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Materialbearbeitung und Industrielle Anwendungen

 

Jedes Material - Jedes Verfahren

Seit seiner Gründung im Jahr 1966 nimmt Coherent eine Vorreiterrolle im Bereich der Materialverarbeitungsanwendungen ein. Schon mit seinem ersten Produkt, dem CO2-Laser, bediente Coherent eine Vielzahl von Anwendungen und tut das bis heute mit dem größten Produktportfolio auf dem Markt - Leistungsniveaus von wenigen mW bis hin zu vielen kW, Pulsdauern im Femtosekundenbereich bis hin zu Dauerstrichlasern und Laser-Wellenlängen von 193 nm bis 10,6 µm.
Auf dem Materialverarbeitungsmarkt spezialisiert sich Coherent auf Anwendungen für das Laserschneiden, -konfektionieren, -schweißen, -beschriften und -gravieren, die Oberflächenbehandlung das das Rapid Prototyping.


Schneiden

Das Laserschneiden ist ein ausgereifter industrieller Prozess, der ein hohes Maß an Flexibilität und kontakt- und belastungsfreie Verfahren bietet, mit denen sich Teile direkt vom Werkzeug aus fertigen lassen. Das Laserschneiden ist sehr präzise, bietet eine ausgezeichnete Formstabilität, beansprucht thermisch nur eine sehr kleine Fläche und liefert schmale Einschnitte. Je nach Art des Materials, das geschnitten werden soll, kommen verschiedene Technologien zum Einsatz. In den Beschreibungen unterscheiden wir zwischen Metall- und Nichtmetall-Schneiden. Typische Metalle sind etwa Edelstahl, unlegierter (Kohlenstoff-) Stahl, Aluminium, Messing und Kupfer. Nichtmetalle sind unter anderem Kunststoff, Keramik, faserverstärkte Materialien und organische Stoffe wie Leder, Gewebe, Papier, Holz und Anderes.


Schweißen

Das Laserschweißen ist eines von vielen Verfahren zur Verbindung von Materialien. Die Hauptvorteile des Lasereinsatzes für dieses Verfahren sind die hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit und die Verschleißfreiheit, da es sich um einen kontaktlosen Prozess handelt. Bei diesem Verfahren werden nur kleine Bereiche thermisch belastet, es kommt kaum zu Verformungen und die Schweißnähte sind äußerst klein, sodass nur sehr wenig Nachbearbeitung erforderlich ist. Durch einen hohen Grad an Automatisierung einschließlich Prozessüberwachung, -kontrolle und -dokumentation lassen sich eine hohe Produktqualität und wiederholbare Ergebnisse gewährleisten. Die Prozessgeschwindigkeit hängt von dem eingesetzten Lasertyp sowie dessen Leistung, der Materialart und der Schweißgeometrie ab. Eine Vielzahl an Materialien unterschiedlicher Stärke kann mit verschiedenen Methoden geschweißt werden. In der Regel lassen sich alle Materialien, die mit konventionellen Methoden geschweißt werden können, auch mit dem Laser schweißen. Dies gilt beispielsweise für Stahl- und Aluminiumteile, aber auch für Kupfer, das in der Elektronikindustrie zum Einsatz kommt. Beim Laserschweißen von Metall wird zwischen dem Schlüsselloch-Schweißen und dem Wärmeleitungsschweißen unterschieden. Verschiedene Kunststoffe lassen sich mithilfe eines Diodenlasers schweißen.


Konfektionieren

Viele Materialien wie Gewebe, Kunststofffolien und Papier werden auf Rollen gewickelt im laufenden Produktionsprozess bearbeitet. Solche Anwendungen sind etwa im Medizin- und Lebensmittelbereich bei der Fertigung von Beuteln für Suppen, Kaffee oder Getränke, aber auch in Digitaldruckanlagen oder Produktionslinien für Schleifpapier zu finden. In solchen Konfektionierungsanlagen sind Laser ein bewährtes Werkzeug. Typische Anwendungen sind Schneiden (einschließlich Kiss-Cut), Einkerben und Bohren. In einem Beispiel wird das Material in der Laufrichtung der Materialbahn bzw. in einer „Down-Web“-Anwendung bearbeitet. In diesem Fall wird der Laserstrahl mithilfe einer optischen Fixierung auf die Materialbahn ausgerichtet, während sich diese darunter bewegt, sodass das Material auf die richtige Länge zugeschnitten werden kann. In einem anderen Beispiel wird das Material senkrecht zur Laufrichtung der Materialbahn bearbeitet. Dies wird als „Cross-Web“-Anwendung bezeichnet. Ein galvanometrischer Scanner führt den Laser über das Material und gleicht mithilfe eines Geschwindigkeitssensors gleichzeitig die Laufgeschwindigkeit der Bahn aus. In den meisten Fällen wird ein CO2-Laser eingesetzt, der eine Wellenlänge von 10,6 µm oder 10,2 µm (ideal für die Verarbeitung von PP) aussendet, da meist organische Materialien und Kunststoffe verarbeitet werden. Diese Wellenlänge ist für die meisten Materialien sehr gut geeignet. In einigen besonderen Fällen, etwa im medizinischen Bereich, kommen UV-Laser zum Einsatz. Coherent bedient dieses Marktsegment mit seinen CO2-Lasern der DIAMOND C- und E-Serie und UV-Lasern der Reihe AVIA.

Typische Beispiele für Laserverfahren zur Konfektionierung sind:

Einkerben von Lebensmitteltüten für ein einfaches Öffnen
Löchern von Folien für Gemüseverpackungen, damit Luft hinein gelangen kann, oder von Zigarettenpapier, um die Stärke der Zigaretten zu beeinflussen
Zuschneiden von medizinischen Produkten wie Blutteststreifen
Kiss-Cut von Etiketten, bei denen das gedruckte Etikett und die Klebeschicht, nicht jedoch das Trägermaterial geschnitten werden soll
Zuschneiden von Schleifpapier und Industriegeweben.


Beschriften & Gravieren

Der Einsatz von Lasern zur Beschriftung und Gravur von Materialien ist weit verbreitet. Hier gibt es eine Vielzahl an Anwendungsgebieten in der Automobil-, Elektronik-/Halbleiter-, Luft- und Raumfahrt-, Medizin-, Verbraucherprodukte- sowie der Lebensmittel-/Getränkeindustrie. Das lasergestützte Beschriften und Gravieren bietet gegenüber herkömmlichen Beschriftungstechnologien viele Vorteile. Die Verfahren laufen berührungslos ab und setzen das Material keinerlei mechanischen Belastungen aus. Sie sind flexibel, benötigen praktisch keine Wartung und liefern sehr präzise und haltbare Beschriftungen auf ganz verschiedenen Materialien. Zudem entstehen nur sehr geringe Kosten für Betriebsstoffe.
Bei der Laserbeschriftung kommt ein Laserstrahl eines CO2-Lasers, etwa aus der DIAMOND C-Serie, oder eines DPSS-Lasers, zum Beispiel der Matrix-Serie, zum Einsatz, der über einen galvanometrischen Scankopf geführt wird. Die Beschriftung erfolgt in der Regel über ein vektorgestütztes Verfahren, das höchste Beschriftungsgeschwindigkeiten ermöglicht. Planfeldlinsen fokussieren den Laserstrahl und gewährleisten, dass sich die Fokusposition über den gesamten Beschriftungsbereich hinweg stets auf der gleichen fokalen Ebene befindet. Die Brennweite der Linse bestimmt die Größe des Beschriftungsbereichs.
Bei der Lasergravur wird der Laserstrahl über ein bewegliches optisches System geführt. Das optische Fokussierungssystem wird in einem Rastermuster in der X- und Y-Achse über den Gravurbereich bewegt. Eine Vielzahl von Materialien kann mithilfe von Lasern beschriftet oder graviert werden. Je nach Material kommen dabei verschiedene Laserarten zum Einsatz.


Oberflächenbehandlung

In vielen industriellen Bereichen werden Verfahren der Oberflächenbehandlung angewandt, um die Oberflächenmerkmale eines Bauteils zu verbessern. Das Laser-Cladding (Auftragschweißen) ist ein Verfahren, bei dem der Schmelzschicht auf der Oberfläche eines Bauteils Material in Form von Puder oder Draht hinzugefügt wird, um eine Oberflächenschicht mit anderen Merkmalen zu schaffen. Dieses Verfahren kann entweder bei der Herstellung oder bei der Reparatur von großen oder komplexen Bauteilgeometrien angewandt werden. Bei der Laserwärmebehandlung werden große oder komplexe Bauteile schnell erhitzt und wieder abgekühlt, um die Oberflächenhärte zu erhöhen.


Prototyping

Rapid Prototyping kommt zum Einsatz, wenn Konstruktionsprototypen oder eine geringe Anzahl komplexer Bauteile schnell produziert werden müssen. Durch dieses Verfahren können komplexe Bauteile aus einem Epoxid-Polymer oder -Puder hergestellt werden, ohne dass erst komplexe Formen angefertigt werden müssen. Bei diesem Verfahren wird zwischen Stereolithografie (SLA) und selektivem Lasersintern (SLS) unterschieden. Sowohl bei der SLA als auch beim SLS wird ein 3D-CAD-Modell wie ein Stapel Karten in viele Schichten geschnitten und anschließend auf das SLA- oder SLS-Werkzeug übertragen.  Der Laserstrahl wird über einen galvanometrischen Scankopf geführt und baut das Teil Schicht für Schicht auf. Nach der Verarbeitung jeder Schicht wird eine weitere Polymer- oder Puderschicht auf das Bauteil aufgetragen und der nächste Laserverarbeitungsschritt beginnt.


Verbundstoffe

Laserverarbeitung von kohlenstoff- oder glasverstärkten Kunststoffen

Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (KFK) und glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) werden in einer Vielzahl von industriellen Bereichen eingesetzt. Diese Verbundstoffe finden sich in der Sport- und der Luft- und Raumfahrtindustrie, aber auch in anderen Bereichen wie dem Windenergie- oder Automobilsektor. In der Vergangenheit wurden im Rahmen der Herstellungsprozesse nur relativ geringe Mengen von Verbundstoffen produziert. Der Wunsch nach energieeffizienten Fahr- und Flugzeugen steigert heute jedoch die Nachfrage nach leichten Materialien und führt so zu größeren Produktionsvolumen dieser Stoffe. So ist beispielsweise in der Luftfahrt der Anteil von KFK in Flugzeugen auf mehr als 50 % gestiegen. Die Automobilindustrie möchte KFK einsetzen, um den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren und so neue Richtlinien für CO2-Emissionen einzuhalten. Durch den Einsatz von Kohlenstofffasern lassen sich mit den leichten Materialien zudem höhere Fahrzeugleistungen und größere Windkraftanlagen realisieren und neue Montage- und Wartungskonzepte umsetzen, die durch die gestiegene Zahl der Offshore-Anlagen notwendig werden.

Bei der Verarbeitung von Verbundstoffen ist die Wahl der richtigen Laserwellenlänge von ganz grundlegender Bedeutung. Die meisten Harze sind bei der üblicherweise eingesetzten Wellenlänge von 1 µm transparent. Die Absorption ist bei Kohlenstofffasern sehr hoch.  Somit entsteht bei dieser Wellenlänge ein thermisch belasteter Bereich, der bei den meisten Anwendungen nicht akzeptabel ist.
Eine CO2-Laser-Wellenlänge (10,6 µm) wird von den meisten Harzen und Fasern gut absorbiert. Leider führt sie dem Verbundstoff ein hohes Maß an Wärme zu und hinterlässt eine verbrannte Oberfläche oder Kante. Die ideale Wellenlänge für die meisten Verarbeitungsanwendungen von Verbundstoffen liegt daher im UV-Bereich, denn diese Wellenlänge wird von Harz und Fasern gut absorbiert und ermöglicht ein kaltes Verfahren, das Bereiche kaum thermisch belastet.



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