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Technologie mit Zukunft.
Laser-Materialbearbeitung mit technischen Gasen von Westfalen.
In der Lasertechnik werden Gase vor allem in der Materialbearbeitung benötigt. Unter fertigungstechnischen Aspekten ist die Laser-Materialbearbeitung gegenüber konventionellen Verfahren durch hohe Verfahrens-, Produkt- und Mengenflexibilität gekennzeichnet. Gase helfen dabei, höhere Produktionsraten und bessere Bearbeitungsqualität bei gleichzeitig sinkenden Kosten zu erzielen.
| Gasgemische | Reinstgase |
|---|---|
| Lasergas II | CO2 4.5 |
| Lasergas V | Stickstoff 5.0 |
| Lasergas VII | Helium 4.6 |
| Lasergas VIII |
| Schweissgase | Schneidgase |
|---|---|
| Argon 4.6 | Sauerstoff 3.5 |
| Stickstoff 5.0 | Stickstoff 5.0 |
| Helium 4.6 | Argon 4.6 |
Wegen des hohen Leistungsvermögens haben sich bisher der CO2-Laser, der Festkörperlaser und der Excimer-Laser durchgesetzt. Zunehmend gewinnt auch der Hochleistungsdiodenlaser (HLDL) an Bedeutung. Für CO2- und Excimer-Laser sind Gase Betriebsvoraussetzung.
Wegen des hohen Leistungsvermögens haben sich bisher der CO2-Laser, der Festkörperlaser und der Excimer-Laser durchgesetzt. Zunehmend gewinnt auch der Hochleistungsdiodenlaser (HLDL) an Bedeutung. Für CO2- und Excimer-Laser sind Gase Betriebsvoraussetzung.
Der CO2-Laser benötigt in der Regel zur Erzeugung des Laserstrahles drei verschiedene Betriebsgase. Dabei ist das CO2-Molekül die aktive, namengebende Komponente, die auch die Wellenlänge der Strahlung bestimmt. Das CO2-Molekül wird einmal direkt über Gleichstrom oder Hochfrequenz angeregt und indirekt über die angeregten N2-Moleküle angestossen. Nach der Anregung entsteht spontane und danach stimulierte Emission von Strahlung. Diese bezeichnet man als Laserübergang. Da bei diesem Vorgang sehr viel Wärme freigesetzt wird, muss mit dem Gas Helium der Prozess gekühlt und stabil gehalten werden. Helium als sehr kleines Edelgas hat den Vorteil, dass es sehr schnell Wärme aufnehmen und auch wieder abgeben kann.
Für den sicheren Betrieb sind Gase hoher Reinheiten erforderlich. Die Gasereinheiten von CO2 4.5 (99,995%), He 4.6 (99,996%) und N25.0 (99,999%) sind erforderlich, weil geringere Reinheiten die Optiken im Laser, dem Resonator, verunreinigen würden. Dieses hätte einen Leistungsabfall und eine erhöhte Wartungsfrequenz zur Folge. Weitere Verunreinigungen können auf dem Weg von der Flasche bis zum Resonator in das System gelangen. Hierbei ist darauf zu achten, dass die Druckminderer den Reinheiten auch entsprechen. Diese Druckminderer sollten im Kern eine Edelstahlmembran besitzen, da diese Membran die notwendige hohe Reinheit auch über einen längeren Zeitraum gewährleistet.
Weiterhin sollten diese Druckminderer zweistufig ausgelegt sein. Einstufige Druckminderer haben im Verlauf der Flaschenentleerung keinen konstanten Hinterdruck. Dieses ist aber für den Laser wichtig, weil bei Überschreitung des Hinterdrucks über den Druckwächter eine Fehlermeldung ergeben würde, die zum Stillstand der Maschine führen kann. Vom Druckminderer bis zur Laseranlage sollten kurze Schläuche oder feste Verrohrungen aus Edelstahl oder Kupfer hoher Qualität verwendet werden. Wenn Schläuche eingesetzt werden, sollten diese keine Feuchte oder Umgebungsluft hindurch diffundieren lassen. Weitere Störfaktoren könnten ausdiffundierende Lösungsmittel aus den Schläuchen sein. Die Verrohrungen sollten alle formiert gelötet und einer anschliessenden Dicht- und Festigkeitsprobe unterzogen werden.
Zu den bekanntesten Festkörperlasern zählen heute die Scheiben- und Faserlaser. Durch die Weiterentwicklung im Bereich Prozessoptimierung, Schneidqualität und Wirkungsgrad gewinnen sie immer mehr an Bedeutung und sind dabei, den CO2-Laser zu verdrängen. Heute sind 30 Prozent Wirkungsgrad bei einer Leistung von über 10 kW realisierbar und die Marktanteile gegenüber dem CO2-Laser liegen mittlerweile bei über 60%.
Das menschliche Auge ist für kürzere Wellenlängen anfälliger und die Netzhaut muss entsprechend sorgfältig geschützt werden. Geeignete Schutzkabinen sind so Voraussetzung für den Betrieb dieses Lasertyps. Der ursprüngliche Festkörperlaser für die Materialbearbeitung ist der Nd:YAG-Laser in der Form eines Stabes. Das laseraktive Medium ist hier ein YAG-Kristall, der mit Nd-Ionen dotiert wurde. Nd:YAG-Laser arbeiten bei 1,06 μm Wellenlänge und können sowohl kontinuierlich als auch gepulst betrieben werden.
Mit vier Prozent Wirkungsgrad erreicht der Festkörperlaser in der klassischen Stabform nicht den rund zehnprozentigen Wirkungsgrad des CO2-Lasers. Deswegen konnte er sich in den klassischen 2d-Schneidanwendungen nicht durchsetzen. Daraus resultierte die Entwicklung einer neuen Festkörperbauform: Der Scheibenlaser und der Faserlaser. Beide Bauformen stehen mit hoher Leistung auf dem Markt zur Verfügung. Somit können die wirtschaftlichen und technischen Vorteile des Festkörperlasers für die Materialbearbeitung genutzt werden.
Der Faserlaser verfügte zunächst nur über eine sehr geringe Leistung, die für die branchentypischen Anforderungen ausreichte. Durch Weiterentwicklung und aus der Kopplung der Strahlquellen in Modulbauweise entstanden Hochleistungsfaserlaser mit sehr hohen Wirkungsgraden.
Ein weiterer Laser für die Materialbearbeitung ist der Hochleistungsdiodenlaser (HLDL), dessen Leistungskapazitäten sechs kW und mehr betragen. Besonderer Vorteil des HLDL ist sein sehr hoher Wirkungsgrad von über 40 Prozent. Mit einem deutlich geringeren Bauvolumen sind HLDL-Geräte zudem platzsparender als alle anderen Laser-Typen für die Materialbearbeitung.
Die laufende Optimierung der Strahlqualität erschließt zunehmend das grosse Einsatz-Potenzial: Erfolgreich bewährt hat sich die Technologie beim Kunststoffschweissen sowie beim Laserlöten und -härten. Auch beim Wärmeleitungsschweissen zeigen gute Ergebnisse die Leistungsstärke des Lasers.
Excimer-Laser arbeiten im Pulsbetrieb bei einer mittleren Ausgangsleistung von maximal 200 W. Sie werden vorwiegend zur Fein- und Mikrobearbeitung eingesetzt und können mit verschiedenen Edelgas-Halogen-Gemischen betrieben werden.
Excimere (excited dimers) sind instabile Edelgas-Halogen-Moleküle mit kurzer Lebensdauer, die im Laser erzeugt werden. Dieser emittiert im UV-Wellenlängenbereich zwischen 190 und 350 mm. Der Wirkungsgrad beträgt maximal zwei Prozent. Die Ableitung der Verlustwärme erfolgt ebenfalls durch Gasumwälzung.
In der Laser-Materialbearbeitung werden die hohe Intensität und Bündelungsschärfe der Laserstrahlung zum Schneiden, Bohren, Schweisse, Strukturieren, Beschriften, Oberflächenbehandeln unterschiedlichster Materialien genutzt.
Beim klassischen Laserschneiden wird die Laserstrahlung mit einer Linse oder einem Spiegel auf oder in das zu trennende Werkstück fokussiert.
Je nach eingebrachter Strahlungsenergie schmilzt, verbrennt oder verdampft das Material. Ein koaxial zum Laserstrahl geführter Gasstrom entfernt das Material aus der Schnittfuge. Bei Einsatz inerter Prozessgase spricht man vom Laser-Schmelzschneiden. Das Trennen mit Sauerstoff wird als Laser-Brennschneiden bezeichnet.
Durch veränderbare Parameter, wie Laserleistung, Vorschubgeschwindigkeit, Lage des Fokus, Brennweite der Linse, Art und Druck des Prozessgases kann die Bearbeitung optimiert werden. Schneiden lassen sich alle Materialien, die die Laserstrahlung ausreichend absorbieren.
Beim Laserschneiden hat das Prozessgas die Aufgabe, das zu schneidende Material aus der Schnittfuge des Werkstücks auszublasen. Zudem schützt es die Fokussierlinse vor ausspritzendem Material und aufsteigenden Dämpfen.
Der gesamte Schneidkanal muss beim Laserschmelzschneiden durch den Laserstrahl mindestens auf Schmelztemperatur erwärmt und auf diesem Niveau gehalten sowie durch ein inertes oder reaktionsträges Gas ausgeblasen werden. Durch die fehlende exotherme Reaktion liegen die Schneidgeschwindigkeiten beim Schmelzschneiden niedriger als beim Brennschneiden.
Beim Laserschmelzschneiden von Edelstahl wird Stickstoff 5.0 (99,999 Vol.-%) verwendet, um eine Oxidation der Schnittfuge zu vermeiden. Anlauffarben sind bereits ab einem Sauerstoff-Gehalt von nur 30 ppm im Schneidgas möglich. Der reaktionsträge Stickstoff gewährleistet jedoch eine oxidfreie Schmelze. Das Ergebnis ist eine blanke Schnittfläche, die keine Nacharbeit erfordert.
Beim Laserschmelzschneiden wurde anfänglich mit Drücken von höchstens 8 bar gearbeitet. Mittlerweile erzielt die verbesserte Technologie Drücke von 12 bis 20 bar; deshalb nennt man das Laserschmelzschneiden auch Hochdruckschneiden. Durch die höheren Drücke kann die langsamere Schneidgeschwindigkeit gegenüber dem Brennschneiden teilweise ausgeglichen werden.
Bei sehr dünnen Materialstärken werden sogar fast gleiche Geschwindigkeiten erreicht. Generell steigen beim oxidfreien Schneiden, anders als beim Brennschneiden, benötigter Schneiddruck und Verbrauch mit der Materialstärke. Neben dem Schneiden von Edelstahl wird das Schmelzschneiden auch zum Trennen von Stahl benutzt. Das spart Nachbearbeitungen vor anschließenden Verarbeitungsschritten (z.B. Pulverbeschichtung). Ebenfalls wird Stickstoff zum Schmelzschneiden von Aluminium eingesetzt. Seltener werden Argon oder Helium als Prozessgas verwendet.
Das Laserschweissen ist ein atmosphärisches Schweissverfahren. Es ermöglicht das Punkt- und Nahtschweissen, meist ohne Zusatzmedium. Man unterscheidet zwischen Wärmeleitungsschweissen und Tiefschweissen.
Beim Wärmeleitungsschweissen wird der Laserstrahl durch Wärmeleitung ins Material geführt. So entsteht eine flache, breite Naht. Der Tiefschweisseffekt tritt erst bei größeren Strahlungsintensitäten auf: Der Laserstrahl wird in dem in der Schweissfuge erzeugten Plasma in die Tiefe reflektiert und erzeugt so eine besonders tiefe Schweissnaht. Um die hohe Nahtqualität zu gewährleisten und die Geschwindigkeit zu erhöhen, wird zumeist ein Schutzgas verwendet. Dieses schirmt das Schweissgut von der Umgebungsluft ab und beeinflusst zudem das Schweissplasma positiv.
Prozessgase erfüllen beim Laser-Schweissen zwei wichtige Aufgaben: Zum einen wird das Plasma in der Schweissnaht positiv beeinflusst, zum anderen schützen die Gase das Schweissgut vor unerwünschten Einflüssen der Umgebungsluft. Ideal geeignet sind hierfür Helium und Argon mit Reinheiten ab 4.6 (99,996 Vol.-%).
Der Gasstrom wird direkt auf den Bearbeitungsort gerichtet. Bei zu geringem Gasdruck ist die Schutzgas-Funktion nicht gewährleistet. Bei zu hohem Druck kann die auf die Schmelze wirkende Kraft die Nahtgeometrie unkontrolliert beeinflussen. Das Optimum ist erreicht, wenn sich eine geschlossene Inertgas-Schutzglocke bildet. Die beim Schweissen erzeugten Plasma-Effekte müssen vor allem bei Verwendung des CO2-Lasers über die Wahl der Gasart gesteuert werden. Meist werden die besten Ergebnisse mit Helium erzielt; häufig kommen aber auch Argon und Mischgase zum Einsatz.
Die Laser-Oberflächenbehandlung (Härten, Umschmelzen, Beschichten) ist bisher noch wenig verbreitet. Das Härten erfolgt unterhalb der Schmelztemperatur durch Selbstabschreckung ohne externes Kühlmedium und wird an Teilbereichen komplexer Bauteile eingesetzt. Das Umschmelzen findet oberhalb der Schmelztemperatur statt und wird überwiegend bei Gusswerkstoffen angewandt.
Das Beschichten erfolgt durch Aufbringen des meist pulverförmigen Fremdmaterials oberhalb der Schmelztemperatur. Die Verschleissfestigkeit des bearbeiteten Materials kann so wesentlich erhöht werden.
Die Oberflächenbehandlung mit Laserstrahlung erfordert üblicherweise kein Prozessgas, wenn der Prozess unterhalb des Schmelzpunktes des bearbeiteten Materials abläuft (z.B. beim Laserhärten). Für das Laserumschmelzen und -beschichten werden zur Vermeidung von Reaktionen mit der Umgebungsluft häufig Stickstoff 3.0 (99,9 Vol.-%), aber auch Argon und Helium 4.6 (99,996 Vol.-%) verwendet.
Das Laserbohren ermöglicht Bohrungen mit Durchmessern zwischen etwa 10 μm und 1 mm. Das Verfahren ist zum Herstellen von Düsenbohrungen, Kühlbohrungen, Ölbohrungen für Schmierungszwecke sowie Schrägbohrungen in Luftleitflächen interessant. Auch extrem kleine Bohrungsdurchmesser können realisiert werden.
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