Fertigung 03.06.2005, 18:38 Uhr

Lasertechnik zündet Marktchancen bei innovativen Unternehmen  

Die Innovationskraft des Lasers hat weiter zugenommen. Wer dieses Potenzial konsequent in attraktiven Produkten und effektiver Produktion nutzt, hat gute Chancen, der schwachen Konjunktur ein Schnippchen zu schlagen. Das nötige Rüstzeug wartet auf der Messe Laser 2005 vom 13. bis zum 16. Juni in München.

Gerhard Hein ist überzeugt: „Lasertechnik bietet Innovationschancen für Deutschland wie sonst keine andere Branche.“ In kaum einem anderen Technologiefeld könne sich Deutschland so sicher behaupten und Vormachtstellungen im internationalen Vergleich sogar weiter ausbauen, wie der Geschäftsführer der Arbeitsgemeinschaft Laser im VDMA betont. Die direkte Umsatzleistung und die Anzahl der Arbeitsplätze in der Branche selbst markieren für ihn deshalb die Spitze eines „Wertschöpfungs- und Beschäftigungseisbergs“.

Dieser Trend wird wohl anhalten. So hat der erzielte Produktionswert von Laserstrahlquellen und kompletten Bearbeitungsanlagen zwischen 1999 um 2004 jeweils rund 38 % zugelegt. Im gleichen Zeitraum ist der Export von Laser-Strahlquellen um 50 % und der von Laseranlagen um mehr als 60 % angestiegen.

Ebenso dynamisch zeigt sich die technische Entwicklung. Eine der wichtigsten Neuerungen der letzten Jahre ist die Entwicklung von Scheibenlaser als Alternative zum herkömmlichen Stablaser. Bei höheren Leistungen kam es beim Stablaser durch die erforderliche Kühlung zu Temperaturunterschieden zwischen Mantel und Kern. Die dadurch hervorgerufene Verformung beeinträchtigt die Strahlqualität. Eine elegante Lösung dieses Problems ermöglicht der in den letzten Jahren aufgekommene Scheibenlaser, bei dem es sich um eine dünne Scheibe eines Kristalls von typisch nur etwa 100 µm Dicke handelt, deren Rückseite verspiegelt wurde. Die Kühlung erfolgt von der Rückseite durch den Spiegel, so dass keine Linsenbildung erfolgen kann.

„Der Scheibenlaser ist für uns das Werkzeug der Zukunft im Bereich der Festkörperlasertechnik“

„Der Scheibenlaser ist für uns das Werkzeug der Zukunft im Bereich der Festkörperlasertechnik“, so Dr. Volker Auerbach, der den Bereich Laser Macro bei Rofin-Sinar verantwortet. Aus einer Scheibe könne man beispielsweise eine Ausgangsleistung von 1500 W generieren. Auf Grund der exzellenten Strahlqualität kann diese Leistung in eine Lichtleitfaser mit einem Durchmesser von lediglich 150 µm eingekoppelt werden.

Neue Impulse erhält das Laserschweißen von Karosserien im Automobilbau durch Remote-Schweißen mit Scanner. Dies belegt auch eine Studie des Marktforschungsinstituts McKinsey und des Werkzeugmaschinenlabors (WZL) der RWTH Aachen. Sie kommt zu dem Ergebnis, dass sich mittels Remote-Laserschweißen die Investitionskosten um 30 % und die Taktzeiten um 60 % senken lassen. Beim Remote-Schweißen lenkt ein Scanner-Spiegel den Laserstrahl aus einem Abstand von bis zu 1 m an die Bearbeitungsstelle. Die Positionierzeiten sind dadurch sehr gering.

Diodenlaser erobern neue Einsatzfelder

Gleichzeitig erobern sich Diodenlaser neue Einsatzfelder. So sorgen für die Erzeugung des Strahls beim Festkörperlaser im Prinzip drei Schlüsselelemente: Die als „Pumpe“ bezeichnete eigentliche Energiequelle, der als Lichtverstärker arbeitende Laserkristall sowie der aus zwei planparallelen Spiegelflächen bestehende Resonator, der für die „Gleichschaltung“ des divergenten Lichts zum kohärenten Laserstrahl sorgt. Die früher zum Pumpen eingesetzten Lampen allerdings hatten Schwächen bezüglich Lebensdauer und Konstanz der Leistung sowie der erzielbaren Strahlqualität.

Als bessere Alternative setzt man bei Jenoptik jetzt auf Laserdioden als Pumpe. Wesentliche Vorteile sind eine kompakte und leichtere Bauform, höhere Zuverlässigkeit, deutlich höhere Strahlqualität und geringere Kosten. Die von einer Tochterfirma speziell hierfür entwickelten Laserdioden zeichnen sich durch besondere Zuverlässigkeit für den industriellen Einsatz aus und erreichen Nutzungszeiten von weit über 20 000 h.

„Zum Einsatz kommen diese Dioden unter anderem beim Lasern für die Mikromaterialbearbeitung“, sagt Günter Hollemann, Produkt Manager des Geschäftsbereichs Lasertechnik der Jenoptik Laser, Optik, Systeme GmbH. Diese Laser können je nach Erfordernis im infraroten, grünen oder auch im ultravioletten Spektralbereich emittieren. Des Weiteren kann die Spitzenleistung mit der Pulslänge von Mikrosekunden bis Picosekunden in einem weiten Bereich variiert werden. Typische Anwendungsfelder sind das Feinschneiden dünner metallischer Folien, Präzisionsbohren in Stahl, Leiterplattendirektbelichtung, Strukturieren und Schneiden von Halbleitermaterialien wie Silizium oder Solarzellen sowie Leiterplattenbearbeitung und die Erzeugung funktionaler Oberflächen.

Excimerlaser: Präzisionswerkzeug für thermisch empfindliche Materilien

Im Unterschied zum weit verbreiteten CO2-Laser mit seiner vergleichsweise langwelligen infraroten Strahlung entsteht im Excimerlaser – einem gepulsten Gasentladungslaser – kurzwellige Strahlung im ultravioletten Bereich. Das macht ihn zum Präzisionswerkzeug speziell auch für thermisch empfindliche Materialien: „Je kurzwelliger die Strahlung, desto geringer der Wärmeeintrag und desto höher die Präzision“, weiß Gerd Spiecker, Business Development Manager der Lambda Physik AG in Göttingen. Bei kurzen Wellenlängen überwiege der photochemische Effekt, d.h. das unmittelbare „Knacken“ der molekularen Bindungen ohne den Umweg über eine Erwärmung des Materials. Der Excimerlaser eignet sich daher u.a. hervorragend für die Bearbeitung organischer Stoffe. Die kurzen Wellenlängen ermöglichen außerdem eine hohe Abbildegenauigkeit und damit Präzision, weshalb diese Laser etwa für die Lithografie bei der Chipfertigung eingesetzt werden.

In den letzten Jahren haben sich die Excimerlaser auch außerhalb der Lithografie in weiteren Hightech-Märkten etablieren können. Beispiel Displayfertigung, wo die Fähigkeit des Excimerlasers zur gezielten Beeinflussung von dünnsten Schichten genutzt wird. Bedingt wird dies durch die geringe Eindringtiefe des UV-Lichts in Verbindung mit der Fähigkeit zur Erzeugung ultrakurzer Impulse, was einen niedrigen Wärmeeintrag und damit die Beschränkung der Wirkung auf äußerst dünne Schichten bedingt. Beim ELA-Verfahren (Excimer Laser Annealing) wird so die Oberfläche von amorphem Silicium in nur 50 µm dünnen Schich-ten aufgeschmolzen. Dadurch erfolgt eine lokale Rekristallisation. Großtechnisch wird der Effekt u.a. dazu genutzt, um die Leuchtkraft von Flachbildschirmen oder die Effizienz von Solarzellen zu verbessern. Ein weiteres Anwendungsgebiet von Excimerlasern höherer Leistung ist die Motorenfertigung bei Audi, wo Excimerlaser für die Oberflächenbehandlung der Laufflächen von Zylindern eingesetzt werden.

Von D. Kippels/K.Vollrath
Von D. Kippels/K.Vollrath

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