielfältige neue Möglichkeiten zur Gestaltung von Karosserieteilen — und ermöglichen gleichzeitig eine Erhöhung der Stabilität und eine Verringerung der Zahl der Einzelteile und des Fahrzeuggewichts, was wiederum der Kraftstoffverbrauch senkt.

 

Die Liste von Einsatzgebieten, bei denen das Laserschweißen enorme Vorteile gegenüber den herkömmlichen Verfahren bietet, ließe sich endlos fortsetzen. So werden mit Laserlicht Glasampullen mit feuergefährlichem Inhalt verschlossen, Titangehäuse von Herzschrittmachern verschweißt oder Aluminiumbauteile mit zuvor nicht gekannter Festigkeit verbunden. Doch nicht nur beim Schweißen zeigt der Laser seine Vorteile. Auch beim Löten wird Laserlicht insbesondere bei der Fertigung in kleineren Serien und zur Reparatur eingesetzt. Aufgrund des — im Vergleich zu einer Schweißnaht — viel kleineren Volumens einer Lötstelle und der geringeren Schmelztemperatur des Lots werden hier Leistungen im Bereich von nur wenigen 100 Watt benötigt. Diese Leistung kann bereits von den sehr kompakten und preiswerten Diodenlasern erbracht werden. Deren Laserleistung lässt sich während des Lötprozesses exakt steuern und an unterschiedliche Lotmengen und Oberflächenbeschaffenheiten anpassen.

 

 Bearbeitung von Oberflächen

 

Beschichtungs- und Oberflächenbehandlungsverfahren haben sich in den letzten Jahren zu einem wichtigen Zweig der Materialwissenschaften entwickelt. Es geht dabei darum, die Oberfläche eines Werkstücks gezielt zu verändern, um ihm bestimmte erwünschte Eigenschaften zu verleihen, die bei diesem Material sonst nicht vorliegen. Typische Anwendungen sind etwa der Korrosionsschutz oder die Herstellung von Spiegeln — im weiteren Sinn ist aber auch das Bemalen eines Holzspielzeugs eine Oberflächenbehandlung! Natürlich kann man auch Laserbohren und -schweißen als Bearbeitung einer Werkstückoberfläche betrachten; der Laser kann aber noch viel weiter gehende Veränderungen, etwa der chemischen Zusammensetzung oder der Kristallstruktur, gezielt herbeiführen. Dabei lassen sich mit einer variablen Laserstrahlführung beliebige Oberflächenstrukturen und schwer zugängliche Stellen erreichen. Grundsätzlich erfordert die Oberflächenbehandlung eine niedrigere Leistungsdichte und einen größeren Brennfleck als das Schweißen, Schneiden oder Bohren. Je nach Dauer der Bestrahlung und Höhe der Laserleistung kann eine begrenzte Tiefenwirkung von wenigen Mikrometern bis etwa einen Millimeter erreicht werden.

 

Zwei der wichtigsten Oberflächenbearbeitungsverfahren sind das Härten und das Beschichten von Oberflächen durch Aufbringung zusätzlicher Materialien.

 

Ein Härten der Oberfläche wird durch kurzzeitige und intensive Erhitzung der Oberfläche erreicht. Durch die Härtung der Oberfläche wird der gesamte Körper widerstandsfähiger, ohne dass er als Ganzer einer aufwendigen Behandlung unterzogen werden müsste. Die Erwärmung der obersten Schichten bewirkt dort eine Phasenumwandlung, das heißt eine Änderung in der Kristallstruktur des behandelten Materials. Da die vom Laser aufgeheizte Oberflächenschicht sehr dünn ist, wird diese rasch vom darunter liegenden Material wieder abgekühlt. Diese schnelle Abkühlung ähnelt dem Abschrecken von geschmiedetem Eisen in einem Wasserbad. Während der schnellen Abkühlung hat das erhitzte Material keine Zeit, von der im erhitzten Zustand angenommenen, härteren Kristallstruktur wieder in die vorherige überzugehen — die neue, härtere Kristallstruktur wird gleichsam eingefroren. Wenn während des Erhitzens zusätzliche Stoffe auf die Oberfläche aufgebracht werden, so kann es auch zu einer Veränderung der chemischen Zusammensetzung des Materials kommen oder eine ganz neue Oberflächenschicht entstehen. Dieses Laserstrahlbeschichtung genannte Verfahren findet viele Anwendungen in der Industrie, aber zum Beispiel auch als Reparaturverfahren von Antriebs-, Nocken- oder Kurbelwellen bei Liebhabern alter Autos und Motorräder.

 

Eine weitere »Veredlungsmöglichkeit« bietet der Laserstrahl bei Restauration von Kunst- oder Kunstgewerbeobjekten. Ablagerungen von Schmutzpartikeln absorbieren aufgrund ihrer andersartigen Zusammensetzung Licht und insbesondere Laserstrahlung oft bei anderen Wellenlängen als der Untergrund. Dies kann man sich zunutze machen und durch Bestrahlung mit Laserpulsen Schockwellen in der Schmutzschicht erzeugen, welche die Schmutzpartikel entfernen. Die gereinigte hellere Oberfläche reflektiert die Laserstrahlung weitgehend, sodass das restaurierte Objekt durch die Strahlung nicht beschädigt werden kann. Das Restaurieren von antiken Steinskulpturen und Häuserfassaden mit Laserstrahlung ist mittlerweile Stand der Technik. Neben seiner sehr schonenden Arbeitsweise besitzt es einen weiteren großen Vorteil: Es brauchen keine chemischen Zusatzstoffe (Reinigungsmittel) zugeführt und nach der Restaurierung aufwendig entfernt und entsorgt zu werden. Das könnte künftig auch bei der Entlackung von Flugzeugen Bedeutung erlangen. Flugzeuge müssen relativ häufig, etwa alle sechs Jahre, vollkommen entlackt werden, um mögliche Risse in der Außenhaut aufzuspüren. Die Einsparung von großen Mengen chemischer Substanzen durch eine Laserentlackung würde neben einer Kostensenkung vor allem eine erhebliche Entlastung der Umwelt bedeuteten.

 

 Rapid Prototyping

 

Bei der Entwicklung neuer Bauteile kommt es heute mehr denn je darauf an, Kosten zu sparen und schnell einen oder mehrere Prototypen (also Modelle) zur Verfügung zu haben. Neben den verfahrensspezifischen Unterschieden wie Detailtreue, Komplexität und Oberflächenqualität der Bauteile werden auch die Gebrauchseigenschaften der Modelle vor allem durch den verwendeten Werkstoff bestimmt. Obwohl in vielen Bereichen der industriellen Fertigung die Verarbeitung von nicht metallischen Werkstoffen (wie Kunststoffen oder Keramik) verstärkt vorangetrieben wird, besteht insbesondere im Maschinenbau der größte Teil der eingesetzten Bauteile nach wie vor aus metallischen Werkstoffen. Zur Funktionsprüfung müssen in diesem Bereich daher Prototypen aus seriennahen metallischen Werkstoffen hergestellt werden. Bisherige Verfahren hierzu beruhten oft auf dem Abgießen in eine vorher aus Kunststoff angefertigte Form, wünschenswert ist dagegen der direkte Aufbau metallischer Prototypen ohne Zwischenschritt.

 

Ein Rapid-Prototyping-Verfahren der neusten Generation, mit dem dieses Ziel erreicht werden kann, ist das Fertigen von Modellen mit Unterstützung eines Lasers. Dabei werden die Konstruktionsdaten eines CAD-Systems (CAD ist die Abkürzung von »computer-aided Design«, also computerunterstütztes Entwerfen) direkt zur Ansteuerung eines Laserstrahls herangezogen, um aus Metallpulvern beziehungsweise pulverförmigen oder flüssigen Kunststoffen schichtweise auch komplex geformte Bauteile zu generieren. Das Pulver wird von dem fokussierten Laserstrahl aufgeschmolzen, und es bildet sich eine feste Verbindung mit der darunter liegenden Schicht. Durch das Übereinanderlegen vieler Schichten entstehen dreidimensionale Strukturen. Bei der Verwendung flüssiger Kunststoffmonomere wird das Material von einem Ultraviolettlaser im Brennpunkt photochemisch polymerisiert und verfestigt. Je nach Material können die Modelle innerhalb weniger Minuten bis hin zu einigen Stunden gefertigt werden.

 

 Markieren und Beschriften

 

Markieren und Beschriften von Bauteilen ist in gewisser Weise eine weitere Form der Oberflächenbehandlung — nur mit dem Unterschied, dass nicht die ganze Oberfläche eines Teils mit neuen, möglichst exakt eingestellten Werkstoffeigenschaften versehen werden soll, sondern lediglich kleine Muster und Schriftzüge entstehen sollen, die einfach nur anders »aussehen« müssen als die übrige Oberfläche. Daher eignen sich für solche Laserbeschriftungen die unterschiedlichsten Werkstoffe wie Glas, Keramik, Metalle oder Kunststoffe. Bei der Beschriftung von Metallen oder Glas wird der Laser wie eine Graviernadel benutzt. Dazu sind kurze Laserpulse hoher Intensität erforderlich, damit einerseits möglichst wenig Wärme in den unbestrahlten Bereich fließt und andererseits im bestrahlten Bereich das Material möglichst effektiv abgetragen wird; beides führt zu einem scharfen, kontrastreichen Schriftbild. Bei der Beschriftung von Kunststoffen steht ein weiterer Mechanismus zur Verfügung: Durch das Laserlicht können chemische Reaktionen in Gang gesetzt werden, die einen lokal scharf begrenzten Farbumschlag bewirken. Dafür ist die Frequenz des verwendeten Laserlichts von Bedeutung; sie muss der für die jeweilige Reaktion benötigten Energiemenge entsprechen (allerdings nicht so exakt wie bei der Lichtabsorption und -emission). Darüber hinaus können Materialien auch durch den Laserstrahl lokal so aufgeheizt werden, dass sich Gaseinschlüsse bilden. Diese Aufschäumung verändert an den beschriebenen Stellen die Oberflächenstruktur, wodurch ein neuer Farbeindruck entsteht — ein ähnlicher Effekt wie der Übergang von Eiklar zu Eischnee. Mit Laserbeschriftern können heute Schriften, Logos, Strichcodes und nahezu beliebige Konturen auf einer Werkstückoberfläche erzeugt werden. Die Schreibgeschwindigkeit beträgt bei einer Schriftgröße von zwei Millimetern etwa 40 bis 80 Zeichen pro Sekunde — die schnellsten Schreibmaschinenschreiber schaffen acht bis zehn Anschläge pro Sekunde!

 

Dr. Holger Lubatschowski; Dr. Beate Brase und Dr. Angelika Anders von Ahlften

 

Weiterführende Erläuterungen finden Sie auch unter:

 

Lasertechnik: Laser in der industriellen Messtechnik

 

Grundlegende Informationen finden Sie unter:

 

Laser: Laserstrahlung und Aufbau eines Lasers

 

Literatur:

 

Beyer, Eckhard / Wissenbach, Konrad: Oberflächenbehandlung mit Laserstrahlung. Berlin u. a. 1998.

 

Dossier: Laser in neuen Anwendungen, bearbeitet von Dieter Beste u. a. Heidelberg 1998. Sonderheft »Dossier 2/1998« der Zeitschrift »Spektrum der Wissenschaft«.

 Erhardt, Karl-Manfred u. a.: Laser in der Materialbearbeitung. Grundlagen des Lasers, Laseranlagen, Lasermaterialbearbeitung, Sicherheitsvorschriften und Arbeitsschutz. Würzburg 1993.

 

Lasermaterialbearbeitung. Normen, herausgegeben vom DIN, Deutsches Institut für Normung e. V. Berlin u. a. ²1999.

 

Präzisionsbearbeitung mit Festkörperlasern. Oberflächenbearbeitung, herausgegeben vom VDI-Technologiezentrum Physikalische Technologien. Bearbeitet von Hans Wilhelm Bergmann u. a. Düsseldorf 1995.

 Rubahn, Horst-Günter: Laseranwendungen in der Oberflächenphysik und Materialbearbeitung. Stuttgart 1996.

 Weinfurtner, Walter W.: Licht schreibt - Beschriften mit dem Laser in der Industrie. Grundlagen und Einsatzgebiete. Renningen ²1997.