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Vorteile der TRUMPF Faserlaser

Was sind Faserlaser? Für welche Anwendungen werden sie eingesetzt? Und welche Materialien können mit Faserlasern bearbeitet werden? Erfahren Sie auf dieser Seite mehr über die verschiedenen Arten von Faserlasern und deren Vorteile für Ihre Fertigungsaufgaben.

Nutzen und Vorteile von Faserlasern

Branchenübergreifende Vielseitigkeit

Faserlaser werden in nahezu allen Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Automobil einschließlich E-Mobilität, Dental, Elektronik, Schmuck, Medizin, Wissenschaft, Halbleiter, Sensorik, Solar und anderen eingesetzt.

Kompakt dank geringer Stellfläche

Faserlaser sind kompakt und platzsparend. Damit sind sie ideal für die Fertigung, in der Platz häufig Mangelware ist.

Materialvielfalt

Faserlaser haben die Fähigkeit, viele verschiedene Materialien bearbeiten zu können. Metalle (einschließlich Baustahl, Edelstahl, Titan und reflektierende Materialien wie Aluminium oder Kupfer) machen den Großteil der weltweiten Laserbearbeitung aus, aber auch Kunststoffe, Keramik, Silizium, Textilien werden bearbeitet.

Kosteneffizienz

Faserlaser sind ideal für die Senkung von Gemeinkosten und Betriebskosten. Sie sind eine kosteneffiziente Lösung mit gutem Preis-Leistungs-Verhältnis und extrem niedrigen Wartungskosten.

Einfache Integration

Dank einer Vielzahl an Schnittstellen können die TRUMPF Faserlaser schnell und einfach in Ihre Maschinen und Anlagen integriert werden. Als Partner für Sie als OEM oder als Komplettlösungsanbieter (Laser, Optik, Sensorik und Service) stehen wir Ihnen zur Seite.

Energieeffizienz

Faserlaser sind hocheffizient und verbrauchen weniger Strom als herkömmliche Fertigungsmaschinen. Dies senkt den ökologischen Fußabdruck und reduziert die Betriebskosten.

Wie funktionieren Faserlaser?

Alle Laser verfügen über drei Schlüsselelemente: eine Strahlquelle, ein Verstärkungsmedium und einen Resonator. Die Strahlquelle nutzt extern zugeführte Energie, um ein Verstärkungsmedium in einen angeregten Zustand zu versetzen. Dieser angeregte Zustand eines Lasermediums ist durch eine sogenannte Besetzungsinversion gekennzeichnet, die es dem Medium ermöglicht, Licht durch einen physikalischen Prozess zu verstärken. Dis wird als stimulierte Emission bezeichnet und wurde erstmals von Albert Einstein beschrieben (LASER = "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation"). Faser-Bragg-Gitter im Inneren der Faser wirken als Spiegel um das Verstärkungsmedium herum und bilden einen optischen Resonator, der einerseits optische Energie zur weiteren Verstärkung im Inneren des Resonators einfängt, aber auch die Auskopplung eines bestimmten Teils der optischen Energie in eine Richtung mittels eines teiltransparenten Spiegels ermöglicht. Dieser ausgekoppelte Teil der optischen Energie ist der Laserstrahl, der für verschiedene Zwecke genutzt werden kann. 

TRUMPF hat ein eigenes Schema zur Einkopplung des Lichts aus den Pumplaserdioden in das aktive Medium der Verstärkungsfaser entwickelt. Bei dem als "GT-Wave" bezeichneten Schema (siehe Grafik) wird die Pumpfaser über ihre gesamte Länge von mehreren Metern mit der Verstärkungsfaser in Kontakt gehalten. Ein Teil des Pumplichts tritt jedes Mal in die Verstärkungsfaser ein, wenn die intern reflektierten Strahlen auf die Grenzfläche treffen. Wenn diese Strahlen dann den mit seltenen Erden (Ytterbium) dotierten Kern durchqueren, werden sie teilweise absorbiert und regen das Verstärkungsmedium an. So wird über die Länge der Verstärkungsfaser das gesamte Pumplicht gleichmäßig und kontinuierlich absorbiert. Ein Vorteil dieses Schemas ist die einfache Skalierbarkeit auf höhere Laserleistungen, indem zusätzlicher Pumpmodule hinzugefügt werden. Eine weitere Stärke des Schemas ist die Vermeidung von "Hot-Spots" an den Endflächen der Verstärkungsfaser aus üblichen Endpumpschemata sowie ein gleichmäßiges Verstärkungsprofil durch die Deposition der Pumpenergie entlang der Länge der Verstärkungsfaser.

Ein Faserlaser ist also ein Lasertyp, der mit Seltene-Erden-Elementen (Erbium, Thulium, Ytterbium) etc. dotierte Fasern als aktives Lasermedium verwendet. Dies unterscheidet den Faserlaser von anderen auf dem Markt befindlichen Lasertypen, bei denen das aktive Lasermedium ein Kristall (z.B. Scheibenlaser) oder Gas (z.B. CO2-Laser) darstellt.

Faserlaser bieten absolute Effizienz, steuern präzise Geschwindigkeit und Leistung durch das Management von Strahllänge, Dauer, Intensität und Wärmeabgabe.

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Welche Materialien können mit Faserlasern bearbeitet werden?

Faserlaser eignen sich hervorragend für die Bearbeitung einer Vielzahl von Materialien und bieten Zuverlässigkeit dank jahrelangem Industrieeinsatz. Gerade bei der Bearbeitung von Metallen wird der Faserlaser gerne eingesetzt. Dabei spielt die Metallart eine untergeordnete Rolle. Faserlaser bearbeiten Baustahl, Edelstahl, Titan, Eisen oder Nickel genauso wie reflektierenden Metallen Aluminium, Messing, Kupfer oder Edelmetalle (Silber und Gold). Darüber hinaus arbeiten sie gut mit Materialien, die über eloxierte und lackierte Oberflächen verfügen. Faserlaser, insbesondere gepulste Nanosekundenlaser, werden auch bei der Bearbeitung von Silizium, Edelsteinen (einschließlich Diamanten), Kunststoffen, Polymeren, Keramiken, Verbundwerkstoffen, dünnen Schichten, Ziegeln und Beton eingesetzt.

Welchen Faserlaser kaufen?

Zunächst ist es wichtig, den Unterschied zwischen den Faserlasertypen, die TRUMPF anbietet, zu kennen. Wir bieten gepulste Faserlaser, Dauerstrichfaserlaser (Continous Wave = CW) sowie Ultrakurzpulslaser. Gepulste Faserlaser geben den Laserstrahl in Pulsen ab. Dabei können Sie die Dauer der einzelnen Pulse im Bereich von Nanosekunden bis Mikrosekunden steuern. CW-Laser liefern einen kontinuierlichen Laserstrahl, haben aber die Möglichkeit, die Strahlleistung bis in den kHz-Frequenzbereich zu modulieren. Ein Dauerstrich-Faserlaser ist mehr auf Leistung und hohen Output fokussiert, daher sieht man CW-Laser am häufigsten in industriellen Umgebungen eingesetzt. Ein gepulster Faserlaser wird immer dann einem Dauerstrichlaser vorgezogen, wenn innerhalb eines kurzen Pulses eine höhere Spitzenleistung erzielt werden muss. Daneben haben Mikrolaser Pulsdauern, die noch kürzer als Pikosekunden sind. Sie gehen bis hinunter zu 350 fs (Femtosekunden).

Typische Anwendungen für Faserlaser

Faserlaser sind für viele Bereiche auf in der Fertigungswelt geeignet. Für einige Anwendungen in der Schwerindustrie, bei denen hauptsächlich Effizienz und Geschwindigkeit benötigt werden, ist ein CW-Faserlaser, der wenig bis gar keine Wartung oder Instandhaltung benötigt, die perfekte Lösung. So eignen sich CW-Laser am besten für das Laserbohren, Laserschneiden und Laserschweißen. Wenn Sie sehr spezifische Schnitte in komplizierten Formen benötigen, dann ist ein gepulster Faserlaser Ihr optimales Werkzeug.

Laserschweißen

Laserschweißen bzeichnet den Prozess des Verschweißens von Materialien, sei es zum Verbinden von gleichartigen oder ungleichartigen Materialien. Laserschweißen besticht durch viele Qualitäts- und Kostengründe. So ist das Schweißen für viele Materialien und eine Vielzahl von Materialstärken realisierbar - von dicken Stahlplatten über Brennstoffzellen und Batterien bis hin zu feinen Drähten für die Herstellung medizinischer Geräte.

Lasergeschnittene Heckklappe
Laserschneiden

Laserschneiden ist ein Verfahren, bei dem ein Material mit einem Laserstrahl geschnitten wird. Dies kann für kleine und feine Materialien oder Materialien mit einer viel größeren Dicke (z. B. Bleche) sein. Der Prozess beinhaltet die Verwendung eines fokussierten Laserstrahls (z. B. gepulst oder mit kontinuierlicher Welle), um eine breite Palette von Materialien wiederholbar und mit einem hohen Maß an Genauigkeit zu schneiden.

Additive Manufacturing

Additive Fertigung ist der Prozess des Aufbaus eines 3D-Bauteils durch das schichtweise Hinzufügen Material. Es wird allgemein auch als "3D-Druck" bezeichnet. Mit der Kombination aus 3D-Druckmaschinen und Computersoftware können komplexe Formen erstellt werden. Die Technologie der additiven Fertigung gibt es schon seit über 30 Jahren, aber erst in den letzten Jahren wurde die Technik aufgrund ihrer Vielseitigkeit und der hervorragenden Rentabilität in größerem Umfang industriell genutzt. Der Faserlaser dient häufig als Strahlquelle innerhalb der 3D-Drucksysteme.

Lackabtrag mit Lasern der TruMicro Serie 7000
Laserabtragen

Unter Laserabtragen versteht man den Prozess des präzisen Schichtabtrags durch einen Laser. Die Art des abzutragenden Materials ist dabei zweitrangig, da der Laser eine Vielzahl von Materialen (von festen Metallen über Keramik bis hin zu industriellen Verbindungen) entfernen kann. Das Abtragen wird häufig bei der Herstellung elektronischer Produkte (z. B. Halbleitern und Mikroprozessoren) eingesetzt. Ein großer Vorteil dieses Verfahrens ist, dass der Abtrag mit hoher Präzision und Genauigkeit durchgeführt wird. Die Abtragung erfolgt in einem Schritt; dies ist ein erheblicher Vorteil, da herkömmliche Methoden wie das Ätzen meist mehrstufig sind. Laserabtragen ist dann meist die  kostengünstigere und umweltfreundlichere Technologie im Verglich zu herkömmlichen Methoden (z. B. Trockeneisstrahlen), da keine Lösungsmittel und Chemikalien verwendet werden.

Laserreinigen mit dem Laser
Laserreinigen

Beim Laserreinigen werden Verunreinigungen, Ablagerungen oder Verschmutzungen (z. B. Metalle, Kohlenstoff, Silizium und Gummi) durch den Laser von der Oberfläche eines Materials entfernt. Es gibt zwei Arten von Laser-Reinigungsverfahren, zum einen das Abtragen einer Schicht auf der Oberfläche eines Materials, zum anderen das Abtragen der gesamten oberen Schicht eines Materials.

Zu den Vorteilen des Laserabtrags gehören eine verbesserte Umweltfreundlichkeit (da keine Chemikalien oder Lösungsmittel verwendet werden und nur minimaler Abfall anfällt), ein geringerer Substratverschleiß und die Reinigung von Mikrokomponenten (insbesondere in der Elektronik).

Mikrobohrungen
Laserbohren

Das Laserbohren ist ein berührungsloses Verfahren zum Erzeugen Löchern in einem Material, das durch wiederholtes Pulsen eines Laserstrahls auf einen bestimmten Bereich erreicht wird. Das Material wird Schicht für Schicht verdampft und aufgeschmolzen, bis Bohrungen entstehen. Dieser Prozess unterscheidet sich je nach Materialdicke, der Anzahl der zu erzeugenden Löcher und der Größe (Breite und Tiefe) dieser Löcher.

Zu den Vorteilen des Faserlaserbohrens gehören die Eliminierung von Kontakt-"Verschleiß" und Verunreinigungen, eine hohe Wiederholgenauigkeit, die Arbeit mit einer Vielzahl von Materialien, die Erzeugung von Präzisionsbohrungen in verschiedenen Formen und Größen, die einfache Integration in Fertigungsprozesse und die schnelle Einrichtung mit reduziertem Werkzeugbedarf.

Verfärbung von Kunststoff mit der TruMark Serie 5000
Lasermarkieren / Laserbeschriften

Beim Lasermarkieren wird eine Beschriftung mittels eines intensiven, gepulsten Laserstrahls direkt auf die Oberfläche aufgetragen. Die Wechselwirkung des Laserstrahls mit der Bauteiloberfläche führt zu einer Veränderung des Materials, welche eine sichtbare Verfärbung, Strukturierung oder Markierung hervorbringt. Auch beim Lasermarkieren steht eine große Materialvielfalt zur Verfügung. So können Laserbeschriftungen nicht nur auf allen Metallen erzeugt werden, sondern auch auf Keramik, Kunststoffen, LEDs, Gummi, grafischen Verbundstoffen usw.

Lasergravieren

Bei der Lasergravur wird ein Teil des Materials abgetragen, um eine sichtbare Gravurmarke zu hinterlassen. Der Gravurprozess wird durch den Laserstrahl erzeugt, der Material abträgt, um eine Markierung zu erzeugen, wobei der Laser wie ein Meißel wirkt und ausgewählte Bereiche des Objektmaterials wegsprengt. Das Objekt wird unterhalb der Oberfläche markiert. Die Tiefe ist abhängig von der Verweilzeit, dem Energieimpuls und der Anzahl der Durchgänge sowie der Materialart.

Faserlaser vs. CO2-Laser

Der folgende Abschnitt beleuchtet den Vergleich von Faserlasern und CO2-Lasern. Faserlaser sind die neuere Art von Lasern, die auf dem Weltmarkt erhältlich sind. Faserlaser haben keine beweglichen Teile oder Spiegel, arbeiten mit geringen Wartungskosten, sind elektrisch effizient, funktionieren gut sowohl mit sehr dünnen als auch dickeren und reflektierenden Metallen. CO2-Laser werden heute hauptsächlich für die Bearbeitung nichtmetallischer Materialien wie Kunststoffe, Textilien, Glas, Acryl, Holz und sogar Stein in nennenswertem Umfang eingesetzt. Sie sind im Vorteil bei der Bearbeitung dickerer Materialien (typischerweise über 5 mm Dicke) und arbeiten schneller in einer geraden Linie als Faserlaser.

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