Der Scheibenlaser

Der Scheibenlaser ist eine der bedeutendsten Entwicklungen in der jüngeren Lasertechnik. Er basiert auf einem neuen Strahlquellenkonzept des Instituts für Strahlwerkzeuge (IFSW) an der Universität Stuttgart.

12. Juli 2005

Hohe Effizienz und Strahlqualität bei hohen Laserlichtleistungen sind die besonderen Merkmale. Gleichzeitig können die Vorteile der für Festkörperlaser typischen flexiblen Laserstrahlführung per Laserlichtkabel und Lasernetzwerk genutzt werden. Mit diesen Eigenschaften eröffnet er in der Lasermaterialbearbeitung neue Anwendungen, wie das robotergeführte Scannerschweißen (bbr 3/4 2005, S. 18 ff.). Eine Basiskomponente des Scheibenlasers ist der Hochleistungsdiodenlaser als sogenannte Pumpquelle.

Die Wirkungsgradsteigerung ist erheblich

Die sehr kompakten Diodenlaser liefern heute hohe Leistungen bei sehr hohem Wirkungsgrad. Allerdings sind sie aufgrund der Strahleigenschaften in Schneid- und Schweiß-Anwendungen in der Regel nicht direkt einsetzbar. Aber Sie eignen sich als idealen Ersatz der bisher in Festkörperlasern eingesetzten Pumplampen. Der Steckdosen-Wirkungsgrad des Scheibenlasers erreicht so über 20 Prozent.

Gegenüber lampengepumpten Festkörperlasern mit nur wenigen Prozent eine erhebliche Steigerung. Sie liegt damit über der Effizienz von Multikilowatt-CO2-Lasern.Anwendungsgrenzen der cw-Festkörperlaser im Multikilowattbereich waren bisher bestimmt durch Leistungsgrenzen und durch die sogenannte Strahlqualität. Diese charakterisiert die Fokussierbarkeit des Laserlichts von Strahlquellen: Bessere Strahlqualität erlaubt kleinere Fokus-Durchmesser oder größere Arbeitsabstände.

Verringerte Abhängigkeiten

Bei Stab-Festkörperlasern sinkt die erreichbare Strahlqualität eines Gerätes physikalisch bedingt mit zunehmender Leistung. In der Praxis bedeutete dies, daß je schlanker die Schweißnaht oder schmaler die Schnittfuge sein sollte, desto geringer war die verfügbare Leistung.

Die Abhängigkeit der Strahlqualität von der Leistung kann durch Reduzierung von einer Dimension des Stabes - Durchmesser oder Länge - weitgehend aufgehoben werden. Anschaulich dargestellt: Der Verringerung des Durchmessers entspricht das Konzept des Faserlasers. Die Strahlqualität ist hier leistungsunabhängig bestimmt durch den Kerndurchmesser der Faser. Allerdings erreicht die Leistung einzelner Fasern nur im Forschungslabor die Kilowattgrenze. Durch Faserbündelung werden heute aber auch höhere Leistungen erreicht.

Das Scheibenlaser-Konzept dagegen basiert auf der Verwendung hauchdünner scheibenförmiger Laserkristalle. Trotz des kleinen Volumens kann durch Verwendung von Yb:YAG als Laserkristall bereits mit einer einzelnen Scheibe eine sehr hohe Leistung erzeugt werden. So setzt Trumpf im 4-kW-Scheibenlaser lediglich vier Scheiben ein.

Berechnungen von Dr. Giesen am IFSW haben gezeigt, daß theoretisch eine Scheibe allein bis zu 10 kW Laserleistung erzeugen kann. Ein wesentlicher Vorteil des Scheibenlaserkonzeptes ist die Skalierbarkeit durch Erhöhung der Anzahl der Scheiben innerhalb des Resonators. Das bedeutet, einzeln gepumpte Scheiben lassen sich im Resonator miteinander koppeln. Das Laserlicht wird erst am Ausgang in wahlweise bis zu sechs Laserlichtkabel eingekoppelt. Eine Faserbündelung der Leistung mehrerer Scheibenlaser ist zwar möglich, aber nicht notwendig, um Mulitkilowatt-Laserleistungen zu erlangen.

Aufbau des Scheibenlasers

Am Beispiel des 4-Kilowatt-Scheibenlasers HLD 4002 von Trumpf sei der in jeder Hinsicht modulare Aufbau eines Scheibenlasers dargestellt. Die dünnen Scheiben sind einseitig verspiegelt und flächig auf einem Kühlblock befestigt. Wie Umlenkspiegel befinden sie sich im Resonator, erzeugen das Laserlicht und falten gleichzeitig den Strahlengang zwischen einem End- und Auskoppelspiegel. Jede Scheibe sitzt im Zentrum eines Pumpmoduls und wird unabhängig von den anderen Scheiben -gepumpt. Die Pumpmodule bestehen aus einem Retroreflektor, der das Pumplicht der Diodenlaser 16fach auf die Scheibe wirft. So wird eine sehr hohe Intensität und Ausbeutung des Pumplichtes erzielt. Jeweils vier sogenannte Laserdioden-Stacks versorgen ein Pumpmodul mit Pumplicht. Würde ein Stack ausfallen, kann durch automatische, sofortige Erhöhung der Leistung aller anderen Stacks der Betrieb ohne Unterbrechung und Veränderung der Strahleigenschaften des Scheibenlasers fortgesetzt werden. Der Austausch eines Stacks erfolgt innerhalb von wenigen Minuten durch einfaches „Plug ’n’ Play“ in der nächsten Produktionspause.

Industriell erprobt

Gemessen an seinem Alter ist der Scheibenlaser ein außerordentlich erfolgreiches Konzept. Am IFSW reifte 1990 die Erkenntnis, daß sich nur ein völlig neues Laserkonzept durchsetzen und weitere Einsatzfelder für die Industrie erschließen könne. Dieses Ziel vor Augen, beauftragte Professor Hügel 1991 Herrn Dr. Giesen, eine Arbeitsgruppe zu bilden, die sich damit befassen und sich den anstehenden Forschungsaufgaben mit aller Energie widmen sollte. Heute besitzt der Scheibenlaser große Bedeutung für die Industrie - für Laserhersteller und -anwender gleichermaßen. Mehr als 15 Lizenzen wurden von der Arbeitsgruppe weltweit vergeben. 2002 erhielt die Arbeitsgruppe Scheibenlaser mit dem ersten Preis des internationalen Berthold Leibinger Innovationspreises die erste große Ehrung für ihre Leistung. Weitere bedeutende Auszeichnungen folgten.

Im niedrigen Leistungsbereich unter hundert Watt sind bereits Tausende Scheibenlaser von Jenoptik für Beschriftungsaufgaben und medizinische Anwendungen im Einsatz. Scheibenlaser mit bis zu einem Kilowatt führte Trumpf vor mehr als zwei Jahren in den Markt ein. Auch der Leistungssprung auf vier Kilowatt ist bereits vollzogen. Insbesondere die Automobilhersteller nutzen diese Strahlquelle schon seit einiger Zeit für die Entwicklung und Qualifizierung von Schweißanwendungen im Karosseriebau.

Typische Anwendungen

Für Anwendungen entscheidend ist die hohe Strahlqualität des Scheibenlasers bei hohen Leistungen. Vor allem diese Eigenschaft eröffnet neue Anwendungsgebiete. Von großer Bedeutung ist das Scannerschweißen mit Roboter. Hier wird die sehr gute Strahlqualität der 4-Kilowatt-Scheibenlaser genutzt, um den Arbeitsabstand einer Scanneroptik auf bis zu einen halben Meter zu erhöhen. Beim Schweißen mit Scanneroptiken, wie mit der »Programmierbaren Fokussieroptik« (PFO) von Trumpf, lenken drehbare Spiegel den Laserstrahl an die exakte Bearbeitungsstelle. Dadurch können auch an Belastungsanforderungen angepaßte Schweißnahtgeometrien ohne Rücksicht auf träge, bewegte Massen frei programmiert werden. Das Arbeitsfeld des Scanners ergibt sich wegen der Winkelabhängigkeit aus dem maximal einstellbaren Abstand der Optik von der Arbeitsebene. Mit dem »HLD 4002« von Trumpf erreicht das Arbeitsfeld die Größe eines DIN-A4-Blatts. Dies ist zwar deutlich kleiner als das Arbeitsfeld von stationären Scannersystemen mit CO2-Laser, die einen Durchmesser von 1.500 Millimeter erreichen.

Doch die kompakteren Festkörperlaser-Scannerköpfe können auch dank flexibler Laserlichtkabel von einem Standard-Industrieroboter geführt werden. Die dreidimensionale Bewegung des Roboters führt als überlagerte Bewegung das Arbeitsfeld des Scanners in konstantem Arbeitsabstand entlang der Schweißnahtpositionen. Während der Roboter fliegend die grobe Positionierung übernimmt, lenken die schnellen Spiegel den Laserstrahl an die exakte Position und entlang der programmierten Geometrie.

Damit erreicht ein Roboter-Scannersystem innerhalb des Scanfelds Positionierungsgeschwindigkeiten von 600 Metern pro Minute. Die hohe Leistung des Scheibenlasers wird in Schweißgeschwindigkeit umgesetzt und erhöht die Produktivität und Wirtschaftlichkeit der Anlage. Automobilhersteller erproben diese Technologie bereits seit Jahren und planen den Serieneinsatz im Karosserierohbau für 2006.

Leistungsträger in der Industrie

Unter 1 Kilowatt Leistung setzt Trumpf Scheibenlaser als Strahlquelle für das generative Verfahren des direkten Laserformens ein. Auch hier wird die Scannertechnologie eingesetzt. Eine stationäre Scanneroptik verfährt den Strahl über eine Metallpulverschicht, die so punktuell mit der darunterliegenden Schicht verschmilzt. Schichtweise entsteht so aus 3D-Daten ein Werkstück.

Weitere Anwendungen des Scheibenlasers vor allem im 1-Kilowatt-Bereich sind das Hochgeschwindigkeitsschneiden von dünnen Blechen sowie das Präzisionsschweißen mit geringem Wärmeeintrag. Typische Teile sind Sensoren und elektromechanische Komponenten aus der Automobilzuliefer- und Elektronik-Industrie.

Mit dem Scheibenlaser stehen heute Festkörperlaser sowohl mit höherer Leistung als auch mit höherer Strahlqualität zur Verfügung. Sie eröffnen der Lasertechnik viele neue Möglichkeiten in der industriellen Fertigungstechnik.

Dr. Kurt MannSven Ederer

Erschienen in Ausgabe: 05/2005