Der Faserlaser als Werkzeug in der Materialbearbeitung – Effizient, brillant und wirtschaftlich

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  • STRAHLQUELLEN

    www.laser-journal.de LTJ 41 2006 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

    Der Faserlaser als Werkzeug in der MaterialbearbeitungEffizient, brillant und wirtschaftlich

    Kein anderer Lasertyp hat sich in der noch jungen Geschichte der Lasermateri-albearbeitung so schnell in der Industrie etabliert wie der Faserlaser. Vorteile in Be-zug auf Strahlqualitt, Leistung, Effizienz und Zuverlssigkeit haben seinen Sieges-zug ermglicht. Aus der Mikrotechnolo-gie und der Druckindustrie ist der Faserla-ser heute nicht mehr wegzudenken. Als Hochleistungslaser setzt er sich immer mehr bei Schwei- und Schneidanwen-dungen durch.

    Faserlaser haben sich innerhalb krzester Zeit in der Metallbearbeitung, der Drucktechnik und der Medizintechnik etabliert. Grnde dafr waren die rasante Entwicklung und die einzigartigen Eigenschaften: hohe Strahl-qualitt, hoher Wirkungsgrad, Robustheit, Kompaktheit und einfache Leistungss-kalierung durch modularen Aufbau. Ins-besondere in der Materialbearbeitung erffnen sich durch diese Eigenschaften neue Anwendungsfelder oder lassen sich die Grenzen in Bezug auf Prozessge-schwindigkeiten und Werkstoffe deut-lich erweitern. Speziell in der Blechbearbei-tung kann die hohe Strahlqualitt direkt in Produktivitt umgesetzt werden. Zum einen beim Schneiden mit bisher unerreichten Schnittgeschwindigkeiten bei gleichzeitig minimaler Schnittfugenbreite und zum an-deren beim Schweien, wo sich durch den Einsatz langer Brennweiten in der Remote-Technologie die Nebenzeiten durch schnelle Positionierbewegungen verkrzen lassen. In Anwendungen, in denen die Strahlqualitt nicht die entscheidende Rolle spielt, ber-zeugt die Wirtschaftlichkeit der Systeme.

    Strahlquellen

    Die IPG Laser GmbH, eine Tochtergesell-schaft der IPG Photonics (USA), bietet heute mehr als 400 verschiedene Lasertypen an. Diese unterscheiden sich in Laserleistun-

    MICHAEL GRUPPMichael Grupp studierte Maschinenwesen an der Universitt Stuttgart mit Schwerpunkt in der La-sermaterialbearbeitung. Nach dem Diplom war er als Wissenschaft-licher Mitarbeiter am Bremer Institut fr an-gewandte Strahltechnik (BIAS) in der Abtei-lung Materialbearbeitung in den Bereichen Schweien und Oberflchentechnik ttig. Seit 2005 ist er bei IPG Laser GmbH fr das Applikations- und Demonstrationszentrum verantwortlich.

    DER AUTOR

    Dipl.-Ing. Michael Grupp

    IPG Laser GmbHSiemensstrae 7

    D-57299 BurbachE-Mail: mgrupp@ipgphotonics.com

    Web: www.ipgphotonics.com

    Faser Laser Modul

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    Faser Block

    Aktive Faser

    ABBILDUNG 1: Das Prinzip eines Faserlaser-Moduls: Eine aktive Faser wird mittels Hochleistungs-laserdioden gepumpt.

    gen, Wellenlngen, Betriebsart (cw oder gepulst), Mode (Singlemode und Multi-mode), Polarisation, Linienbreite und weit-eren physikalisch-optischen Eigenschaften. Der Schwerpunkt liegt jedoch auf Single- und Multimodelasern auf Basis aktiver Ytter-bium-dotierter Fasern bei einer Wellenlnge von 1070 nm. Abbildung 1 zeigt das Prinzip eines Singlemodemoduls, das entweder di-rekt als Basis eines Singlemodelasers oder als Komponente eines Multimodelasers dient. Eine aktive Faser wird mittels fasergekoppel-ter Einzelemitterdioden gepumpt. IPG setzt seit jeher aufgrund der lngeren Lebens-dauer von Einzelemittern auf das Pumpen mit einer Vielzahl dieser in der Telekommu-nikations-technik etablierten Laserdioden. Zum Aufbau von Hochleistungs-Multimode-Faserlasern werden mehrere Singlemode-module miteinander gekoppelt und in eine Multimodefaser mit Durchmessern von 50, 100 oder 200 m eingekoppelt (Abb. 2). Dieses direkte Einkoppeln, ohne optische

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    42 LTJ Mrz 2006 Nr. 2 2006 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

    Komponenten wie Spiegel und Linsen, sorgt dafr, dass Multimodelaser eine robuste monolithische Einheit bilden, die keine Justage erfordern. Der hohe Pumpwirkungsgrad zusammen mit dem hohen Wirkungsgrad der Laser-dioden beschert Faserlasern eine unver-gleichbar hohe Gesamteffizienz von rund 30 %. Dies ermglicht den Einsatz von kleinen Khlern oder aber bis zu einer gewissen Leistung eine vollstndige Luft-khlung des Gesamtsystems.

    Systemtechnik

    Aufgrund der guten Strahlqualitt kann der Faserlaser fr unterschiedlichste Auf-gaben eingesetzt werden. Nicht zuletzt durch die Kombination des Lasers mit ex-ternen optischen Komponenten kann der Laserstrahl einer Quelle der jeweiligen Bearbeitungsaufgabe angepasst werden. Durch Faser-Faser-Koppler oder Strahl-weichen wird die Strahlqualitt am Werk-stck zwar geringfgig verringert, sie liegt aber trotzdem ber der von diodenge-pumpten Stab- oder Scheibenlasern mit vergleichbarer Leistung. Bei bergang von einer Faser mit Durchmesser 50 m auf 100 m verndert sich die Strahlqualitt z. B. von 1,8 mm*mrad auf unter 3 mm*mrad, bei 100 m auf 150 m von 4,2 mm*mrad auf unter 6 mm*mrad. Durch Verndern des Faserdurchmessers der Sekundr- oder Pro-zessfaser kann man Strahldurchmesser und -qualitt variabel an die Aufgabe anpassen. Der Einsatz externer optischer Kompo-

    nenten, wie Strahlweichen oder Faser-Faser-Kopplern, ermglicht es dem Kunden, ein System nach seinen Anforderungen zu ge-stalten. Die Laserquelle kann so fernab des Prozesses platziert werden, wo Strom und Khlwasser bereits vorhanden sind. Die Strahlweiche dagegen lsst sich in der Nhe des Prozesses oder der Laserzellen instal-lieren, sodass im Falle einer Beschdigung einer Prozessfaser diese kurze Faser schnell getauscht werden kann und somit gerin-gere Kosten entstehen. Weiterer Vorteil die-ser flexiblen Konfiguration ist die Schaffung von Redundanzkonzepten zur Steigerung der Prozesssicherheit. Neben redundan-ten Prozessfasern aus einer Strahlweiche kann durch einfaches Umstecken der so genannten Feedingfaser (Primrfaser des Lasers) schnell ein Redundanzlaser auf die bereits installierte Strahlweiche geschaltet werden ohne die komplette Zelleninstalla-tion umzursten.

    Anwendungen

    Faserlaser werden heute in nahezu allen Industriezweigen eingesetzt. Die Mikroma-terialbearbeitung ist heute vielfach ohne Fa-serlaser nicht mehr denkbar. Schwerpunkte hierbei liegen in den Bereichen Markieren/Gravieren, Rapid Prototyping und Fein-schneiden. In der Blechbearbeitung bietet vor allem das Schneiden die grten Po-tenziale fr Faserlaser. Multikilowatt-Laser werden heute erfolgreich zum Schweien, Schneiden, Auftragsschweien und dem Re-motewelding eingesetzt (Abb. 3).

    Mikrobearbeitung

    Zum Markieren und Gravieren werden ber-wiegend gepulste Faserlaser eingesetzt. Mit Pulsenergien von 0,5 bis 2 mJ bei Pulsdau-ern von 30 bis 100 ns werden fr Faserlaser ungewhnlich hohe Pulsspitzenleistungen erreicht. Spezielle Fasern und innovative Laseraufbauten machen dies mglich. Ne-ben Metallen wie Stahl, Aluminium, Titan, Kupfer oder Bronze, die berwiegend mit Ytterbium Faserlasern bearbeitet werden, knnen auch verschiedenste Kunststoffe mit Thuliumlasern bei einer Wellenlnge von rund 2 m bearbeitet werden. Beim Rapid Prototyping ermglichen Faser-laser das Generieren feinster Strukturen aus metallischen Pulverwerkstoffen mit sehr ho-hen Aufbauraten. Hierbei bestimmen Faser-laser aufgrund der guten Strahlqualitt nicht nur die Genauigkeit der Bauteile sondern ermglichen auch eine Maximierung des Bauraumes durch den Einsatz sehr langer Brennweiten.

    DIE FIRMA

    IPG Laser GmbHBurbach, NRW

    Die IPG Laser GmbH ist eine Tochter der IPG Photonics Corp. (Oxford, MA, USA), dem weltweit fhrenden Hersteller von Faserlasern und Faserverstrkern. IPG La-ser entwickelt und produziert in Deutsch-land mit rund 350 Mitarbeitern nahezu 400 verschiedene Lasertypen fr die Mikro- und Makromaterialbearbeitung, Drucktechnik, Medizintechnik und For-schung und Entwicklung. IPG Photonics ist in den USA, Deutschland, England, Ita-lien, Russland, Japan, Indien und Sdko-rea mit Produktions- oder Vertriebs- und Serviceniederlassungen vertreten. Wei-tere Infos unter: www.ipgphotonics.com

    MCUM

    aste

    rC

    ontr

    olle

    r

    POWER SUPPLY

    P=800WMCU

    P=800WMCU

    Beam

    Combiner

    OutputFiber

    10 200 mIndustrialComputer

    IndustrialComputer

    InterBusController

    Ethernet

    Modem

    Analog Interfaceresponse

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    erzielt werden knnen. Anders herum heit das, dass, um vergleichbare Schneidleis-tungen zu erzielen, weniger Laserleistung erforderlich ist. Hierdurch wird der Kosten-vorteil von CO2-Lasern pro Kilowatt Laser-leistung in der Anschaffung mehr als aus-geglichen. Im Dnnblechbereich bis 3 mm Blechdicke kann der Faserlaser mit halber Laserleistung deutlich hhere Schneidge-schwindigkeiten erzielen als der CO2-Laser (Abb. 5). Fr grere Blechdicken sind die Schneidleistungen vergleichbar. Ein weiterer Vorteil fr den Faserlaser in 2D-Flachbettschneidanlagen liegt in der vereinfachten Strahlfhrung. Ist es bei CO2-Schneidanlagen mit Fliegender Optik auf-grund der sich ndernden Strahlweglngen notwendig, den Abstand der Strahltaille des Rohstrahls zur Fokussieroptik immer kon-stant zu halten, so ist dies bei Faserlasern aufgrund der Strahlfhrung ber Lichtleit-fasern nicht notwendig. Hierdurch reduziert sich der gesamte optische Aufbau auf die Fokussieroptik. Dies verringert zum einen die Kosten fr den Anlagenbau, zum an-deren wirkt es sich auch positiv auf die Dy-namik der Maschinen aus, da die bewegte Masse kleiner ist.

    SchweienDas Schweien mit Festkrperlasern war bisher aufgrund der begrenzten Leistung von maximal 4 kW und der schlechten Strahlqualitt auf den Dnnblechbereich beschrnkt. Jedoch begrenzte auch hier die verfgbare Leistung die Schweigeschwin-digkeiten