Die Laserbearbeitung hat sowohl in der Fertigung als auch in der Forschung und Entwicklung eine Vielzahl von traditionellen Materialbearbeitungsanwendungen wie Schneiden und Schweißen ersetzt.
Zu den wichtigsten Vorteilen der Laserbearbeitung gehören:
- Die Fähigkeit, Metalle und Nichtmetalle (z. B. Keramiken und Polymere) zu bearbeiten. Dies kann durch die Anpassung von Lasereigenschaften wie Spitzenleistung, Wellenlänge und Pulsdauer erfolgen.
- Es handelt sich um eine berührungslose Technik, die eine Verschmutzung des Werkstücks oder einen Verschleiß des "Bearbeitungswerkzeugs" wie bei herkömmlichen mechanischen Verfahren verhindert.
- Ein automatisierter Prozess ist dank der hohen Geschwindigkeit, der hohen Genauigkeit und der Wiederholbarkeit leicht zu erreichen.
- Die Fähigkeit, sehr kleine Merkmale bis in den Mikrometerbereich zu bearbeiten
- Die Bearbeitung flacher Teile oder komplexer 3D-Teile kann durch den Einsatz der richtigen Arbeitsstation, die eine Bearbeitung in verschiedenen Winkeln zur Werkstückoberfläche ermöglicht, leicht erreicht werden.
Laserschneiden
Laserschneiden ermöglicht eine höhere Genauigkeit als andere Schneidlösungen wie Plasma, Autogen oder Wasserstrahl bei höheren Geschwindigkeiten. Das Drahterodieren (EDM) kann ebenfalls für hochpräzises Schneiden verwendet werden, kann aber nur bei leitenden Materialien eingesetzt werden und ist in der Regel ein sehr langsamer Prozess.
Die verfügbare Laserleistung steigt weiter an und ermöglicht das Schneiden von immer größeren Dicken. Mit einer 4-kW-Faser können beispielsweise 6 mm dicke Metalle wie Baustahl, Edelstahl, Messing, Kupfer und Aluminium mit einer Geschwindigkeit von über 1 m/min geschnitten werden. Mit zunehmender Leistung von über 10 kW können Dicken von über 25 mm erreicht werden. Mit dem Wasserstrahl können sehr dicke Materialien mit einer Dicke von mehr als 50 mm geschnitten werden, aber die Betriebskosten sind in der Regel hoch, und auch die Schneidgeschwindigkeit kann je nach Geometrie des Teils langsam werden.
Laserschweißen
Laser werden zum Schweißen einer Vielzahl von Werkstoffen eingesetzt, z. B. Kohlenstoffstähle, hochfeste Stähle, rostfreie Stähle, Aluminium, Kupfer und Titan. Auch das Schweißen unterschiedlicher Materialien ist möglich (z. B. Metalle an andere Metalle oder Metalle an Polymere). Im Gegensatz zu herkömmlichen Lichtbogenschweißverfahren, die einen elektrischen Stromfluss erfordern, beruhen Laser auf der Absorption von Licht, um Wärme zu erzeugen, und können auch zum Schweißen von nichtleitenden Materialien wie Polymeren an sich selbst oder Metallen verwendet werden. Der Strahl kann eng fokussiert werden, was eine hohe Genauigkeit und kleine Wärmeeinflusszonen ermöglicht, z. B. im Vergleich zu Plasmaschweißverfahren wie WIG und MIG. Es können tiefe und schmale Schweißnähte mit hohem Aspektverhältnis erzeugt werden, die das Schweißen sowohl kleiner und dünner Komponenten als auch dicker, großer Teile ermöglichen. So können beispielsweise mit 40 kW tiefe Einschweißungen in Metalle bis zu einer Dicke von etwa 40 mm vorgenommen werden. Das Laserschweißen erfolgt in der Regel unter freiem Himmel und unter Schutzgas, was oft einfacher zu realisieren ist als das Elektronenstrahlschweißen, das ein Vakuum erfordert.
Laser können sowohl im Makro- als auch im Mikrobereich eingesetzt werden, wobei die Strukturgrößen bis in den Mikrometerbereich reichen. Es besteht ein zunehmendes Interesse an der Lasermikrobearbeitung von Merkmalen variabler Form und Größe für eine Vielzahl von Materialien. Die Anforderungen an Qualität und Durchsatz steigen weiter, und die Toleranzen für Maß- und Positionsgenauigkeit werden immer enger. Verbesserte Laserquellen und Fertigungstechniken mit fortschrittlicher Systemintegration und Prozesssteuerung stehen zur Verfügung, um die immer anspruchsvolleren Anforderungen der Industrie zu erfüllen.
Die Wahl der optimalen Pulsdauer, Wellenlänge und Bearbeitungstechnik für hochpräzise Lasermikrobearbeitungsanwendungen hängt von den Materialeigenschaften sowie von den Anwendungsspezifikationen wie Qualität, Merkmalsgröße, Toleranzen und Durchsatz ab. Typischerweise werden für die Mikrobearbeitung gepulste Laser mit Pulsdauern im Nanosekundenbereich und kürzer bis hin zu Pikosekunden und Femtosekunden eingesetzt, die eine abtragende Mikrobearbeitungstechnik ermöglichen, bei der jeder Puls eine genau definierte Materialmenge mit geringer Auswirkung auf das umgebende Material abträgt, was eine Maßgenauigkeit im Mikrometerbereich ermöglicht.
