Kontinuierliche Innovationen in den Bereichen Leistung, Zuverlässigkeit und Effizienz sorgen dafür, dass eine der ältesten Lasertechnologien nach wie vor aktuell bleibt.
Wussten Sie, dass Coherent ein Pionier im Bereich der CO₂-Laser war und 1966 sein erstes kommerzielles Produkt auf den Markt brachte? Das war nur zwei Jahre, nachdem dieser Lasertyp erstmals bei Bell Labs erfunden worden war. In den folgenden Jahrzehnten entwickelten sich CO₂-Laser rasch zur beliebtesten Quelle für Schweißen, Schneiden, Markieren und Gravieren in verschiedenen Industriezweigen wie der Automobilfertigung, der Halbleiterherstellung und der Elektrotechnik.
CO₂-Laser werden manchmal als veraltete Technologie angesehen. Tatsächlich gehen CO₂-Laser, die nun bereits in ihr siebtes Jahrzehnt eintreten, jedoch keineswegs in den Ruhestand. Im Gegenteil: Sie finden sowohl in traditionellen als auch in neu entstehenden Anwendungsbereichen immer breitere Verwendung.
Obwohl die Bedeutung von Kilowatt-CO₂-Lasern in der Metallbearbeitung abgenommen hat, nachdem Faserlaser um das Jahr 2010 herum kommerziell an Beliebtheit gewonnen hatten, sind viele Anwendungen für nichtmetallische Werkstoffe nach wie vor sowohl auf CO₂-Laser mit niedriger als auch mit hoher Leistung angewiesen.
Wobei zeichnen sich CO₂-Laser aus?
Einer der Hauptgründe, warum CO₂-Laser nach wie vor wichtig sind, liegt in der grundlegenden Physik. CO₂-Laser strahlen Licht mit einer Wellenlänge von etwa 10 µm aus, das von verschiedenen Materialien sehr gut absorbiert wird – darunter Kunststoffe, organische Materialien wie Holz, Pappe, Leder, natürliche und synthetische Textilien, Gummi, Verbundwerkstoffe und Glaskeramik. Im Gegensatz dazu absorbieren fast alle diese Materialien das Licht mit einer Wellenlänge von 1 µm aus Faserlasern nur schlecht.
Ein weiterer Vorteil ist die starke Absorption von CO₂-Laserstrahlung durch Wasser, was diese Laser in der Chirurgie außerordentlich nützlich macht, da die meisten Gewebe – sogar Knochen – erhebliche Mengen an Wasser enthalten.
Was absorbiert 10 µm-Laserlicht hingegen schlecht? Leitfähige Metalle. Aus diesem Grund stellt Coherent hochleistungsfähige Laserspiegel und andere reflektierende Optiken aus Metallsubstraten wie Kupfer und Aluminium her.
Fortschrittliche CO₂-Lasertechnologie
Ein weiterer Grund, warum CO₂-Laser nach wie vor relevant sind, sind die ständigen technologischen Innovationen, die sie effizienter, zuverlässiger und wirtschaftlicher machen als ihre Vorgänger.
Die erste Generation von CO₂-Lasern mit einer Leistung von mehreren Kilowatt nutzte einen schnellen Gasstrom durch den Laserresonator, was lediglich eine Skalierung älterer, leistungsschwacher „Slow-Flow“-Laser darstellte. Dieser Ansatz war jedoch betrieblich kostspielig, erforderte große Anlagen und wies einen geringeren Wirkungsgrad sowie eine geringere Zuverlässigkeit auf.
Entwicklung diffusionsgekühlter (DC) „Low-Power“-CO₂-Laser, wie die Hochleistungsmodelle (1–8 kW) der Coherent DC-Serie und die Modelle mittlerer Leistung (120–1000 W) der Coherent DIAMOND J-Serie, hat eine Revolution in der Technologie ausgelöst. Diese Bauweise ermöglicht eine effizientere Wärmeableitung, senkt den Gasverbrauch erheblich und erhöht den Wirkungsgrad sowie die Zuverlässigkeit.
Die Hauptvorteile von „Slab“-CO₂-Lasern gegenüber herkömmlichen Hochstrom-Systemen sind:
- Kompakte Bauweise
- Minimaler Gasverbrauch
- Höhere Qualität des Ausgangsstrahls
CO₂-Laser mit geringer Leistung (unter 120 W), wie die Coherent DIAMOND C/Cx-Serie, nutzen eine geschlossene Wellenleiterkonstruktion, die über Jahrzehnte hinweg weiterentwickelt wurde. Moderne Versionen bieten eine höhere Zuverlässigkeit, Leistung, Stabilität und längere Lebensdauer als je zuvor.
Die Funktionalität der DIAMOND C/Cx-Laser wurde um integrierte Modulatoren und intrakavitäres Q-Switching erweitert, was ihren Einsatz in Präzisionsanwendungen ermöglicht, beispielsweise bei der Herstellung von Flachbildschirmen und Mikroelektronik.
Breites Anwendungsspektrum von CO₂-Lasern
CO₂-Laser finden so vielfältige Verwendung, dass es unmöglich ist, alle Anwendungsbereiche aufzuzählen. Nachfolgend nennen wir einige Schlüsselbereiche:
Automobilindustrie und allgemeine Fertigung
- Schneiden von Airbags: CO₂-Laser ermöglichen das präzise und schnelle Schneiden von festen, dicht gewebten Materialien, die in Airbags verwendet werden. Dies gewährleistet saubere Schnittkanten und den Erhalt der Materialintegrität, was für die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Airbagsystems entscheidend ist. Gleichzeitig werden die Schnittkanten versiegelt, wodurch ein Ausfransen des Materials verhindert wird.
Abbildung 2: Das Schneiden von Airbags ist eine hervorragende Anwendung für Laser, die das mechanisch widerstandsfähige Gewebe mühelos durchschneiden und die Schnittkante versiegeln, sodass kein Ausfransen auftritt. - Ausdünnung des Armaturenbretts: Das strategische Ausdünnen oder Einschneiden des Armaturenbretts und der Airbagabdeckungen ermöglicht ein freieres Design des Fahrzeuginnenraums und gewährleistet gleichzeitig die ordnungsgemäße Funktion der Airbags.
- Schneiden von Polymerteilen: Dies wird beispielsweise für Sensoren, Nebelscheinwerfer oder andere Komponenten genutzt. Außerdem ermöglicht es kleine Anpassungen an Serienbauteilen, wie zum Beispiel Stoßfängern für verschiedene Fahrzeugmodelle. Der Laser bietet Flexibilität in der Fertigung – Lochmuster lassen sich leicht definieren und ändern – und erzeugt gleichzeitig glatte Kanten ohne Defekte.
Abbildung 3: Ein CO₂-Laser schneidet eine kundenspezifische Anpassung in ein spritzgegossenes Stoßfänger-Halbzeug. - Abisolieren von Sammelschienen: CO₂-Laser können die Isolierung von Sammelschienen vor dem Schweißen schnell und effizient entfernen. Oft werden sie paarweise eingesetzt, um beide Seiten des Leiters gleichzeitig abzuisolieren
Abbildung 4: Das Abisolieren funktioniert gut, da der CO₂-Laser vom Isoliermaterial absorbiert wird, aber vom darunterliegenden Kupfer reflektiert wird. - Schweißen von Rohren und Profilen: CO₂-Laser werden häufig für durchgehende Schweißnähte an Rohren und Profilen eingesetzt. Dieses als „Profilschweißen“ bezeichnete Verfahren ermöglicht die Herstellung fester, nahtloser Verbindungen, die der Kontur der zu verbindenden Teile folgen.
Halbleiter und Elektronik
- Schneiden und Bohren: CO₂-Laser werden zum Schneiden (sog. „Depaneling“) und zum Bohren von Löchern („Vias“) in Leiterplatten eingesetzt. Sie können auch Niedertemperatur-Ko-Sinterkeramik (LTCC) bohren, die als mikroelektronisches Substrat bei der Herstellung von Mehrschichtbauelementen, beispielsweise Flash-RAM-Speichern, verwendet wird.
- Laser-Tempern von Siliziumwafern: Leistungsstarke CO₂-Laser ermöglichen den Prozess des Wafer-Temperaturprozesses, der ein entscheidender Schritt bei der Herstellung integrierter Schaltkreise (FEOL – Front End of Line) ist.
- Flachbildschirme: Modulierte und Q-geschaltete CO₂-Laser ermöglichen das präzise Schneiden von Zellen und Polarisatoren bei der Herstellung von Flachbildschirmen, wobei sie die thermisch beeinflusste Zone minimieren und eine hohe Kantenqualität gewährleisten.
- Abisolieren von Leitern: Dank der präzisen Materialabtragung eignen sich CO₂-Laser besonders gut zum Abisolieren dünner Drähte.
Verpackung
- Verarbeitung von Verpackungsmaterialien (Converting): Der Prozess der Umwandlung von Papier, Kunststoff, Karton, Folien oder Filmen in fertige Verpackungsprodukte. CO₂-Laser werden aufgrund ihrer Geschwindigkeit, Flexibilität und Zuverlässigkeit für eine Vielzahl von Schneidvorgängen eingesetzt. Die Prozessoptimierung wird durch die Auswahl eines Lasers mit geeigneter Wellenlänge ermöglicht – Coherent bietet CO₂-Laser mit einer Wellenlänge von 9,3 µm, 10,2 µm und 10,6 µm an, je nach den Absorptionseigenschaften des Materials.
- Schneiden von Karton: Die steigende Nachfrage nach Kartonverpackungen fördert eine höhere Effizienz und Flexibilität bei der Kartonherstellung. Leistungsstarke CO₂-Laser ermöglichen eine schnelle, effiziente und flexible Serienfertigung. Die Technologie ermöglicht auch „maßgeschneiderte Kartons“, bei denen die Verpackung exakt nach den Abmessungen der zu transportierenden Güter gefertigt wird.
- Schneiden und Perforieren dünner Folien: CO₂-Laser können problemlos Perforationen in dünnen Folien erzeugen und werden häufig bei der Herstellung von „leicht zu öffnenden“ Verpackungen eingesetzt. Sie eignen sich zudem ideal für Verpackungen mit modifizierter Atmosphäre (MAP) – beispielsweise für Mikroperforationen in Kunststoffbeuteln für abgepackte Salate und andere frische Produkte, wodurch die Luftzirkulation ermöglicht und die Frische verlängert wird.
- Herstellung von Stanzplatten: In der Großserienfertigung von Verpackungen werden häufig Stanzplatten (Dieboards) verwendet, um präzise Formen in Verpackungsmaterialien auszuschneiden. Diese Platten, die in der Regel aus Sperrholz oder Verbundwerkstoffen bestehen, enthalten metallene Stanzmesser. CO₂-Laser werden zum präzisen Einritzen von Rillen in die Stanzplatten eingesetzt, da sie detaillierte, saubere Schnitte mit minimaler Verjüngung ermöglichen.
Abbildung 5: Schneiden präziser und paralleler Nuten in eine dicke Platte. - Digitaler Stanzschnitt: Das direkte Schneiden von Wellpappe mit leistungsstarken CO₂-Lasern ermöglicht eine hohe Flexibilität und die Herstellung kleinerer Serien, beispielsweise für Werbeständer und kreative Verpackungen.
Abbildung 6: Das direkte Schneiden von Karton ermöglicht flexibles digitales Stanzen ohne die Notwendigkeit einer Stanzplatte. - Kiss-Cutting (Halbschnitt): Der Laser schneidet nur die obere Schicht eines zweilagigen Materials durch, ohne die untere Schicht zu durchschneiden. Diese Technik wird häufig bei der Herstellung von Etiketten, Aufklebern und Selbstklebeetiketten eingesetzt, was ein einfaches Ablösen und Anbringen ermöglicht. CO₂-Laser gewährleisten Präzision und Konsistenz, was ideal für die Serienfertigung von selbstklebenden Produkten mit komplexen Formen ist.
- Markierung: Viele in der Verpackungsindustrie verwendete Materialien, darunter Polymere und Keramik, lassen sich mit CO₂-Lasern effizient markieren.
Textilindustrie
- Schneiden: Das Laserschneiden von Stoffen, Leder und Planen bietet hohe Geschwindigkeit und Präzision.
- Verblassen / Distressing: Laser bieten eine schnelle, kontrollierbare und umweltfreundliche Methode zur Bearbeitung von Jeansstoff, um Abnutzung und Alterung nachzuahmen. Sie können auch zur Reproduktion von Grafiken und Mustern auf Jeansstoff und anderen Textilien verwendet werden.
Medizin
- Chirurgie: Die starke Absorption von CO₂-Laserstrahlung durch Wasser macht diese Laser zu effektiven chirurgischen Instrumenten. Sie werden häufig in der Zahnmedizin und der Oralchirurgie zum Schneiden von Knochen, Zahnschmelz und Weichgewebe eingesetzt.
- Dermatologie: CO₂-Laser ermöglichen die präzise Entfernung dünner Hautschichten, ohne das umliegende Gewebe nennenswert zu beeinträchtigen. Sie werden zur Behandlung von Falten, Warzen, Muttermalen und anderen Hautproblemen eingesetzt.
Dies ist nur eine Auswahl der Anwendungsbereiche, in denen CO₂-Laser heute zum Einsatz kommen. Da sie die einzige praktische Quelle für langwelliges Infrarotlicht sind und viele Materialien dieses Licht hervorragend absorbieren, werden CO₂-Laser auch in den kommenden Jahren eine wichtige Technologie bleiben. Nach 60 Jahren im Einsatz gehen CO₂-Laser also keineswegs in den Ruhestand!
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