Laserschneiden

Gerichtetes Licht als Werkzeug

1972 wurde der Laser erstmals in der Maschinenbauindustrie eingesetzt. Seitdem hat er vor allem als Schneid-, Schweiß- und Messwerkzeug einen Siegeszug angetreten. Mit der additiven Fertigung macht sich der Laser nun auf, völlig neue Anwendungsfelder erobern. Doch auch in der schneidenden und abtragenden Bearbeitung ist sein Potential noch lange nicht ausgereizt, wie SCOPE-Chefredakteur Hajo Stotz aufzeigt.

Industrietaugliche Ultrakurzpulslaser sind ein neues und vielversprechendes Werkzeug für die sogenannte „kalte“ Bearbeitung in der industriellen Fertigung, etwa bei Einspritzdüsen, Leiterplatten oder Glasbearbeitung. Hier ein Blick ins Innere des Lasers. (Bild: Trumpf)

Jetzt brennt der Laser auch den Asphalt: BMW und Audi setzen die elektromagnetischen Wellen seit kurzem als Beleuchtungstechnik für die Frontscheinwerfer ein. Mit dem i8 stattete BMW als Erster ein Serienauto mit dem Laserlicht aus, Audi zog mit dem R8 LMX kurz darauf nach. Der Laser soll die Straße doppelt so weit beleuchten als herkömmliche Xenon-Scheinwerfer. Im BMW i8 flutet das Fernlicht beispielsweise 600 Meter weit. Weiterer Vorteil des Laserlichts ist der geringe Platzbedarf, der neue Gestaltungsformen möglich macht. Allerdings: für den Aufpreis für das Laserlicht beim i8 bekommen Sie bei anderen Herstellern ein komplettes Auto: 9.500 Euro.

Ähnlich exklusiv war der Laser anfangs auch in der Maschinenbauindustrie – heute ist er Alltagswerkzeug in der metallbearbeitenden Industrie, im Maschinenbau und Automotive, in der optischen Industrie, im Anlagen- und Apparatebau, in der Elektro- und Elektronikindustrie, der Präzisions- und Feinwerktechnik, der Kunststoff- sowie Halbleiterindustrie als auch in der Medizintechnik. Und macht sich daran, in Form der additiven Fertigungsverfahren (3D-Drucken) völlig neue Bearbeitungsmöglichkeiten für Materialien zu eröffnen. Auch auf der Messe Euroblech in Hannover wird er als innovationstreibendes Werkzeug in vielen neuen Maschinen und Anlagen zu sehen sein.

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Laser gibt es für Strahlungen in verschiedenen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums: von Mikrowellen (Maser) über Infrarot, sichtbares Licht, Ultraviolett bis hin zu Röntgenstrahlung. Der Laser arbeitet dabei wie ein optischer Verstärker. Die erforderliche Energie wird von einem Lasermedium (bspw. Kristall, Gas oder Flüssigkeit) bereitgestellt. Der erste Laser – ein Rubinlaser – wurde 1960 von dem US-amerikanischen Physiker Theodore Maiman im Auftrag militärischer Forschung hergestellt.

Bis der Laser auch in der industriellen Produktion zum Einsatz kam, vergingen allerdings weitere zehn Jahre. Das große Problem bestand darin, eine Technik zu konstruieren, die unter Industriebedingungen, als Bauelement in einem Materialbearbeitungszentrum, zuverlässig funktionierte. Kritisch erwies sich dabei vor allem die Strahlführung. Anfangs wurde mit Spiegelsystemen gearbeitet, was sich aber als schwierig erwies, weil der Strahl bei der kleinsten Dejustierung nicht mehr richtig ankam. Doch seit es Glasfaserkabel gibt, die als Lichtwellenleiter dienen, lassen sich die modernen, hochflexiblen Fertigungssysteme bauen, die heute in vielen Industriezweigen das Schneiden, Bohren und Schweißen übernehmen.

Obwohl der Laser in den USA erfunden wurde, brachten deutsche Maschinenhersteller ihn zum kommerziellen Erfolg in der Industrieproduktion. Maßgeblichen Anteil daran hat das Maschinenbauunternehmen Trumpf in Ditzingen. So ist der Festkörperlaser als Werkzeug in der Blechbearbeitung eine Erfindung des Blechbearbeitungsspezialisten. Seit 1995 im Praxiseinsatz, überzeugt er damals wie heute insbesondere im Dünnblech.

Erstmals eingesetzt als Werkzeug im Maschinenbau wurde der Laser 1972 bei der Haas Spiralfedernfabrik in Schramberg. Für das Schweißen von Spiralfedern tüftelt Carl Haas an einer effizienten Methode und findet sie im Festkörperlaser. Die kurze Wellenlänge von etwa einem Mikrometer wird bei geringen Blechdicken besonders gut vom Material absorbiert. Zunächst ausschließlich zum Schweißen von Schwingfedern eingesetzt, schneidet der Laser später auch Bleche.

1995 findet der Festkörperlaser der Schramberger, die inzwischen von Trumpf übernommen wurden, erstmals in einer Werkzeugmaschine seinen Platz. Die Sächsische Werkzeug- und Sondermaschinen GmbH in Neukirch (heute ebenfalls Trumpf) integriert einen Stablaser in eine bestehende Werkzeugmaschine, die Trumatic LY 2500. „Mit den 800 Watt Laserleistung konnte man keine Wunder vollbringen“, erinnert sich Stefan Grahle, Leiter technische Verkaufsberatung bei Trumpf Sachsen. „Aber neben dem Vorteil im Dünnblechbereich lieferte die Maschine beim Brennschnitt mit Sauerstoff eine konstant gute Schnittkantenqualität.“ Die Programmierung direkt an der Steuerung spart einen zusätzlichen Programmierer und macht besonders flexibel. Auf Grund der hohen Flexibilität werden Lasermaschinen denn auch von Lohnfertigern beispielsweise gerne genutzt – so wie der BBW Lasertechnik im oberbayerischen Prutting, die bei ihren Arbeitsprozessen Schweißen, Schneiden, Bohren, Laserbeschriften und bei der mechanischen Bearbeitung von Blech auf Lösungen des Ditzinger Maschinenbauers setzt.

Komplizierte Konturen exakt schweißen, nicht selten unter Zeit- und Kostendruck? Bei BBW Lasertechnik ist das Arbeitsalltag. „Und zwar einer, der uns jede Menge Spaß macht“, sagt Dr. Johannes Weiser, der das Unternehmen gemeinsam mit Johann Bürger führt. „Wir wollen für unsere Kunden schon in der Entwicklungsphase ein starker Partner sein und die effizienteste Lösung finden.“ Kunden aus den unterschiedlichsten Branchen wissen die Angebots-palette zu schätzen.

Die Kompetenz des 1997 gegründeten Unternehmens liegt im Bereich Laserschweißen, -schneiden und -bohren, aber vor allem auch im Vorrichtungsbau. Ein Alleinstellungsmerkmal, sagt Johann Bürger und erklärt: „Exakte Vorrichtungen sind für die Qualität komplexer Teile beim Laserschweißen entscheidend.“

Spezialaufträge übernimmt BBW auch beim Laserschneiden. „Mit der Trulaser 2025 können wir sehr genaue Konturen bei filigranen Teilen im Blechdickenbereich von 0,3 bis acht Millimeter schneiden — und damit eine weitere Nische abdecken“, so der Geschäftsführer.

Aber nicht nur für spezielle Kundenwünsche bietet der Dienstleister maßgeschneiderte Lösungen. Auch Schweißapplikationen für Bauteile zur Schadstoffreduktion oder Lenksäulenverstellungen für die Serienfertigung in der Automobilindustrie übernimmt BBW. Um die geforderten tiefen Schweißnähte zu realisieren, investierte das Unternehmen in die Tru Laser Robot 5020 mit einem vier Kilowatt Trudisk Laser.

„Wir haben eine programmierbare Fokussieroptik (PFO) einbauen lassen, die gerade beim Schweißen vieler kleiner Nähte für effiziente Prozesse sorgt. Da sehen wir für uns enormes Zukunftspotenzial“, sagt Johann Bürger. Überzeugt von den Vorteilen der Laserzelle, investiert BBW zudem in eine Trulaser Cell 3000 mit 6,6 Kilowatt Trudisk Laser und PFO. Aber nicht nur die Maschinen der Ditzinger, auch „die zugehörigen Trutops Softwarepakete überzeugen uns“, so Johannes Weiser (siehe auch Infobox). Dies war ein wichtiges Argument für den Erwerb der Trubend 5085, denn die Software ist kompatibel mit dem CAD-System des Unternehmens. So kann BBW seinen Kunden die gesamte Prozesskette Blech anbieten.

Wie bei BBW tragen Lasersysteme bei immer mehr Fertigungsanlagenherstellern und -betreibern zur Effizienz- und Produktivitätssteigerung bei. „Vor allem, wenn der Produktionsprozess in seiner Gesamtheit im Fokus liegt“, so Gerhard Hein, Geschäftsführer der Arbeitsgemeinschaft Laser und Lasersysteme im VDMA, „wird Effizienzsteigerung erst richtig sichtbar.“ Die Gründe dafür liegen auf der Hand: ressourcenschonender optimierter Materialeinsatz, der durch Lasermaterialbearbeitung gegeben ist, gesteigerte Bearbeitungsqualität mit weniger Nachbehandlungsschritten, hohe Fertigungsgeschwindigkeiten, hohe Flexibilität und kaum Umrüstzeiten. „Das führt zu Wettbewerbsvorteilen durch hohe Prozesswirkungsgrade und günstige Gesamtkosten pro Bauteil“, so Hein weiter.

Aufgrund der immensen Anwendungs- und Materialvielfalt, die Lasersysteme abdecken, wächst auch der Markt. So stieg der Weltmarkt für Laserfertigungssysteme in 2012 gegenüber dem Vorjahr um neun Prozent auf 7,9 Milliarden Euro. Der Großteil von zirka 75 Prozent entfällt dabei auf Lasersysteme zur Makrobearbeitung (z.B. Blechbearbeitung) und das verbleibende Viertel auf die zunehmend interessanter werdenden Mikroanwendungen (additive Fertigungsverfahren). Die Marktdaten beruhen auf Angaben der VDMA-Arbeitsgemeinschaft „Laser und Lasersysteme für die Materialbearbeitung“. Besonders durch die Entwicklungen in der additiven Fertigung wird der Laser als Werkzeug weitere Wachstumsschübe erhalten. Doch auch in der schneidenden und abtragenden Bearbeitung ist sein Potential noch lange nicht ausgereizt.

„Wir haben mit dem Ultrakurzpulslaser die Tür in einen Raum aufgestoßen, von dem wir noch längst nicht sagen können, wie groß er ist und wie er im Einzelnen aussieht“, sagte Dr. Peter Leibinger, Vorsitzender des Trumpf Geschäftsbereichs Lasertechnik/Elektronik. Ultrakurze Laserpulse (UKP) ermöglichen grundlegend andere Mechanismen der Wechselwirkung zwischen Laserstrahl und Material und erweitern so das Anwendungsgebiet der Lasertechnik. Durch die kurze Dauer der Pulse ergeben sich sehr hohe Pulsspitzenleistungen und bei geeigneter Fokus

sierung extreme Leistungsdichten auf dem Werkstück von bis zu 1014 W/cm². Zum Vergleich: Für das Tiefschweißen von Stahlblech werden ca. 106 W/cm² benötigt. Durch diese extremen Intensitäten wird die überschüssige Energie dabei im Plasma transportiert und kann sich nicht im umliegenden Material als Wärme ausbreiten. So lässt sich die Entstehung einer Wärmeeinflusszone stark einschränken, so dass man im Zusammenhang mit ultrakurzen Laserpulsen auch von „kalter Bearbeitung“ spricht. UKP kann also mit einer nochmals gesteigerten Präzision Schneiden, Bohren und Abtragen, wenngleich die Prozessgeschwindigkeiten geringer sind als mit Nano-, Mikro- oder Millisekundenpulsen. Zusammen mit dem Autozulieferer Bosch und der Friedrich-Schiller-Universität Jena hat Trumpf einen Pikosekundenlaser entwickelt, der hochpräzise Bohrungen in Einspritzdüsen erzeugt. Deren Größe und Form lässt sich durch die ultrakurzen Laserpulse so präzise steuern, dass der Kraftstoff optimal im Inneren des Brennraums verteilt und effizienter verbrannt wird – was Kraftstoff und Emissionen einspart. Dafür gab es den Deutschen Zukunftspreis 2013.

Doch nicht nur bei Metallen, auch beim Schneiden von spröden und transparenten Materialien wie Glas bietet der UKP Vorteile: 2014 wird allein die Anzahl der verkauften Smartphones und Tablets die 1,5 Milliardenmarke überschreiten. Hinzu kommen Displays für Fernseher und Computerbildschirme und neue Geräte wie etwa Smartwatches. Bei konventionellen, mechanischen Glasschneide-Verfahren, wie Diamantritzen und Brechen, sind aufgrund der begrenzten Ritzqualität (Mikrorisse, Chips) und Genauigkeit zusätzliche, zeitaufwendige Nachbearbeitungsschritten, wie Schleifen, Polieren und Ätzen nötig. Und das Schneiden mit CO2-Lasern zeigte nur begrenzte Genauigkeit, besonders beim Konturschneiden. Deshalb behilft man sich derzeit bei der Glas- oder Saphirverarbeitung oft mit einer Kombination aus mehreren, laserbasierten und mechanischen Verfahrensschritten.

Der 1975 in Hamburg gegründete Laserhersteller Rofin-Sinar hat nun einen Laserschneidprozess für Glas, Saphir, Keramik und andere transparente und spröde Materialen entwickelt, der schnell und genau ist und Nachbearbeitung vermeidet: SmartCleave FI ist ein spaltfreier Trennprozess für gehärtetes und ungehärtetes Glas und andere spröde Materialien mit Schnittgeschwindkeiten von mehr als 300 mm/s. Es eignet sich für gerade, kurvige, geneigte oder angefaste Konturen gleichermaßen wie für das Schneiden von Rohren, gekrümmten Oberflächen oder geschichteten Gläsern. Smart Cleave FI bietet dabei eine hohe Oberflächenqualität mit minimaler Bildung von Mikrorissen. Die Teile behalten ihre hohe Biegebruchfestigkeit und benötigen lediglich minimale Nachbearbeitung. Je nach Materialart und Dicke trennen sich die geschnittenen Teile sogar selbstständig. Dies führt zu einer deutlich verringerten Anzahl von Verfahrensschritten und signifikant höherer Ausbeute in der industriellen Massenproduktion. Hajo Stotz

Anm. d. Red.:

Der Artikel wurde unter anderem erstellt mit Informationen von der Landesmesse Stuttgart, der Max-Planck-Gesellschaft, Trumpf und Rofin-Sinar.

Für Fertigungsingenieure und Studierende

Das Lehrbuch "Laser in der Fertigung" von Thomas Graf und Helmut Hügel führt in die Anwendung von Lasern für die Fertigungstechnik ein und wurde für seine nunmehr dritte Auflage unter didaktischen Gesichtspunkten sowie zur Erleichterung des Selbststudiums grundlegend überarbeitet. Ausgehend von Erzeugung und Eigenschaften der Laserstrahlung werden die Wechselwirkungsmechanismen mit dem Werkstück behandelt, die essentiell für eine erfolgreiche Prozessgestaltung sind. Anhand industriell bedeutsamer Fertigungsverfahren wird beispielhaft die Verknüpfung von Grundlagenwissen und technologischer Umsetzung aufgeführt. 3. überarb. u. erw. Aufl. 2014, Springer Vieweg, ISBN 978-3-8348-1817-1, 44,99 Euro

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