Der Laser macht’s möglich

Von Zeit zu Zeit kommt es zu einem wissenschaftlichen Durchbruch, der revolutionäre Auswirkungen auf unser tägliches Leben hat. Das war zum Beispiel die Erfindung des Lasers für die Materialbearbeitung Anfang der 1960er-Jahre. Er ist heute ein Enabler für die Zukunft. Das Wort Laser selbst ist ein Akronym von Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, also der Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung.

Ein Laser ist also ein Gerät, das Licht durch einen optischen Verstärkungsprozess auf der Grundlage der stimulierten Emission elektromagnetischer Strahlung aussendet. Er unterscheidet sich von anderen Lichtquellen dadurch, dass er Licht aussendet, das kohärent ist. Durch die räumliche Kohärenz kann ein Laser auf einen engen Punkt fokussiert werden. Das ermöglicht Anwendungen wie Lithografie und Laserschneiden mit Hilfe von Lasersysteme für die Materialbearbeitung.

Zum Zeitpunkt seiner Erfindung ahnten nur wenige, dass sich der Laser als ein so nützliches Werkzeug erweisen würde und damit ein neues wissenschaftliches Gebiet begründet und die Tür zu einer Industrie öffnet, die heute mehrere Milliarden Dollar schwer ist.

Zur Unterstützung des Themas und seiner dort aktiven Mitglieder gründete der VDMA schon 1988 die VDMA Arbeitsgemeinschaft Laser und Lasersysteme für die Materialbearbeitung. Zu ihren Mitgliedern gehören einerseits die führenden Herstellerfirmen von Laser-Strahlquellen und Laser-Bearbeitungsanlagen und andererseits Produzenten optischer Komponenten sowie weiterer Ausrüstung für die Lasertechnik.

Positive Entwicklung im laufenden Jahr

Zur Marktlage der Laserindustrie führt die Arbeitsgemeinschaft regelmäßig Umfragen bei den Mitgliedsunternehmen durch. Dr. Sven Breitung, Geschäftsführer der VDMA Arbeitsgemeinschaft Laser und Lasersysteme für die Materialbearbeitung präsentierte auf der Jahrespressekonferenz im Rahmen der Eröffnung der Lasys am 21. Juni 2022 die Ergebnisse der aktuellen Umfrage.

Trotz der vielen Herausforderungen, wie den internationalen Krisen und der Pandemie, blickt die Branche positiv in die Zukunft. Für das laufende Jahr wird ein deutlicher Anstieg der Auftragseingänge aus dem In- und Ausland und eine Steigerung des Umsatzes gegenüber dem Vorjahr erwartet. Mehr als zwei Drittel der Unternehmen rechnen mit zweistelligen Umsatzsteigerungen für dieses Jahr. Erhebliche Sorgen bereiten allerdings wie überall die sich weiter verschärfenden Lieferengpässe sowie der Anstieg der Energie- und Rohstoffpreise.

Einen besonders starken Anstieg der Auftragseingänge erwarten die Firmen aus den USA, Deutschland, Asien und dort insbesondere aus China. Darüber hinaus werden die Kunden aus der Medizintechnik, Mobilität sowie Unterhaltungs- und Haushaltselektronik nach Angaben der befragten Unternehmen den Auftragseingang unterstützen. Als besonders schwierige Märkte wurden Länder wie China, Europa und Russland genannt, aber auch die Kommodifizierung von Lasern und Probleme in der Lieferkette.

Hauptrolle in der Elektromobilität

Besonders betonen die Hersteller die außergewöhnliche Rolle des Lasers für die Elektromobilität. Ralf Kimmel, Direktor Strategischer Vertrieb für den Geschäftsbereich Lasertechnologie der Trumpf SE + Co. KG, Ditzingen, sieht im Laser einen Katalysator: „Laser bringen die Produktion von Elektromotoren erst so richtig auf Touren. Die Innovationssprünge, die wir gerade in der Elektromobilität erleben, macht der digital vernetzte Laser mit seinen Optiken, Sensoriken und seiner Software erst möglich.“ Trumpf mache hier jetzt mehr Umsatz als mit Lasern, die in der Produktion von Autos mit Verbrennungsmotoren zum Einsatz kommen. Kimmel stellte die zentrale Rolle des Lasers bei der Fertigung von Batteriezellen heraus, wo es allein über 30 verschiedene Laseranwendungen gibt.

Ein Beispiel für den Lasereinsatz in einem anspruchsvollen Fertigungsvorgang ist das Schweißen der Kupferverbindungen in der Hochleistungselektronik der E-Autos. Dies meistert der Laser absolut zuverlässig. Auch für die Bearbeitung von Glas werden Nanosekundenlasern und dazu gehörigen Bearbeitungsoptiken eingesetzt. Entwickelt zum Schneiden und Fügen von Anwendungen für die Fertigung von Konsumelektronik, nutzen diese Technologie nun auch Kunden in der Automobilindustrie und der Medizintechnik.

Kampf dem Feinstaub

Für Dr. Christoph Ullmann, Geschäftsführer Laserline GmbH und stellvertretender Vorsitzender der VDMA Arbeitsgemeinschaft Laser und Lasersysteme für die Materialbearbeitung, sind Laser das ideale Werkzeug, um den Feinstaub zu bekämpfen. Der Verschleiß an den Bremsen verursacht ein Drittel des Feinstaubs eines Fahrzeugs. Um den Materialabrieb zu reduzieren, werden sehr dünne Beschichtungen von wenigen 100 µm mittels Laserauftragsschweißprozess auf die Bremsscheiben aufgebracht.

Ein anderes Einsatzfeld für den Diodenlaser entsteht im Umfeld der Trocknung von Elektrodenpaste während der Batterieherstellung. Diodenlaser haben das Potenzial, den Prozess, um das mehrfache zu beschleunigen und eine gleichmäßige Trocknung zu erreichen mit einer hohen elektrischen Effizienz und damit einer besseren CO2-Bilanz.

Der blaue Diodenlaser ist der einfachste und effizienteste Weg, um elektrischen Strom in sichtbares Licht umzuwandeln und zeichnet sich aus durch die sehr gute Absorption und größere Fokusabmessungen bei einfacher Prozessführung. Beim Laserschweißen entstehen sehr ruhige Schmelzbäder mit einer sehr hohen Prozesstoleranz, was den Aufwand einer zusätzlichen Prozessbeobachtung reduziert. Ein Einsatzbeispiel ist das Hairpinschweißen von Elektromotoren, das unabhängig von Lage, Spaltmaßen oder Höhenversatz der Hairpins einen sicheren Schweißprozess ermöglicht.

Auch Nikolas Meyer, Business Unit Leiter – Vertrieb und Applikation Emag Lasertec GmbH, Salach, sieht in der Elektromobilität einen Zukunftsmarkt des Lasers: „Die Bedeutung des Laserschweißens im Automobilbau nimmt seit Jahren deutlich zu.“ Das gelte nicht nur für den Karosseriebau. Denn auch beim Blick unter die Motorhaube oder präziser in den Antriebsstrang, profitieren viele Bauteile von dem exakten und schnellen Verfahren aus gebündeltem Licht.

Bei der Herstellung von Rotorwellen beispielsweise kann das Laserschweißen seine Vorzüge ausspielen mit Hilfe des Maschinenbaus. Hochgenaue und komplexe Schweißnähte lassen sich nur dann umsetzen, wenn das Strahlführungssystem und die Werkstückspannung entsprechend präzise sind. Das Wissen darum, wie ein Werkstück prozesssicher gespannt und bearbeitet werden kann, ist daher essenziell für die industrielle Fertigung.

Um optimale Schweißnähte zu ermöglichen, muss ein Werkstück mittels Laserreinigungsmaschinen behandelt werden. Bei der Reinigung handelt es sich um einen so genannten Ablationsprozess, bei dem die Werkstückoberfläche mit kurzen, aber sehr leistungsstarken Laserpulsen beaufschlagt wird. Das Material verdampft dabei schlagartig, wobei nur eine sehr geringe Schicht erwärmt wird. Auf diese Weise lassen sich Puls für Puls viele Arten von Verunreinigungen oder Beschichtungen von einem Bauteil entfernen.

Der eigentliche Fertigungsprozess ist weit aufwändiger als das reine Beherrschen der Technologie. Es müssen höchste Qualitätsanforderungen erfüllt werden, über tausende Teile hinweg, tagein, tagaus – das macht Maschinenbau aus.