Hochleistungs-Lasersysteme für industrielle Anwendungen

Seit dem Bau des ersten Lasers im Jahr 1960 haben die Laserphysiker die Grenzen der Lasertechnologie immer weiter verschoben.

In der Fertigungsindustrie entwickeln die Ingenieure ständig Lösungen, die durch Hochleistungslaser ermöglicht werden. Sie werden hauptsächlich zum Markieren, Reinigen, Texturieren, Schweißen und Schneiden von Materialien eingesetzt, um kurze Taktzeiten in Produktionsstraßen einzuhalten.

Hochleistungslasersysteme erzeugen im Vergleich zu herkömmlichen Lasern beträchtliche Energiemengen. Es gibt zwar keine offizielle Definition dafür, wie viel Leistung als „Hochleistungslaser“ gilt, aber die meisten Laserexperten sind sich einig, dass Hochleistungslaser mindestens über einige hundert Watt verfügen.

Hier finden Sie einen Überblick über die in diesem Artikel behandelten Themen:

• Hochleistungslaser in der Fertigungsindustrie
• Durchschnittliche Leistung vs. Spitzenleistung
• Kategorien der Laserleistung
• Wie unterscheiden sich Hochleistungslaser?
• Leistungsunterschiede bei Einzelmodus- und Multimodus-Lasern

Hochleistungslaser in der Fertigungsindustrie

Hochleistungslaser sind effiziente, präzise und umweltfreundliche Alternativen zu einer Reihe von Technologien, die in der Fertigung eingesetzt werden. Sie werden häufig für die Laserbeschriftung, das Laserreinigen, die Lasertexturierung, das Laserschweißen und das Laserschneiden in schnell laufenden Produktionsstraßen eingesetzt.

Laserbeschriftung

Dieses Video zeigt einen gepulsten 500-W-Faserlaser, der tiefe Gravuren mit hoher Geschwindigkeit erzeugt. Die Kennzeichnungen bleiben auch nach einer Sandstrahlbehandlung lesbar.

Bei der Laserbeschriftung werden Teile und Produkte dauerhaft gekennzeichnet, um beispielsweise die industrielle Rückverfolgbarkeit zu gewährleisten. Laser mit höherer Leistung werden in der Regel eingesetzt, um harte Metalle zu markieren, mehr Teile schneller zu bearbeiten oder tiefer in das Material zu gravieren.

Laserreinigung

Ein gepulster 200-W-Faserlaser wird zur Entfernung von Phosphatbeschichtungen von bestimmten Bereichen für die Montage verwendet. Die Montagebereiche müssen frei von Beschichtungen sein, um Zuverlässigkeitsprobleme zu vermeiden.

Bei der Laserreinigung, auch Laserablation genannt, wird eine Reihe von Verunreinigungen (Oxide, Öle, Beschichtungen, Elektrolyte usw.) zu Staub und Rauch verdampft. Das Verfahren gewährleistet, dass die Metalloberflächen vor Arbeitsgängen wie Schweißen, Beschichten und Montieren perfekt sauber sind.

Die Laserreinigung kann das Abdecken bei Beschichtungsanwendungen ersetzen. Anstatt empfindliche Bereiche abzudecken und den Rest zu beschichten, werden die Teile vollständig beschichtet. Anschließend wird die Beschichtung durch selektive Laserentfernung von bestimmten Bereichen entfernt.

Gepulste Ultrahochleistungslaser mit einer Leistung von bis zu 3 kW können zur Reinigung großer Flächen eingesetzt werden, was mit Lasern von 500 W oder weniger im Allgemeinen als zu lang empfunden wird. Sie können auch lokal begrenzte Bereiche und komplexe Geometrien mit sehr hoher Geschwindigkeit reinigen.

Lasertexturierung

In diesem Video wird ein Hochleistungs-Einzelmodus-Faserlaser zum Reinigen und Texturieren von zylindrischen Batteriegehäusen eingesetzt. Dieses Verfahren gewährleistet eine gute Klebequalität von Thermoklebstoffen in strukturellen Batteriepacks.

Die Lasertexturierung verändert die Oberflächeneigenschaften von Metalloberflächen, indem sie deren Textur und Rauheit verändert. Sie wird verwendet, um Oberflächen für Verfahren wie thermische Spritzbeschichtung und Kleben vorzubereiten.

Laserschweißen

Mit einem gepulsten Hochleistungslaser werden Hunderte von zylindrischen Batteriezellen auf eine Busbar geschweißt. Die Roboterarme üben Druck aus, um einen lückenlosen Abstand zwischen der Stromschiene und den Zellklemmen zu gewährleisten.

Beim Laserschweißen werden zwei Metalloberflächen durch Schmelzen miteinander verbunden. Dauerstrichlaser werden in der Regel für das industrielle Schweißen eingesetzt, da sie tiefer in das Material eindringen. Gepulste Laser werden zum Schweißen empfindlicher Komponenten verwendet, die eine geringere Wärmeeinflusszone und einen geringeren Einbrand erfordern, wie z. B. beim Schweißen von EV-Batteriekomponenten.

Laserschneiden

Ein 6000-Watt-Dauerstrich-Faserlaser wird von einer CNC-Maschine gesteuert, um dicke Metallplatten in Werkstücke zu schneiden.

Beim Laserschneiden werden Hochleistungslaser eingesetzt, um Materialien (wie Holz, Glas, Kunststoff oder Metall) zu verdampfen und mit äußerster Präzision eine Schnittkante zu erzeugen. Er wird in verschiedenen Branchen verwendet, wie beispielsweise in der Elektronik, Medizin, Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau und für Halbleiter.

Durchschnittliche Leistung vs. Spitzenleistung

Um besser zu verstehen, was hohe Leistung bedeutet, muss man den Unterschied zwischen durchschnittlicher Leistung und Spitzenleistung kennen.

Lasersysteme werden nach ihrer durchschnittlichen Leistung benannt, d. h. der durchschnittlichen Energiemenge, die der Laser im Laufe der Zeit erzeugt. Laser mit höherer Leistung können in der gleichen Zeit mehr Energie erzeugen. Ein 200-W-Laser erzeugt beispielsweise die doppelte Energiemenge, die ein 100-W-Laser in einer Sekunde erzeugt.

Die Spitzenleistung ist das höchste Energieniveau, das vom Laser erzeugt werden kann. Während Dauerstrichlaser immer mit ihrer Spitzenleistung arbeiten, geben gepulste Laser kurze Energiestöße mit einer bestimmten Wiederholrate ab. Einige der Technologien, die zur Erzeugung von Laserimpulsen und zum Erreichen höherer Energieniveaus eingesetzt werden, sind Laser mit Modenkopplung und Güteschaltern.

Bei Laserax kann ein 100-W-Impulslaser Laserimpulse von jeweils 100 Nanosekunden Dauer abgeben, die eine Spitzenleistung von 10.000 W erreichen. Laser mit mehr als 100 W erreichen die gleiche Spitzenleistung, geben aber mehr Impulse pro Sekunde ab. Unsere gepulsten 500-W-Laser können zum Beispiel fünfmal mehr Impulse pro Sekunde abgeben als unsere gepulsten 100-W-Laser.

Kategorien der Laserleistung

Laserax kategorisiert die optischen Leistungen wie folgt:
 

Es handelt sich um gepulste Glasfaser-Laser, die für die Materialbearbeitung eingesetzt werden, z. B. zum Laserbeschriften, Laserreinigen, Lasertexturierung und Laserschweißen. Ihre Wellenlänge von 1.064 nm ist ideal für die Bearbeitung von Metallen.

Wie unterscheiden sich Hochleistungslaser?

Unterschiedliche Leistungskonfigurationen haben unterschiedliche Anforderungen. Hochleistungslaser haben in der Regel eine größere Laserquelle, erzeugen mehr Wärme und benötigen daher eine Temperaturregelung, um sie während des Betriebs abzukühlen. Zu den gängigen Methoden gehören Luft- und Wasserkühlung.

Da Hochleistungslaser mehr Wärme erzeugen, arbeiten sie auch mit hochwertigeren optischen Komponenten, die Überhitzung und Verbrennungen verhindern.

Laserscanner sind ein Beispiel für Komponenten. Diese Spiegel drehen sich im Laserkopf, um den Laserstrahl zu bewegen und auf präzise Stellen umzulenken. Um zu verhindern, dass sie verbrennen, sind sie mit einer speziellen Beschichtung versehen, die einen Hitzeschutz bietet. Aus demselben Grund wird bei Hochleistungslasern eine Quarzlinse verwendet.

Leistungsunterschiede bei Einzelmodus- und Multimodus-Lasern

Je leistungsstärker der Laser ist, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass er als Multimodus-Laser eingestuft wird. Aber was bedeutet das?

Gehen wir auf den Unterschied zwischen Einzelmodus und Multimodus ein.

Wärmemanagement

Single-Mode-Laser haben einen kleineren Glasfaserkern, was bedeutet, dass das Laserlicht konzentriert wird und sich in einem kleineren Bereich ausbreitet. Bei Anwendungen mit hoher Leistung erschwert dies das Wärmemanagement. Multimodus-Laser hingegen haben einen größeren Kern, der das Wärmemanagement erleichtert. Dadurch können sie für Laseranwendungen eingesetzt werden, die sehr hohe Leistungen erfordern.

Strahlqualität

Single-Mode-Laser haben eine bessere Strahlqualität, d. h. der Laserstrahl kann auf einen kleineren Punkt fokussiert werden. Dadurch können sie zum Ätzen von Teilen verwendet werden, was für Laserbeschriftungs- und Lasertexturierungsanwendungen erforderlich ist.

Geschwindigkeit

Multimodus-Laser können aufgrund der größeren Spotgröße und der höheren Energie höhere Reinigungsgeschwindigkeiten erreichen.

Länge des Glasfaserkabels

Multimodus-Laser haben Zugang zu längeren Glasfaserkabeln, die manchmal bis zu 100 m lang sind. Im Vergleich dazu sind Single-Mode-Laser oft auf 5 oder 8 m Kabellänge beschränkt. Daher eignen sich Multimodus-Laser für die Integration in Roboter.

Schlussfolgerung

Hochleistungslaser bieten neue Möglichkeiten für Hersteller. Diese umweltfreundlichen Lösungen sorgen für schnellere und präzisere Fertigungsprozesse, erfordern jedoch fortschrittliches Know-how, um Sicherheit und Effizienz zu gewährleisten.

Wenn Sie ein Projekt haben, das einen Laser erfordert, können Sie sich mit einem unserer Laserexperten in Verbindung setzen.

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