STRAHLQUELLEN

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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 Strahlqualität, Leistung, Effizienz und Zuverlässigkeit haben seinen „Sieges-zug“ ermöglicht. Aus der Mikrotechnolo-gie und der Druckindustrie ist der Faserla-ser heute nicht mehr wegzudenken. Als Hochleistungslaser setzt er sich immer mehr bei Schweiß- und Schneidanwen-dungen durch.

Faserlaser haben sich innerhalb kürzester Zeit in der Metallbearbeitung, der Drucktechnik und der Medizintechnik etabliert. Gründe dafür waren die rasante Entwicklung und die einzigartigen Eigenschaften: hohe Strahl-qualität, hoher Wirkungsgrad, Robustheit, Kompaktheit und einfache Leistungss-kalierung durch modularen Aufbau. Ins-besondere in der Materialbearbeitung eröffnen 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 Strahlqualität direkt in Produktivität umgesetzt werden. Zum einen beim Schneiden mit bisher unerreichten Schnittgeschwindigkeiten bei gleichzeitig minimaler Schnittfugenbreite und zum an-deren beim Schweißen, wo sich durch den Einsatz langer Brennweiten in der Remote-Technologie die Nebenzeiten durch schnelle Positionierbewegungen verkürzen lassen. In Anwendungen, in denen die Strahlqualität nicht die entscheidende Rolle spielt, über-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 Universität Stuttgart mit Schwerpunkt in der La-sermaterialbearbeitung. Nach dem Diplom war er als Wissenschaft-licher Mitarbeiter am Bremer Institut für an-gewandte Strahltechnik (BIAS) in der Abtei-lung Materialbearbeitung in den Bereichen Schweißen und Oberflächentechnik tätig. Seit 2005 ist er bei IPG Laser GmbH für das Applikations- und Demonstrationszentrum verantwortlich.

DER AUTOR

●●Dipl.-Ing. Michael Grupp

IPG Laser GmbHSiemensstraße 7

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

Web: www.ipgphotonics.com

Faser Laser Modul

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Faser Block

Aktive Faser

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

gen, Wellenlängen, 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 Wellenlänge 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 längeren 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 µm eingekoppelt (Abb. 2). Dieses direkte Einkoppeln, ohne optische

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Komponenten wie Spiegel und Linsen, sorgt dafür, 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 ermöglicht den Einsatz von kleinen Kühlern oder aber – bis zu einer gewissen Leistung – eine vollständige Luft-kühlung des Gesamtsystems.

Systemtechnik

Aufgrund der guten Strahlqualität kann der Faserlaser für 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 Strahlqualität am Werk-stück zwar geringfügig verringert, sie liegt aber trotzdem über der von diodenge-pumpten Stab- oder Scheibenlasern mit vergleichbarer Leistung. Bei Übergang von einer Faser mit Durchmesser 50 µm auf 100 µm verändert sich die Strahlqualität z. B. von 1,8 mm*mrad auf unter 3 mm*mrad, bei 100 µm auf 150 µm von 4,2 mm*mrad auf unter 6 mm*mrad. Durch Verändern des Faserdurchmessers der Sekundär- oder Pro-zessfaser kann man Strahldurchmesser und -qualität variabel an die Aufgabe anpassen. Der Einsatz externer optischer Kompo-

nenten, wie Strahlweichen oder Faser-Faser-Kopplern, ermöglicht es dem Kunden, ein System nach seinen Anforderungen zu ge-stalten. Die Laserquelle kann so fernab des Prozesses platziert werden, wo Strom und Kühlwasser bereits vorhanden sind. Die Strahlweiche dagegen lässt sich in der Nähe des Prozesses oder der Laserzellen instal-lieren, sodass im Falle einer Beschädigung 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 (Primärfaser des Lasers) schnell ein Redundanzlaser auf die bereits installierte Strahlweiche geschaltet werden ohne die komplette Zelleninstalla-tion umzurüsten.

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 größten Po-tenziale für Faserlaser. Multikilowatt-Laser werden heute erfolgreich zum Schweißen, Schneiden, Auftragsschweißen und dem Re-motewelding eingesetzt (Abb. 3).

Mikrobearbeitung

Zum Markieren und Gravieren werden über-wiegend gepulste Faserlaser eingesetzt. Mit Pulsenergien von 0,5 bis 2 mJ bei Pulsdau-ern von 30 bis 100 ns werden für Faserlaser ungewöhnlich hohe Pulsspitzenleistungen erreicht. Spezielle Fasern und innovative Laseraufbauten machen dies möglich. Ne-ben Metallen wie Stahl, Aluminium, Titan, Kupfer oder Bronze, die überwiegend mit Ytterbium Faserlasern bearbeitet werden, können auch verschiedenste Kunststoffe mit Thuliumlasern bei einer Wellenlänge von rund 2 µm bearbeitet werden. Beim Rapid Prototyping ermöglichen Faser-laser das Generieren feinster Strukturen aus metallischen Pulverwerkstoffen mit sehr ho-hen Aufbauraten. Hierbei bestimmen Faser-laser aufgrund der guten Strahlqualität nicht nur die Genauigkeit der Bauteile sondern ermöglichen 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 führenden Hersteller von Faserlasern und Faserverstärkern. IPG La-ser entwickelt und produziert in Deutsch-land mit rund 350 Mitarbeitern nahezu 400 verschiedene Lasertypen für 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 Südko-rea mit Produktions- oder Vertriebs- und Serviceniederlassungen vertreten. Wei-tere Infos unter: www.ipgphotonics.com

MCUM

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POWER SUPPLY

P=800WMCU

P=800WMCU

Beam

Combiner

OutputFiber

10 – 200 mIndustrialComputer

IndustrialComputer

InterBusController

Ethernet

Modem

Analog Interfaceresponse <50 sec

Gateway

RS – 232

P=800WMCU

P=800W

Optical Head

ABBILDUNG 2: Das Prinzip eines Multimodelasers: Beim Hochleistungs-Multimode-Faserlaser werden mehrere Singlemodemodule miteinander gekoppelt und in eine Multimodefaser einge-koppelt.

ABBILDUNG 3: Industrielle Strahlquellen von 1 bis 5 kW Ausgangsleistung.

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erzielt werden können. Anders herum heißt 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 Dünnblechbereich bis 3 mm Blechdicke kann der Faserlaser mit halber Laserleistung deutlich höhere Schneidge-schwindigkeiten erzielen als der CO2-Laser (Abb. 5). Für größere Blechdicken sind die Schneidleistungen vergleichbar. Ein weiterer Vorteil für den Faserlaser in 2D-Flachbettschneidanlagen liegt in der vereinfachten Strahlführung. Ist es bei CO2-Schneidanlagen mit „Fliegender Optik“ auf-grund der sich ändernden Strahlweglängen notwendig, den Abstand der Strahltaille des Rohstrahls zur Fokussieroptik immer kon-stant zu halten, so ist dies bei Faserlasern aufgrund der Strahlführung über Lichtleit-fasern nicht notwendig. Hierdurch reduziert sich der gesamte optische Aufbau auf die Fokussieroptik. Dies verringert zum einen die Kosten für den Anlagenbau, zum an-deren wirkt es sich auch positiv auf die Dy-namik der Maschinen aus, da die bewegte Masse kleiner ist.

SchweißenDas Schweißen mit Festkörperlasern war bisher aufgrund der begrenzten Leistung von maximal 4 kW und der schlechten Strahlqualität auf den Dünnblechbereich beschränkt. Jedoch begrenzte auch hier die verfügbare Leistung die Schweißgeschwin-digkeiten, die moderne Führungsmaschinen oder Industrieroboter erlauben. Mit Faser-lasern ist es nun erstmalig möglich, diese Fähigkeiten auszuschöpfen und das Schwei-ßen auch auf den Dickblechbereich zu er-weitern [1, 2]. Faserlaser sind heute bis zu Leistungen von 20 kW in der Anwendung. Eines der größten Einsatzpotenziale besteht jedoch im Automobilbau im Leistungsbe-reich von 6 bis 8 kW.Wirkt sich im Karosseriebau die Schweißge-schwindigkeit aufgrund der oftmals sehr kurzen Nähte nicht wesentlich auf die Takt-zeiten aus, so besteht in der Zulieferindus-trie sehr großes Potenzial, die Produktivität durch höhere Schweißgeschwindigkeiten zu steigern. Nichtlineare Tailored Blanks sind heute bei nahezu allen Automobilher-stellern im Einsatz. Aufgrund der einfachen Strahlführung kommen hier mehr und mehr Festkörperlaser zum Einsatz. Bei Schweiß-nahtlängen von nicht selten mehr als 1500 mm, wirkt sich eine erhöhte Schweiß-geschwindigkeit durch höhere Laserleistun-gen bis 8 kW drastisch auf die Taktzeit aus. Neben der besseren Produktivität spielt auch der Energieeinsatz eine zunehmend wichtigere Rolle. Bei tatsächlichen Lasernut-zungszeiten von weit über 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 größte Potenzial die Taktzeiten zu verkürzen hauptsächlich in der Reduzierung von Ne-benzeiten. Langsame Verfahr- und Positio-nierbewegungen nehmen oftmals 80 % des

SchneidenBeim Laserschneiden spielt die Strahlqualität eine entscheidende Rolle. Daher sind Faserla-ser in allen Leistungsbereichen prädestiniert: Singlemodelaser für Feinschneidanwendun-gen im sub-mm-Bereich und Multimode-laser für größere Blechdicken. Für das Feinschneiden von Bauteilen in der Medizintechnik (z. B. Stents) und der Elektronikindustrie (z. B. Stencils) werden überwiegend Faserlaser mit Leistungen von 50 bis 200 W eingesetzt (Abb. 4). Bei einer Strahlqualität, die nahezu einem idealen Gaußschen Strahl entspricht (M2 < 1,05), lässt sich der Strahl auf Fokusdurchmesser von weniger als 10 µm fokussieren, wodurch sich Schnittfugenbreiten von unter 20 µm erzielen lassen. Gleichzeitig können diese La-ser mit Frequenzen von bis zu 80 kHz modu-liert werden. Hierdurch reduziert sich die Energie- und somit die Wärmeeinbringung in das Bauteil weiter und es können extrem feine Strukturen mit minimaler thermischer Deformation und Beeinflussung des Grund-materials erzeugt werden.War das Schneiden mit Festkörperlasern im kW-Bereich bisher fast ausschließlich auf die 3D-Bearbeitung in der Automobil- und Zulieferindustrie beschränkt, so stößt der Faserlaser in Anwendungsfelder der 2D-Blechbearbeitung vor, die bisher eine Domäne von CO2-Lasern war. Gründe hier-für liegen vor allem in den Kosten und in der Strahlqualität. Hatten Festkörperlaser bisher schlechtere Strahlqualitäten und somit schlechtere Fokussiereigenschaften, so er-zielen Faserlaser heute Strahlqualitäten, die modernen CO2-Lasern in nichts nachstehen. Zusammen mit der kürzeren Wellenlänge, die eine um das vielfache höhere Absorption bewirkt, ergibt sich daraus der Vorteil, dass bei vergleichbaren Fokusgrößen zwischen CO2- und Faserlasern bei gleicher Leistung deutlich höhere Schnittgeschwindigkeiten

Typ (Beispiele) Leistung Strahlqualität

BPPFaserdurchmesser

YLR 200SM 200 W 0,35 mm*mrad 7 µm

YLR 1000SM 1.000 W 0,35 mm*mrad 14 µm

YLR 4000 4.000 W 1,8 mm*mrad 50 µm

YLR 10000 10.000 W 8 mm*mrad 150 µm

YLR 20000 20.000 W 11 mm*mrad 200 µm

ABBILDUNG 4: Beispiele für Feinschneidanwendungen aus der Mikrobearbeitung: Für das Feinschnei-den solcher Struklturen werden überwiegend Faserlaser mit Leistungen von 50 bis 200 W eingesetzt.

TABELLE 1: Strahlqualität von Faserlasern am Beispiel verschiedener Leistungsklassen.

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Bearbeitungszyklus in Anspruch. Aufgrund der guten Strahlqualität bietet der Faserlaser hier die Möglichkeit mit Hilfe langer Brenn-weiten im so genannten Remoteverfahren, diese Nebenzeiten zu reduzieren. Der La-serstrahl wird über lange Distanzen auf das Werkstück gelenkt. In Abhängigkeit von der Brennweite und dem Verfahren können so Positionierbewegungen mit Geschwindig-keiten von mehreren hundert m/min aus-geführt werden. Bei einem Strahlparameter-produkt von 1,8–4,2 mm*mrad lassen sich

Brennweiten von 500–1500 mm bei Fokus-durchmessern von 0,3–0,6 mm realisieren. Grundsätzlich unterscheidet man zwei Re-moteverfahren: Zum einen das Scanner-schweißen, bei dem der Laserstrahl mittels galvanometrisch betriebenen Scannerspie-geln auf dem Werksstück positioniert wird. Zum anderen das so genannte Roboscan-verfahren, bei dem der Laserstrahl direkt von der Fokussieroptik an der Roboterhand-achse auf das Werkstück gelenkt wird. Bei ersterem Verfahren werden üblicherweise Brennweiten bis zu 600 mm verwendet. Je nach Hersteller der Optik wird der Abstand zwischen Optik und Werkstück entweder konstant gehalten oder aber eine zusätzlich in die Optik integrierte Z-Achse gleicht die Fokuslage aus. Abbildung 6 zeigt eine Scan-neroptik der Firma Highyag Lasertechnologie mit integrierter Fokuslagennachführung.

Beim Roboscanverfahren führt die Hand-achse eines Roboters nur minimale Bewe-gungen aus. Durch die langen Brennweiten werden jedoch auf dem Werkstück größere Verfahr- oder Positionierbewegungen reali-siert [3]. Vorteile dieses Verfahrens sind zum einen der Einsatz einfacherer Optiken und zum anderen die größeren Arbeitsab-stände. Mit diesem von der von Firma KUKA Schweißanlagen entwickelten Konzept kann mit einer Variooptik bei konstantem Fokus-durchmesser (z. B. 0,6 mm) der Arbeits-abstand während des Prozesses zwischen 600 und 1500 mm variiert werden. Im Bereich der Hoch- und Höchstleistungsla-ser mit 10 kW und mehr bieten sich vor allem im Schiffs- und Pipelinebau neue Möglich-keiten. Faserlaser können nachträglich 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 Umrüstzeit von nur wenigen Stunden auf einer herkömmlichen MIG/MAG-Paneel-schweißanlage über eine Länge von 10 m verschweißt. Durch die nahezu uneingeschränkte Mobili-tät 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 Hybridschweißen an Pipe-linerohren einsetzen lässt. Hierbei wurden Blechdicken bis 17 mm in einer Lage orbital geschweißt (Abb. 7).

Literatur:[1] C. Thomy et al., Schweißen 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 10th–July 16th, 2005, Prague, CZ, S. 88–98.[3] P. Rippl, Industrieroboter als sechsach-siger Scanner, Laser Technik Journal, März 2005, S. 31.[4] H. Kohn et al., Neue Entwicklungen beim Laserstrahlschweißen von Rohren. In: 2004 – Rohrleitungen im Jahr der Technik. Schrif-tenreihe aus dem Inst. für Rohrleitungsbau Oldenburg. Bd. 28. Essen: Vulkan-Verlag 2004, S. 50–74.[5] E. Vietz, Schweißverfahren im weltweiten Pipelinebau, abgestimmt auf die Rohrstahl-qualität – gestern, heute und morgen. In: siehe [4], S. 14–29.

Edelstahl 1.4301

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2 kW Faserlaser YLR 2000S

4kW CO2-Laser

ABBILDUNG 5: Vergleich der Schneidleistung eines 2-kW-Faserlasers mit einem 4-kW-CO2-Laser: Im Dünnblechbereich bis 3 mm Blechdicke kann der Faserlaser mit halber Laserleistung deutlich höhere Schneidgeschwindigkeiten erzielen.

ABBILDUNG 6: Die Scanneroptik der Firma Highyag Laser technologie besitzt eine integrierter Fokuslagennachführung. Der Roboter führt nur eine grobe Verfahrbewegung aus – Genaupositionierung und Schweiß-vorschub übernimmt der Scanner.

ABBILDUNG 7: Faserlaser eignen sich auch zum Hybrid-schweißen an Pipelinerohren. Im Bild der Querschliff eines I-Stoßes an X70-Pipelinestahl: t=11,2 mm (YLR-17000), PL=16,7 kW, vW=3,8 m/min. (Quelle: BIAS GmbH)