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Schneller, präziser, effizienter

Trends in der industriellen Lasertechnik

Von Ralf Krauter

Mit dem Roboter hielt auch der Laser Einzug in die Fertigung.
Mit dem Roboter hielt auch der Laser Einzug in die Fertigung. (AP Archiv)

Technik. - Laser sind heute allgegenwärtig, vor allem in der Produktion. Die industriellen Anwendungen der Lasertechnik stehen im Mittelpunkt des alle zwei Jahre stattfindenden Aachener Laserkongresses AKL.

Es gab eine Zeit, da setzten Unternehmen Laser als Werkzeuge ein, weil es cool war. Wer den Besuchern seiner Fabrik einen Roboterarm vorführen konnte, der Bleche mit gebündeltem Licht schneidet oder verschweißt, der zeigte damit, dass er der Konkurrenz voraus ist. Doch diese Zeiten sind lange vorbei. In der industriellen Fertigung sind Laser heute so allgegenwärtig, dass sich Lasertechnik nur dann noch verkauft, wenn sie Herstellungsprozesse effizienter und billiger macht.

Doch auch unter dieser Prämisse lassen sich glänzende Geschäfte machen. Beim Laserhersteller Jenoptik AG zum Beispiel, der gestern seine Quartalszahlen präsentierte, stieg der Umsatz um zehn Prozent im Vergleich zum Vorjahresquartal. Zu den gefragten Produkten zählen optische Bauteile, mit Strukturen 1000 Mal feiner als ein menschliches Haar, mit denen sich Laserstrahlen formen lassen, erklärt der Physiker und Vorstandsvorsitzende von Jenoptik, Dr. Michael Mertin.

"Viele Ihrer Hörer kennen Hologramme, wenn sie an der Wand hängen. Sie können solche Hologramme in der technischen Optik benutzen, um Licht praktisch beliebig zu formen. Sie können viel mehr daraus machen als mit einer Linse, ohne dass Sie dabei Licht verschwenden wie bei einer Maske. Damit können Sie Anwendungen ermöglichen in der Computerchipherstellung beispielsweise oder auch in der Produktion von modernen mikroelektronischen Bauelementen bis hin zu modernen Flachbildschirmen, die wir alle an der Wand hängen haben."

Strahlformer wie die von Jenoptik machen es möglich, Laserlicht effizienter zu nutzen. Sie leuchten Belichtungsmasken besser aus oder spalten den Strahl eines teuren Hochleistungslasers in viele Teilstrahlen auf, die Werkstoffe dann großflächig und parallel bearbeiten. Zum Beispiel bei der Herstellung von Solarzellen. Mertin:

"Wenn Sie also heute Siliziumwafer bohren für Photovoltaik, dann können sie hier einige 10.000 Löcher im Sekundenbereich bohren – genau durch so ein Beam-Multiplexing, das ist jetzt der Fachausdruck, durch eine solche Vervielfachung des einzelnen Laserstrahls, und können damit sehr hohe Effizienzen zu geringen Kosten herstellen."

Die Löcher erlauben es, Siliziumsolarzellen von hinten zu kontaktieren, das steigert den Wirkungsgrad. Doch nicht nur die nachgeschalteten Optiken helfen Kosten sparen, auch die Laserquellen selbst werden immer effizienter. Die Hälfte ihres Umsatzes erzielt die Lasertechnik-Branche heute schon mit den extrem kompakten und energiesparenden Diodenlasern, Tendenz weiter steigend. Ihr bestechender Vorteil: Sie verwandeln Strom mit einem Wirkungsgrad von rund 70 Prozent in Lichtenergie.

"Sie können wesentlich Energie sparen gegenüber den bisherigen Gaslasern, die so eine Effizienz von der Steckdose bis aufs Werkstück im unteren%bereich haben."

Konventionelle CO2-Laser der Kilowatt-Klasse, die heute noch vielerorts Bleche schneiden und schweißen, bringen es nur auf Wirkungsgrade von rund acht Prozent. Der Trend geht deshalb klar zu den Diodenlasern. Für manche Anwendungen ist deren Strahlqualität aber noch nicht gut genug. Das Licht eines Diodenlasers lässt sich längst nicht so gut fokussieren, wie das eines konventionellen Gaslasers. Beim Schneiden von Blechen kommen die Effizienzwunder daher noch kaum zum Einsatz. Doch so genannte Faserlaser helfen zunehmend, diese Lücke zu schließen. Dabei wird Laserdioden eine spezielle, mit seltenen Erden dotierte Glasfaser nachgeschaltet, die ihrerseits Laserlicht sehr hoher Qualität aussendet, das sich prima bündeln lässt.

"Damit kriegen Sie einen Gesamtwirkungsgrad in der Größenordnung elektrisch zu Laserlicht hin von etwa 30 Prozent. Und das bedeutet, dass Sie eine Größenordnung, eine Zehnerpotenz, energieeffizienter sind als mit klassischen Lasern. Und das - in der Kombination mit der Strahlqualität und natürlich der Führbarkeit des Strahls in einer Faser - ermöglicht genau in der Materialbearbeitung diese 3D-Bearbeitbarkeit, relativ günstige Kosten, sehr kurze Prozesszeiten, et cetera."

Weil Faserlaser sehr kompakt, robust und effizient sind, werden sie seit Jahren vermehrt eingesetzt. Experten gehen davon aus, dass sie künftig immer mehr industrielle Anwendungen erobern werden.

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