Ent wick lung und in dust ri el le An wen dung

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1 Heft Nr. 1, 28. Jahr gang, Februar/März 2014 L A S E R TECHNOLOGIE F O R U M Ent wick lung und in dust ri el le An wen dung Ti tel bei trag 8 kw-diodenlaser kompakt und höchst effizient Interview 28 Optische Systeme für die Laserbearbeitung Mikromaterialbearbeitung 12 Schnelle Lasermikrobearbeitung ohne Qualitätsverluste Strahlführung 14 Präzise Strahlfokussierung Messebericht Photonics West 18 Lasertechnik im Blickpunkt METAV Metallsystem für die Additive Fertigung 22 Die Prozesskette der generativen Fertigung 22 Additive und spanende Bearbeitung in einer Aufspannung Forschung 26 Laserverstärker für die Forschung VERLAGS GMBH&CO.KG

2 kw-diodenlaser kompakt und höchst effizient Für viele Laser-Anwendungen in der Materialbearbeitung sind Strahlqualitäten von 40 mm mrad oder besser notwendig. Die neuesten Diodenlasersysteme entsprechen dieser Entwicklung und stehen mit Ausgangsleistungen von 200 W bis 1 kw bei einer Wellenlänge von 976 nm zur Verfügung. Dabei können die auf passiver Kühltechnik basierenden Systeme auf DI- Wasser verzichten. Steffen Reinl ist seit Herbst 2009 bei Dilas Industrial Laser Systems für das Produktmanagement und den Vertrieb von Diodenlasersystemen zuständig. Er studierte Maschinenbau an der FH Darmstadt und spezialisierte sich bereits in seiner Diplomarbeit auf die Materialbearbeitung mit Diodenlasern. Im Anschluss war er für den Aufbau des Applikationslabors bei der Dilas Diodenlaser GmbH zuständig und für Kundenanwendungen verantwortlich. Die Entwicklung von Hochleistungsdiodenlasern ist in den letzten 20 Jahren rasant vorangeschritten. Diodenlaser haben heutzutage einen technischen Stand erreicht, der in punkto Fokussierbarkeit lampengepumpten Festkörperlasern in nichts nachsteht. Innerhalb seines 20jährigen Marktbestehens konnte Dilas diese Entwicklungsschritte maßgeblich mit beeinflussen. Das Unternehmen brachte bereits Ende der 90er Jahre die ersten Diodenlaser zur Materialbearbeitung auf den Markt. Die fortschreitende Verbesserung der Brightness (Brightness: Leistung per Strahlqualität [W/ Der Autor mm mrad]) von Diodenlasern ermöglicht ein immer tieferes Eindringen dieser kompakten Laser in verschiedenste industrielle Anwendungen. Leistungsskalierung Ein bewährter Ansatz zur Leistungsskalierung von Diodenlasern ist das Stapeln von aktiv gekühlten Diodenlaserbarren. Hierbei wird ein Diodenlaserbarren an der Vorderkante eines mikrokanalgekühlten Kühlkörpers montiert. Die Dioden werden dann durch das Stapeln der aktiv gekühlten Wärmesenken elektrisch in Reihe geschaltet. Da die Kühlung mit Wasser erfolgen muss, darf das Wasser selbst nicht leitend sein, um einen Kurzschluss zu vermeiden. Dies wird durch die Verwendung von entmineralisiertem, voll entsalztem Wasser gewährleistet, das so bezeichnete DI-Wasser. Dieses DI-Wasser erfordert eine gleichbleibende Qualität im Laser-Kühlkreislauf. Die Leitfähigkeit des Wassers wird deshalb aktiv durch den Einsatz von DI-Patronen geregelt und durch die Verwendung von feinen Partikelfiltern filtriert. Für den unteren Leistungsbereich bis 1 kw oder für höhere Strahlqualitäten hat Dilas ein modulares Konzept entwickelt, welches die beiden Eigenschaften»hohe optische Ausgangsleistung«und»hohe Strahlqualität«miteinander vereint. Gleichzeitig kann hierbei auf Mikrokanalwärmesenken verzichtet werden. Die Kühlung erfolgt durch einfaches Brauchwasser. Bei diesem Konzept werden die Halbleiter auf einer Kühlplattform aufgebaut, die mit Makrokühlkanälen durchzogen ist. Auf dieser Kühlplattform werden mehrere Diodenlaserbarren nebeneinander aufgebracht. Die Struktur dieser Barren erlaubt es, effizient in eine 200-µm-Single-Core-Faser mit einer NA von 0,22 mit deutlich reduzierterem Aufwand einzukoppeln, als dies bei konventionellen Barren der Fall ist. Der Halbleiter ist ein angepasster Mini-Barren (oder T-bar), dessen Pitch und Anzahl der Emitter optimiert sind (Pitch: Mittenabstand zwischen den Emittern). Im Vergleich zu Standard-Barren, die 10 mm lang sind, zwischen 19 und 25 Emitter pro Barren aufweisen und einen Pitch von 500 µm zwischen den Fasergekoppeltes Diodenlasersystem mit 2,5 kw Laserleistung am Ende einer 1-mm-Faser (NA0,22). Alle Abb.: Dilas 8 Laser

3 einzelnen Emittern haben, zeichnen sich diese Mini-Barren durch eine reduzierte Anzahl von Emittern mit einem vergrößerten Abstand zwischen den Emittern und damit einem reduzierten Füllfaktor aus. Durch die Anordnung von mehreren Mini-Barren auf einer Grundplatte nebeneinander entsteht ein Basismodul, welches als Grundbaustein zur weiteren Integration dient. Diese Basiseinheit ermöglicht es, unterschiedliche Laserleistungen und Strahlqualitäten zu realisieren. Der modulare Aufbau erlaubt ein Zusammenschalten mehrerer dieser Einheiten und ein Zusammenführen der Einzelstrahlen, um die optische Ausgangsleistung zu skalieren. Gefahr von Wasserschäden aufgrund von Korrosion oder Undichtigkeit auf ein Minimum reduziert. Auf diesem Konzept baut auch die neue Generation der Dilas Diodenlaser Systeme»Compact-Evolution«auf. Die Diodenlasermodule werden in einen einfach zu integrierenden 3HE 19 -Einschub, inklusive Treiber und Standard Controller (DLC), verbaut. So entsteht ein sehr kompaktes, fasergekoppeltes, cw- Diodenlasersystem. Mit hoher Strahlqualität zu moderaten Betriebsströmen von < 30 A bietet das neue System Modular mit Basiseinheit als Plattform Der Mittenabstand der Einzelemitter zueinander, die Emittergröße und die Anzahl der Emitter sind so angeordnet, dass eine Faserkopplung ohne die Verwendung von komplizierten Transformationsoptiken möglich ist. Nur durch Fast-Axis Kollimation (FAC) und Slow-Axis-Kollimation (SAC) sowie eine Fokussierungsoptik wird effizient in eine 200-µm-Faser mit einer NA von 0,22 eingekoppelt. Dieser vereinfachte Aufbau ermöglicht den hohen Grad an Automatisierung in der Produktion von Basiseinheiten, wobei alle optischen Komponenten automatisch montiert und aktiv justiert werden. Dies hat einen positiven Effekt auf die Kontinuität des Strahlparameterproduktes und die Reproduzierbarkeit in der Produktion. Die Idee hinter dem modularen Konzept ist, diese Basiseinheit als Plattform für Lasermodule verschiedener Ausgangsleistungen und Strahlqualitäten zu nutzen, da die Kombination der Einzelstrahlen einfach durch räumliche und / oder Polarisationskopplung der einzelnen Strahlen erfolgen kann. Die Basiseinheit kann dadurch standardisiert und in großen Stückzahlen hergestellt werden. Alle Module verwenden eine Wellenlänge. Durch die o. g. Verwendung von temperiertem Brauchwasser ist ein stabiler Betrieb gewährleistet und die Einschweißkurven in Edelstahl bei 600 W mit 400-µm-Spot (links) und bei 1 kw mit 600-µm-Spot (rechts). hohe Brillanz und hohe Zuverlässigkeit. Damit sind Anwendungen mit 600 W aus einer 200-µm-Faser, NA0,22, möglich. Sicherheitsstandards sowie»performance Level d«nach DIN EN ISO werden erfüllt, und die Einschübe können leicht in Maschinen zur Materialbearbeitung integriert werden. Remote-Service-Zugriff über Web- Interface kann nach Freigabe durch den Benutzer ermöglicht werden. Alle Teile sind vor Ort servicefähig. 1 kw ist als Systemvariante in einem 6-HE -Einschub verfügbar. Weiteres Potenzial zur Skalierung der Ausgangsleistung in den multikw-bereich ist durch die Kopplung von mehreren Wellenlängen gegeben. Schweißen dünner Bleche Das Laserschweißen von Metallen ist eine etablierte Anwendung in der Automobilindustrie, zur Herstellung von medizintechnischen Baugruppen sowie von Bauteilen für den Consumer-Markt. Es wird vor allem zum Verbinden von Bauteilen verwendet, die dünne und kleine Schweißnähte erfordern und nur eine geringe thermische Verformung erlauben. Hohe Schweißgeschwindigkeiten und eine exzellente Automatisierbarkeit machen Laserschweißen zu einem verbreiteten Fügeverfahren in der modernen industriellen Produktion. Neue und effiziente Produktionsprozesse sind daher ohne die Vorteile der Lasertechnik oft nicht möglich. Diodenlaser der neuesten Generation können etablierte und eingeführte Laserschweißprozesse noch weiter optimieren. Durch ihre mit Abstand effizienteste Laserlichterzeugung und hohe Leistungsstabilität sind sie für cw- Schweißprozesse prädestiniert. Die neue Produktlinie von Dilas hat ein Strahlparameterprodukt von 22 bis 44 mm mrad und ist vergleichbar mit herkömmlichen lampengepumpten Festkörperlasern, jedoch mit deutlich höherem Wirkungsgrad, kleinerem Formfaktor, besserer Steuerbarkeit und geringeren Wartungskosten. Mit Ausgangsleistungen bis zu 1 kw ist dieser Laser in der Lage, dünne Bleche zu schweißen. Die erreichbaren Fokusgrößen von 400 µm bis 600 µm sind besonders von Vorteil, wenn durch Bauteiltoleranzen Spalte überbrückt werden müssen, welche bei der Verwendung von Laserstrahlquellen mit kleinerem Fokusspot nicht mehr oder nur mit erhöhtem optischem Aufwand geschweißt werden können. Laser

4 Laserschweißen von thermoplastischen Kunststoffen Elektronische Baugruppen verlangen ein Fügeverfahren, das äußerst schonend arbeitet und die Funktion der empfindlichen Elektronik nicht beeinflusst oder gar zerstört. Die Anwendungen sind vielfältig und betreffen sowohl Kunststoffbaugruppen aus der Medizintechnik (z. B. Katheter oder Fluid führende Elemente) als auch aus der Automobilindustrie (z. B. Sensorik Bauteile). Baugruppen, die ein Fluid führen oder speichern, stellen weiterhin Anforderungen an die Druckfestigkeit, die Dichtheit und die Sauberkeit des Schweißverfahrens. Das bedeutet, dass das Schweißverfahren nicht dazu führen darf, dass sich Partikel aus dem Kunststoff lösen und während des späteren Betriebes der Baugruppe dann zu Verstopfungen oder Störungen führen. Das Laserdurchstrahlschweißen ist ein Schweißverfahren für Kunststoffe, das alle oben genannten Anforderungen erfüllt. Es ist sauber, das heißt, durch den Schweißprozess entstehen weder Abrieb noch Partikel. Der Energieeintrag in die Schweißnaht ist zudem lokal begrenzt und erfolgt darüber hinaus berührungslos. Das Verfahren ist weiterhin zuverlässig und erlaubt, u. a. in Form einer Temperaturregelung mittels Pyrometer, eine online Prozesskontrolle. Weich- und Hartlöten per Laser Selektives Löten elektronischer Komponenten ist ein etabliertes Verfahren in der Produktion elektronischer Baugruppen. Durch miniaturisierte Bauteile und Komponenten stoßen konventionelle, selektive Lötverfahren an Grenzen. Für diesen Anwendungsbereich hat der Diodenlaser neue Möglichkeiten eröffnet, insbesondere dann, wenn eine eigene Prozesskontrolle das berührungslose Lötverfahren steuert und überwacht. Bis zu einer Löttemperatur von 450 C spricht man hierbei vom Weichlöten. Es wird hauptsächlich in der Produktion elektronischer Baugruppen zum Verbinden elektronischer Bauteile mit Leiterplatten oder -bahnen verwendet. Die zum Löten notwendige Wärmeenergie wird beim Laserlöten berührungslos in die Lötstelle eingebracht. Durch die gut fokussierbare Laserstrahlung ist dieser Energieeintrag örtlich begrenzt und punktgenau. Aus diesen Prozessvorteilen heraus wird das Laserlöten immer dann verwendet, wenn ein thermischer Einfluss auf benachbarte Bauelemente oder Gehäuseteile verhindert werden muss oder wenn die zu lötenden Komponenten selbst temperaturempfindlich sind. Bei einer Löttemperatur oberhalb von 450 C erfolgt das Hartlöten. Beim Laser-Hartlöten kann ein Diodenlaser seine Eigenschaften voll ausspielen. Eine typische Anwendung hierfür ist das Laser-Hartlöten von verzinktem Karosserieblech. Da der Fügespalt bei solchen Verbindungen nicht unerheblich ist, muss der Laserfokus entsprechend groß sein, um die beiden zu fügenden Bleche gleichzeitig erwärmen zu können. Typische Fokusgrößen liegen bei 2 mm im Durchmesser. Hierzu werden Laserleistungen ab 2 kw mithilfe spezieller Optiken, die eine Lotdrahtzuführung und eine Vorrichtung zur Nahtverfolgung enthalten, verwendet. Laserbeschichten Wie beim Laser-Hartlöten, werden auch beim Laserbeschichten, typischerweise große Fokusdurchmesser verwendet, um größere Volumina aufzuschmelzen. Über Beschichtungsköpfe wird das Laserlicht fokussiert und gleichzeitig koaxial oder lateral ein feines Metallpulver in den Bereich des fokussierten Laserstrahls über ein Schutzgas eingeblasen. Ein gleichzeitiges Aufschmelzen der zu beschichtenden Oberfläche und des zugeführten Metallpulvers führen zu einem Aufbringen einer Schicht. So können Bauteile wie Werkzeuge oder Turbinenschaufeln repariert werden Compact-Evolution mit einer optischen Ausgangsleistung von 600 W aus einer 200-µm-Faser (links) und bis 1 kw aus einer 400-µm-Faser (rechts) kann durch seine kompakte 19 -Bauweise einfach integriert werden. oder verschleißfeste Schichten aufgebracht werden. Auch hierbei kommen Laserleistungen ab 2 kw zum Einsatz. Für kleinere Bauteile jedoch auch Laserleistungen unter 1 kw. Partielles Laserhärten Durch das Randschichthärten wird die Widerstandsfähigkeit gegen Reibung oder Drucklasten erhöht. Herkömmliche Randschichthärteverfahren sind das Flammhärten oder das Induktionshärten. Härten mit einem Diodenlaser ist ein zusätzliches Verfahren, das verschiedene Vorteile bietet und völlig neue Möglichkeiten im Design von Funktionsteilen eröffnet. Mit einem Diodenlaser werden sehr genau definierte Bereiche des Werkstücks gehärtet, die eine bestimmte Funktion erfüllen müssen, ohne die anderen mechanischen Eigenschaften des Bauteils zu beeinträchtigen. Der Vorteil der Verwendung eines Lasers zum Härten ist der zeitlich und lokal begrenzte Wärmeeintrag in das Material. Ein Diodenlaser ist eine Laserquelle mit einzigartigen Qualitäten für den Laserhärteprozess. Höchste Wirkungsgrade der Laserquelle, beste Oberflächenabsorption auf Stahloberflächen und auch seine Fähigkeit der 10 Laser

5 Laser titelbeitrag schnellen Modulation der Laserleistung machen den Diodenlaser zu einem perfekten Werkzeug für diese Anwendung. Homogene Erwärmung Zur Skalierung der Ausgangsleistung werden Basismodule in Lasermodule integriert. So entstehen Module mit Ausgangsleistungen von 200 W (rechts) bis 1 kw (links). Es gibt vielfältige Aufgaben, die eine gleichmäßig homogene, aber dennoch örtlich scharf begrenzte Erwärmung oder Belichtung erfordern. Zu erwähnen sind homogene Beleuchtungsaufgaben zur Inspektion von z. B. Siliziumwafern zur Qualitätskontrolle. Hierbei können Risse im Wafermaterial über die Photolumineszenz-Methode ermittelt werden. Der Diodenlaser erlaubt es, quadratische oder rechteckige Flächen homogen auszuleuchten. Auch Aufgaben wie das lasergestützte Tapelegen können realisiert werden, wobei Bänder aus Faserverbundkunststoffen mittels Diodenlaserstrahlung aufgebracht werden. Fazit Die kompakten und effizienten fasergekoppelten Diodenlaser erobern zunehmend den Markt für die Lasermaterialbearbeitung. Herkömmliche Laser für etablierte cw-schweißprozesse können durch Diodenlaser mehr und mehr substituiert werden. Anwendungen mit hohem Potenzial, z. B. das Laserbeschichten, das Laserhärten oder das Laser-Hartlöten, sind typische Diodenlaserapplikationen, da sich die besonderen Strahleigenschaften des Diodenlasers, wie Homogenität und die Möglichkeit, relativ große Spots zu erzeugen, positiv auf diese Anwendungen auswirken. KONTAKT Dilas Industrial Laser Systems Zum Unternehmen Dilas Industrial Laser Systems, eine Geschäftseinheit der Dilas Diodenlaser GmbH mit Hauptsitz in Mainz, bietet Hochleistungs-Diodenlasersysteme unterschiedlicher Leistungen und Wellenlängen von fasergekoppelten Lösungen über Direktstrahlsysteme bis hin zu Linienfokusquellen für industrielle Anwendungen an (