Laser in der Produktion

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1 100 Jahre Ingenieurausbildung in Hamburg - 3. Juni 2005 Vortrag von Dr. Volker Auerbach, Rofin-Sinar Laser GmbH Laser in der Produktion - Folie: Laser in der Produktion - Guten Tag, sehr verehrte Damen und Herren, eigentlich stellt sich dem Zuhörer zu 100 Jahre Ingenieurausbildung die Frage, wie der Laser - als das Produkt der Physiker - mit der Ausbildung der Ingenieure in Zusammenhang gebracht werden kann. Die Antwort ist recht einfach, denn die Grundlagen des Lasers sind heute auch 100 Jahre alt. Albert Einstein veröffentlichte vor genau 100 Jahren sowohl die spezielle Relativitätstheorie als auch seine Arbeiten zur Quantentheorie und legte damit den eigentlichen Grundstein für unseren heutigen Laser; leider haben ihn vor 100 Jahren nur wenige Wissenschaftler verstanden. Wieder zurückkommend auf die Ingenieurausbildung hätte die Erfolgsgeschichte der Lasertechnologie ohne die methodischen ingenieurmäßigen Entwicklungen und Konstruktionen nicht so geschrieben werden können. Die Erkenntnis, dass Technik sich nicht auf angewandte Naturwissenschaften und Mathematik reduzieren lässt, führte zu der systematischen Ingenieurausbildung des 19. Jahrhunderts in Deutschland und somit auch zu dem Kenntnisstand, den wir durch die Arbeit der Ingenieure mit der Lasertechnologie in der Produktion erreicht haben. 1

2 Erst das Zusammenspiel der unterschiedlichen Ingenieurausbildungen von Elektro- und Elektronik- über Maschinenbau- bis zu den Werkstoffingenieuren ergab eine Fertigungstechnologie, die heute aus Maschinenbau-, Elektronik- und Automobilindustrie nicht mehr wegzudenken ist. Im folgenden möchte ich Ihnen einen Einblick in den gegenwärtigen Stand der Lasertechnologie geben, durchaus auch aus der Sichtweise von Rofin-Sinar, das ja zu den Pionieren der industriellen Laser und der damit verbundenen Produktionstechnologie gehört. - Folie: Einstein und seine Theorie - Einstein legte 1917 mit seinen Arbeiten zur Quantenmechanik der Strahlung, der spontanen und stimulierten Emission, die mathematischen Grundlagen zur Entwicklung des Lasers. Es mussten aber nochmals 42 Jahre vergehen, bis 1959 die erste Patenteinreichung zum Laser stattfand und 1964 der erste CO 2 -Laser gebaut wurde. Was bedeutet nun Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - außer dass daraus der Name Laser entstanden ist - für unsere tägliche Praxis? Ich möchte Ihnen kurz, aus der Sicht des Ingenieurs, darstellen, wie wir zu unserem Laserlicht kommen - die Physiker unter uns bitte ich schon vorab um Entschuldigung. - Folie: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - - 2

3 Zur Erzeugung des Laserlichtes ist ein laseraktives Medium wie ein Gas, ein dotierter Kristall oder ein Halbleiter erforderlich. Nun versuchen wir die Atome dieses Mediums anzuregen und diese angeregten Atome durch Photonen zur Emission eines weiteren Photons zu stimulieren. Setzt man dieses Medium in einen optischen Resonator, so sorgt diese stimulierte Emission dafür, dass das meiste Licht in Richtung des schon vorhandenen Lichts emittiert wird. Das Licht im Resonator wird also immer mehr verstärkt und verlässt ihn in parallelen, monochromatischen und kohärenten Lichtbündeln, die somit in einer definierten Beziehung zueinander stehen. Im Gegensatz zum durch Glühlampen erzeugtem Licht, in dem die Atome nichts voneinander wissen und somit das emittierte Licht divergent, vielfarbig und inkohärent ist. Die Vorteile des Laserlichtes ist die hohe Leistungsdichte, die durch die entsprechenden optischen Systeme unterschiedlich genutzt werden kann. - Folie: Die Historie des Industrielasers - Gehen wir in die Historie des Industrielasers, so ist die Geschichte des Industrieeinsatzes nicht sehr lang. Vor 35 Jahren wurden zum ersten Mal Laser in der Produktion eingesetzt und es entstanden die ersten zweidimensionalen Schneidsysteme mit Lasern kleiner Leistung; in den 80er Jahren wurde schon mit 5 kw geschweißt, die 90er brachten uns dreidimensionale Schweiß- und Schneidsysteme und im Moment beschäftigt sich die Fachwelt mit der Scannertechnologie für Schweiß- und in Zukunft vielleicht auch für Schneidanwendungen. 3

4 Seit 1975 wird diese Entwicklung sehr stark von Rofin-Sinar mit geprägt. Auch wenn wir ein an der NASDAQ gelistetes Unternehmen sind, so sind doch die Wurzeln in Hamburg, wo auch rund 50 Prozent unseres Umsatzes erarbeitet wird. - Folie: Entwicklung der Rofin CO 2 Laser - In unseren heutigen Produkten für die Materialbearbeitung unterscheiden wir die CO 2, die Festkörper- und die Diodenlaser, wobei der CO 2 - Laser noch immer das Hauptprodukt der Gruppe ist. War Rofin-Sinar zu Beginn noch eine reine Vertriebsgesellschaft, werden seit 1982 CO 2 - Laser aus eigener Produktion weltweit in die produzierende Industrie geliefert. Wie Sie an den Bildern dieser Folie erkennen können, hat es ständig eine Weiterentwicklung der Produkte gegeben und seit 1995 haben wir mit der SLAB Technologie ein Produkt am Markt, dessen Entwicklung ohne das Zusammenspiel von Physik und Ingenieurwissen nicht erreicht worden wäre. - Folie: Entwicklung der ROFIN Festkörperlaser - Als Technologieführer haben wir uns frühzeitig mit der Entwicklung der Festkörperlaser beschäftigt. Die sogenannte Kurze Wellenlänge von 1,06 nm hat den Vorteil, dass der Transport durch Lichtleitfasern möglich ist und somit der Schweiß- oder Schneidkopf durch Roboter geführt werden kann. Während in den Anfängen noch Blitzlampen als Anregungsmedium für den Kristall genutzt wurden, haben die Entwicklungen in der Halbleitertechnologie auch zu einem Entwicklungssprung in der Festkörperlaserentwicklung geführt. Heute werden Hochleistungsdioden sowohl zur di- 4

5 rekten Bearbeitung von Materialien genutzt als auch zur Anregung der Laserkristalle. Gerade der Festkörperlaser hat in sehr kurzer Zeit Entwicklungsstufen durchlaufen, die in dieser Kürze nur im Zusammenspiel von Industrie und Hochschulen möglich gewesen sind. Betrachten wir die Lasertechnologie für Materialbearbeitung weltweit, so können wir feststellen, dass Deutschland noch führend ist. Die gezielte Forschungsförderung, die Investitionen der deutschen Laserhersteller und das Know-how der Hochschulen hat dazu geführt und ist ein positives Beispiel für den Standort Deutschland. - Folie: Entwicklung Resonator - Wie Sie zu Beginn des Vortrages schon gehört haben, benötigen wir zur Erzeugung des Laserlichtes den entsprechenden Resonator. Wurde das CO 2 - Gas anfangs quer zur Strahlrichtung Cross Flow und später längs zu Strahlrichtung Fast Axial Flow geströmt, erzeugen wir heute unseren Strahl in nicht-geströmten Gas zwischen zwei Elektroden. Die Entwicklung dieses Resonators bis zur Industriereife hat vielen Ingenieuren das ganze Wissen abverlangt und war auch nur möglich durch die Zusammenarbeit der unterschiedlichen Ausbildungen. Die Fragestellungen reichten von der Hochfrequenztechnik und Elektronik über Chemie bis in die Niederungen des konstruktiven Maschinenbaus und der Werkstoffwissenschaften. 5

6 Ähnliche Erfahrungen wurden bei der Entwicklung des Resonators für die Festkörperlaser gemacht. Physikalisch war alles klar, die Feinarbeit war aber ingenieurmäßige Feinarbeiten mit all ihren Facetten. Das Fazit - was ich hieraus ziehen möchte - ist, dass es zwar ohne die Naturwissenschaften und die Physik keinen Laser gäbe, dass es aber ohne die Ingenieure und deren Ausbildung keinen Laser gäbe, der einen Dreischichtbetrieb ohne Probleme aushält. - Folie: Innovationszyklus - Nach dem Ausflug in die Historie ein paar Gedanken zum aktuellen Markt für Lasertechnologie. Wir befinden uns in einem Innovationszyklus, an dessen Anfang zwar das Produkt Laser gestanden hat, der aber weiter getrieben wird durch ständig neue Applikationen für die Industriezweige Maschinenbau, Automotiv, Elektronik und Medizin. Mit dem Verständnis der gegebenen Möglichkeiten in der Anwendung und der daraus resultierenden Kosteneinsparungen im Produktionsprozess wurde der Laser als Werkzeug immer mehr anerkannt und die Forderungen der Industrie an die Leistungsfähigkeit der Strahlquellen immer höher, was wiederum zu ständigen Weiterentwicklungen an den Laserquellen und Lasermaschinen führte. Ein Markt kann durch neue Technologien kreiert werden und ist anfangs produktgetrieben, die Weiterentwicklung des Produktes geht dann aber in den marktgetriebenen Zustand über, so dass der Innovationszyklus und dessen Geschwindigkeit durch die Marktteilnehmer bestimmt wird. 6

7 - Folie: Märkte und Produkte - Betrachten wir die Märkte der Divisionen von Rofin Macro: Applikationen mit Lasern hoher Ausgangsleistung Rofin Marking: Laser zum Markieren und Rofin Micro: Laser für Applikationen im Feinstschneid- und Feinstschweißbereich, so ist zu erkennen, dass diese Märkte nicht starr sind. In den einzelnen Industrien entstehen mit dem Anwendungswissen um das Werkzeug Laser neue Applikationen, die durch die große Vielfalt unserer Produkte bedient werden können. - Folie: Laseranwendungen - Grundsätzlich unterscheiden wir bei den Anwendungen das Schneiden, das Schweißen und das Markieren von Bauteilen. Die unterschiedlichsten Werkstoffe können durch das Laserschneiden getrennt werden. Metalle wie Stahl und Aluminium, Kunststoffe oder auch organische Werkstoffe wie Holz und Papier. Neben der hohen Flexibilität, der Schnittgenauigkeit und der hohen Schnittgeschwindigkeit ist die Verschleißfreiheit des Werkzeuges und die nahezu nacharbeitsfreie Schnittkante ein großer Vorteil dieser Laseranwendung. Auch durch Schweißen mit Laserstrahlen können die unterschiedlichsten Werkstoffe gefügt werden. Stähle und Nichteisenmetalle, Edelmetalle und Kunststoffe lassen sich mit hoher Festigkeit und geringen Wärmeeinflusszonen verbinden. Zusätzlich bietet die hohe Strahlqualität und die damit verbundene Einschweißtiefe und Einschweißbreite die Möglichkeit 7

8 Bauteile miteinander zu verbinden, die bisher durch andere Fertigungsverfahren wie Gießen oder Tiefziehen hergestellt wurden. Als letztes Verfahren ist das Markieren eine typische Laseranwendung. Die hohe Geschwindigkeit, die Berührungsfreiheit und die flexible Programmierbarkeit haben zu einer Vielzahl von Anwendungen auf Werkstoffen wie Stahl, Aluminium, Kunststoffe, Keramik und Glas geführt. - Folie: Laser Macro - The Power of Light - Für den Marco-Bereich bilden die Anwendungen Schneiden und Schweißen die Hauptapplikationen. Dementsprechend zeigt unser Produktspektrum eine große Spannbreite an Laserquellen. Im Bereich der CO 2 -Laser werden Produkte von 100 W bis 600 W für das Schneiden und Besäumen von Kunststoffteilen in der Automobilindustrie eingesetzt. Mit Cross Flow CO 2 -Lasern werden liniare Tailored Blanks, maßgeschneiderte Bleche unterschiedlicher Dicke zur Herstellung von Karosserieteilen, aneinandergefügt. Fast Axial Flow Laser bis 10 kw finden im Schiffbau und in Walzwerken ihre Anwendung und der CO 2 Slab Laser bis 6 kw ist das Produkt zum Schweißen und Schneiden mit hoher Flexibilität, geringen Kosten und größter Zuverlässigkeit. Festkörperlaser bis 8 kw verschweißen nicht liniare Tailored Blanks zu speziell geformten Ausgangsblechen für die Autokarosserien. Die meisten Automobilkarossen werden durch eine Vielzahl von Laserschweißungen verbunden, die mit Festkörperlasern und robotergeführten Schweißköpfen durchgeführt werden. Das Laserlicht kann mit Lichtleitfasern über bis zu 100 m Entfernung zur Applikation transportiert werden. 8

9 Diodenlaser verlöten metallische Teile, härten oder beschichten Bauteile zur Erhöhung des Verschleißschutzes oder reparieren kostengünstig durch Auftragsschweißen komplizierte Werkzeuge zum Formpressen oder Kunststoffspritzen. - Folie: Laser Micro - Focus on Fine Solutions - Für den Micro Bereich bilden die Anwendungen Feinschneiden und Feinschweißen die Hauptapplikationen. Lampen- und diodengepumpte Festkörperlaser, von dem Handarbeitsplatz bis zur vollautomatischen Anlage, bilden einen Teil des Produktspektrum der Micro Division. Mit den Handarbeitsplätzen können mit Hilfe der Visualisierung durch Mikroskope kleinste Bauteile miteinander verschweißt oder verlötet werden. Typische Anwendungen finden wir in der Dentaltechnik und in der Schmuckindustrie. Die vollautomatischen Anlagen finden wir in der Elektronik beim Fügen von Halbleiterbauteilen oder im Automobilbau beim Verschweißen von Glühlampen. Eine weitere interessante Anwendung ist das Perforieren von Papier. Durch Laser und Scannertechnologie lassen sich feinste Loch-Strukturen in Papierbahnen zur Zigarettenfilterherstellung einbringen, so dass zusätzlich Luft angesaugt wir, wodurch beim Raucher das Light Empfinden entsteht. - Folie: Laser Marking - the Mark of Excellence - Für das Markieren ist der hohe Automatisierungsgrad der Anlagen entscheidend. Im Automobilbau werden die Typenschilder mit allen notwen- 9

10 digen Daten des gefertigten Automobils vor Verlassen des Produktionsbandes produziert. Die Beschriftung der persönlichen Daten bis zu dem Foto auf unserem Personalausweis wird mit Lasern durchgeführt. Wenn Sie sich im Lebensmittelgeschäft auf Verpackungen das Herstelldatum ansehen, so ist die Wahrscheinlichkeit der Laserdatierung sehr groß, da der Produzent des Artikels diese Daten berührungslos in der entsprechenden Produktionsgeschwindigkeit der Verpackungsbänder kennzeichnen kann. Viele Produkte, die Sie täglich sehen, können durch Laser markiert worden sein. Forderungen zur Nachverfolgbarkeit aus Gründen der Produkthaftung oder zur Qualitätssicherung erfordern Beschriftungen zur Wiedererkennung der Produktionsdaten. Produkte wie Stone Washed Jeans können tatsächlich gewaschen worden sein oder die ausgeblichenen Stellen werden mit Lasern hergestellt. Sie erkennen diese Jeans entweder an komplizierten Motiven oder an dem scharfen Übergang zwischen hellen und dunklen Bereichen. - Folie: Der Lasermarkt ist ein Wachstumsmarkt - Wegen des Zusammenspiels zwischen Laseranwendern, Applikationen und Laserherstellern ist der Lasermarkt ein Wachstumsmarkt mit einem Jahresumsatz von nahezu 1,5 Milliarden Dollar. 10

11 Rofin ist in allen wichtigen Technologien und Märkten vertreten und das erwartete Wachstum bis 2010 von 13 % jährlich verspricht auch weiterhin eine günstige Perspektive für die Lasertechnologie. Warum diese Zahlen? Ich möchte hiermit aufzeigen, dass die Lasertechnik wie auch viele andere Industriezweige Wachstum haben und für dieses Wachstum Ingenieure benötigen. Insofern ist die qualifizierte Ingenieurausbildung wichtig und wird auch in Zukunft ein bestimmender Faktor für die Standortwahl unserer Firma sein. - Folie: Warum Laser in der Produktion - Den Technologievorsprung haben wir durch Ingenieurwissen erreicht. Was sind die treibenden Kräfte hinter dem Einsatz der Laser in der Produktion. Laser erhöhen die Produktivität Laser erhöhen den Automatisierungsgrad Laser sind sehr flexibel in ihrem Einsatz Laser sind sehr präzise während der Bearbeitung und Laser führen zur Innovation - Folie: Produktivität - 11

12 Beispiele für die Erhöhung der Produktivität finden wir in den unterschiedlichsten Industriezweigen. In der Elektronikindustrie können hohe Stückzahlen in vollautomatischen Fertigungen in Sekundenbruchteilen mit der entsprechenden Beschriftung versehen werden. Oder in der glasverarbeitenden Industrie werden in dem vollautomatischen Prozess der Trinkglasherstellung überstehende Glasreste mit einem CO 2 -Laserstrahl abgetrennt und verringern dadurch den Ausschuss und den Verbrauch von Schleifmitteln und Wasser. Das kleine Video zeigt eine neue Applikation, in der Flachglas mit Hilfe eines Laserstrahles aus einem Scheibenlaser getrennt wird. Dies ist ein typisches Beispiel wie eine neu entwickelte Strahlquelle auch zu neuen Anwendungsmöglichkeiten und somit zu neuen Produktionsprozessen führen kann. - Folie: Automation - Der Laser erhöht den Automatisierungsgrad, ist leicht zu steuern und zu kontrollieren und einfach in Anlagen zu integrieren. Innovative Sensorik und Prozesskontrolle ermöglichen höchste Verfügbarkeit. Das mittlere Bild zeigt eine Schweißanlage für Rohre, bei der online die Nahtlage ermittelt wird, so dass die Fokuslage des Laserstrahls entsprechend im Prozess angepasst werden kann. Dank der standardisierten Schnittstellen lässt sich der Laser einfach auch in bestehende Anlagen integrieren, so dass die Erhöhung des Au- 12

13 tomatisierungsgrades von bestehenden Anlagenkonzepten durchaus möglich wird. Im Video sehen Sie ein Beispiel für die Geschwindigkeit der Laserschnitte. Auf einer zweidimensionalen Schneidanlage werden innerhalb einer Minute 500 Löcher kontaktlos und verschleißfrei geschnitten. Der Ausschnitt soll Ihnen einen Eindruck über die Geschwindigkeit vermitteln, mit denen heutzutage einfache und komplizierte geometrische Konturen aus einem Blech entstehen können. - Folie: Flexibilität - Der Laser ist ein Werkzeug von höchster Geometrie-, Prozess- und Losgrößenflexibilität. Durch programmgesteuerte angepasste Bearbeitungsparameter lassen sich die verschiedensten Materialien in unterschiedlichster Stärke ohne nennenswerte Verzögerung bearbeiten. Nutzen wir die entsprechende Wellenlänge und Strahlführung, so können mit Robotern höchst flexibel komplexe dreidimensionale Bauteile bearbeitet werden. Im mittleren Bild wird eine Volvo Karosse mit einem Festkörperlaser geschweißt und durch Schneiden sogenannte option holes eingebracht. Um diese kombinierte Bearbeitung zu erreichen, muss lediglich der Bearbeitungskopf automatisch getauscht werden. Im rechten unteren Teilbild sehen Sie ein uns heute sehr bekanntes Bauteil, die Tastatur eines Computer. Mit Markierlasern lassen sich heute die unterschiedlichsten Sprachen, selbst bei Losgröße 1, durch einfachen Programmwechsel auf Tastaturen beschriften. 13

14 Das Video zeigt die vollautomatische Dachnahtschweißung am Audi A 8. Die Aluminium Rohkarosse wird in die Schweißzelle gefahren und dann die Dachhälften verschweißt. Die Rollen, die Sie erkennen, sind notwendig um die Blechhälften entsprechend zusammenzudrücken. Nach Beendigung der Schweißung wird die Karosse zu nächsten Station gefahren. - Folie: Präzision - Nicht nur große Teile sondern auch kleinste Teile können mit höchster Präzision gefertigt werden. Von der Halbleiter- und Elektronikindustrie bis zur Medizintechnik, kein Bauteil ist für den Laser zu fein. Dank minimalster Wärmeeinbringung lassen sich die im mittleren Teilbild dargestellten Speicherbausteine miteinander verbinden und die im rechten Teilbild dargestellten Batteriegehäuse verzugsarm verschweißen. Das Video zeigt eine Applikation aus der Medizintechnik. Ein Stent wird aus einer Sonderlegierung hergestellt. Das Röhrchen hat einen Durchmesser von kleiner einem Millimeter. Das, was sie hier sehen, soll nicht heißen, dass jeder in Zukunft seinen Stent mit Namen bekommen kann, es zeigt nur die Möglichkeiten des Lasereinsatzes in der Mikrotechnologie. - Folie: Innovation - In der Lasertechnologie steckt viel Innovationskraft. Mit der neuen Remote Welding Technologie und einem CO 2 -Slab Laser mit großer Brennweite können Steppnähte mit flexibler Kontur in schnel- 14

15 ler Reihenfolge produziert werden oder durch einen Disc-Festkörper- Laser mit Scanner ebenfalls hunderte von Kreisnahtverbindungen in kürzester Zeit entstehen. Mit einem gütegeschalteten Festkörperlaser können Schienen gereinigt werden. Wurden bislang die Schienen durch Sandstrahlen von Belägen gereinigt mit einer Fahrgeschwindigkeit von 15 Stundenkilometern so können mit der Lasertechnologie diese Beläge bei bis zu 60 Stundenkilometern äußerst effektiv entfernt werden. Wie innovativ die Lasertechnologie sein kann, zeigt das Video. Am Airbus 380 befinden sich Rumpfsegmente, die nicht mehr durch das bisher übliche Nietverfahren, sondern durch Laserschweißen verbunden werden. Neben einer höheren Produktivität bietet die Gewichtseinsparung einen der großen Vorteile diese Schweißverfahrens. Um aber zu dieser Fertigungstechnologie zu kommen, mussten eine Vielzahl von Ingenieuraufgaben gelöst werden. Man benötigt die entsprechende schweißbare Aluminiumlegierung, die Nahtherstellung wird mit einer online Qualitätssicherung überwacht und dokumentiert und zuletzt muss die Maschine Segmente von 8 m Länge bearbeiten können. Auch hier haben Industrie, Forschungseinrichtungen und Hochschulen zusammengearbeitet, um ein entsprechendes Verfahren zu erarbeiten. - Folie: die Zukunft des Industrielasers - Wie wird die Zukunft der Lasertechnologie und des Industrielasers aussehen? Die Produktionstechnologie wird uns auch weiter antreiben, neue Laserquellen zu entwickeln und anzubieten. Im CO 2 -Bereich wird die Slab 15

16 Technologie weiter auf dem Vormarsch bleiben. Der Nutzen für den Verbraucher ist durch die unkomplizierte Betriebsweise so kostengünstig, dass einfach wirtschaftliche Gesichtspunkte hier die treibenden Kräfte bleiben werden. Die Festkörperlaser werden in den nächsten Jahren einen Preisreduktion erleben, so dass die Wirtschaftlichkeit dieser Laser sich erhöht und die Flexibilität der Strahlführung zur Geltung kommt. Inwieweit neueste Technologien wie der Faserlaser diesen Markt weiter beeinflussen werden, hängt sehr stark von dem Nutzen für die Produktionstechnologie und von den erzielbaren Vorteilen ab. - Folie: We think Laser - Ich bedanke mich recht herzlich für Ihre Aufmerksamkeit. 16