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LDMblue: blauer Diodenlaser

Effizienz durch blaues Laserlicht

Der blaue Diodenlaser LDMblue revolutioniert die Verarbeitung von Kupfer, Gold und anderen hochreflektierenden Metallen in mehrfacher Hinsicht. Die direkte Erzeugung von bis zu 2 kW cw Laserleistung im 450-nm-Wellenlängenbereich ist einzigartig und vermeidet zudem den Umweg über komplexe und ineffiziente Wellenlängenumwandlungen. Gleichzeitig wird die Absorption und damit die Prozesseffizienz im Vergleich zu Lasern im 1-Mikrometer-Wellenlängenbereich um einen Faktor von bis zu 20 erhöht. Die präzise steuerbare Energiedeposition des Diodenlasers ermöglicht das Aufschmelzen von Kupfer ohne Verdampfung, was zu einer bisher unerreichten Stabilität des Schmelzbades führt. Dies eröffnet neue Anwendungsmöglichkeiten, wie beispielsweise das Wärmeleitungsschweißen dünner Kupferfolien.

Praxiserprobtes Systemkonzept

Der LDMblue basiert auf dem 19''-Rack-Design der, seit vielen Jahren in industriellen Anwendungen etablierten LDM-Produktfamilie. Der modulare Systemaufbau ermöglicht die Wartung und Instandhaltung der Laser im Einsatz. Vordefinierte Ersatzteilmodule ermöglichen den einfachen Austausch zentraler Systemkomponenten durch geschultes Personal. Neben dem Servicekonzept bleiben alle Schnittstellen für die Steuerung und Systemintegration unverändert. Zu den Steuerungsmöglichkeiten gehört auch die schnelle Modulation der Diodenlaserausgangsleistung mit einer Anstiegszeit von weniger als 150 Mikrosekunden (10%-90%).

Skalierbare Laserleistung

Das für Laserline typische modulare Systemkonzept ermöglicht die schrittweise Skalierung der maximalen LDMblue-Laserleistung. Gleichzeitig kann die Strahlqualität durch verschiedene Diodenstapelkonfigurationen an die Prozessanforderungen angepasst werden. Diese einzigartige Technologie bietet die Flexibilität, Modularität und Skalierbarkeit, die bereits von anderen Laserline-Produkten bekannt ist.

Neue Anwendungsmöglichkeiten

Die Kombination der 450 nm Wellenlänge mit der 2.000 Watt cw Laserleistung eröffnen völlig neue Möglichkeiten – insbesondere für eine qualitativ hochwertige Verarbeitung von stark reflektierenden Metallen. Dabei ist der Prozess nahezu unabhängig von der Oberflächenbeschaffenheit des Materials. Dies führt dazu, dass elektrischen Verbindungen mittels Laser hergestellt werden können, aber auch zu einer neuen Perspektive für verbesserte Schweißprozesse in der Elektromobilität. Eine mögliche Anwendung ist zum Beispiel die Batterieverbindung. Aufgrund des weltweit ersten Systems mit bis zu 2.000 W blauer Laserleistung, werden in naher Zukunft viele weitere Anwendungen erwartet, darunter die Kupferummantelung. Weitere Informationen finden Sie unter Buntmetallbearbeitung beziehungsweise Kupferschweißen.

Schweißen von dünnen Blechen

Aufgaben, die mit herkömmlichen Fügetechniken – wie das Schweißen von dünnen Kupferfolien und Kupferblechen mit perfekter Optik – sehr anspruchsvoll sind, sind nun möglich. Darüber hinaus können Kombinationen von ungleichen Metallarten mit Kupfer als erstem Fügepartner realisiert werden, zum Beispiel Kupfer zu Aluminium oder Kupfer zu Stahl. Das bricht die Konvention, dass Kupfer der untere Fügepartner sein muss. Der nun mögliche Wärmeleitprozess ist mit einer hohen Spaltüberbrückbarkeit verbunden, die den Einsatz neuartiger Bauteilkonstruktionen wie Kantenschweißungen oder Stumpfstöße erlauben, um die Materialeffizienz zu erhöhen.

Die technischen Vorzüge auf einen Blick

  • Laserleistung (CW) im Kilowatt Bereich bei einer Wellenlänge von 450 nm
  • Schnelle Leistungsregelung und Leistungsmodulation
  • Optimierte Absorbtion bei stark reflektierenden Metallen
  • Praxiserprobte Systemarchitektur
  • Sehr stabiler Prozess mit ruhigen Schmelzbadeigenschaften
  • Schweißen von gestapelten dünnen Folien und Kupferblechen
  • Schweißen beziehungsweise Fügen von unterschiedlichen Metallen
  • 19-Zoll-Rackmontage zur einfachen Integration des blauen Laser in vorhandene Systeme

Einsatz von blauen Lasern in der Industrie

Innerhalb von drei Jahren konnte in Verbindung mit der Fördermaßnahme Effiziente Hochleistungs-Laserstrahlquellen (EffiLAS) des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) erstmals ein blauer Kilowatt-Diodenlaser gebaut und für die Materialbearbeitung optimiert werden. Die weltweit einzigartige Entwicklung ermöglicht ein neues Segment in der Lasertechnik: Die Bearbeitung von Materialien mit Laserstrahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich.

In vielen industriellen Anwendungen erzielen Infrarotlaser exzellente Resultate. Für die Bearbeitung von Buntmetallen, insbesondere Kupfer, ist die Infrarotstrahlung allerdings schlechter geeignet. Ein wesentlicher Grund ist die bei Buntmetallen sehr geringe Absorption von Laserstrahlung in diesem Wellenlängenbereich. Dadurch laufen Schweißprozesse oft instabil und entstehende Schweißfehler in der Produktion führen zu Ausschuss. Um eine hohe Absorption zu erzielen, ist die Verwendung der kurzen Wellenlängen von blauem Licht mit 450 nm ideal. Die vielfach höhere Absorption ermöglicht qualitativ hochwertige und gleichmäßige Schweißergebnisse bei der Laserbearbeitung von Kupfer. Mit der Verfügbarkeit der blauen Laserstrahlung entstehen neue Anwendungsmöglichkeiten für die Laserbearbeitung von Buntmetallen wie Kupfer oder Gold, aber auch für das Fügen verschiedener Metalle.Speziell im Bereich der regenerativen Energien und der alternativen Antriebe liegt ein neues Potenzial für den Einsatz von blauen Lasern in der Produktion. So werden bei der Herstellung von Elektroautos rund acht Kilogramm mehr Kupfer verarbeitet als bei Pkw mit Verbrennungsmotor. Ein kleiner Wert, der aber in der Summe ein weites Feld von Einsatzmöglichkeiten für blaue Laser bietet. Beispielsweise werden bei der Herstellung von Batterien zehn Mikrometer dünne Kupferteile zusammengefügt oder auch mit anderen Metallen verbunden. Dies wird durch den Einsatz von Hochleistungsdiodenlasern mit blauem Lichtspektrum erstmals möglich.
Deutlich mehr Kupfer wird bei der Herstellung von Windkraftanlagen benötigt. Bei großen Offshore-Windrädern werden bis zu 30 Tonnen Kupfer verbaut – auch hier ist der Einsatz des Lasers in Zukunft denkbar. Durch die hohe Nahtqualität eignet sich das Verfahren zudem außerordentlich gut für Anwendungen in der Elektrotechnik – speziell bei der Herstellung von Komponenten in der Leistungselektronik, bei denen die Fügestellen besonders temperaturbeständig sein müssen.
Über die Elektronikanwendungen hinaus, ermöglicht der blaue Laser durch die neue Wellenlänge auch die Bearbeitung von Gold, wodurch neue Anwendungen in der Schmuckherstellung realisierbar sind. Mit fortschreitender technischer Entwicklung wird die Erschließung zahlreicher weitere Anwendungsbereiche in naher Zukunft erwartet – wodurch die Fortführung der rasanten Technologieinnovation bei Hochleistungsdiodenlasern für die industrielle Produktion im neuen Wellenlängenbereich gestartet wird.

Hybrid Laser Prozess: Blue + NIR

Die Kombination der blauen Laserstrahlung des LDMblue mit einem Laser im infraroten Wellenlängenbereich, führt zu sehr stabilen und nahezu spritzerfreien Tiefschweissprozessen. Der blaue Laser stabilisiert den Prozess auch bei tiefen Einschweissungen.  Der NIR Laser liefert die zusätzliche Energie. Laserline hat hierfür spezielle Hybridoptiken entwickelt, die den blauen und den NIR Laserstrahl zusammenführen.

Erfahren Sie mehr in unserem Journal Beitrag über das Schweißen von Kupferbauteilen

Optische Spezifikation

Max. Ausgangsleistung*300 W500 W1.000 W1.500 W2.000 W
Strahlqualität20 mm.mrad60 mm.mrad40 mm.mrad60 mm.mrad60 mm.mrad
Lichtleitkabel400 µm [NA 0,1]600 µm [NA 0,2]400 µm [NA 0.2]600 µm [NA 0,2]600 µm [NA 0,2]
Min. Fokus bei f = 100 mm200 µm600 µm400 µm600 µm600 µm
FaserkopplungseinheitLLK-D/Auto
FaserlängeFaserlängen von bis zu 20 m
Leistungsstabilität< +/- 2% über 2 Stunden
Wellenlängenbereich445 nm +/- 20 nm

*Leistungsangabe bei Faserlänge 5 m.

Mechanische Spezifikation

VG5HGewicht ca. 50 kg, Maße: 19 Zoll Einschub, 5 HE (220 mm), 636 mm tief
VG7HGewicht ca. 110 kg, Maße: 19 Zoll Einschub, 7 HE (312 mm), 706 mm tief

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