Was wollt Ihr mit dieser besseren Taschenlampe?

Diodenlaser

»Diodenlaser? Was wollt Ihr mit dieser besseren Taschenlampe? Schweißen? Hartlöten? Härten?« – Diese Frage wurde nach der Gründung von Laserline den Unternehmern Dr. Christoph Ullmann und Volker Krause des Öfteren gestellt. Heute, 17 Jahre später, erreichen Diodenlaser 20000 W und mehr Laserleistung und sind aus dem Schweißbereich nicht mehr wegzudenken.

17. März 2014

Diodenlaser mit vier und sogar fünfstelligen Wattleistungen sind die Domäne der Laserline GmbH aus Mülheim-Kärlich bei Koblenz. Moooment! Mülheim-Kärlich? Da war doch was! Genau! Das Kernkraftwerk, das nach 100 Tagen Regelbetrieb aus formalen Gründen wieder vom Netz genommen werden musste und derzeit auf den viele Hundert Millionen Euro teuren Abriss wartet. Nun ja! Der Standort hat sich ohne Frage verändert. Daher kehren wir lieber wieder zum Thema Diodenlaser zurück!

Laserdioden, Diodenlaser, diodengepumpte Laser – wer nicht damit arbeitet, kann schnell durcheinanderkommen. Klären wir also auf: Mit Laserdioden hat schon fast jeder Mensch zu tun gehabt, in CD-Spielern, in Pointern, in Messgeräten … Eine Laserdiode (Größenordnung 1 mm² mal 0,1 mm Dicke) besteht aus einer monochromen Lichtquelle und einem Resonator.

Laserdioden ist eines gemeinsam: Ihre Leistung reicht von einigen Dutzend bis wenigen Tausend Milliwatt, viel zu wenig, um Blech auch nur zu kitzeln, geschweige denn zu schneiden oder zu schweißen. Nun haben Laserdioden den Vorteil, sehr klein zu sein. Es bietet sich also an, viele Dioden zu einer Baugruppe zusammenzufassen und auch diese Baugruppen zu einem größeren Aggregat, einem Diodenlaser.

»Wir bieten derzeit Laserquellen bis 25 kW und demnächst sogar mit 40 kW für die Materialbearbeitung an«, erklärt Laserline-Geschäftsführer Dr. Christoph Ullmann. Ein bisschen viel für eine Taschenlampe. Bei Laserline kennt man sich aus in der Physik und insbesondere in der Laserphysik. Das Unternehmen wurde 1997 gegründet von Dr. Christoph Ullmann, der am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT) studierte, und Volker Krause, der im Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) in Aachen tätig war.

Aus dem Zweimannbetrieb wurde in den folgenden 17 Jahren ein Unternehmen mit fast 200 Mitarbeitern. Das entspricht einem Durchschnittswachstum von etwa 30 Prozent pro Jahr – nicht zuletzt auch eine organisatorische Herausforderung. Noch größer war das Wachstum in Sachen Laserleistung und Strahlqualität. Dr. Ullmann: »Seit 1999 hat sich etwa alle zwei Jahre die Strahlqualität oder die Maximalleistung bei gleichem Faserdurchmesser verdoppelt. Wir blicken also auf eine ähnlich rasante Entwicklung zurück wie die Chip-Entwickler.«

Die Macht der Masse

›Chip‹ ist ein gutes Stichwort für die weitere Beschreibung des Weges von der Multimilliwatt-Laserdiode zum Multikilowatt-Diodenlaser: Zunächst werden mehrere Dioden zu einem ›Barren‹ zusammengefasst. Diese Barren können ›gestapelt‹ und die emittierten Laserstrahlen optisch gekoppelt und in eine Lichtleitfaser von typisch 0,6 mm Durchmesser gebündelt werden.

Nicht nur auf der Emissionsseite eine nicht triviale Herausforderung, wie Dr. Ullmann veranschaulicht: »Diodenlaser haben zwar einen hohen Wirkungsgrad – ein 200-W-Diodenlaser gibt tatsächlich 200 W Licht ab, während es bei einer 200-W-Glühlampe nur 10 W wären –, aber dennoch müssen bei dieser Laserleistung 100 W Wärme abgeführt werden von einer Fläche unter 0,5 cm².

Vergleichen Sie das mal mit einer kleinen Herdplatte mit 16 cm Durchmesser: Die schafft 1600 W auf 200 cm² Fläche, also maximal 8 W/cm²! Nun können Sie sich ein Bild machen, welche Leistung unsere wassergeführten Kühlelemente wegschaffen müssen.« Kein Wunder, dass die Kühleinrichtungen weit mehr Platz beanspruchen als die Laserdioden selbst.

Kombiniert man wiederum mehrere Stapel, so hat man Laserquellen von mehreren Kilowatt – und die nächste Herausforderung. Hören wir wieder Dr. Ullmann: »Wir erhalten auf diese Weise ein Strahlenbündel mit einem Querschnitt von beispielsweise 10 mal 40 mm. Nun stellt sich die Frage: Wie bekomme ich dieses Strahlenbündel in eine Faser mit 0,6 mm Durchmesser? Dazu haben wir einen Strahlformer entwickelt, der dieses Laserbündel entsprechend verarbeitet.«

Von der Faser geht es über die Optik auf das Bauteil, sei es mehr oder weniger stark gebündelt zum Schweißen oder flächig zum schnellen, definierten Erwärmen. Die hohe Effizienz der Dioden selbst und die vergleichsweise einfache Aufbereitung führen zu einem Wirkungsgrad, der deutlich über dem diodengepumpter Festkörperlaser liegt.

An dieser Stelle die dritte Begriffsklärung: Bei den diodengepumpten Lasern wird die herkömmliche Lichtquelle, eine Lampe, durch eine Diode ersetzt, die den externen Resonator versorgt – eine verlustbehaftete Umwandlung, die die Laserdiode nicht nötig hat. »Unsere Diodenlaser erreichen Effizienzen über 45 Prozent, gemessen von der Steckdose bis zum Bauteil«, beziffert Dr. Ullmann. »Das ist unerreicht und ein wesentlicher Grund für die hohe Akzeptanz des Diodenlasers in der Industrie.«

Dazu kommt, dass Diodenlaser deutlich kompakter – dadurch auch robuster – und kostengünstiger sind als andere Laser. Wie aber sieht es mit der Strahlqualität aus? Schließlich kann es nicht so einfach sein, eine ganze Herde einzelner Laserstrahlen zu zähmen. »Wir können heute Systeme bauen, die die Stahlqualität lampengepumpter Festkörperlaser erreichen. Wir können zum Beispiel im Schweißbereich alle Leistungen anbieten, für die sich Laser überhaupt eignen, auch schwierige Fälle wie Edelstahl, verzinkte Bleche und Aluminium.

Wir können aber auch leistungsfähigere Systeme anbieten, etwa zum Beschichten oder Härten. Grundsätzlich sind der Leistung des Diodenlasers keine Grenzen gesetzt. Zwei in der Praxis limitierende Faktoren habe ich schon angesprochen: die Kühlung und die Einkopplung in die Faser. Und natürlich brauchen wir die geeigneten Anwendungen für unsere Lösungen.«

Plug and play

Es gibt aber auch Anwendungen, wo der Diodenlaser nicht nur effizienter und wirtschaftlicher ist, sondern deutliche technische Vorteile bietet, die ihrerseits wieder zu mehr Wirtschaftlichkeit führen. Dr. Ullmann nennt ein Beispiel: »In Aluminium hat der Diodenlaser aufgrund seiner Wellenlänge eine bessere Absorption.

Dadurch haben wir im Material noch mal eine höhere Effizienz, und der ganze Prozess läuft ruhiger.« Unter Umständen so ruhig, dass selbst dem kundigen Betrachter massive Zweifel kommen können: »Der schweißt ja gar nicht.« Denn zum Schweißen gehören bekanntlich vernehmliches Gebrutzel und grelles Gefunkel …

Dieser Eindruck, es passiere nichts, hat seinen Grund: Wir haben es eben nicht mit einem einzelnen Lichtstrahl zu tun, sondern mit vielen Einzelstrahlen. Und die müssen nicht die gleiche Wellenlänge haben. Wie bitte? Haben wir nicht in der Schule etwas von kohärentem Licht gehört, das im Gleichschritt in eine Richtung marschiert, also streng monochrom, parallel und phasengleich? Also, das mit der Parallelität haben wir schon geklärt: Je nach Aufgabe wird der Laserstrahl, egal welcher Art, fokussiert oder aufgefächert.

Aus dem einzelnen Resonator kommt das Licht auch monochrom und phasengleich. Doch der Diodenlaser besteht eben aus Tausenden Laserdioden, deren Licht man kombinieren kann. Streng genommen kommt aus solchen Dioden-›Lasern‹ gar kein echter Laserstrahl, sondern eine ›bunte‹ Mischung – und das ist nicht etwa ein Nach-, sondern ein Vorteil.

Dr. Ullmann: »Für die Metallbearbeitung verwenden wir Licht im nahen Infrarot von 900 bis 1060 nm Wellenlänge, also einen ähnlichen Bereich wie Festkörperlaser. Wir können also eine Bandbreite von Wellenlängen nutzen, um eine Aufgabe optimal zu lösen. In der Regel setzen wir in einem System vier verschiedene Wellenlängen ein, die wir optimal abstimmen.

Das kommt dem Prozess zugute.« Ein Prozess, der im Grunde sofort nach der Installation starten kann: »Wir stimmen die Systeme so weit auf die Aufgaben ab, dass der Kunde gleich nach dem Auspacken und Einstecken loslegen kann – echtes Plug and play also«, verspricht Dr. Ullmann.

Der Kunde kommt in erster Linie aus dem Automotive-Bereich. Hier sind es vor allem die OEMs, die die fast unsichtbaren Schweiß- und Lötnähte schätzen, die keine oder kaum Nacharbeit erfordern, selbst im Sichtbereich der Außenhaut. Kein Wunder, dass die Rohkarosserie eines Premium-Herstellers die Eingangshalle von Laserline ziert. Apropos Eingangshalle: Wer das Unternehmen besuchen will und eine Hausnummer vermisst, sei beruhigt: Der Betrieb ist nicht zu übersehen.

Kaum Nacharbeit nötig

Auch die Produzenten Weißer Ware wissen die feinen Lasernähte zu schätzen, ebenso die Hersteller edler Edelstahlspülen: Wo kleine Radien und extreme Streckverhältnisse das Tiefziehen aus einem Stück verhindern, also mindestens zwei Teile zu fügen sind, ist die Lasernaht nach einer einfachen, kurzen Überarbeitung nicht mehr zu erkennen.

Die nicht mehr erforderliche oder minimale Nacharbeit ist ein ganz wesentlicher Vorteil des Diodenlaserschweißens. Gut – das können der Scheiben- und Faserlaser auch, zumindest in Stahl; der Diodenlaser schweißt aber in Aluminium ebenso fein. Das ist nicht nur im Bau von Edelkarosserien ein Vorteil, sondern auch von ganz gewöhnlichen Behältern. »Da wir mit einem größeren Fokus arbeiten, bekommen wir ein besseres Verschmelzen, eine gleichmäßigere Naht, die zuverlässig dicht ist «, erklärt Dr. Ullmann.

Für dünne Bleche, wie sie für Gehäuse, seien sie für Menschen oder elektronische Schaltungen gedacht, üblich sind, braucht man aber keine Leistungen im zweistelligen kW-Bereich. Wozu also mehr als 5 kW? »Mit hohen Leistungen können Sie nicht nur tiefer schweißen, sondern auch mehr Material schmelzen, also breitere Spalte überwinden. Aber der Schwerpunkt der hohen Leistungen liegt woanders, nämlich im Beschichtungsbereich«, erklärt der Laserline-Geschäftsführer.

Beim Härten, Beschichten und Auftragsschweißen gilt eine einfache Regel: je höher die Laserleistung, desto größer die bearbeitbare Fläche und das Auftragsvolumen. »Mit unseren Lasern lassen sich neun bis zehn Kilogramm pro Stunde auftragen«, Dr. Ullmann zeigt die Projektion eines aufgefächerten Strahls: ein sauber gezeichnetes Rechteck, Voraussetzung für einen sowohl effizienten wie auch gleichmäßigen Auftrag. »Mit dem Diodenlaser ist das möglich. Aber nicht nur die Effizienz ist höher, sondern auch die Geschwindigkeit, und Sie haben infolgedessen auch einen geringeren Wärmeeintrag in das Bauteil.«

Mehr Effizienz durch lasergerechtes Konstruieren

Ein wesentliches Effizienzpotenzial sieht Dr. Ullmann noch an ganz anderer Stelle: »Woran es noch mangelt, ist das schweißlasergerechte Konstruieren. Hier sind die technischen Hochschulen gefragt, denn wir als Laserline sind derzeit noch nicht groß genug, um entsprechende Kurse anzubieten.«

Leider fördert der Diodenlaser auch Werkstoffe, die dem herkömmlichen Blech, definitionsgemäß aus Metall, Konkurrenz machen könnten: Im Laserline-Eingangsbereich, gleich neben der Rohkarosserie, ist ein CFK-Rohr zu sehen, dessen Thermoplast-Kern mit Kohlefaser-Rovings umwickelt ist.

Wird das Thermoplast erwärmt, lassen sich die Rovings oder ein Gewebe leicht hineinpressen, was um Größenordnungen schneller geht, sich besser automatisieren lässt und nicht so umwelt- und gesundheitsschädlich ist wie das gängige Verfahren mit Zweikomponenten-Duroplasten.

An andere Verfahren, die man sich bei Laserline gut vorstellen kann, wagt die Industrie anscheinend noch gar nicht zu denken: »Warum existiert noch kein Laser-Handschweißgerät? Laserdichte Vorhänge gibt es bereits, und mit diesem Material kann man die Kabine auch nach oben abschirmen. Ebenso wenig dürfte lasergerechte Schutzkleidung für das Schweißpersonal ein Problem sein.«

Anpassung an unterschiedlichste Aufgaben

Bleche schweißen, Oberflächen härten, CFK-Bestandteile verheiraten – das sind recht unterschiedliche Anwendungen. Wie bekommt man die ›unter einen Hut‹? »Da Diodenlaser per se modular aufgebaut sind, war es relativ einfach, auch im Systemmaßstab Modulbaukästen zu bilden. Das macht uns sehr flexibel in der Anpassung an unterschiedlichste Anforderungen und Märkte.

Entsprechend können wir unsere Strategie zumindest produktseitig an diese Märkte und Anforderungen anpassen«, erklärt der Laserline-Geschäftsführer.

Schwieriger ist die Marktbearbeitung als solche: »Im Bereich Dünnblechschweißen haben wir unser Potenzial noch lange nicht ausgeschöpft – ganz einfach, weil wir ihn noch nicht angegangen sind«, bekennt Dr. Ullmann. Was Wunder: Wer 30 Prozent jährliches Wachstum produktionstechnisch, organisatorisch und personell verkraften muss, kann nicht überall sein – aber zuversichtlich, die bisherigen Steigerungsquoten beizubehalten …

Hans-Georg Schätzl

Erschienen in Ausgabe: 02/2014