Grundlagen zum Laser

Wie funktioniert der Laser?

(siehe Bild 2)

1. Laseraktives Medium
2. Eine geeignete Einheit, die zur Anregung der Energie dient (wird auch als Pumpen bezeichnet)
3. Resonator, Laserresonator: Der Laserresonator besteht meistens aus einem voll- und einem halb- oder teilreflektierenden Spiegel. Innerhalb dieser Spiegelanordnung erfolgt eine ständige Rückkopplung der elektromagnetischen Strahlung und damit eine Verstärkung durch das Medium. Diese Rückkopplung erfolgt so lange, bis die Strahlung im aktiven Lasermedium durch den halbdurchlässigen Spiegel emittierten kann.

Klingt ganz schön kompliziert, richtig? Wir werden versuchen, dies einfacher zu erklären. Wenn Dich die Theorie weniger interessiert, dann überspringe einfach die folgenden Artikel. Weiter unten geht es dann mit der Praxis weiter.

Im Schaubild Bild 2 erkennen wir das Schema der Funktionsweise eines Lasers. In einem lasergeeigneten Material wird durch ein geeignetes Pumpsystem Energie eingebracht, so dass im lasergeeigneten Material eine Strahlung angeregt wird. Der Laserstrahl wird nun solange zwischen den beiden Spiegeln reflektiert, bis er einen bestimmten Energiewert erreicht hat. Mit Hilfe einer Auskoppelloptik verläßt der Laserstrahl das Medium und wird je nach Wellenlänge über eine geeignete Vorrichtung bis zur Fokussieroptik im Strahlkopf geleitet.

Der Laserschneider besteht also zunächst aus dem Resonator und einem geeigneten Übertragungsmedium, das den Strahl vom Resonator zum Schneidkopf führt. Bei kurzwelligen Strahlen kann zur Übertragung ein Glasfaserleiter verwendet werden, langwellige Strahlung wird über Spiegel weitergeleitet und entsprechend umgelenkt bis der Strahl zum Schneidkopf gelangt.

Im Schneidkopf wird der Laserstrahl fokussiert, in der Regel eine Aufgabe, welche optische Linsen übernehmen. Nun muss der Strahl noch über ein geeignetes CNC-Koordinatensystem über dem Schneidmaterial bewegt werden und dies in mindestens drei Richtungen auf der x-, y- und z-Achse.

Betriebsarten beim Laserschneider

Wir unterscheiden im wesentlichen vier verschiedene Betriebsarten beim Laserschneiden, die je nach gewünschtem Schneidergebnis in Abhängigkeit des zu schneidenden Materials auswählbar sind.

1. Laserstrahlsublimierschneiden: Hierbei wird der Laserstrahl zum Verdampfen des Materials eingesetzt. Bevorzugt kommt dabei als Prozessgas Helium, Stickstoff oder Argon zum Einsatz. Das Sublimierschneiden eignet sich für besonders filigrane Schneidaufgaben mit hoher Schnittkantenqualität.  
2. Laserstrahlbrennschneiden: Das Brennschneiden wird häufig im Materialzuschnitt größerer Materialdicken eingesetzt, überwiegend bei Baustahl. Das Prozessgas ist dabei, und das verwundert nicht, Sauerstoff. Der Sauerstoff reagiert mit dem Metall und ist für seine Oxidation verantwortlich. Dabei beschleunigt der Oxidationsprozess den Schmelzvorgang im Material, so dass höhere Schnittgeschwindigkeiten und größere Schneiddicken erzielbar sind. Wie auch beim Brennschneiden muss bevor geschnitten werden kann, der Einstechpunkt auf die Entzündungstemperatur erhitzt werden, bevor der Sauerstoff als Blasgas hinzugegeben werden kann.  
3. Laserstrahlschmelzschneiden: Beim Schmelzschneiden wird als Prozessgas Stickstoff oder seltener Argon oder Helium eingesetzt, welches zum Teil mit hohem Druck von bis zu 22 bar in die Schnittfuge geblasen (Hochdruck-Inertgas-Schneiden) wird und so die Schmelze aus der Fuge austreibt. Anders als der Sauerstoff beim Brennschneidprozess reagieren die inerten Gase Argon bzw. Stickstoff nicht mit dem Metall, so dass die Kanten oxidfrei und gratarm verbleiben und nur wenig Nacharbeit bedürfen.
4. Laserfeinschneiden: Eignet sich für besonders kleine und feine Konturen. Beim Feinschneiden werden einzelne Bohrungen, die sich überlappen, im engen Abstand aneinander gesetzt und erzeugen so die Schnittfuge. Dabei erzeugen die kurzen Pulse des Lasers kaum Aufheizung des Materials, so dass besonders filigrane oder hitzeempfindliche Materialien geschnitten werden können. Nahezu alle Materialien können mit diesen Verfahren bearbeitet werden, jedoch erfordert der Einsatz eine Präzisions-Laserschneidanlage, die im µm-Bereich positionieren kann.

Wer hierzu mehr Theorie erfahren will, dem empfehlen wir den Beitrag in wikipedia.org.

Was sind die wichtigen Parameter?

• cw-Betrieb bedeutet, dass die konstant hohe Ausgangsleistung ohne Unterbrechung für den Schnitt zur Verfügung steht. Es wird nahezu die gesamte Energie des Lasers benutzt, um den Werkstoff zu schmelzen. Bei anspruchsvollen, filigranen Konturen, Innenausschnitten oder einer Richtungsumkehr der Schneidanlage kann ein Wärmestau entstehen, der das Material überhitzt und so zu einer schlechteren Schnittqualität führt.
• Alternativ beim Schneiden filigraner Konturen oder auch beim Lochstechen in dickeres Material wird die Pulsleistung eingesetzt. Der Strahl wird in kurzen Abständen mit einer höheren Frequenz gepulst, die Durchschnittsleistung des Lasers wird so erheblich reduziert und die Schnittgeschwindigkeit wird damit in Folge zum Teil auf bis auf 10% des Normalwertes im cw-Betrieb reduziert.
• Die Laserstrahlleistung wird in Watt bzw. kW beschrieben. Wird die Leistung pro Sekunde aufgeführt, spricht man von der Energie, in diesem Fall ist die abgegebene Strahlungsenergie pro Sekunde gemeint.
• Die Intensität beschreibt die Laserstrahlleistung bezogen auf die Fläche, auf die er einwirkt.
  
  Beispiel: Laser mit 10.000 Watt fokussiert auf einen Brennfleck von 0,3 mm Durchmesser, dann beträgt seine Intensität: 
  Intensität = Laserleistung / bestrahlte Fläche => 10000 Watt / 0,07068 mm² = 141.475 W/mm²
  
  
• Je höher die Intensität des Laserstrahls, desto:
  • schneller die Erhitzung des Schneidmaterials
  • weniger thermische Energie fließt in die Randzonen des Schnittes ein
  • höhere Schnittgeschwindigkeit
  • dickeres Material kann geschnitten werden
  • höhere Schnittqualität.
• Eine hohe Intensität und damit die maximal schneidbare Materialdicke kann sowohl bei hoher Leistung im cw-Betrieb als auch im Pulsbetrieb erreicht werden.
• Die optischen Eigenschaften der Linse verändern den Brennfleckdurchmesser und seine Fokustiefe. Eine Linse mit kurzer Brennweite erzeugt einen kleinen Brennfleck mit einer geringen Fokustiefe (=Rayleighlänge, analog zur Schärfentiefe in der Optik).
• Die Rayleighlänge ist genau die Länge, bei der sich die Intensität maximal um den Faktor 2 ändert ^*1.
• Die Fokuslage bezeichnet den Abstand zwischen Mitte der Fokussierlinse und dem Fokuspunkt ^*1.
  Da die Herstellung der Optik nicht 100% identisch erfolgen kann, muss nach jedem Wechsel der Optik die Fokuslage neu eingemessen werden.
• Je geringer die Fokustiefe, desto geringer die zu schneidende Blechdicke.
• Die Schnittgeschwindigkeit hingegen hängt von der Laserleistung ab. Je höher die Leistung, desto schneller kann der Laser trennen. Zum Verständnis: Ein Laser mit einer hohen Leistung besitzt nicht automatisch eine hohe Intensität. Sondern die Schneidlinse mit ihrer Brennweite und der Fokuslage ist ein wesentliches Element, wenn es um die Schnittgeschwindigkeit geht. Je nach Materialdicke, Art und seiner Beschichtung entscheidet die CNC-Laserschneidanlage, wie groß sie den Brennfleck und Rayleighlänge einstellt. Eine große Rayleighlänge eignet sich für größere Materialdicken. Der Fokus kann durch die Linse so eingestellt werden, dass er vor, auf, im oder hinter dem Material liegt - mit jeder Veränderung des Fokuspunktes ergeben sich auch andere Schnittparameter und Schnitteigenschaften. Ein größere Fokustiefe bedeutet aber auch einen größeren Brennfleck und damit eine geringere Intensität und somit geringere Schnittgeschwindigkeit, es sei denn, die geringere Intensität wird durch eine höhere Laserleistung kompensiert.
• Faser-, Dioden- und Scheibenlaser besitzen eine hervorragende Fokussierbarkeit, auch über größeren Abstand hinweg. Dies macht man sich zu nutzte in der sogenannten „cutting-on-the-fly“-Technik, bei der der Laserstrahl über bewegliche Spiegel besonders schnell auf das Schneidmaterial geleitet wird, die Abstände dabei sind zwar größer, aber im Rahmen der Rayleighlänge des Faserlasers im zulässigen Bereich. Natürlich kann bei dieser Technik nicht mit Gaszusatz geschnitten werden. Daher wird diese Technologie eher für dünneres Material eingesetzt. ^*1
• Je kürzer der Abstand zwischen Düse und Material, desto höher der Anspruch an die Nachführelektronik, den Abstand konstant nach zu regeln.
• Laser im Multimode erreichen Leistungen um 100 kW, sind aber für das Schneiden meistens ungeeignet. Im Singlemode erreichen die Laser deutlich geringere Leistungen, z.B. 20 kW sind aber für das Schneiden geeignet.
• Stabile Resonatoren liefern im Grundmode TEM00 eine Intensitätsverteilung, die ein gaussförmiges Glockenprofil besitzt, dies entspricht dem Singlemode. In der Gaussverteilung ist ca. 86% der gesamten Laserleistung enthalten ^*1.
  

Variable und feste Größen des Laserschneiders

Die Parameter beim Laserschneiden sind vielschichtig und komplex. Als Beispiel stellen wir hier einen Auszug wichtiger Parameter vor, die für jede bestimmte Schneidaufgabe neu nachjustiert werden müssen. Weitere Parameter, die hingegen nicht änderbar sind, ergeben sich aus der Bauart des Lasers.

Folgende Variablen muss der Maschinenbediener bzw. die CNC-Steuerung einer Laserschneidanlage berücksichtigen, wenn die höchste Schnittqualität im Zuschnitt erreicht werden soll.

Variable Parameter:

• Betriebsart: cw-Betrieb (cw=continuous wave) versus Pulsleistung
• Brennfleck-Durchmesser und Rayleighlänge (=Fokustiefe)
• Intensität = Laserstrahlleistung W / Brennfleck-Fläche mm²
• Fokusierlinse bestimmt den Brennfleck und die Fokustiefe
• Fokuslage
• Laserstrahlmode TEM00 Mode, Singlemode, Multimode
• Positionierung des Brennflecks relativ zur Werkstückoberfläche
• Düsendurchmesser
• Abstand Düse zum Material und damit der Einfluss auf den effektiven Gasdruck
• Gasart, Gasreinheit und Gasdruck
• Schnittgeschwindigkeit
• Laserleistung
• Schnittfugenkompensation
• Polarisationsgrad des CO₂-Laserstrahls. Faserlaser hingegen besitzen eine konstante Polarisationsrichtung des Strahls im Bezug auf die Schneidrichtung und liefern damit konstante Schnittqualität unabhängig von der Schneidrichtung ...

Feste Parameter:

• Wellenlänge des Lasers, ist gegeben durch seine Bauart und damit nicht änderbar
• Maximale Laserstrahlleistung des Resonators
• Maschinenleistung, wie beispielsweise die maximale Positioniergeschwindigkeit, maximale Schnittgeschwindigkeit und Beschleunigung
• Maschinenabmessungen, Nutzraum
• Funktionalität: Integrierte Rohrbearbeitung, Wechseltische, Beschickungssystem, ...

Kann man mit jedem Laser Metalle schneiden?

Man kann nicht jeden Laser für die Materialbearbeitung einsetzen. Neben der entsprechend hohen Laserleistung des Resonators sind weitere Parameter zu beachten. Will man Metall schneiden so sollte der Laser mindestens 100 Watt besitzen, besser jedoch einige Killowatt an Laserleistung liefern, damit ein Schnitt auch wirtschaftlichen Anforderungen genügen kann. Bei dünnen Metallfolien mit < 0,1mm Dicke genügen bereits 50 Watt zum Trennen. Will man hingegen 20 mm dicken Stahl schneiden, so sollte man mit mindestens 8 kW besser mehr als 10 kW Laserleistung antreten.

• Je höher die Leistung desto höher die Schnittgeschwindigkeit, desto interessanter die Schnittkosten!
• Je höher die Leistung, desto dicker kann der Laser schneiden.

Die Besonderheit des Lasers liegt in einer gerichteten Aussendung der Laserstrahlung, die spektral scharf gekennzeichnet ist. Die entscheidenden Parameter für das Laserlicht sind:

1. Kohärenz: Kohärenz bezeichnet man in den Naturwissenschaften elektromagnetische Wellen, die hinsichtlich ihrer räumlichen und zeitlichen Ausbreitung eine feste Phasenbeziehung zeigen. Kohärente Strahlung wird von Lasern und Teilchenbeschleunigern erzeugt.
2. Niedrige Divergenz: Laserstrahlung besitzt die Eigenschaft sich nur wenig auseinander zu entwickeln. Laserstrahlung lässt sich auf einen kleinen Fokusdurchmesser bündeln.

Dies sind zwei der wesentlichen Voraussetzungen für eine Lasermaterialbearbeitung (Abk. "LMB"), wie in Bild 1 dargestellt. Dieses winzig kleine Modell eines Fahrrads wurde mit einem 3 kW Co2-Laser ausgeschnitten, der die Bedingungen erfüllt und sich für das Laserschneiden sehr gut eignet.

Voraussetzungen für den guten Schnitt:

Für die Materialbearbeitung mit dem Laser sind folgende Eigenschaften elementar:

• Hohe Monochromasie (spektral scharf)
• Fokussierbarkeit, hohe Energiedichte
• Große Kohärenz (Wellen haben eine feste Phasenbeziehung in räumlicher und zeitlicher Ausbreitung)
• Erzeugung kurzer Impulse
• Geringe Divergenz, kein Auseinanderentwickeln der Strahlung

Laseraktivität kann bei einer Menge an Materialien festgestellt werden. Allerdings eignen sich nicht alle laseraktiven Materialien für eine Laseranwendung, wenn deren Effizienz nicht gewährleistet ist. Grundsätzlich lassen sich die Stoffe in drei Gruppen unterteilen:

1. Gase (z.B. CO₂-Molekül, He-Ne, Excimere)
2. Festkörper (Nd:YAG, Ti:Saphir, Yb oder dotierte Glasfasern)
3. Halbleiter (GaAs, ZnSe, Ga, Ni)

Warum ist die Wellenlänge so wichtig beim Schneiden?

Je nach verwendetem laseraktiven Material besitzt der Laser eine spezifische Wellenlänge. Die Wellenlänge übt großen Einfluss auf die Materialbearbeitung mit dem Laser aus.

• Excimerlaser: 157nm - 308 nm EUV-UV
• He-Ne-Laser: 633 nm VIS sichtbarer Bereich
• Diodenlaser: 808 nm NIR nahes Infrarot
• Nd: YAD-Laser (Faserlaser): 1,06 µm. NIR nahes Infrarot
• CO₂-Laser: 10,6 µm NIR nahes Infrarot

Diese materialtypischen Wellenlängen bestimmen nun im wesentlichen den Einsatz beim Laserschneiden in der Materialbearbeitung.

Die unterschiedlichen zu schneidenden Stoffe reagieren verschieden auf die Wellenlängen bestimmter Laser. Beispielsweise ist das Einkoppelverhalten des Laserstrahls in verschiedene Metalle wesentlich günstiger bei kurzwelliger Strahlung als bei langwelliger Wellenlänge. Dies erklärt, warum der Faserlaser mit seiner Wellenlänge von 1,06 µm schneller und dickeres Material schneiden kann als beispielsweise der CO₂-Laser mit der rund zehnfach höheren Wellenlänge von 10,6 µm.
Auch das Reflexionsverhalten an den Oberflächen des zu schneidenden Materials ist von der Wellenlänge abhängig.

Die Wellenlänge des Lasers wird vom laserfähigen Medium bestimmt. Anhand der Wellenlänge kann man Rückschlüsse auf das Lasermedium schließen. Bei einer Wellenlänge um die 10 µm liegt die Vermutung nahe, dass es sich um einen CO₂ Laser handelt. Bei einer Wellenlänge um 1 µm könnte es sich um einen Faserlaser handeln. Liegt die Wellenlänge ein wenig darunter könnte es ein Diodenlaser sein u. s. w.

Doch die Wellenlänge verrät dem Praktiker noch viel mehr für das Laserschneiden. Sie ist quasi der Steckbrief des Arbeitsmittels Laserschneider, der das Einsatzgebiet umschreibt.
Beispielsweise kann mit einer Wellenlänge um 1 µm das Licht besser in Metalle beim Laserschneiden einkoppeln, es besitzt ein wesentlich höheres Absorptionsverhalten als Licht mit größerer Wellenlänge. Diese Eigenschaften der kürzeren Wellenlänge wirkt sich auch positiv bei spiegelnden Oberflächen aus und erlaubt damit ein effektiveres Schneiden von glänzenden bzw. stark reflektierenden Metallen.

Hingegen ist die Schnittgeschwindigkeit bei einer Wellenlänge um 10 µm aufgrund geringeren Absorptionsverhaltens geringer und der Schnittspalt ist breiter. Bei reflektierenden Metallen gibt es starke Einschränkungen hinsichtlich der zu schneidenden Materialdicke.

Tatsächlich verhält es sich auch so in der Praxis, wie angenommen.

Manche Wellenlänge sind für bestimmte Schweißanwendungen besser geeignet.

Die Wellenlänge des Lasers besitzt damit ein individuelles physikalisches Verhalten im Bezug auf die zu bearbeitenden Werkstoffe, wie wir in den nächsten Kapiteln bei der Blechbearbeitung tiefer betrachtet werden.

Wurde als laserfähiges Medium Gas beispielsweise CO2 verwendet, so kann der Strahl aufgrund seiner Wellenlänge von 10,6 µm nur über Spiegelsysteme geleitet werden. Wurde als laserfähiges Medium Ytterbium oder Neodyn:YAG eingesetzt, so weist seine Wellenlänge 1,06 µm auf und der Strahl kann hervorragend über Glasfasern bis zur Fokussieroptik auch über weite Strecken geleitet werden.  

Der CO2-Laser verfügt über die größte Wellenlänge von ca. 10,6 µm. Excimerlaser hingegen haben die kürzeste Wellenlänge von ca. 157 - 308 nm und benötigen hohe Pumpleistungen für die Anregung des Resonators, aufgrund hoher spontaner Emissionen, die bei kurzen Wellenlänge ≡ hohe Frequenz auftreten.

Wer hat das Laserschneiden entwickelt? Wie alt ist das Schneidverfahren?

Der Kohlenstoff-Laser wurde 1964 von den Bell Laboratories USA patentiert. Er erlebte seine Hochzeit in Deutschland seit den 1980er Jahren bis ca. 2010, also rund 30 Jahre dominierte das CO₂-Laserverfahren den Markt. Seine Entwicklung endete mit dem 6kW-Laser in der industriellen Schneidwelt. In anderen Anwendungen und Laboren existierten auch Laserleistungen bis 80 kW. Doch für das Schneidverfahren musste der Laserstrahl über wartungs- und reparaturanfällige, teure Spiegel, die zum Transport der Laserstrahlung erforderlich sind, gelenkt werden und damit war auch die beherrschbare Leistungsausbeute begrenzt.  

Wer weiß, welche Bedeutung der Laser heute gehabt hätte, wenn nicht der Faserlaser zu seinem revolutionierenden Feldzug ab ca. 2010 angetreten wäre? Der Faserlaser zählt zu einer speziellen Gruppe der Festkörperlaser. Laserschneidanlagen mit Festkörperlasern gab es zwar bereits seit den 1980er Jahren, doch waren die Laserleistungen noch gering. Zu Beginn lagen die Laserleistungen in der Größenordnung 50 - 100 Watt und spielten daher in weiten Bereichen der Industrie nur eine untergeordnete Rolle. Erst mit der preiswerten Produktion des Faserlasers und einer relevanten Leistung von 1 kW und mehr begann der enorme Aufstieg dieses Schneidverfahrens, dessen Vorteil unter anderem in der einfachen und preiswerten Übertragung des Laserstrahls über eine Glasfaserleitung möglich ist.

2009 hatte das Schneidforum an einem Deutschen Brennschneidtag® hierzu das Fraunhofer Institut Dresden eingeladen und über die Potentiale des Faserlasers diskutiert.

Der Faserlaser ermöglichte den gewaltigen Einzug in den Schneidmarkt, da der Festkörperlaser sich in seiner Entwicklung wie ein Computer verhält: In einem gewissen zeitlichen Turnus erhöht sich seine Leistung signifikant und gleichzeitig reduziert sich sein Preis! Eine optimale Eigenschaft, um hohe Marktanteile zu gewinnen. So verwundert es kaum, dass bereits 12 Jahre später Faserlaser mit 30 kW Leistung auf dem Markt verfügbar sind zum annähernd gleichen Preis, wie eine 3-4 kW-Anlage in der Startphase.

Historie des Lasers: Eine Kurzübersicht

1917 Albert Einstein legt das physikalische Fundament

1960 Maiman, USA: Bewies als erster den Lasereffekt im Rubinlaser

1962 Siemens: Erster kontinuierlich strahlender He-Ne-Laser

1962 Erster Diodenlaser

1965 Herziger, DE: Einsatz des Laser zum Bohren von Diamant

1978 Erste industrielle Schneidanlage

1985 Trumpf: erster 1 kW CO₂-Laser mit Hochfrequenzanregung

1987 3D-Systems, USA: Entwicklung generativer Laserverfahren

1988 Erste Pumpen mit Diodenlaser

1991 IPG, USA: Erste kommerzielle Faserlaser im Watt-Bereich (50-100 W)

1999 Trumpf: Erster diodengepumpter Scheibenlaser mit 1kW

2020-2021: IPG, USA: 20-25 kW

ab 2022: Faserlaser für Industrie und 30 kW

Literaturempfehlungen und Quellhinweis

^*1 Jens Bliedtner, Hartmut Müller, Andrea Barz: "Lasermaterialbearbeitung", Hanser-Verlag, ISBN:978-3-446-42168-4
Prof. Jens Bliedtner und Dr. Hartmut Müller waren geladene Referenten am Deutschen Schneidkongress® 2018.
Dr. Hartmut Müller, Referatstitel: "Glas schneiden mit dem Laser"

J. Eichler, H. J. Eichler: "Laser Bauformen, Strahlführung, Anwendungen", Springer-Verlag, ISBN: 978-3-540-30149-3