Blitzlampengepumpte Laser sind seit mehr als 40 Jahren erfolgreich in der industriellen Fertigung im Einsatz. In zahlreichen Anwendungsbereichen waren und sind sie eine Schlüsseltechnologie für die Herstellung anspruchsvoller Produkte.
Insbesondere das Mikroschweißen mit gepulsten Nd:YAG-Lasern hat die industrielle Fertigung vieler filigraner und technisch komplexer Bauteile überhaupt erst ermöglicht. Die hohe Pulsspitzenleistung und die präzise dosierbare Energieeinbringung erlauben das zuverlässige Schweißen kleinster Bauteile und empfindlicher Werkstoffe.
In den vergangenen 20 Jahren konnte die Baugröße dieser Lasersysteme durch neue Werkstoffe, effizientere elektronische Komponenten und kompaktere Baugruppen erheblich reduziert werden. Gleichzeitig wurden Zuverlässigkeit, Bedienbarkeit und Prozessstabilität kontinuierlich verbessert. Dadurch entwickelten sich blitzlampengepumpte Nd:YAG-Laser zu bewährten Arbeitsmitteln in zahlreichen technologischen Anwendungsbereichen.
Heute sind viele Tausend Lasersysteme von Vision unter anderem in der Medizintechnik, Sensorik, Feinmechanik, Dentaltechnik und Schmuckindustrie im Einsatz.
Die folgenden Vorteile gelten grundsätzlich unabhängig vom jeweiligen Hersteller:
Den Vorteilen stehen einige technisch bedingte Nachteile gegenüber:
Seit einigen Jahren nimmt der Einsatz von Faserlasern beim industriellen Schweißen und Schneiden kontinuierlich zu. Ihre hohe Energieeffizienz, ausgezeichnete Strahlqualität und außergewöhnliche Zuverlässigkeit machen sie insbesondere für automatisierte Produktionsprozesse und Anwendungen mit hohen Stückzahlen interessant.
Faserlaser haben sich daher nicht nur in der Automobilindustrie etabliert, sondern auch in vielen weiteren Bereichen, in denen eine hohe Anlagenverfügbarkeit, reproduzierbare Prozesse und niedrige Betriebskosten gefordert werden.
Die Grundlage moderner Faserlaser bilden leistungsfähige Laserdioden. Wesentliche technologische Grundlagen dieser Dioden wurden ursprünglich für Anwendungen in der Telekommunikation entwickelt. Dort waren besonders hohe Zuverlässigkeit, lange Lebensdauer und stabile optische Leistungen erforderlich.
Im Zuge der Weiterentwicklung wurden die Laserdioden hinsichtlich Leistung, Effizienz und Lebensdauer erheblich optimiert. Moderne Single-Emitter-Laserdioden, wie sie als Pumpquellen in Faserlasern eingesetzt werden, können je nach Bauart sehr hohe optische Leistungen erreichen. Gleichzeitig sind sie für Betriebsdauern von bis zu 100.000 Stunden ausgelegt.
Seit einigen Jahren nehmen Faserlaser in der Industrie in allen Bereichen des Schweißen und Schneiden kontinuierlich zu.
Hohe Effizienz und extreme Zuverlässigkeit öffnen dieser Art von Lasern Tür und Tor in der Automobilindustrie, aber auch in allen anderen Bereichen in denen Produkte in hohen Stückzahlen gefertigt werden.
Die Basis der heutigen Faserlaser bilden Laserdioden, die für Aufgaben im Bereich der Telekommunikation entwickelt wurden.
Vor ca. 15 Jahren begann die Entwicklung dieser Laserdioden mit dem Ziel, extrem hohe Leistungsdichten und extreme Lebensdauer zu erreichen.
Eine Lebensdauer von 100.000 Betriebsstunden entspricht bei einem durchgehenden Betrieb von 24 Stunden pro Tag und sieben Tagen pro Woche einem Zeitraum von etwa 11,4 Jahren. Die tatsächliche Lebensdauer ist jedoch von der Betriebstemperatur, der elektrischen Belastung, dem Kühlkonzept und den jeweiligen Einsatzbedingungen abhängig.
Die hohen Anforderungen an die Lebensdauer dieser Dioden stammen unter anderem aus der Telekommunikationsindustrie. Optische Verstärkersysteme wurden dort teilweise in schwer zugänglichen Unterseekabel-Infrastrukturen eingesetzt. Ein Ausfall solcher Komponenten hätte aufwendige und kostenintensive Reparaturmaßnahmen zur Folge. Entsprechend hoch waren die Anforderungen an Zuverlässigkeit und Langzeitstabilität.
Die hohe Lebensdauer der Laserdioden, kombiniert mit robusten und hermetisch geschlossenen Laserquellen, macht Faserlaser besonders attraktiv, wenn Zuverlässigkeit, hohe Anlagenverfügbarkeit und geringe laufende Betriebskosten im Vordergrund stehen.
Blitzlampengepumpte Nd:Yag benötigen aufgrund ihres vergleichsweise geringen Wirkungsgrads von etwa 3 bis 4 Prozent häufig eine leistungsfähige elektrische Versorgung. Abhängig von der Laserleistung und der Systemausführung kann dafür ein Drehstromanschluss erforderlich sein.
Ein großer Teil der aufgenommenen elektrischen Energie wird nicht in nutzbare Laserstrahlung, sondern in Wärme umgewandelt. Daher ist in der Regel eine leistungsfähige Wasserkühlung erforderlich. Diese verursacht zusätzlichen Platzbedarf, Wartungsaufwand und Energieverbrauch.
Moderne FSS-Faserlaser (qcw) erreichen dagegen typischerweise deutlich höhere elektrooptische Wirkungsgrade von mehr als 30 Prozent. Einige aktuelle Systeme erzielen, abhängig von Bauart und Leistungsklasse, noch höhere Werte.
Aufgrund der geringeren Verlustleistung können kompakte FSS-Faserlasersysteme häufig mit einer integrierten Luftkühlung betrieben werden. In niedrigen und mittleren Leistungsklassen reicht oftmals ein üblicher einphasiger Netzanschluss aus. Abhängig von der jeweiligen Systemkonfiguration sind Versorgungsspannungen von etwa 90 bis 230 Volt möglich.
Bei FSS-Faserlasern mit hoher Ausgangsleistung können jedoch ebenfalls eine aktive Wasserkühlung und eine leistungsfähigere elektrische Versorgung erforderlich sein. Die konkrete Auslegung hängt daher immer von der Laserleistung, der Einschaltdauer und dem jeweiligen Anwendungsprozess ab.
Vergleichstabelle YAG und FSS
Nein. FSS-Faserlaser werden blitzlampengepumpte Lasersysteme nicht vollständig ersetzen.
In vielen Anwendungsbereichen, in denen der Laser nur sporadisch oder nicht im kontinuierlichen Produktionsbetrieb eingesetzt wird, bleiben blitzlampengepumpte Systeme auch zukünftig eine wirtschaftlich interessante Lösung. Dies gilt insbesondere dann, wenn ein vergleichsweise niedriger Anschaffungspreis wichtiger ist als maximale Energieeffizienz, Anlagenverfügbarkeit und geringe laufende Betriebskosten.
Auch bei Anwendungen, die eine besonders hohe Pulsenergie erfordern, verfügen blitzlampengepumpte Nd:YAG weiterhin über technische Vorteile. Dazu gehört beispielsweise das Schweißen hochreflektierender Edelmetalle wie Gold und Silber. Vor allem in der Schmuckherstellung und bei Reparaturarbeiten werden diese Systeme deshalb auch langfristig ihren festen Markt behalten.
Die höheren Investitionskosten der FSS-Baureihe amortisieren sich insbesondere in Anwendungen, in denen hohe mittlere Laserleistungen, lange Einschaltdauern und eine dauerhaft hohe Verfügbarkeit gefordert werden. Durch ihre hohe Energieeffizienz, geringe Wartungsanforderungen und ausgezeichnete Prozessstabilität eignen sich FSS-Laser besonders für automatisierte Fertigungsprozesse und die Produktion hoher Stückzahlen.
Die außergewöhnlich hohe Verfügbarkeit dieser Systeme ermöglicht ihren Einsatz in automatisierten Fertigungszellen bis hin zur Integration in kontinuierlich betriebene Produktionslinien, beispielsweise in der Automobilindustrie.
Somit stehen beide Technologien nicht grundsätzlich in Konkurrenz zueinander. Vielmehr hängt die optimale Auswahl vom jeweiligen Anwendungsprofil ab. Blitzlampengepumpte Systeme überzeugen insbesondere bei sporadischer Nutzung, hohen Einzelpulsenergien und preissensiblen Anwendungen. FSS-Laser bieten ihre größten Vorteile bei hoher Auslastung, automatisierten Prozessen und besonders hohen Anforderungen an Effizienz, Reproduzierbarkeit und Anlagenverfügbarkeit.
Was ist neu, obwohl Faserlaser bereits seit vielen Jahren verfügbar sind?
Faserlaser sind grundsätzlich keine neue Technologie. Neu ist jedoch die besondere Leistungskonzeption der FSS-Faserlaser (qcw) von Vision Lasertechnik.
Ein FSS-Laser kann im gepulsten Betrieb kurzzeitig eine Pulsspitzenleistung von bis zu 1.500 / 3.000 / 4.500 / 6.000 Watt bereitstellen. Ein konventioneller Faserlaser mit einer kontinuierlichen Ausgangsleistung von 3.000 Watt wäre dagegen deutlich größer, technisch aufwendiger und preislich im hohen sechsstelligen Bereich anzusiedeln.
Die Besonderheit der in unseren FSS-Lasern eingesetzten Technologie liegt in einem speziell entwickelten Wärme- und Energiemanagement. Dieses ermöglicht es, die Laserdioden für kurze Zeit mit einem deutlich höheren Strom zu betreiben, als dies im kontinuierlichen CW-Betrieb vorgesehen ist.
Die technische Basis bildet somit kein herkömmlicher 3.000-Watt-CW-Laser, sondern beispielsweise ein Faserlaser mit einer Nennleistung von 300 Watt. Durch seinen besonderen Aufbau und die gezielte kurzzeitige Überhöhung der Diodenleistung kann das System im Pulsbetrieb Spitzenleistungen von dem 10-fachen Leistungswert erreichen.
Damit verbindet die FSS-Technologie zwei entscheidende Eigenschaften:
Durch dieses Konzept lassen sich gepulste Faserlaser mit hohen Pulsspitzenleistungen zu Investitionskosten anbieten, die mit blitzlampengepumpten Systemen wirtschaftlich vergleichbar sind.
Die zunächst etwas höheren Anschaffungskosten eines FSS-Lasers relativieren sich häufig bereits nach kurzer Betriebszeit. Berücksichtigt man die höhere Anlagenverfügbarkeit, den geringeren Energieverbrauch, den reduzierten Wartungsaufwand und die niedrigeren laufenden Betriebskosten, ergibt sich über die gesamte Nutzungsdauer in vielen Anwendungen ein deutlicher wirtschaftlicher Vorteil.
Die eigentliche Innovation liegt daher nicht darin, dass ein Faserlaser eingesetzt wird. Entscheidend ist die Kombination aus hoher gepulster Spitzenleistung, kompakter Systemarchitektur, hoher Effizienz und langfristig niedrigen Betriebskosten.
Blitzlampengepumpte Nd:YAG bleiben für viele Anwendungen eine bewährte und wirtschaftlich interessante Technologie. Sie eignen sich insbesondere für gepulste Mikroschweißprozesse, kleinere Produktionsmengen, Reparaturanwendungen und Einsatzbereiche, in denen ein günstiger Einstiegspreis im Vordergrund steht.
FSS-Faserlaser (qcw) bieten dagegen deutliche Vorteile bei Energieeffizienz, Strahlqualität, Prozessstabilität, Anlagenverfügbarkeit und Betriebskosten. Sie sind daher häufig die bevorzugte Lösung für automatisierte Prozesse, hohe Stückzahlen und Anwendungen mit besonders hohen Anforderungen an Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit.
Welche Lasertechnologie die bessere Wahl ist, hängt letztlich von der konkreten Anwendung, dem Werkstoff, der erforderlichen Prozessleistung, der Produktionsmenge und den wirtschaftlichen Rahmenbedingungen ab.
