Fertigung 28.05.1999, 17:21 Uhr

Innovativer Lasereinsatz erschließt ständig neue Märkte

Der Laser ist aus der Industrie nicht mehr wegzudenken. Auch künftig wird das „Werkzeug aus Licht“ seine Erfolgsstory mit zweistelligen Wachstumsraten fortschreiben.

Die Bedeutung „unserer Branche ist weit größer, als die rein wirtschaftlichen Kennzahlen zunächst vermuten lassen“, erläutert Dipl.-Volkswirt Gerhard Hein, Geschäftsführer der Arbeitsgemeinschaft „Laser für die Materialbearbeitung“ im Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA), Frankfurt/M. Diese besondere Bedeutung rühre daher, daß Laseranlagen mittlerweile eine Schlüsselrolle für die Weiterentwicklung wichtiger Fertigungstechnologien bedeutender Branchen wie der Kfz-Industrie oder der Eisen, Bleche und Metalle verarbeitenden Industrie innehaben.
„Als herausragendes Beispiel hierfür können wir auf die maßgeschneiderten Taylored-Blanks-Bleche verweisen, die heute aus der Automobilfertigung nicht mehr wegzudenken sind“, ergänzt Dr. Wollermann-Windgasse, Geschäftsführer der Trumpf Lasertechnik GmbH in Ditzingen. Diese Blech-Formteile, aus denen z.B. Autotüren gepreßt werden, bestehen aus mehreren aneinandergeschweißten Blechteilen unterschiedlicher Dicke, wobei das Blech im Scharnierbereich dicker und somit steifer ist als das übrige Material. Für die Herstellung solcher Taylored Blanks habe sich mittlerweile das Laserschweißen weitgehend durchgesetzt. Weitere Vorteile ergäben sich bei Karosserien, da diese durch Laserschweißnähte deutlich steifer würden als durch das herkömmliche Punktschweißen. Bei gleicher Steifigkeit könne man deshalb eine lasergeschweißte Karosserie aus dünnerem Blech ausführen und dadurch Gewicht einsparen. Einige namhafte Automobilhersteller würden deshalb schon heute bei neuen Modellen für das Schweißen der Außennähte der Karosserie nur noch Laserverfahren vorsehen.
Auch im Bereich der Automobilzulieferindustrie werden immer mehr Lasersysteme eingesetzt. Typische Anwendungen sind etwa Auspuffanlagen, deren komplexe Nahtgeometrie heutigen Schweißrobotern keine Probleme mehr bereiten. Solch ein System besteht typischerweise aus einer Festkörperlaser-Strahlquelle (Nd: YAG-Laser), einem faseroptischen Bündel zur Weiterleitung des Laserlichts und einem Roboter, der das Schweißwerkzeug führt. Damit werden Rohre, Profile und komplette Abgassysteme verschweißt, wobei der Laser auch sechsfache Blechlagen problemlos zusammenfügt. Die Produktivität ist sehr hoch: Fünf bis sechs Anlagen genügten, um bei einem Zulieferer täglich 6000 bis 8000 Auspuffanlagen zu fertigen.
„Laser kommen in immer größerem Umfang zum Schneiden von Blechen und Profilen zum Einsatz“, so Laserexperte Wollermann-Windgasse weiter. Die Leistung der hierfür verwendeten CO2- oder Festkörperlasersysteme konnte in den letzten Jahren ständig erhöht werden und bewege sich zügig auf die 4-kW-Marke zu, wodurch einerseits wesentlich dickere Bleche verarbeitet werden können, andererseits die Prozeßgeschwindigkeit im mittleren Blechdickenbereich erheblich gesteigert werden konnte.
„Neben den klassischen Hochleistungs-Strahlquellen zeigte sich in den letzten Jahren großes Potential bei Diodenlasern, die mittlerweile Leistungen von etwa 2,5 kW bei Strahlabmessungen von 1,5 mm2 erreichen“, weiß Dr. Peter Wirth, Geschäftsführer der Rofin Sinar Laser GmbH in Hamburg. Diodenlaser mit Leistungen von wenigen Milliwatt gebe es – z.B. in CD-Playern – schon lange. Mittlerweile erreichten Laserdioden als „Einstreifenlaser“ die Leistungsgrößenordnung von etwa 5 W. Das reiche aus, um z.B. Druckplatten für Printerzeugnisse per Laser direkt zu „belichten“, statt hierfür aufwendige optisch/chemische Prozesse einsetzen zu müssen.
Um noch höhere Leistungen zu erzielen, werden solche Einheiten gebündelt. Mit sogenannten Mehrstreifenlasern lassen sich dann Leistungen von 40 W erzielen, und ihre Stapelung zu „Stacks“ sowie die anschließende Kombination mehrere Stacks ermöglichen das Erreichen nahezu beliebig hoher Leistungen. Wesentliches Handicap, so Peter Wirth, sei jedoch die noch eher bescheidene Strahlqualität, wodurch die Leistungsdichte für z.B. Tiefschweißanwendungen noch nicht ausreiche. Hochinteressant seien der hohe Wirkungsgrad von 30% bis 35%, das geringe Gewicht der Einheiten und die Möglichkeit zur eleganten Steuerung der Leistung.
Diodenlaser mit Leistungen unterhalb von 150 W werden zum Schweißen von Kunststoffen und Metallfolien sowie zum Löten und Härten eingesetzt. Mit Einheiten, deren Leistung 1 kW und darüber erreicht, würden heute bereits Metallbleche bei solchen Anwendungen geschweißt, wo reines Wärmeleitungsschweißen kleinerer Querschnitte genüge, z.B. bei Küchenspülen. Weitere Anwendungen betreffen das Oberflächenhärten von Bauteilen, wobei Einhärtetiefen von fast 0,5 mm mit kurzen Taktzeiten erzielbar sind. Ein rasch wachsendes Gebiet sind auch Laser-Markier- und Beschriftungssysteme. Sie sind heute so kompakt und leicht, daß sie bestens in industriellen Fertigungslinien integriert werden können, und eignen sich besonders für feine, filigrane Beschriftungsaufgaben, wo maximale Kontraste und beschädigungsfreie Oberflächen gefordert sind.
Weltweit, so Geschäftsführer Wirth, werde mit Nachdruck geforscht, um die Leistungsdichte von Diodenlasern weiter zu erhöhen. In drei bis vier Jahren erwarte er eine bessere Fokussierbarkeit, so daß Diodenlaser dann auch für das Tiefschweißen eingesetzt werden könnten.
„Bearbeitungslaser haben unser Leben bereits viel stärker beeinflußt, als dem technischen Laien bewußt ist. Die meisten wissen gar nicht, daß sie ständig etliche mit Laser bearbeitete Gegenstände bei sich tragen“, erläutert Dipl.-Ing. Carl F. Baasel, Geschäftsführer der gleichnamigen Lasertechnik-Firma aus Starnberg. So würden sowohl Brillengestelle als auch Zahnbrücken heute vielfach bereits durch Laserschweißen gefügt, und Personalausweise, Kreditkarten oder auch die Mundstücke von Filterzigaretten seien mit Laserstrahlen behandelt.
„Besonders beeindruckend sind die technischen Leistungsmerkmale bei der Fertigung von Zigaretten“, verrät C. Baasel augenzwinkernd. Jedes Mundstück weise etwa 20 bis 25 winzige Perforierungen auf, damit dem Qualm im Filter genau die „richtige“ Menge unbelasteter Luft beigemischt wird. Diese Perforierungen würden teils bereits auf den Papierbahnen aufgebracht – bei Durchlaufgeschwindigkeiten von immerhin 10 m/s. Noch aufwendiger seien Automaten, in denen pro Minute 16 000 fertige Filterzigaretten nicht nur per Laser perforiert, sondern auch noch auf Zug geprüft und nötigenfalls nachbearbeitet würden.
Anwendung finde die Lasertechnik aber auch in so unterschiedlichen Bereichen wie der Fertigung von Sieben für das Aufbringen von Lötpaste bei der Fabrikation von Quarzuhren, der medizinischen Behandlung von Herzproblemen oder der Verzierung von Glas.
„Insgesamt erwarten wir für die kommenden Jahre ein weiteres stürmisches Wachstum unserer Branche“, ist G. Hein überzeugt. Dabei gehe er – zumindest in Deutschland -nicht von einer Konsolidierungstendenz aus, da die Technologie ständig neue Märkte entdecke und erschließe. Marktkenner erwarten, daß sich der Weltmarkt für Lasersysteme – einschließlich der Laser-Lithographie – bis etwa 2003 der 10-Mrd.-DM-Marke nähern wird, bei jährlichen Zuwachsraten von ca. 13%. Bei soviel Neuland fänden sich immer wieder neue Nischen, die gerade kleineren, innovativen Unternehmen eine echte Chance böten. Die deutschen Herstellerfirmen hätten (inkl. ausländischer Produktionsstätten) bereits jetzt einen überdurchschnittlich hohen Weltmarktanteil von 40% bei Lasern und von 25 % im Lasersystembereich. Sehr hohe Entwicklungsaufwendungen in den vergangenen Jahren, enge Kooperation mit der Wissenschaft und konsequente Internationaliserung bildeten eine solide Basis für weitere Erfolge.
KLAUS VOLLRATH
Bei Lasersystemen für die Materialbearbeitung sind Wachstumssprünge im zweistelligen Bereich fast schon „Gewohnheitssache“. Hochautomatisiertes Laser-Dachnahtschweißen (Kehlnaht) beim VW Passat: Die Automobilindustrie gehörte von Beginn an zu den konsequentesten Anwendern der Lasertechnik.
Wollermann-Windgasse: „Immer mehr Bleche und Profile werden in Zukunft lasergeschnitten“, weiß der Geschäftsführer von Trumpf Lasertechnik.

Von Klaus Vollrath
Von Klaus Vollrath

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