Entwicklung und industrielle Anwendung
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Laser 5/2007 Heft Nr. 5, 21. Jahrgang, September/Oktober 2007 L A S E R TECHNOLOGIE F O R U M Titelbeitrag 8 Diodenlasersysteme werden »Compact« Laserbearbeitung 16 Flexibilität ist die Hauptsache 18 Hybrides, laserunterstütztes Schneidverfahren 24 Experten für die Laserbearbeitung 40 Strahlen mit Tiefenwirkung Strahlquellen 28 Wärmesenken im Fokus 31 Diodenlaser mit hoher Leistung Lasermesstechnik b-Quadrat Verlags GmbH & Co. KG 14 Streamline Mapping 32 Lasersysteme zum Ausrichten 34 Laserbasierte Messungen im Submikrobereich Medizintechnik 46 Vom Schüttgut bis zur Einzelstückverfolgung 48 Lasertechnik und Therapie 52 Marktübersicht VERLAGS GMBH&CO.KG Entwicklung und industrielle Anwendung titelbeitrag Diodenlasersysteme werden »Compact« Die neue Generation von Hochleistungsdiodenlasersystemen basiert auf bewährten wärmeleitungsgekühlten Diodenlasermodulen und zeichnen sich durch kompakte und robuste Bauform aus. Bis 100 W optischer Ausgangsleistung sind die Systeme komplett luftgekühlt. In Kombination mit schnellen Galvo-Scannern bzw. Bearbeitungsköpfen mit integrierter Sensorik zur Prozessüberwachung eignen sich diese Hochleistungsdiodenlaser für den industriellen Einsatz zum Kunststoffschweißen, zum Laserlöten oder zur Wärmebehandlung. urch die Fortschritte im Bereich der Chiptechnologie, sowie durch Weiterentwicklungen in der Chipmontage, sind heutzutage hocheffiziente Hochleistungsdiodenlaser (HPDL) verfügbar, die ohne direkte Wasserkühlung auskommen. Diese wärmeleitungsgekühlten Laserdiodenbarren haben Leistungen im Bereich von 50 W bis 80 W, je nach Resonatorlänge und Chipstruktur, und sie erreichen elektrooptische Gesamteffizienzen von typ. 60 % bei z. B. 976 nm. Damit eignen sich solche Laserdioden, um mit räumlichem und Polarisationsmultiplexing sowie mikro-optischer Strahlformung, hochbrillante, wärmeleitungsgekühlte und fasergekoppelte Module für die optische Anregung von Faserlasern, Festkörperlasern und die direkte HPDL-Materialbearbeitung aufzubauen. D Bewährtes Modulkonzept Durch die große Divergenz der aus dem Laserdiodenbarren kommenden optischen Strahlung werden mikro-optische Bauelemente mit Präzisionsverfahren vor den Laserdioden montiert, um die so geformten Strahlen effektiv nutzen zu können. Die Abbildung Der Autor einer Anordnung Dipl.-Phys. Wolfgang Horn leitet bei von wärmeleider Dilas Diodenlaser GmbH, Mainz, tungsgekühlten, den Bereich Systems. vollkollimierten 8 Laserdiodenbarren zeigt, dass diese den gleichen Strahl liefern wie ein direkt gestapelter, wassergekühlter HPDL-Stack klassischer Bauart. Deshalb wird die gezeigte Anordnung auch »optischer Stack« genannt. Eine solche Anordnung kann direkt in optische Lichtleiter mit 200-µm- oder 400-µm-Kerndurchmesser bei einer numerischen Apertur 0,22 eingekoppelt werden. Auch lassen sich solche Konzepte erweitern, indem der optische Stack vergrößert wird oder die Strahlen von mehreren optischen Stacks vereint werden, z. B. durch Polarisationskopplung. Dadurch kann der Hersteller Dilas im Standard-Wellenlängenbereich fasergekoppelte Module mit einer Wellenlänge in den Abstufungen 40, 100, 200, 400, 600 [W] mit 400-µm-Lichtleiter und 60, 100 und 200 [W] mit 200-µmLichtleiter anbieten. Das gleiche Konzept kann auch auf Sonderwellenlängen im Bereich von 1470 nm bis 1900 nm übertragen werden und resultiert in Dilas-Modulen, die in einer 400-µm-NA0.22Faser Leistungen bis 80 W bei z. B. 1470 nm erzeugen. Die Module finden eine breite Anwendung zum Pumpen von Festkörper - und Faserlasern, in der Materialbearbeitung sowie in Medizin und Militäranwendungen. Weitere Leistungssteigerung lässt sich im Prinzip noch durch das Koppeln mehrerer Wellenlängen („wavelengthmultiplexing“) erreichen, schränkt aber die Nutzung ein auf von der Wellenlänge weitestgehend unabhängige Anwendungen, z. B. das Hartlöten oder Schweißen von Metallen. Die beschriebenen Module haben wegen der dargestellten »optischen Stapelung« eine etwas größere Bauform als klassische Stacks. Jedoch wird dies durch die Vorteile des im Prinzip wasserfreien Aufbaus und die mechanische Robustheit mehr als ausgeglichen. Selbstverständlich erzeugen auch solche Räumliche Kopplung von Diodenlasermodulen. Laser 5-2007 titelbeitrag Quasisimultanes Kunststoffschweißen von farbigen Kunststoffen. Diodenlaser-Module im Betrieb Verlustwärme, welche abgeleitet werden muss. Bei geringen optischen Leistungen bis 100 W/400 µm bietet Dilas eine reine Peltier-/Luftkühlung für das »Compact Komplettsystem« an. Bei höheren Leistungen stellt die Wasserkühlung die effektivste Kühlung dar. Hierbei kann aber auf wartungsaufwändige Kühleinheiten verzichtet werden, und es kommt in der Regel ein Industriewasserkühler zum Einsatz, z. B. beim 400-W-Compact-System. Zuverlässigkeit Fasergekoppelte Module, die auf wärmeleitungsgekühlten Laserdiodenbarren basieren, werden schon seit geraumer Zeit für endgepumpte Festkörperlaser und in der Materialbearbeitung eingesetzt. Neben diesen beiden Anwendungen haben sich solche Module neuerdings auch beim Pumpen von Fa- Typ Laserleistung serlasern bewährt, so dass man insgesamt über eine breite Datenbasis verfügt und Lebensdauern sowohl im CW- als auch im gepulsten Betrieb (An/AusBetrieb mit für Materialbearbeitung typischen Pulszeiten von bis zu einigen Sekunden) vorliegen. Basierend auf der Erfahrung, die vom Diodenlaserhersteller Dilas mit den Modulen gesammelt wurden, sowie belegt durch die intensiven Tests an den Peripheriebauteilen (Dioden-Stromversorgung und Kontrolleinheit) wird das neue »Compact-System« von Dilas mit einer Gewährleistung von zwei Jahren, ohne einschränkende Betriebsstundenzahl, angeboten. Diodenlasersysteme Seit einigen Jahren steigt der Anteil an fasergekoppelten Diodenlasersystemen in der industriellen Applikationen immer weiter. Direkte Anwendungen von Diodenlasern ohne Faserkopplung kommen heutzutage hauptsächlich bei sehr konkreten Aufgaben zum Einsatz, z. B. beim simultanen Kunststoffschweißen oder bei sehr preiskritischen Verfahren. Abgesehen von diesen speziellen Fällen Faser-Ø [µm] bietet die Faserkopplung nur Vorteile. Durch die Entkopplung von Strahlquelle und Bearbeitungsoptik können robuste und servicefreundliche Lasersysteme realisiert werden. So ist der Austausch eines Diodenmoduls in der Regel auch direkt in der Produktionslinie möglich ohne den Prozess anschließend neu einrichten zu müssen. Auch eine Integration in Verbindung mit Robotern lässt sich einfach integrieren, da nur noch der relativ leichte Bearbeitungskopf vom Roboterarm bewegt werden muss. Durch den Einsatz von zuverlässigen wärmeleitungsgekühlten Diodenmodulen steigt auch die Verfügbarkeit der Produktionsanlage. Diodenlasersysteme benötigen neben dem Diodenmodul auch eine Stromversorgung, Kühlung und einen Controller, um den sicheren und störungsfreien Betrieb des Systems zu gewährleisten. Die neuen Diodenlasersysteme der »Compact Reihe« integrieren diese Baugruppen in einem 19“-Gehäuse. In der Leistungsklasse bis 100-W-Ausgangsleistung kann durch den Einsatz von thermoelektrischen Kühlelementen komplett auf Kühlwasser verzichtet werden (s. Tabelle). Bis 400-W-Ausgangsleistung werden die Systeme durch einen Wasser-Luft-Kühler vervollständigt, so dass auch hier zum Betrieb der Geräte eine einfache 230-VVersorgung ausreicht. Durch die Kundenschnittstelle ist eine besonders einfache Integration in Fertigungslinien möglich. Der integrierte Controller mit Bedienfeld ermöglicht auch den Einsatz als Stand-Alone-Lö- Kühlmedium Größe Luft (TEC) 19“, 4 HE [W] Compact 25/200 25 200 Compact 50/200 50 200 Compact 40/400 40 400 Compact 60/400 60 400 Compact 100/400 100 400 Compact 100/200 100 200 19“, 11 HE Compact 200/400 200 400 (inkl. Wasser-Luft Kühler) Compact 300/400 300 400 Compact 400/400 400 400 Laser 5-2007 Wasser 9 titelbeitrag Luftgekühltes Diodenlasersystem Compact 100/400. Vollschutzgeräte der Laserklasse 1 anzubieten. Anwendungen sung im Labor. Gegenüber einem einfachen Lasermodul bieten die »Compact Geräte« überwachte Anschlüsse für Kamerabild des Bearbeitungskopfes PHFS9. Warnlampen und Schnittstellen zur externen Not-Aus-Kette. Als ein Unternehmen der Rofin Gruppe hat Dilas die Möglichkeit, die Lasersysteme der »Compact Reihe« auch als Für die Anwendungen Kunststoffschweißen und Löten wird die »Compact Reihe« durch den Prozesskopf PHFS9 mit integrierter Kamera und Einfarbenpyrometer sowie durch Gal- Lasergelötetes Solarzellenmodul. vo-Scanner komplettiert. Das integrierte Pyrometer ist ein bewährtes Hilfsmittel zur Prozessregelung und –dokumentation in der Serienproduktion und dient damit auch zur Erfassung und Kontrolle von qualitätsrelevanten Prozessgrößen. Die eingebaute CCD-Kamera vereinfacht das Einrichten von Prozessen und ermöglicht es dem Bediener, die Bearbeitung aus der Perspektive des Laserstrahls zu beobachten. Durch Kombination von Fokussierlinsen mit verschiedenen Brennweiten und diversen Faserdurchmessern können eine Vielzahl von Spotgrößen auf dem Werkstück realisiert werden. So liefert zum Beispiel der Bearbeitungskopf mit einer Standard Brennweite von 100 mm und einer 200-µmFaser einen Laserspot von 300 µm. Die Galvo-Scanner erlauben den Einsatz der »Compact Systeme« auch für die quasisimultane Bearbeitung, z. B. in der Medizintechnik und der Automobilzulieferindustrie, sowie für selektives Löten in der Elektronikproduktion. Die Fertigung von photovoltaischen Modulen bietet weitere interessante Anwendungsmöglichkeiten für Diodenlaser. Dort werden die Solarzellen über Bändchen (so genannte ribbons) durch Löten miteinander verschaltet. Um eine möglichst hohe Ausbeute zu erzielen, müssen mechanische und thermische Belastungen möglichst gering gehalten werden. Hierzu bietet das Laserlöten als nicht taktiles Verfahren erhebliche Vorteile. Der thermische Stress wird durch die gezielte Energieeinbringung minimiert. Die Lötverbindungen zeichnen sich durch sehr niedrige Übergangswiderstände und hohe mechanische Festigkeiten aus. Insgesamt erlaubt das neue »Compact System« von Dilas eine einfache Integration in Produktionslinien und ermöglicht in Verbindung mit Prozessköpfen und Galvo-Scannern eine Vielzahl von Anwendungen, welche in den Märkten der Automobilzulieferindustrie, Medizintechnik und Elektronikproduktion zum Einsatz kommen. KENNZIFFER 015 Compact Diodenlasersystem mit Galvo-Scanner als Lasersystem der Klasse 1. 10 Dilas Diodenlaser GmbH www.dilas.com Laser 5-2007
