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Laserwärmebehandlung mit VCSEL

VCSEL Laser werden zur Wärmebehandlung verschiedener Oberflächen und Werkstoffe genutzt. Sie optimieren Prozesse wie das Trocknen, Schweißen, Siegeln, Löten oder Erwärmen. 

VCSEL Laserwärmebehandlung zum Trocknen, Schweißen, Siegeln und Erwärmen

In vielen industriellen Prozessen kommen VCSEL Laser als Werkzeug für die Oberflächenerwärmung zum Einsatz. Als hochintensive Infrarot-Wärmequelle ist die präzise gerichtete Diodenlaser-Wärmebehandlung mit selektiver Wellenlängenstrahlung sowohl skalierbar als auch energieeffizient. VCSEL Laserarrays unterstützen das Trocknen, Schweißen, Siegeln, Löten und Erwärmen. Auch in der additiven Fertigung von Kunststoff-, Legierungs- und Stahlkomponenten zeigen sie viele Vorteile. Die schmalbandige Strahlung eignet sich ebenso gut für das Kunststoffschweißen oder das Laserschmelzen von Oberflächen. Grundsätzlich sind sie für alle Prozesse prädestiniert, bei denen eine präzise Flächen- und Temperaturkontrolle entscheidend ist. Darüber hinaus unterstützen VCSEL Heizsysteme die Temperaturmessung während der Wärmebehandlung mit IR-Kameras oder Pyrometern. Laserwärmebehandlungsmodule sind sehr gut geeignet für flexible großflächige Erwärmungsanwendungen, die eine hohe Präzision erfordern. Im Vergleich zu herkömmlichen Erwärmungsmethoden profitieren Anwender von deutlich mehr Flexibilität, Präzision und Kostenersparnissen.

Wie funktioniert die Wärmebehandlung mit VCSEL Lasern?

Tausende von Mikrolasern (VCSEL) sind auf einem einzigen Chip montiert. 56 dieser Chips sind auf jedem Emitter angebracht und mehrere Emitter werden auf einem Modul zusammengefügt. Die rechteckige Strahlungsfläche kann Millionen von Mikrolasern enthalten und mehrere kW infrarote Laserleistung abgeben. VCSEL Module erzeugen Nahinfrarotstrahlung mit einer Bestrahlungsstärke von 100 W/cm² in einem gerichteten, großflächigen rechteckigen Strahlquerschnitt. So wird eine präzise, lokale Wärmebehandlung ohne zusätzliche teure Laseroptiken oder Scannersysteme erreicht.

Was bringt die lokale Laserwärmebehandlung in industriellen Produktionsprozessen?

Vorteile von Diodenlasern (VCSEL) für die industrielle Wärmebehandlung

Die VCSEL Lasertechnologie bietet viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Technologien wie dem Erwärmen mit Reflowöfen und Heißbarren, dem Heißprägen oder Lasern mit Zoom-Optik.

Präzise Kontrolle der Wärmebehandlungsbereiche

Wählbare Wellenlängen und lokale Emissionszonen ermöglichen eine präzise Intensitäts- und Flächenkonfiguration sowie ausgezeichnete Prozessergebnisse.

Lasererwärmungsmodule mit skalierbarer Leistung

Richten Sie die Modulgröße nach Ihren Bedürfnissen aus: Ändern Sie die Anzahl der montierten Emitter oder passen Sie das Gehäuse an.

Hochgeschwindigkeits-Wärmebehandlungsverfahren

Die Leistungsdichte des VCSEL Heizsystems ist mit 100 W/cm² wesentlich höher als die Leistung von Infrarot- oder Halogenlampen.

Maßgeschneiderte Lösungen für die Laserwärmebehandlung

Passen Sie die Wärmedichte und Laserstrahlung an individuelle Produktionsbedürfnisse an, indem Sie die Anzahl der VCSEL Emitter auswählen oder Linsenfunktionen hinzufügen.

Weltweiter Support

TRUMPF bietet Anwendungsunterstützung für Kunden weltweit.

Wo kommen VCSEL Laser zur Wärmebehandlung zum Einsatz?

Viele Produktions- und Industrieprozesse profitieren von der Erwärmung durch VCSEL Laserarrays. Dazu zählt das Schweißen, Löten, Siegeln und Entfestigen von Kunststoff-, Legierungs- und Stahlkomponenten in Fertigungs- und Montagelinien.

Schweißen

VCSEL Heizsysteme fügen oder verbinden Werkstoffe miteinander, schweißen Kunststoffe und bearbeiten Multimaterialschichten für die Bandverlegung. Das Ergebnis: eine ausgezeichnete Festigkeit und ein geringer Verzug.

Siegeln

Die durch VCSEL Heizsysteme generierte Wärme erzeugt eine dichte Verbindung verschiedener Oberflächen. 

Trocknen

Die Laserwärmebehandlung nasser Beschichtungsmaterialien beschleunigt Trocknungsprozesse effektiv.

Erwärmen

Durch die Wärmebehandlung mit den VCSEL Lasern werden Materialien beispielsweise weicher oder es wird der Durchsatz gesteigert.

Löten

VCSEL Systeme erwärmen die zu lötenden Bereiche lokal und begrenzen die Lötzeit. Dies führt zu höherer Qualität und einem höheren Durchsatz.

Additive Fertigung

Beim 3D-Druck von metallischen Bauteilen werden thermische Spannungen dank der VCSEL Wärmebehandlung reduziert. Ein VCSEL System kann auch Kunstoffe schmelzen und so ein Bauteil in 3D-Druck erzeugen.

Schweißen

VCSEL Heizsysteme können für viele Anwendungen genutzt werden. Dazu zählt das Verschweißen von Kunststoffteilen, das Verbinden der Kanten von Möbelplatten oder das Erhitzen von Klebeband für die Herstellung von Verbundwerkstoffen.

Laserdurchstrahlschweißen

Kunststoffe können mittels Laserdurchstrahlung verschweißt werden. Bei diesem Verfahren werden zwei thermoplastische Kunststoffe mit Hilfe eines Laserstrahls verbunden. Dieser durchdringt die transparente Oberflächenschicht des Bauteils und erhitzt das darunter liegende strahlungsabsorbierende Teil. Das absorbierende Kunststoffgrundmaterial schmilzt und verschmilzt somit den transparenten Fügebereich. VCSEL Heizsysteme können den Anwendungsbereich des Werkstücks in einem einzigen Durchgang gleichzeitig schweißen und erwärmen.

Fiber Placement und Tape-Legeprozesse

VCSEL Systeme bieten maßgeschneiderte Hochleistungslaserlösungen für Fiber Placement und Tape-Legeprozesse. So können dank der Wärmebehandlung mit VCSEL Lasern Verbundwerkstoffe skalierbar und flexibel hergestellt werden.

Laserkantenschweißen (Kunststoffschweißen)

VCSEL Arrays eignen sich für die industrielle Fertigung von Möbelplatten. Sie erzielen nahtlose Kanten- und Oberflächenschmelzen und erreichen damit sehr gute Produktergebnisse. Eine kompakte und zuverlässige VCSEL Wärmebehandlungsquelle liefert Infrarot-Laserleistung, die gezielt und präzise kontrollierbar ist und vor allem bei Produktionsanwendungen mit hohem Durchsatz brilliert.

Siegeln

Die VCSEL Technologie ermöglicht sehr präzise Hochgeschwindigkeits-Versiegelungen. Dadurch wird beispielsweise die Batterieproduktion deutlich effizienter.

Siegeln von Pouch-Zellen

VCSEL Systeme können das Siegeln von Pouch-Zellen um das Dreifache beschleunigen. Dafür bringen sie Wärme zum Schweißen im Inneren der Pouch-Folie, nahe dem Schweißbereich, auf. Die Wärmebehandlung liefert auch eine sehr präzise Siegelung. Dadurch wird die Lebensdauer der Batteriezellen verlängert, da die Faltenbildung in der Folie verhindert wird. Dieses Verfahren erhöht die Qualität und Homogenität der Pouch-Zellen.

 

 

 

Trocknen

VCSEL Heizsysteme zeigen sich vielseitig in Anwendungen mit variablem Maßstab wie z. B. dem Trocknen von Batteriefolien.

Trocknen von Batteriefolie

Nach der Beschichtung werden die Batteriefolien getrocknet, um eventuelle Lösungsmittel von ihren aktiven Materialien zu entfernen. Industrielle VCSEL Systeme sind optimal für großflächige Wärmebehandlungsprozesse wie die Folientrocknung geeignet. Insbesondere die Wärmebehandlung mit VCSEL Laserarrays ist sehr flexibel, sowohl was die Skalierbarkeit als auch die Leistungsdichte angeht. Große Oberflächenbereiche können mit hochgenauer, lokaler Steuerung der wellenlängenselektiven Infrarotstrahlung erwärmt werden.

Erwärmen

VCSEL Heizsysteme können zur präzisen Behandlung von zu erhitzenden Bereichen für bestimmte Materialien wie Stahl und Siliziumwafer eingesetzt werden.

Entfestigung

Die lokale Entfestigung von Karosseriestahlteilen in der Automobilindustrie ist prädestiniert dafür, um bestimmte Bereiche gezielt einer Wärmebehandlung zu unterziehen. Hierzu zählen zum Beispiel B-Säulen. VCSEL Lösungen bieten einen schnellen und einfachen Weg zur selektiven Entfestigung hochfester Stahlteile.

Wafer-Erwärmung

VCSEL Arrays ermöglichen eine homogene Erwärmung von Siliziumwafern. Sie sind aufgrund ihrer sehr gleichmäßigen und schnellen Erwärmung ideal für die schnelle thermische Bearbeitung (Rapid Thermal Processing, RPT) in der Waferproduktion. Einzelne Erwärmungszonen lassen sich sehr genau steuern. Laserwärme ermöglicht sehr schnelle Temperaturerhöhungen von mehreren hundert Grad Celsius pro Sekunde. Dank der hervorragenden lokalen Steuerung über Temperaturprofile steigern VCSEL so die Waferqualität.

Laser-Powered Co-Firing Process

VCSEL Laserarrays machen die Produktion von Solarzellen effizienter. Das Einbrennen der Silberpartikelkontakte auf der Oberfläche von Solarzellen wird als "Firing" bezeichnet. Die Verwendung von VCSEL Systemen für diesen Prozess bietet eine Reihe von Vorteilen. Beim schnellen Einbrennen mit Laserstrahlen werden nur die Solarzellen erwärmt, während der übrige Ofenbereich weitgehend kühl bleibt. Laserstrahlen als Wärmequelle steigern die Energieeffizienz und Kosteneffizienz. Desweiteren wird weniger Platzbedarf für den Ofen benötigt und die Lebensdauer verlängert. Diese Eigenschaften der Diodenlaser-Erwärmungssysteme können die Produktionskosten erheblich senken.

Ultrafast Cell Regeneration

VCSEL Arrays können den Wirkungsgrad von Solarzellen erhöhen. Hochleistungs-VCSEL-Lasermodule zur Bestrahlung von monokristallinen Si-Solarzellen verhindern bei ultraschneller Regeneration in Sekundenschnelle die reaktive Borsauerstoffbildung nachhaltig. Das Ergebnis: ein deutlich gesteigerter Zellwirkungsgrad. Dieser Prozess ist sowohl effizient als auch hochgradig lokalisiert in Bezug auf Intensität und Zielbereich. Ultrafast Cell Regeneration bringt ein deutliches Plus bei der Effizienz von Hochleistungssolarzellen.

Light Soaking

Beim ultraschnellen Light Soaking werden Energiebarrieren während der Produktion durch die intensive Strahlung und die hohen Temperaturen, die von den VCSEL Heizsystemen erzeugt werden, abgebaut. Dieser Prozess senkt den Innenwiderstand der Solarzelle und lässt sie effizienter arbeiten. Folglich können VCSEL Systeme den Wirkungsgrad von Solarzellen erhöhen.

Löten

VCSEL Laser sind sehr effektiv beim Löten von kleinen Kontaktpunkten auf Leiterplatten und liefern bei Bedarf eine höhere Ausgangsleistung als herkömmliche Technologien.

Laser Assisted Soldering (LAS)

Bei LAS werden Lotkugeln mit Hilfe der VCSEL Laser-Infrarot-Wärmebehandlung direkt auf Leiterplatten gelötet, was besonders bei kleineren Kugel- und Pitch-Szenarien von Vorteil ist. Bei LAS gewährleisten VCSEL Laser eine hochpräzise lokale Wärmebehandlung und höchste Qualität der Lötstellen. Als zusätzlicher Vorteil erhöht die Laserwärmebehandlung die Lebensdauer der Leiterplatten.

 

Laser Assistant Bonding (LAB)

Das LAB-Verfahren verwendet einen Flip-Chip auf einer Leiterplatte und Lotkugeln als Verbindungen. Das VCSEL System erwärmt den Chip von oben, und die durch ein Siliziumplättchen übertragene Laserenergie schmilzt die Lotkugeln zwischen dem Chip und der Leiterplatte. So wird die Erwärmung größerer Bereiche einer kompletten Leiterplatte mit mehreren Chips ermöglicht – bei höherer Ausgangsleistung als bei anderen Lösungen.

Additive Fertigung

VCSEL Arrays bieten einzigartige Vorteile für den 3D-Druck von Metallen und Kunststoffen.

Vorheizung für den 3D-Druck von Metall
Bauteilgenerierung mittels Laser Metal Fusion

Wenn großvolumige Metallteile in 3D gedruckt werden, wirken sich thermische Gradienten oft negativ auf die gesinterten Teile aus. Spannungen können durch VCSEL basierte Laserwärme von oben minimiert werden. Denn die Laserwärme reduziert thermische Spannungen und Verzug am gedruckten Teil erheblich. Dies sorgt für verbesserte mechanische Eigenschaften des Bauteils.

3D-Druck von Kunststoffen

Tausende, einzeln adressierbare VCSEL Laser mit konzentrierenden Optiken können als Lichtquelle für das selektive Lasersintern (SLS) genutzt werden. Dies bringt enorme Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen SLS-Druckern, die mit nur einem oder zwei Scanning-Lasern arbeiten. Dank speziellen VCSEL Heizsystemen kann eine hohe Auflösung (250 dpi) in Kombination mit einer unübertroffenen Produktionsgeschwindigkeit erreicht werden. Diese ist etwa 10-mal schneller als bei den besten konventionellen Kunststoff-3D-Druckern.

VCSEL Heizsysteme zur Wärmebehandlung in Aktion

Bei VCSEL Arrays lassen sich die Intensitätsprofile individuell anpassen, um so Emissionszonen und Leistungsprozessparameter präzise zu steuern.

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