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.StrahlquellenDie 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 AUTORDipl.-Ing. Michael GruppIPG Laser GmbHSiemensstrae 7D-57299 BurbachE-Mail: mgrupp@ipgphotonics.comWeb: www.ipgphotonics.comFaser Laser ModulLDMLDMLDMLDMLDMLDMLDMLDMLDMLDMLDMLDM+ +Faser BlockAktive FaserABBILDUNG 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 STRAHLQUELLEN 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. AnwendungenFaserlaser 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). MikrobearbeitungZum 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 FIRMAIPG Laser GmbHBurbach, NRWDie 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.comMCUMasterControllerPOWER SUPPLYP=800WMCUP=800WMCUBeamCombinerOutputFiber10 200 mIndustrialComputerIndustrialComputerInterBusControllerEthernetModemAnalog Interfaceresponse STRAHLQUELLEN www.laser-journal.de LTJ 43 2006 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 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, die moderne Fhrungsmaschinen oder Industrieroboter erlauben. Mit Faser-lasern ist es nun erstmalig mglich, diese Fhigkeiten auszuschpfen und das Schwei-en auch auf den Dickblechbereich zu er-weitern [1, 2]. Faserlaser sind heute bis zu Leistungen von 20 kW in der Anwendung. Eines der grten Einsatzpotenziale besteht jedoch im Automobilbau im Leistungsbe-reich von 6 bis 8 kW.Wirkt sich im Karosseriebau die Schweige-schwindigkeit aufgrund der oftmals sehr kurzen Nhte nicht wesentlich auf die Takt-zeiten aus, so besteht in der Zulieferindus-trie sehr groes Potenzial, die Produktivitt durch hhere Schweigeschwindigkeiten zu steigern. Nichtlineare Tailored Blanks sind heute bei nahezu allen Automobilher-stellern im Einsatz. Aufgrund der einfachen Strahlfhrung kommen hier mehr und mehr Festkrperlaser zum Einsatz. Bei Schwei-nahtlngen von nicht selten mehr als 1500 mm, wirkt sich eine erhhte Schwei-geschwindigkeit durch hhere Laserleistun-gen bis 8 kW drastisch auf die Taktzeit aus. Neben der besseren Produktivitt spielt auch der Energieeinsatz eine zunehmend wichtigere Rolle. Bei tatschlichen Lasernut-zungszeiten von weit ber 50 % der Taktzeit besteht erhebliches Potenzial zur Energie-einsparung durch den Einsatz von Faserla-sern mit Wirkungsgraden um die 30 %. Im Karosseriebau hingegen liegt das grte Potenzial die Taktzeiten zu verkrzen hauptschlich in der Reduzierung von Ne-benzeiten. Langsame Verfahr- und Positio-nierbewegungen nehmen oftmals 80 % des SchneidenBeim Laserschneiden spielt die Strahlqualitt eine entscheidende Rolle. Daher sind Faserla-ser in allen Leistungsbereichen prdestiniert: Singlemodelaser fr Feinschneidanwendun-gen im sub-mm-Bereich und Multimode-laser fr grere Blechdicken. Fr das Feinschneiden von Bauteilen in der Medizintechnik (z. B. Stents) und der Elektronikindustrie (z. B. Stencils) werden berwiegend Faserlaser mit Leistungen von 50 bis 200 W eingesetzt (Abb. 4). Bei einer Strahlqualitt, die nahezu einem idealen Gauschen Strahl entspricht (M2 < 1,05), lsst sich der Strahl auf Fokusdurchmesser von weniger als 10 m fokussieren, wodurch sich Schnittfugenbreiten von unter 20 m erzielen lassen. Gleichzeitig knnen diese La-ser mit Frequenzen von bis zu 80 kHz modu-liert werden. Hierdurch reduziert sich die Energie- und somit die Wrmeeinbringung in das Bauteil weiter und es knnen extrem feine Strukturen mit minimaler thermischer Deformation und Beeinflussung des Grund-materials erzeugt werden.War das Schneiden mit Festkrperlasern im kW-Bereich bisher fast ausschlielich auf die 3D-Bearbeitung in der Automobil- und Zulieferindustrie beschrnkt, so stt der Faserlaser in Anwendungsfelder der 2D-Blechbearbeitung vor, die bisher eine Domne von CO2-Lasern war. Grnde hier-fr liegen vor allem in den Kosten und in der Strahlqualitt. Hatten Festkrperlaser bisher schlechtere Strahlqualitten und somit schlechtere Fokussiereigenschaften, so er-zielen Faserlaser heute Strahlqualitten, die modernen CO2-Lasern in nichts nachstehen. Zusammen mit der krzeren Wellenlnge, die eine um das vielfache hhere Absorption bewirkt, ergibt sich daraus der Vorteil, dass bei vergleichbaren Fokusgren zwischen CO2- und Faserlasern bei gleicher Leistung deutlich hhere Schnittgeschwindigkeiten Typ (Beispiele) Leistung Strahlqualitt BPPFaserdurchmesserYLR 200SM 200 W 0,35 mm*mrad 7 mYLR 1000SM 1.000 W 0,35 mm*mrad 14 mYLR 4000 4.000 W 1,8 mm*mrad 50 mYLR 10000 10.000 W 8 mm*mrad 150 mYLR 20000 20.000 W 11 mm*mrad 200 mABBILDUNG 4: Beispiele fr Feinschneidanwendungen aus der Mikrobearbeitung: Fr das Feinschnei-den solcher Struklturen werden berwiegend Faserlaser mit Leistungen von 50 bis 200 W eingesetzt.TABELLE 1: Strahlqualitt von Faserlasern am Beispiel verschiedener Leistungsklassen.STRAHLQUELLEN 44 LTJ Mrz 2006 Nr. 2 2006 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim Bearbeitungszyklus in Anspruch. Aufgrund der guten Strahlqualitt bietet der Faserlaser hier die Mglichkeit mit Hilfe langer Brenn-weiten im so genannten Remoteverfahren, diese Nebenzeiten zu reduzieren. Der La-serstrahl wird ber lange Distanzen auf das Werkstck gelenkt. In Abhngigkeit von der Brennweite und dem Verfahren knnen so Positionierbewegungen mit Geschwindig-keiten von mehreren hundert m/min aus-gefhrt werden. Bei einem Strahlparameter-produkt von 1,84,2 mm*mrad lassen sich Brennweiten von 5001500 mm bei Fokus-durchmessern von 0,30,6 mm realisieren. Grundstzlich unterscheidet man zwei Re-moteverfahren: Zum einen das Scanner-schweien, bei dem der Laserstrahl mittels galvanometrisch betriebenen Scannerspie-geln auf dem Werksstck positioniert wird. Zum anderen das so genannte Roboscan-verfahren, bei dem der Laserstrahl direkt von der Fokussieroptik an der Roboterhand-achse auf das Werkstck gelenkt wird. Bei ersterem Verfahren werden blicherweise Brennweiten bis zu 600 mm verwendet. Je nach Hersteller der Optik wird der Abstand zwischen Optik und Werkstck entweder konstant gehalten oder aber eine zustzlich in die Optik integrierte Z-Achse gleicht die Fokuslage aus. Abbildung 6 zeigt eine Scan-neroptik der Firma Highyag Lasertechnologie mit integrierter Fokuslagennachfhrung. Beim Roboscanverfahren fhrt die Hand-achse eines Roboters nur minimale Bewe-gungen aus. Durch die langen Brennweiten werden jedoch auf dem Werkstck grere Verfahr- oder Positionierbewegungen reali-siert [3]. Vorteile dieses Verfahrens sind zum einen der Einsatz einfacherer Optiken und zum anderen die greren Arbeitsab-stnde. Mit diesem von der von Firma KUKA Schweianlagen entwickelten Konzept kann mit einer Variooptik bei konstantem Fokus-durchmesser (z. B. 0,6 mm) der Arbeits-abstand whrend des Prozesses zwischen 600 und 1500 mm variiert werden. Im Bereich der Hoch- und Hchstleistungsla-ser mit 10 kW und mehr bieten sich vor allem im Schiffs- und Pipelinebau neue Mglich-keiten. Faserlaser knnen nachtrglich in bestehende Anlagen integriert werden, wie bei der Firma IMG (Rostock) eindrucksvoll demonstriert werden konnte. Im Hybridver-fahren wurden Paneele aus Schiffbaustahl mit einer Blechdicke von 10 mm nach einer Umrstzeit von nur wenigen Stunden auf einer herkmmlichen MIG/MAG-Paneel-schweianlage ber eine Lnge von 10 m verschweit. Durch die nahezu uneingeschrnkte Mobili-tt und Robustheit eignen sich Faserlaser auch zum Einsatz im Pipelinebau [4, 5]. In einem von der Firma Vietz-Pipeline paten-tierten Verfahren konnte demonstriert werden, wie sich ein Laser mit einer Leistung von 17 kW zum Hybridschweien an Pipe-linerohren einsetzen lsst. Hierbei wurden Blechdicken bis 17 mm in einer Lage orbital geschweit (Abb. 7). Literatur:[1] C. Thomy et al., Schweien mit Hochleis-tungs-Faserlasern, Laser Technik Journal, September 2005, S. 28. [2] C. Thomy et al., Application of High-Power Fibre Lasers in Laser and Laser-MIG Welding of Steel and Aluminium. In: Proc. IIW Annual Assembly Conference, July 10thJuly 16th, 2005, Prague, CZ, S. 8898.[3] P. Rippl, Industrieroboter als sechsach-siger Scanner, Laser Technik Journal, Mrz 2005, S. 31.[4] H. Kohn et al., Neue Entwicklungen beim Laserstrahlschweien von Rohren. In: 2004 Rohrleitungen im Jahr der Technik. Schrif-tenreihe aus dem Inst. fr Rohrleitungsbau Oldenburg. Bd. 28. Essen: Vulkan-Verlag 2004, S. 5074.[5] E. Vietz, Schweiverfahren im weltweiten Pipelinebau, abgestimmt auf die Rohrstahl-qualitt gestern, heute und morgen. In: siehe [4], S. 1429.Edelstahl 1.430102468101214160 2 4 6 8 10 12 14Blechdicke mmSchneidgeschwindigkeitm/min2 kW Faserlaser YLR 2000S4kW CO2-LaserABBILDUNG 5: Vergleich der Schneidleistung eines 2-kW-Faserlasers mit einem 4-kW-CO2-Laser: Im Dnnblechbereich bis 3 mm Blechdicke kann der Faserlaser mit halber Laserleistung deutlich hhere Schneidgeschwindigkeiten erzielen.ABBILDUNG 6: Die Scanneroptik der Firma Highyag Laser technologie besitzt eine integrierter Fokuslagennachfhrung. Der Roboter fhrt nur eine grobe Verfahrbewegung aus Genaupositionierung und Schwei-vorschub bernimmt der Scanner.ABBILDUNG 7: Faserlaser eignen sich auch zum Hybrid-schweien an Pipelinerohren. Im Bild der Querschliff eines I-Stoes an X70-Pipelinestahl: t=11,2 mm (YLR-17000), PL=16,7 kW, vW=3,8 m/min. (Quelle: BIAS GmbH) /ColorImageDict > /JPEG2000ColorACSImageDict > /JPEG2000ColorImageDict > /AntiAliasGrayImages false /CropGrayImages true /GrayImageMinResolution 150 /GrayImageMinResolutionPolicy /Warning /DownsampleGrayImages true /GrayImageDownsampleType /Bicubic /GrayImageResolution 150 /GrayImageDepth -1 /GrayImageMinDownsampleDepth 2 /GrayImageDownsampleThreshold 1.50000 /EncodeGrayImages true /GrayImageFilter /DCTEncode /AutoFilterGrayImages false /GrayImageAutoFilterStrategy /JPEG /GrayACSImageDict > /GrayImageDict > /JPEG2000GrayACSImageDict > /JPEG2000GrayImageDict > /AntiAliasMonoImages false /CropMonoImages true /MonoImageMinResolution 300 /MonoImageMinResolutionPolicy /Warning /DownsampleMonoImages true /MonoImageDownsampleType /Bicubic /MonoImageResolution 1200 /MonoImageDepth -1 /MonoImageDownsampleThreshold 1.50000 /EncodeMonoImages true /MonoImageFilter /CCITTFaxEncode /MonoImageDict > /AllowPSXObjects false /CheckCompliance [ /None ] /PDFX1aCheck false /PDFX3Check true /PDFXCompliantPDFOnly true /PDFXNoTrimBoxError false /PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 ] /PDFXSetBleedBoxToMediaBox true /PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 ] /PDFXOutputIntentProfile (None) /PDFXOutputConditionIdentifier () /PDFXOutputCondition (ISO Coated \050Prozess-Standard Offset, gestrichenes Papier, 60 L/cm, ISO 12647-2:2004\051) /PDFXRegistryName () /PDFXTrapped /False /Description > /Namespace [ (Adobe) (Common) (1.0) ] /OtherNamespaces [ > /FormElements false /GenerateStructure false /IncludeBookmarks false /IncludeHyperlinks false /IncludeInteractive false /IncludeLayers false /IncludeProfiles true /MultimediaHandling /UseObjectSettings /Namespace [ (Adobe) (CreativeSuite) (2.0) ] /PDFXOutputIntentProfileSelector /DocumentCMYK /PreserveEditing true /UntaggedCMYKHandling /UseDocumentProfile /UntaggedRGBHandling /UseDocumentProfile /UseDocumentBleed false >> ]>> setdistillerparams> setpagedevice

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