Laser in der Fertigung – disruptive Ansätze

Seit vielen Jahren werden Laser bereits in der industriellen Fertigung bzw. Produktion eingesetzt. Auch in Zukunft wird der Laser an sich eine immer wichtigere Rolle spielen – vor allem bei völlig neuen Fertigungsverfahren.

Die Geschichte des Lasers

Der Laser als solches wurde durch eine Vorarbeit von Albert Einstein theoretisch entwickelt. Tatsächlich gebaut wurde ein erster Laser im Jahre 1960 von Theodore Maiman. Seinen industriellen Einzug hielt der Laser als Werkzeug in den 1980er-Jahren – zunächst zum Schneiden und Schweißen. Im Laufe der Zeit kamen stets neue Anwendungen hinzu, mit eine der bekanntesten Anwendungen (neben den ursprünglichen) ist die Laserbeschriftung.

Einen sehr lesenswerten Artikel zur Geschichte des Laser finden Sie auch bei planet wissen. Grundlagen zur Lasertechnologie finden sich auch bei Wikipedia.

Grundlegende Wirkungsweisen des Lasers

Die Wirkung eines Lasers – unabhängig vom bearbeiteten Werkstoff – kann man grundlegend in zwei Bereiche unterteilen:

Thermische Wirkung

Laserstrahlung kann beim Auftreffen im jeweiligen Werkstoff Wärmeenergie erzeugen. Dies geschieht in der Regel beim Einsatz von Lasern mit langen Wellenlängen (z.B. CO2-Lasern) oder beim Einsatz von langpulsigen Festkörperlaser – z.B. Nd:YAG oder Standard-Faserlaser.

Nicht thermisch

Eine nicht-thermische Wirkung erzielen Laser mit besonders hohen Pulsenergien und kurzen Pulsen. Dies sind die sogenannten Kurzpulslaser oder Ultrakurzpulslaser im Pikosekunden- und Femtosekundenbereich.

Hierbei wird in so kurzer Zeit so hohe  Energie in das Material eingebracht, dass einzelne Atome herausgelöst werden, ohne dass Energie an umliegende Atome abgegeben werden kann.

Lesen Sie im Beitrag „Wie wirkt ein Laser in welchem Material?“ mehr über die Wechselwirkung von Laserstrahlung in verschiedenen Materialien.

Laseranwendungen

Die Zahl der heute im Einsatz befindlichen Laser ist weltweit nicht mehr zu überblicken. Ebenso wenig ist es möglich zu ermitteln, wie viele unterschiedliche Anwendungen mit Lasern umsetzbar sind. Dies liegt vor allem daran, dass nahezu jeden Tag neue Anwendungen entstehen oder zumindest erforscht werden. Die gängigsten Verfahren sind im folgenden zusammengefasst, jedoch nicht vollständig.

Eine umfassende Beratung biete ich Ihnen gerne an – nehmen Sie einfach Kontakt auf.

Laserschneiden

Schon seit vielen Jahrzehnten werden Lasersysteme erfolgreich zum Schneiden von Metallen aber auch von Kunststoffen eingesetzt. In der jüngeren Vergangenheit setzen sich zum Schneiden von Metallen – speziell von schwierigen Werkstoffen wie Aluminium, Messing, Kupfer, Gold, Silber und anderen hoch reflektierenden Werkstoffen – immer mehr die Faserlaser durch.

Typische Anwendungen sind das 2D-Laserschneiden von Blechen, das Rohrschneiden mit dem Laser und auch die 3D-Bearbeitung komplexer Geometrien an Freiform-Teilen. Dies sowohl im Bereich metallischer Werkstoffe wie auch bei Kunststoffen.

Üblicherweise wird mit einem Laser mit hoher Leistung das jeweilige Material geschmolzen und dann durch Gasdruck oder Luftdruck nach unten ausgeblasen. Ein anderes Verfahren ist das Sublimationsschneiden, bei dem das jeweilige Material von oben schichtweise abgetragen wird, bis ein Durchbruch erzielt wird. Dieses Verfahren wird besonders bei dünnen Materialien angewandt und kann bei dickeren Wandstärken normalerweise nicht mehr zum Einsatz kommen.

Disruptive Ansätze für Laser zum Schneiden in der Fertigung

  • Immer kürzere Wellenlängen ermögliche immer kleinere Strukturen bis in den Bereich weniger µm
  • Durch Ultrakurzpuls-Laser wird sowohl das Bearbeiten feinster Geometrien, vor allem aber auch das Schnittbild bei dünnen Materialien extrem verbesser

Laserbohren

Das Laserbohren wird normalerweise dort eingesetzt wo es auf kleine und kleinste Durchmesser ankommt und wo eben solche Bohrungen in großer Anzahl in kürzester Zeit eingebracht werden sollen. Typische Einsatzgebiete sind das Erstellen von Masken aber auch von Medienkanälen. In Form von Perforationen werden Laser als Standardwerkzeug beispielsweise in der Tabakindustrie für die Herstellung von Filtern benutzt.

Disruptive Ansätze für Laser zum Bohren in der Fertigung

  • Medien-Filter im Bereich von Nanometern
  • Mit bloßem Auge nicht erkennbare Bohrungen die mit einem Display hinterleuchtet werden können

Laserschweißen

Mit dem Laser können sowohl Kunststoffe als auch Metalle geschweißt werden. Die Vorgehensweise ist hierbei jedoch eine vollkommen andere.

Im Bereich des metallischen Schweißens werden die Fügepartner mit einem möglichst kleinen (optimal: keinem) Spaltmaß aneinander gelegt. Der Laser schmilzt nun mit minimaler Wärmeeinflusszone und verzugsarm die beiden Fügepartner im Schweißbereich so  dass eine gemeinsame Schmelze entsteht. Der wesentliche Vorteil des Laser ist – neben der sehr lokalen Wärmeeinwirkung – dass auch unterschiedlichste Fügepartner verschweißt werden können.

Bei Kunststoffen ist das Prinzip, dass der Laser beim Durchstrahlschweißen durch den obersten Fügepartner komplett transmittiert (also hindurch dringt) und im unteren Fügepartner komplett absorbiert wird. Durch genau definierten Druck wird der aufgeschmolzene untere Fügepartner mit dem (durch die im unteren Fügepartner vorhandene Wärmeenergie) vermengt. Ohne den definierten Druck ist eine Verschweißung nicht möglich.

Disruptive Ansätze für Laser zum Schweißen in der Fertigung

Laserschweißen ist eine der ältesten Laseranwendungen. Was könnte hier noch neuartig oder gar disruptiv sein?

Laserhärten

Speziell im Bereich von Stanzwerkzeugen, aber auch im Bereich anderer Werkstücke, die im Randbereich einem hohen Verschleiß unterliegen, werden oft Lasersysteme zum Härten eingesetzt. Der große Vorteil des Lasers liegt darin, dass selektiv gehärtet werden kann. Es muss somit nicht das ganze Werkstück gehärtet werden, sondern lediglich der Bereich, in dem eine besondere Härte erforderlich ist.

Disruptive Ansätze für Laser zum Härten in der Fertigung

  • Immer mehr an individuelle Anforderungen angepasste Werkstücke – auch im Bereich 3D-Druck – erfordern eine selektive Bearbeitung. Dies ist mit der Lasertechnik problemlos möglich
  • Hinsichtlich des Energieaufwands können Laser auch einen entscheidenden Vorteil gegenüber dem herkömmlichen Härten bieten

Lasergravur

Lasergravuren sind ein weites Anwendungsgebiet von Lasersystemen. Die Spannweite reicht von dauerhaften Lasergravuren zur Kennzeichnung in Metall über die vertiefende Oberflächenstrukturierung in Metallen, Keramiken und Kunststoffen bis hin zu 3D Funktionsgravuren, beispielsweise in Einsätzen, Elektroden, Formen und Werkzeugen.

Das Grundverfahren ist dabei immer das gleiche: Durch die hohe Energieeinwirkung des Lasers wird das Material Schicht für Schicht abgetragen, bis die gewünschte Tiefe erreicht ist.

Eine prinzipielle Problematik dabei ist, dass der Laser ein nicht näher definiertes Längenmaß aufweist. Während ein Bearbeitungswerkzeug genau hergestellt ist und jederzeit vermessen werden kann, muss man bei einem Lasersystem anhand von Erfahrungswerten, Vorversuchen und ggf. zwischengeschalteten Messzyklen die genaue Tiefe bestimmen. Dies erhöht zwar den Aufwand gegenüber konventionellen Verfahren, bietet aber dafür Vorteile wie ein verschleißfreies Werkzeug, kalkulierbare Kosten und die Möglichkeit, auch kleinste Bauteile bearbeiten zu können.

Disruptive Ansätze für Laser zum Gravieren in der Fertigung

  • Einsätze können durch eine Lasergravur kostengünstig individualisiert werden
  • Hybride Prozesse ermöglichen das Grob-Fräsen und Laser-Feingravieren in einer Aufspannung

Laserkennzeichnung

Mit dem Laser kann man so gut wie jeden Werkstoffe beschriften, allerdings können nicht alle Werkstoffe mit dem gleichen Lasertyp bearbeitet werden. Dies gilt speziell im Bereich der direkten Werkstück- oder Bauteilkennzeichnung. Mehr und mehr setzen sich Laser für die Beschriftung von Werkstücken als letzter oder auch als Inline-Bearbeitungsschritt durch. Gelegentlich kommt es jedoch vor, dass sich eigentlich gegenseitig ausschließende Werkstücke – z.B. Metalle und manche Kunststoffe  – beschriftet werden müssen. Hier hilft nur die Suche nach neuen Strahlquellen (mit anderen Wellenlängen oder Pulsdauern) oder der Einsatz zweier oder verschiedener Lasersysteme – zum Beispiel Faserlaser und CO2-Laser.

Disruptive Ansätze für Laser zum Kennzeichnen in der Fertigung

Lasermaterialbearbeitung

Neben der additiven Fertigung (siehe unten) eröffnen sich derzeit mehr und mehr Anwendungen im Bereich der gezielten Oberflächenbearbeitung. Hierunter versteht man eine Bearbeitung im Randschichtbereich oder innerhalb einer Beschichtung.

Bei der selektiven Reinigung können Werkstücke mit minimalem Energieaufwand und ohne Abfallprodukte gezielt an den Stellen von Emulsionen, Klebern, Ölen und dergleichen befreit werden, an denen später ein weiterer Bearbeitungsschritt erfolgen soll.

Ganze Fertigungsschritte können optimiert und umgestellt werden, wenn der Laser zum Entfernen von Beschichtungen wie Farben, Lacke, Pulverbeschichtungen oder einer KTL-Beschichtung (selektiv, also an definierten Stellen) zum Einsatz kommt.

In der direkten Werkstückbearbeitung leistet der Laser seine Dienste im Bereich der gezielten Oberflächenaufrauhung, um die Haftreibung zu erhöhen. Dies dient etwa als haptischer Effekt oder auch dazu, die Werkstücke sicherer zu verbinden. Im Gegensatz hierzu kann der Laser auch eingesetzt werden, um Oberflächen zu polieren und zu glätten.

Disruptive Ansätze für Laser zur Materialbearbeitung in der Fertigung

Additive Fertigung

Ein weiteres wesentliches Einsatzgebiet des Lasers ist die additive Fertigung von metallischen Werkstücken, bei machen Verfahren auch 3D-Druck genannt. Natürlich hat das Verfahren mit dem Drucken an sich nichts gemeinsam, der Begriff hat sich aber eingebürgert. Es werden im wesentlichen 2 Verfahren unterschieden.

Additive Fertigung im Pulverbett und im Laserauftragsverfahren. Beiden Verfahren gemeinsam ist, dass Teile schichtweise erzeugt werden.

Pulverbettbasierter 3D-Druck

Bei Pulverbett-Anlagen trägt die Maschine Schicht für Schicht Metallpulver auf eine Bauplattform auf. Die Schichtdicke beträgt hierbei (je nach Pulver) ab ca. 20 µm Dicke. Die Schichten werden durch den Laser miteinander verschmolzen. Schritt für Schritt wird die Bauplattform abgesenkt, dadurch wird das jeweilige Bauteil dann (von unten) aufgebaut. Prinzipbedingt werden Stützstrukturen benötigt, um ausreichende Geometrietreue zu erreichen. Diese Stützstrukturen (ebenso wie Pulvereinschlüsse) müssen in einem nachgelagerten Fertigungsschritt entfernt werden.

Laserauftrags-3D-Druck

Bei Laserauftrags-Fertigungsanlagen wird Pulvermaterial durch eine Düse zugeführt und mit dem Laser beim Auftreffen auf die Oberfläche mit dem Laser verschweißt. Bahn für Bahn und – ebenfalls wie bei pulverbettbasierten Systemen – Schicht für Schicht. Stützstrukturen werden bei diesem Verfahren nicht benötigt, allerdings ist die Geometrietreue auch deutlich geringer.

In beiden Fällen müssen (neben ggf. den Stützstrukturen) auch die Oberflächen dort nachbearbeitet werden, wo es auf Genauigkeit ankommt. Maschinen für die additive Fertigung erreichen selten Genauigkeit, die besser als bei 0,1 mm liegt. Weiterhin ist die Oberfläche der gefertigten Bauteile, bedingt durch das Pulvermaterial, immer relativ rau und in keinem Fall glatt oder gar glänzend.

Die additive Fertigung, auch 3D-Druck genannt, ist an sich eine disruptive Technologie. Der Nutzen liegt nicht immer auf der Hand und es gibt vieles beim Einsatz derartiger Systeme zu bedenken. Man sollte sich auch gut überlegen, ob man sich ein eigenes System anschafft oder doch lieber einen Dienstleiser in Anspruch nimmt.

Sie haben noch Fragen zu einem Laser-Fertigungsverfahren? Ich berate Sie gerne.



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