Lasertechnologien finden in verschiedenen industriellen Anwendungsbereichen immer breitere Verwendung, doch das war nicht immer so. Begeben wir uns gemeinsam auf einen kurzen „Ausflug“ in die Geschichte und schauen wir uns an, wie der Laser früher genutzt wurde und wie es heute aussieht.

Wie funktioniert ein Laser?

Vor dem eigentlichen „Ausflug“ sollten wir noch kurz darauf eingehen, wie ein Laser eigentlich funktioniert. Ein allgemeines Schema eines Lasers ist in Abbildung 1 dargestellt. Die Grundlage eines Lasers bildet ein aktives Medium, das auf irgendeine Weise angeregt wird (optisch, elektrisch usw.). Durch die Anregung führen wir Energie in den Laser ein, die anschließend mittels des Prozesses der stimulierten Emission in Form eines Laserstrahls abgestrahlt wird. Dazu muss noch ein sogenannter optischer Resonator geschaffen werden, der meist aus reflektierenden Spiegeln besteht.

Was macht den Laserstrahl so einzigartig? Die Einzigartigkeit dieser Technologie liegt darin, dass beim Prozess der stimulierten Emission sowohl das einfallende als auch das emittierte Photon dieselbe Energie (Frequenz), dieselbe Richtung, Polarisation und Phase aufweisen. Aus diesem wichtigen Faktor ergeben sich drei grundlegende Eigenschaften des Lasers, die ihn von anderen Strahlungsquellen unterscheiden.

Der Laserstrahl ist:

1) kollimiert – d. h., er breitet sich nicht aus

2) monochromatisch („einfarbig“) – d. h., die erzeugten Photonen haben dieselbe Frequenz bzw. Wellenlänge

3) kohärent – die erzeugten Photonen sind sowohl zeitlich als auch räumlich in Phase

Das Gegenteil eines Lasers ist beispielsweise eine klassische Glühlampe, die Strahlung völlig „chaotisch“ erzeugt und Photonen erzeugt, die in alle Richtungen streuen, unterschiedliche Wellenlängen haben und eine zufällige Phase aufweisen.

Gerade dank dieser bahnbrechenden Eigenschaften ist der Laser zu einem wertvollen Hilfsmittel in vielen verschiedenen Anwendungsbereichen geworden. In der Industrie wird vor allem die Möglichkeit genutzt, den Laserstrahl auf einen kleinen Punkt zu fokussieren und so eine hohe Energieflächendichte zu erreichen, die für die Materialbearbeitung erforderlich ist.

Die Geschichte des Lasers

Die industrielle Nutzung von Lasern geht auf das Jahr 1965 zurück, als das amerikanische Unternehmen Western Electric Company das erste funktionsfähige Lasersystem baute, das zum Bohren von Diamantwürfeln eingesetzt wurde. Im Jahr 1967 folgte eine Maschine auf Basis eines CO₂-Lasers zum Schneiden von Blechen und Anfang der 70er Jahre eine Maschine zum Schneiden von Titan. Das Schneiden war und ist nach wie vor die am weitesten verbreitete Lasertechnologie in der Industrie. Seit den 60er Jahren hat diese Technologie jedoch eine grundlegende Entwicklung durchlaufen, und der Laser fand parallel dazu auch in anderen Bereichen Anwendung. Nach der Erfindung des Nd:YAG-Festkörperlasers verbreitete sich dessen Einsatz im Bereich des Schweißens stark.

Im Laufe der Zeit stieg die Leistung der Laser, wodurch sich auch neue Anwendungsmöglichkeiten ergaben, insbesondere bei der Verwendung neuer, moderner Werkstoffe. Es war möglich, eine größere Durchbruchtiefe, deutlich kleinere Wärmeeinflusszonen, hohe Produktivität, einfachere Automatisierungsmöglichkeiten usw. zu erzielen.

Ein Nachteil der Nd:YAG-Laser war jedoch die geringe Strahlqualität, was sich in der Entwicklung der Laser erst durch den Faserlaser änderte. Der dominierende und erste industrielle Pionier im Bereich der Faserlaser war das Unternehmen IPG Photonics, das seit 1990 mehr als 40.000 Geräte hergestellt hat. Vorteile gegenüber der Nd:YAG-Technologie sind vor allem der hohe Wirkungsgrad (35–45 %), die Lebensdauer (bis zu 100.000 Stunden), die kompakten Abmessungen und nicht zuletzt die niedrigen Betriebskosten sowie der nahezu null Wartungsaufwand.

Der Einzug der Faserlaser leitete die zweite Phase in der Entwicklung der Laser ein. Dank ihrer Architektur sind die heutigen Laser im Vergleich zu Nd:YAG- oder CO₂-Technologien deutlich kleiner, leistungsstärker und weisen eine hohe Strahlqualität (BPP 4) auf.

Diese Ära brachte einen enormen Aufschwung im Bereich der räumlichen Bearbeitung – 2,5D und 3D – mit sich. Die Möglichkeit der Strahlführung über ein optisches Faserkabel, die relativ einfache Integration und der Einsatz eines mehrachsigen Manipulators, z. B. eines Roboters, eröffnen immer mehr Möglichkeiten, den Laser nicht nur zum Schneiden und Schweißen, sondern auch zum Härten, Aufschweißen oder sogar zur Reinigung zu nutzen. Systeme, die durch leistungsstarke CAD/CAM-Software ergänzt werden, bieten enorme Möglichkeiten bei der Erstellung von Bahnverläufen, beim Testen ohne den Laser in Betrieb nehmen zu müssen, bei der Erkennung potenzieller Risiken und bei der schnellen Korrektur. Diese modernen Systeme bieten somit enorme Vorteile hinsichtlich der Arbeitsproduktivität und machen diese Technologie durch Zeit- und Personaleinsparungen auch für kleinere Unternehmen zugänglich.

Es muss gesagt werden, dass auch CO₂-Laser, Diodenlaser und Scheibenlaser, die in der Industrie ebenfalls eine wesentliche Rolle spielen, in ihrer Entwicklung nicht hinterherhinkten, doch auf globaler Ebene war die Entwicklung in der zweiten Phase bei ihnen nicht so rasant.

Die aktuelle Entwicklung im Bereich der Lasertechnologie konzentriert sich insbesondere auf Diodenlaser, die sich durch einen Wirkungsgrad von bis zu 50 %, niedrige Betriebs- und Anschaffungskosten, Kompaktheit und eine hervorragende Strahlqualität auszeichnen. Bereits heute werden Faserlaser im Bereich der Metallbearbeitung und Oberflächenbehandlung durch neue Diodenlaser ersetzt, die auch für mittelständische und kleinere Unternehmen erschwinglich sind.

Die Firma LAO – průmyslové systémy, s.r.o. ist seit mehr als 20 Jahren ein zuverlässiger Partner im Bereich der Lasertechnologie und der Produktionsoptimierung. Der Laser von LAO wird zusammen mit einem Roboter von Stäubli Systems s.r.o. von der Firma T M T spol. s r.o. Chrudim zusammen mit Förderbändern, Tischen und weiteren Peripheriegeräten zu einer funktionalen technologischen Einheit integriert, die den Bedürfnissen und Wünschen des Kunden entspricht. Diese drei Unternehmen entwickeln derzeit gemeinsam eine einheitliche 3D-Laser-Roboteranwendung mit breitem Anwendungsspektrum. Die auf „Multicell“ basierende Zelle ist ein repräsentatives Beispiel für die erstklassige Umsetzung von technologischem Know-how und fortschrittlicher Technologie für Ihre anspruchsvollsten Anforderungen.

Wir laden Sie herzlich zur Internationalen Maschinenbaumesse 2014 (vom 29. September  – 3. Oktober 2014), wo Sie den Stand der Firma T M T (Halle A2, Erdgeschoss, Stand Nr. 20) oder der Firma Stäubli (Halle G1, Stand Nr. 40) besuchen, um mehr über die Laser-Roboterplattform „Multicell“ zu erfahren.