Laser – Faszination aus Licht

• 1917 – Albert Einstein entdeckt die physikalischen Prinzipien des Lasers.
• 1928 – Rudolf Ladenburg gelingt der experimentelle Nachweis.
• 1960 – Erster Rubinlaser von Theodore Maiman.
• 1970 – Systeme für die Bearbeitung von Werkstoffe entstehen.
• 1980 – Halbleiter-Laserdioden ermöglichen CD-und DVD Laufwerke.
• 1990 – Lampengepumpte Laser sind aus der Industrie nicht mehr wegzudenken.
• 2000 – Neue Pumpgeometrien für hohe Laserleistungen werden verwirklicht.
• 2006 – Der Faserlaser erobert den Markt.

1. Einführung (Beschriften, Markieren mit Laser)

Der Laser als Werkzeug zur Kennzeichnung und Gravur hat im industriellen Umfeld schon längst seinen festen Platz erobert. Grundlage hierfür waren sicherlich die technologischen bzw. prozessbedingten Vorteile gegenüber anderen Kennzeichnungsverfahren, wie Tampondruck, Tintenstrahldruck, Prägen oder der elektrochemischen Kennzeichnung („Ätzen“), die bereits Anfang der 70er Jahre erkannt wurden. Auch im dekorativen und künstlerischen Bereich ergeben sich immer neue Anwendungsfelder, bei denen der Laser einen Ersatz oder eine Ergänzung zu herkömmlichen Verfahren darstellt . Abhängig vom Material sowie dem gewünschten Ergebnis (Erscheinungsbild, Oberflächenstruktur, Bearbeitungszeit etc.) steht eine Bandbreite unterschiedlicher Lasersysteme auf dem Markt zur Verfügung. Diese unterscheiden sich im Wesentlichen in der Art der Strahlerzeugung sowie in der optischen Leistung. Der geeignete Laser bildet zwar das Herzstück einer Laserbeschriftungs- oder –gravieranlage, jedoch sind es die Steuerung, das Maschinengehäuse, Zusatzausrüstungen und vor allen Dingen die Leistungsfähigkeit der Software, welche die Arbeit mit dem Laser noch vielseitiger und effektiver gestalten können und zu einem universellen Werkzeug, der Laserbearbeitungsmaschine, werden lassen.

1.1 Physikalische Hintergründe

Der Begriff „Laser“ ist ein Kunstwort und steht für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“, zu deutsch: Lichtverstärkung durch stimulierte Aussendung von Strahlung. Dabei wird ein Effekt genutzt, der schon 1917 von Einstein postuliert wurde. Machen wir hierzu einen kurzen Ausflug in die Atomtheorie.

1.1.1 Das Elektron in der Atomhülle

Im Grundzustand bewegen sich die Elektronen (negativ geladen) auf festen Bahnen um den Atomkern (positiv geladen). Der Abstand der Bahnen zum Kern entspricht dabei Energiezuständen der Elektronen. Je weiter ein Elektron vom Kern entfernt ist, umso mehr Energie besitzt es im Potentialfeld des Atomkerns. Führt man dem Atom durch Strahlung Energie zu, können die Elektronen in der Atomhülle Energie aufnehmen und somit Ihren Abstand zum Atomkern vergrößern. Die Energiezustände (Bahnen) nehmen dabei immer diskrete Werte an, d.h. es gibt nur bestimmte „zulässige“ Bahnen für die Elektronen, Zwischenzustände werden nicht besetzt.

1.1.2 Spontane Emission

Vereinfacht gesprochen hat jedes Elektron eigentlich seinen „festen Platz“ in der Atomhülle, und bewegt sich auf einer bestimmten Bahn um den Kern. Wie bereits oben erwähnt können die Elektronen diese Bahnen jedoch bei der Zufuhr von Energie wechseln. Sie nehmen ein höheres Energieniveau ein. Da die Natur jedoch bestrebt ist den jeweils niedrigsten energetischen Zustand einzunehmen – ein Apfel fällt nach unten und nicht nach oben – verlässt das Elektron nach einer mehr oder minder zufälligen Zeit, i.d.R. wenige Sekundenbruchteile, den angeregten Zustand (E2) und wechselt wieder auf seine ursprüngliche Bahn um den Kern (E1). Bei diesem Übergang wird die Energie, die der Differenz der beiden Zustände entspricht, in Form eines Photons (Strahlung, Lichtteilchen, elektromagnetische Welle) abgegeben. Da dieser Übergang spontan, d.h. ohne äußere Einwirkung erfolgt, spricht man von der „spontanen Emission“.

1.1.3 Stimulierte Emission

Die spontane Emission unterliegt lediglich stochastischen Vorgaben, d.h. der Übergang in den ursprünglichen Zustand erfolgt zufällig und zu keinem vorgegebenen bzw. genau bestimmbaren Zeitpunkt. Einstein postulierte jedoch die stimulierte Emission, die später auch experimentell nachgewiesen werden konnte. Befindet sich ein Atom/Molekül in einem angeregten Zustand und wird dabei von einem Photon „getroffen“, so „stimuliert“ das eintreffende Photon das angeregte Elektron, wieder auf seinen ursprünglichen Platz zurückzukehren. Voraussetzung dafür ist, daß das eintreffende Photon eine Energie besitzt, die wieder genau der Differenz des angeregten Zustands (E2) zum Grundzustand (E1) entspricht. Dabei entsteht ein zum eintreffenden Photon identisches Photon. Somit verlassen zwei identische Photonen das Atom/Molekül. d.h. die beiden Photonen haben die gleiche Wellenlänge (Lichtfarbe), die gleiche Richtung und sie sind phasengleich. Es entsteht kohärentes Licht

1.1.4 Der Resonator (Laserquelle)

Um den oben beschriebenen Effekt der stimulierten Emission nutzen zu können, bringt man ein aktives Medium in einen aus zwei Spiegeln bestehenden Resonator. Das Licht kann dabei zwischen den beiden Spiegeln hin und her wandern. Auf dem Weg durch das aktive Medium werden angeregte Atome/Moleküle stimuliert und weitere Photonen erzeugt, es bricht sozusagen eine „Photonenlawine“ los. Die Anregung des aktiven Mediums erfolgt dabei bei Festkörperlasern wiederum durch Strahlung (Licht). Dieses Licht kann entweder von Gasentladungslampen stammen, man spricht dann von lampengepumpten Lasern oder von Laserdioden bei diodengepumpten Systemen. Bei CO2-Lasern erfolgt die Anregung durch eine hochfrequente Spannung über Elektroden.

Einer der beiden Spiegel, der so genannte Auskoppelspiegel, reflektiert nicht die komplette Strahlung, sondern lässt einen gewissen Anteil passieren. Dieser Anteil ist der Laserstrahl, der den Laser verlässt. Bringt man in diesen Resonator noch einen optischen Schalter (Güteschalter) ein, so kann der Resonator „ein- und ausgeschaltet“ werden.

1.1.5 Weitere Komponenten eines Beschriftungs-/Gravurlasers

Nach dem Verlassen der Laserquelle muss der erzeugte Laserstrahl nun noch gezielt an die Stellen des zu bearbeitenden Werkstücks gelenkt werden, an denen eine Reaktion im Material hervorgerufen werden soll. Im Bereich der Markierung stehen hierfür zwei unterschiedliche Techniken zur Verfügung.

Bei den so genannten „Plottersystemen“, wie sie in der Regel bei CO2-Lasern anzutreffen sind, erfolgt die Bewegung des Laserstrahls über eine Optik, die auf einem x-y- Koordinatensystem beweglich angebracht ist. Dabei können je der Größe des Plottersystems relativ große Beschriftungsfelder realisiert werden. Einschränkungen bestehen aber hinsichtlich der Geschwindigkeit, mit der der Laserstrahl über dem Werkstück bewegt werden kann, da immer die Optik mit bewegt werden muss.

Alternativ zur Bewegung der Optik kann der Laserstrahl durch Spiegel abgelenkt werden. Bei dieser Technik spricht man von (Galvo)Scannern. Zwei drehbar bewegliche Spiegel, einer für die Ablenkung in X-, einer in Y-Richtung, sorgen für die Positionierung des Laserstrahls innerhalb seines Beschriftungsfeldes. Den Spiegeln nachgeschaltet sind spezielle Objektive, so genannte F-Theta-Optiken, die den aufgeweiteten Strahl wieder in einer Ebene fokussieren. Da die Ablenkspiegel über eine relativ geringe Massen verfügen, kann die Ablenkung des Laserstrahls mit sehr hohen Geschwindigkeiten erfolgen. Die Größe des Beschriftungsfeldes hängt dabei von der Brennweite des eingebauten Objektivs ab. Gängige Größen sind 110 * 110 mm² oder 180 * 180 mm². Je kürzer die Brennweite, umso kleiner ist das Schriftfeld aber umso schärfer wird auch der Laserstrahl.

Die Ansteuerung der Plottermechanik bzw. des Scanners erfolgt computergesteuert. Die herstellerspezifischen Programme zur Steuerung verfügen dabei i.d.R. über alle Grundfunktionen, die für Kennzeichnungs- oder Markierungsaufgaben benötigt werden, unterscheiden sich jedoch im Detail häufig in den spezielleren Funktionen. Eine genaue Vorführung der Möglichkeiten und der Bedienerfreundlichkeit ist deshalb vor der Entscheidung für eine Anlage des einen oder anderen Herstellers unbedingt ratsam.

2. Auswahl der Lasersysteme nach Werkstoffen

2.1 Physikalische Unterschiede in der CO2- und Nd:YAG-Strahlung

Wie schon oben erwähnt, stehen mit dem Nd:YAG und dem CO2-Laser zwei unterschiedliche Laserarten zur Verfügung. Die folgende Tabelle gibt dabei einen Überblick über die Unterschiede beider Systeme:

Beim Festkörperlaser nimmt das aktive Medium, i.d.R. ein Neodym dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat (Nd:YAG) bei geschlossenem Güteschalter Energie auf, die beim Öffnen des Güteschalter vergleichbar mit einer gespannten Feder schlagartig in einem Puls abgegeben wird. Da die in dem Kristall gespeicherte Energie wird in einer sehr kurzer Zeit von 10…100 Nanosekunden abgegeben. Dadurch entsteht ein Puls mit einer sehr hohen Spitzenleistung von 30…150 kW liegt. Diese Energie reicht aus, um Werkstoffe aufzuschmelzen und zu verdampfen. Die Wellenlänge liegt bei 1064 nm (nahes Infrarot).

Beim CO2-Laser steht diese Möglichkeit zur Pulsüberhöhung nicht zur Verfügung. Die Pulsspitzenleistung ist damit erheblich niedriger wie beim Nd:YAG-Laser, die Pulse sind deutlich länger. Die Wellenlänge des CO2-Lasers beträgt mit 10.600 nm (fernes Infrarot)  etwa das Zehnfache vom Nd:YAG-Laser. Da der Fokusdurchmesser maßgeblich von der Wellenlänge abhängt, kann der Nd:YAG-Laser bei gleicher Brennweite der Fokussieroptik theoretisch 10fach besser fokussiert werden und damit wiederum eine höhere Leistungsdichte im Fokus erzielen. Außerdem hängt die Licht- bzw. Strahlungsenergie von der Wellenlänge ab, Je kürzer die Wellenlänge, desto „härter“ ist die Laserstrahlung.

Diese Unterschiede in der physikalischen Natur der Laserquellen führen dazu, daß es nicht DEN optimalen Laser für alle Anwendungen geben kann. Jedes Prinzip hat seine Stärken und Schwächen.

2.2 Verschiedene Technologien der Festkörperlaser

2.2.1 Lampengepumpter Laser

Im Bereich der Lasertiefengravur werden nach wie vor vorrangig lampengepumpte Laserstrahlquellen eingesetzt. Diese bieten genügend Laserleistung bei hoher Pulsenergie und garantieren hervorragende Bearbeitungsergebnisse.

Der Laserkristall erhält seine Energie dabei von einer Bogenentladungslampe. Prinzipbedingt ist der Wirkungsgrad im Vergleich zu anderen Technologien relativ schlecht, der Laser muss auf jeden Fall mit Wasser gekühlt werden. Die Laserlampen haben eine begrenzte Lebensdauer von ca. 500…1000 h, können jedoch vom Anwender selbst innerhalb weniger Minuten getauscht werden und sind relativ preiswert.

Obwohl es sich um eine relativ „alte“ Technologie handelt, hat diese auch heute noch für bestimmte Anwendungen nach wie vor Ihre Daseinsberechtigung. Betrachtet man den Preis für ein System pro Watt Ausgangsleistung, erhält man hier die meiste Ausgangsleistung für sein Geld. Eine hohe Leistung ist immer dann erforderlich, wenn relativ viel Material in relativ kurzer Zeit abgetragen werden soll.




Abbildung: Aufbau lampengepumpter Laser

2.2.2 Diodengepumpte Laser

Die Anregung des Nd:YAG-Kristalls erfolgt hier durch spezielle Laserdioden, die gegenüber den Lampen zum einen über einen deutlich höheren Wirkungsgrad verfügen und zum anderen in ihrer Emissionswellenlänge genau auf die Absorptionswellenlänge des Nd:YAG-Kristalls abgestimmt werden können. Somit ergibt sich im Vergleich zu den lampengepumpten Systemen ein deutlich verbesserter Wirkungsgrad bei verringertem Kühlaufwand.

Dioden haben zudem eine deutlich höhere Lebensdauererwartung gegenüber den Laserlampen. Diese liegt hier typischerweise im Bereich von 20.000…25.000 h. Ein Austausch ist vor Ort bei endgepumpten Systemen, wie den Scheibenlasern, unkompliziert möglich.

Für Anwendungen im Bereich der Laserbeschriftung werden heute neben den Faserlasern fast ausschließlich diodenendgepumpte Laserstrahlquellen eingesetzt. Diese Systeme sind kompakt, wartungsfrei und benötigen keine zusätzliche Wasserkühlung sondern sind komplett luftgekühlt. Durch die Anordnung der Pumpdioden im Steuerteil kann der Laserkopf im Austauschfall der Dioden in der Anlage verbleiben. Es wird nur ein 19“-Einschub getauscht. Dies minimiert die Stillstandszeit und reduziert die Kosten, da keine Neujustage des Systems notwendig ist.



Abbildung: Prinzip diodengepumpter Scheibenlaser

2.2.3 Neue Technologie: diodengepumpte Faserlaser

Ein Faserlaser ist eine spezielle Form des Festkörperlasers. Der Ytterbium dotierte Kern einer Glasfaser bildet dabei das aktive Medium. Es handelt sich also um einen Glaslaser mit Lichtwellenleiter-Eigenschaften. Das Laserlicht, welches durch die Faser geleitet wird, erfährt aufgrund der großen Länge eine sehr hohe Verstärkung. Faserlaser werden optisch gepumpt. Im allgemeinen, indem parallel zum Faserkern oder in diesen Strahlung von Diodenlasern eingekoppelt wird. Zu diesem Zweck werden in modernen Systemen Doppelmantelfasern (engl.: double clad fibers) eingesetzt.

Die Vorteile des Faserlasers liegen im robusten Aufbau durch relativ wenige mechanische Komponenten. Die gering belasteten Einzelpumpdioden weisen gegenüber den bisherigen Systemen enorm lange Lebensdauern auf (>> 100.000 h).

Systembedingt verfügen die Faserlaser über eine hervorragende Strahlqualität (Maß für die Fokussierbarkeit) und ermöglichen so auch feinste Beschriftungen und Gravuren.

Der kompakte Aufbau und die Luftkühlung erlauben eine äußerst platzsparende Integration in ein Laserbearbeitungssystem.
Nachteilig bei den Faserlasern ist die noch begrenzte Pulsenergie bzw. Pulsspitzenleistung, Weiterentwicklungen sind jedoch bereits im Gange, so dass sich die Faserlaser heute z.T. auch schon für hochwertige Gravuren einsetzen lassen.

• Aktives Medium: Yb-dotierte Glasfaser
• Energiezufuhr über viele Einzeldioden

2.2.4 Vergleich

Theoretische Strahldurchmesser (ohne zusätzliche Modenblenden):

2.2.5 Welche Lasertechnologie ist die "beste"?

Auf diese Frage gibt es keine eindeutige Antwort. Jede Technologie hat ihre Stärken und ihre Schwächen. Die Anwendung muss entscheiden, welcher Laser für welche Aufgabe die erste Wahl darstellt. Eine sorgfältige Prüfung der Bearbeitungsaufgabe und Abwägung ist daher unabdingbar. So steht z.B. die vermeintlich „alte“ Technologie der lampengepumpten Laser bei Dienstleistern als der Allrounder auch heute noch hoch im Kurs. Durch Weiterentwicklungen haben die Faserlaser jedoch das Potential, ihm diesen Rang in Zukunft eventuell streitig zu machen.

2.3 Welcher Laser für welchen Werkstoff?

Das wichtigste Kriterium zur Auswahl des geeigneten Lasersystems stellen die Werkstoffe dar, die bearbeitet werden sollen. Die Absorption und damit die Wirkung der Laserstrahlung hängt stark vom Werkstoff und der Wellenlänge ab. Wir werden sehen, dass die einzelnen Systeme ausgeprägte Stärken haben, und dass nur eine ganz geringe Schnittmenge von auf beiden Systemen bearbeitbaren Werkstoffen gibt. Was im Folgenden für den Nd:YAG-Laser gilt, gilt sinngemäß auch für den Faserlaser.

2.3.1 Metalle

Betrachtet werden eisenbasierte Werkstoffe und Legierungen (Stähle, auch Edelstähle) sowie Nichteisenmetalle wie z.B. Kupfer, Aluminium, Messing usw. und natürlich auch die Edelmetalle wie Silber, Gold und Platin. Darüber hinaus können auch Werkstücke aus Metallen wie Blei, Zinn, Zink, Nickel und Werkstücke mit entsprechenden Beschichtungen (Chrom, Zink)  vorkommen.

Der CO2-Laser ist für die Bearbeitung von Metallen nur sehr eingeschränkt nutzbar, da die Metalle praktisch die komplette langwellige CO2-Strahlung reflektieren und nur ein ganz geringer Anteil vom Metall absorbiert wird. Zusätzlich fehlen dem CO2-Laser die notwendigen Pulsspitzenleistungen um Metalle aufschmelzen und verdampfen zu können. Lediglich anodisiertes Aluminium kann direkt beschriftet werden. Zur Beschriftung anderer Metalle werden Zusatzstoffe benötigt, die vor der Beschriftung aufgebracht (durch Aufstreichen oder Tauchen) und dann in die Oberfläche eingebrannt werden. Eine Gravur (Materialabtrag) ist nicht möglich.

Metalle stellen also eindeutig die Domäne des Nd:YAG-Lasers dar, der alle gängigen metallischen Werkstoffe beschriften und gravieren kann. Selbst Edelmetalle lassen sich mit geeigneten Systemen sehr gut bearbeiten. Auch Hartmetalle stellen für den Festkörperlaser keine Herausforderung dar.

2.3.2 Kunststoffe

Bei den Kunststoffen trifft man auf Werkstoffe, die sich mit beiden, mit keinem oder nur mit einem der beiden Systeme zufriedenstellend bearbeiten lassen. Neben dem Grundwerkstoff spielen die Farbe (Pigmente) und weitere Beimischungen (Füllstoffe, Additive, Flammschutzmittel) eine wichtige Rolle bei der Frage nach dem richtigen Lasersystem.

Für Acrylglas z.B. setzt man vorteilhafterweise den CO2-Laser ein. Er ist in der Lage, Acrylglas zu gravieren und zu schneiden, mit dem YAG-Laser ist lediglich eine oberflächliche Beschriftung möglich. Auch findet man auf dem Markt einige spezielle Kunststoffe, die sich durch Ihren zweischichtigen Aufbau sehr gut zur Herstellung von Schildern o.ä. mit dem CO2-Laser eignen. Ebenso findet der CO2-Laser häufig bei der Stempelherstellung Einsatz, da die gängigen Lasergummis für die Bearbeitung mit diesem Lasertyp optimiert wurden.

Die meisten technischen Kunststoffe (z.B. ABS, PC, PS, PP, PA usw.) können jedoch nur mit dem Nd:YAG Laser in guter Qualität, d.h. kontrastreich beschriftet werden, der CO2-Laser würde die Oberfläche lediglich verschmelzen oder verbrennen.

2.3.3 Glas, Leder, Holz, Papier

Für diese „organischen“ Werkstoffe eignet sich der CO2-Laser hervorragend, während der Nd:YAG-Laser hier normalerweise kein brauchbares Ergebnis liefert.

2.3.4 Keramik

Bei der Beurteilung, ob ein System für die Kennzeichnung von keramischen Produkten geeignet ist, steht die Frage im Vordergrund, welches Ergebnis erzielt werden soll. Mit dem CO2-Laser können die meisten Keramiken zwar graviert werden, es entsteht aber kein Farbumschlag im Material. Ein Farbkontrast ergibt sich jedoch zum Beispiel beim Abtragen einer farbigen Glasur, so daß die eigentliche Keramik zum Vorschein kommt.

Für die kontrastreiche Kennzeichnung (Farbänderung im Werkstoff) kommt eigentlich nur der Nd:YAG-Laser in Frage, mit dem aber auch nicht ausnahmslos alle keramischen Werkstoffe beschriftet werden können, manche gar nicht, manche nur mit größerem Aufwand.

Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die Eignung der Lasertypen für bestimmte Werkstoffe:

3. Beschriftung und Markierung mit Laser kennt
viele Varianten

Dass der Laser ein äußerst flexibles Werkzeug darstellt, haben wir bereits erfahren. Er kann für eine Vielzahl von Werkstoffen, Verfahren und Ergebnissen eingesetzt werden. Um die Möglichkeiten genauer kennen zu lernen, versuchen wir eine Einteilung nach Verfahren, Bearbeitungsstrategien und gewünschter Resultate.

3.1 Begriffsabgrenzung

Bei der Arbeit mit dem Laser wird oft mit Begriffen wie Kennzeichnung, Beschriftung, Markierung und Gravur gearbeitet. Im Rahmen dieser Betrachtung unterscheiden wir die rein oberflächliche Bearbeitung vom Materialabtrag. 

Bei der oberflächlichen Bearbeitung, dem Markieren und Beschriften, wird nur sehr wenig Material in der Größenordnung weniger 1/100stel Millimeter abgetragen. Die Beschriftung entsteht durch die Erzeugung eines farblichen Kontrasts der bearbeiteten Stellen gegenüber ihrer Umgebung. Dieser Farbkontrast kann entweder durch Veränderungen im Werkstoff durch Oxidation bzw. Gefügeveränderung hervorgerufen werden oder durch das Abtragen einer Deckschicht. Beispiele sind anodisiertes Aluminium, spezielle mehrschichtige Materialien oder lackierte Oberflächen. Der Zweck der Kennzeichnung spielt dabei keine Rolle.

Von Gravur sprechen wir, sobald Werkstoff in nennenswertem Umfang abgetragen werden soll. Gravuren können eine technische Funktion erfüllen, wie z.B. bei Prägewerkzeugen oder im Formenbau, oder der Dekoration dienen.

3.2 Beschriftungen

Wie bereits in der Vorbetrachtung zu diesem Kapitel erwähnt, erfüllen Beschriftungen oder Markierungen unterschiedliche Zwecke auf Bauteilen und Werkstücken.

3.2.1 Technische Beschriftungen

Zum einen können sie der reinen Information dienen, was häufig bei industriellen Produkten der Fall ist. Angaben über Hersteller (mit Logo), Teiletyp und Teilefunktion (Schaltbilder) und weitere Informationen sollen nach Kundenwunsch aufgebracht werden. Im Rahmen des Wunsches zur Rückverfolgbarkeit eines Produktes nimmt in diesem Bereich der Kennzeichnungsbedarf ständig zu. Hinzu kommen die systembedingten Vorteile des Lasers gegenüber anderen Kennzeichnungsverfahren. Die Kennzeichnung mit dem Laser ist sehr flexibel, da keine Masken oder Klischees benötigt werden. Von einem zum nächsten Werkstück können wechselnde Informationen aufgebracht werden. Des weiteren ist die Laserkennzeichnung höchst dauerhaft. Da nicht mit Tinten oder anderen Zusatzwerkstoffen gearbeitet werden muss, ist die Laserbeschriftung beständig gegen physikalische oder chemische Einflüsse, wie z.B. Hitze, Lösungsmittel, Schmiermittel u.ä.

3.2.2 Beschriftungen mit dekorativem Charakter

Hierzu zählt im einfachsten Fall zum Beispiel die Beschriftung eines Kugelschreibers oder Schlüsselanhängers mit Firmenlogo oder einem Namen. Neben dem Informationsgehalt kommt der Beschriftung auch eine dekorative Funktion zu, der Gegenstand soll durch die Beschriftung eine Aufwertung erfahren. Die optische Erscheinung spielt dabei eine große Rolle. Hierzu gehören auch die Gravur von Trauringen, der ganze Werbemittelbereich und der Bereich hochwertiger Geschenke.

Neben diesen beiden Aufgaben kann die Laserbeschriftung auch der Fälschungssicherheit von Produkten dienen. Bauteile von Uhren oder zum Beispiel Brillen und Schmuck können mit dem Laser nahezu unsichtbar gekennzeichnet werden. Abhängig vom Werkstoff und der Brennweite der Fokussieroptik können Schrifthöhen bis hinab zu 0,1 mm realisiert werden!

3.3 Gravuren

Gravuren teilen wir ein in Gravur und Tiefengravur. Dazwischen gibt es keine scharfe Trennlinie, vielmehr sorgt die unterschiedliche Sprachkultur in verschiedenen Branchen für eine Vermischung der beiden Begriffe. Im Bereich der Lasertechnik beginnt die Tiefengravur bei 0,05…1 mm. Der Tiefengravur ist ein eigenes Kapitel gewidmet. Die dortigen technologischen Betrachtungen gelten im Großen und Ganzen auch für die Gravuren.

Typische Anwendungen im Gravurbereich sind die Dekoration von Schmuck- und Gebrauchsgegenständen. So kann z.B. die Lasergravur im Bereich der Waffen (Messer, Säbel, Jagdwaffen usw.) angetroffen werden. Im Vergleich zu den klassischen mechanischen oder rein handwerklichen Verfahren zeichnet sich der Laser durch kürzere Bearbeitungszeiten bei gleichzeitig deutlich geringerer Personalbindung aus. Ist das Werkstück eingerichtet kann sich der Bediener anderen Aufgaben widmen, da der Laserprozess nicht überwacht werden muss. Das Spannen entfällt, da berührungslos gearbeitet wird. Die Feinheit des Laserstrahls bis zu einem Fokusdurchmesser von wenigen hundertstel Millimetern, eröffnet dabei völlig neue Möglichkeiten gegenüber den mechanischen Verfahren.

3.4 Die Bandbreite der Möglichkeiten

Der Laser kann in drei Hauptparametern (Leistung, Pulsfolgefrequenz und Geschwindigkeit) an die jeweilige Bearbeitungs- bzw. Beschriftungsaufgabe angepasst werden. Diese drei Parameter bestimmen wesentlich maßgeblich das optische Erscheinungsbild auf dem Werkstück. Grundsätzlich ist man bei der Bearbeitung mit dem Laser von den Reaktionen des zu bearbeitenden Werkstoffs abhängig. Die meisten gängigen Werkstoffe bieten jedoch eine gewisse Bandbreite in den Möglichkeiten.

3.4.1 Weißbeschriftung

Eine relativ „sanfte“ Einstellung des Laserstrahls führt zu einer Aufhellung der Oberfläche ähnlich wie beim Sandstrahlen, man spricht von einer „Weißbeschriftung“. Dabei wird die Werkstückoberfläche nur ganz leicht angeschmolzen, was zu einer Streuung des auftreffenden Lichts führt. Das Resultat ist eine sehr hochwertig erscheinende Beschriftung, wie sie oft im Bereich von Schmuck und Uhren anzutreffen ist oder überall dort, wo polierte oder verchromte Oberflächen bearbeitet werden.

3.4.2 Bearbeitung von beschichteten Werkstoffen

Die Beschriftung erfolgt durch den Abtrag einer Deckschicht (z.B. Eloxal, Lack, Chromschicht), wobei der Farbkontrast durch das „Freilasern“ des Grundmaterials entsteht. Dies findet z.B. .Anwendung im Bereich des Tag-/Nachtdesigns sowie bei der Herstellung von Typenschildern aller Art. Typische Werkstoffe für diese Anwendung sind Alu eloxiert/anodisiert, Stahl brüniert, lackierte Kunststoffe oder beschichtete Laserfolien.

3.4.3 Anlassbeschriftung

Bei eisenbasierten Legierungen/Stählen und Titan entsteht durch lokalen Wärmeeintrag an der Oberfläche eine dünne Oxydschicht, die zu den bekannten Anlassfarben führt. Dieses Verfahren wird insbesondere bei maßlich eng tolerierten Bauteilen (z.B. Werkzeuge, Lagerschalen etc.) angewendet, da es zu keiner Maßveränderung des Werkstückes führt und gleichzeitig eine sehr kontrastreiche und sehr gut lesbare Beschriftung ergibt.

3.4.4 Beschriftung durch Materialabtrag

Die thermische Energie des Lasers wir hier dazu genutzt, gezielt Material aufzuschmelzen und zu verdampfen, so dass sich eine leicht vertiefte (0,001…0,05 mm) Beschriftung ergibt. Dabei erfolgt praktisch kein Wärmeeintrag in das Werkstück. Durch geeignete Wahl der Laserparameter kann eine helle Beschriftung (z.B. auf brünierten oder eloxierten Oberflächen) oder eine kontrastreiche, dunkle Beschriftung erzielt werden.

3.4.5 Kombination verschiedener Prozesse

Bei geeigneter Wahl der Bearbeitungsstrategie können auch verschiedene der oben aufgeführten Beschriftungsprinzipien miteinander kombiniert werden. So kann z.B. zunächst der Abtrag des Materials erfolgen und in einem zweiten Durchgang das Aufhellen der Beschriftung. Bestimmte Parameter führen beim Materialabtrag zu einer Verdunklung der bearbeiteten Regionen. Investiert man ein wenig Zeit bei der Programmerstellung, können sehr dekorative Ergebnisse erzielt werden.

4. Lasertiefengravur

Die Lasertiefengravur unterscheidet sich von der Gravur im oben genannten Sinne vor allem durch die abgetragene Werkstoffmenge und den meistens technischen Hintergrund der Gravur. Während sich die „normale“ Gravur lediglich im zweidimensionalen oder 2 1/2dimensionalen Bereich abspielt, betreten wir mit der Tiefengravur den dreidimensionalen Raum. Es geht nun nicht nur um den Abtrag in einer Ebene, vielmehr steht die Erzeugung von Freiformflächen im Vordergrund. Konkurrierende Verfahren sind die mechanische Gravur, das Fräsen und das Erodieren.

4.1 Einschränkungen

Die Einschränkungen bei der Tiefengravur liegen in der Abtragsleistung und der resultierenden Oberflächengüte (Ra ³ 0,4). Z.T. ist daher die Kombination mit mechanischen Verfahren sinnvoll.

4.2 Verfahrensvorteile

Durch Lasergravur eine Vielzahl von verfahrensbedingten Vorteilen:

Breites Materialspektrum:
Neben den Metallen und ihren Legierungen können auch gehärtete Werkstoffe, hochfeste Stähle, Hartmetalle, Keramiken und Graphit bearbeitet werden. Die Härte des Werkstoffs spielt dabei praktisch keine Rolle.

Feine Strukturen:
Bedingt durch den kleinen Fokusdurchmesser (15…100 µm) sind sehr feine Strukturen darstellbar, die mit Graviersticheln nicht mehr erzielt werden können.

Hohe Prozesssicherheit:
Da keine verschleißbehafteten Werkzeuge benötigt werden, verfügt die Lasergravur über eine sehr hohe Prozesssicherheit. Die Werkzeugkosten entfallen.

Umweltfreundlichkeit:
Das Verfahren ist sehr umweltfreundlich, da weder Kühlschmiermittel notwendig sind, noch Erodierschlämme o.ä. entstehen.

Kurze Rüstzeiten:
Die Rüst- und Programmierzeiten sind gegenüber der mechanischen Bearbeitung deutlich kürzer.

Geringer Wartungsaufwand:
Der Wartungsaufwand moderner Lasersysteme ist sehr gering und beschränkt sich vor allen Dingen bei luftgekühlten Systemen auf die Reinigung der optischen Komponenten.

Der Laser besitzt also dort Stärken, wo es darum geht, relativ feine Strukturen zu erzeugen. Gegenüber der mechanischen Gravur oder dem Erodieren ergeben sich wesentlich kürzere Prozesszeiten. Bevor beim Erodieren die Elektrode(n) fertig graviert sind, hat der Laser schon das Werkstück fertig bearbeitet. Der Wirtschaftlichkeitsvorteil gegenüber dem Erodieren kann in der Größenordnung vom Faktor 5 oder 6 liegen! Folgende Tabelle zeigt einen Vergleich aus der Praxis:

5. Prozess der Lasergravur: Von der Vorlage
bis zum fertigen Werkstück

Am Anfang jeder Lasergravur steht eine Idee bzw. eine technische Zeichnung, die umgesetzt werden soll. Je nach Aufgabe und Datenmaterial besteht die Umsetzung zum fertigen Werkstück aus verschiedenen Arbeitsschritten:

5.1 Datenaufbereitung

Im Idealfall sind bereitgestellte (CAD-)Daten vorhanden, unter Umständen müssen diese jedoch zunächst erstellt werden. Für einfache Aufgaben, wie das Aufbringen von Schriften o.ä. wird in der Regel die auf dem Lasersystem installierte Software zur Programmerstellung genutzt. Die Bedienung der Software orientiert sich dabei an einfachen Grafikprogrammen. Aufwendige 2D-Daten werden vorteilhafterweise in gängigen Grafikprogrammen vorbereitet, da diese meistens über bessere graphische Fähigkeiten verfügen, als die Programme zur Lasersteuerung. Hier kommt hinzu, daß die Daten, die der Graveur von seinem Kunden erhält, in vielerlei Formaten vorliegen können, wohingegen die Lasersteuerungen nur eine begrenzte Auswahl von Datenformaten einlesen können, in die die Daten vorher konvertiert werden müssen. 2 1/2D-Strukturen können durch die Aufteilung in einem Grafikprogramm so ebenfalls erstellt werden. Für die Gravur von Freiformflächen (3D-Gravur) sind auf dem Markt Programme erhältlich, die man auch aus dem Gravurbereich bereits kennt. Die Programmerstellung erfolgt hier praktisch komplett in der Zusatzsoftware, das fertige Layout und wird über entsprechende Importfilter der Lasersteuerung oder Postprozessoren auf die Laseranlage übertragen. Sind diese Daten einmal erstellt, können sie bei einem Folgeauftrag einfach wieder abgerufen werden.

3D-Strukturen werden von der entsprechenden CAD/CAM-Software in einzelne Schichten zerlegt, die der Laser sequentiell abarbeitet. Der Abtrag pro Schicht liegt zwischen o,5-5 µm.

5.2 Parameterermittlung

Vor dem Beginn jeder Bearbeitung werden die optimalen Parameter zu ermitteln. Wichtige Maßstäbe sind in diesem Zusammenhang die Maßhaltigkeit, die Oberflächengüte, der Aufwurf am Gravurrand und die Bearbeitungszeit. Die Oberflächengüte hat großen Einfluss auf die Bearbeitungszeit. Bei der Lasergravur kennt man zwar auch das Schruppen und das Schlichten, zur Erzielung einer möglichst glatten Oberfläche muss jedoch von Anfang an „geschlichtet“ werden, da sich eine Schruppstruktur bei einem anschließenden Schlichtversuch nur reproduzieren würde.

Da der Laserstrahl über keine Schneide verfügt, kann auch keine exakte Aussage darüber getroffen werden, wie tief die Gravur wird. Um dies bestimmen zu können, sind Vorversuche notwendig, bei denen die Reaktion des Werkstoffs ermittelt wird. Eine bereits ermittelte Werkstoff-Parameterkombination kann abgespeichert und bei Bedarf wieder geladen werden. Hochwertige Anlagen verfügen über die Möglichkeit, die Gravurtiefe während des Laserns zu messen und den Prozess entsprechend den Vorgaben nachzuregeln.

5.3 Einrichten des Werkstücks

Zum Einrichten der Werkstücke stehen verschiedene Hilfsmittel zur Verfügung.

5.3.1 Pilotlaser

Gängige Laseranlagen verfügen über einen Pilot- bzw. Ziellaserstrahl aus einem roten Rechteck, welches die Begrenzung der Gravur angibt. Diese Voranzeige erfüllt jedoch nur sehr eingeschränkte Anforderungen hinsichtlich der Genauigkeit. Der Brechungsindex der verwendeten Optiken hängt von der Wellenlänge ab. D.h. der rote Vorschaulaser wird anders abgelenkt, als der eigentliche Laser zur Bearbeitung. Je weiter man sich am Rande des Schriftfeldes bewegt, umso stärker wird dieser Effekt. Die Abweichung kann dort bis über einen Millimeter betragen. Für hochwertige Anwendungen bieten optische Systeme (siehe 5.3.4 und LAS - LiveAdjust System von ACSYS) die Möglichkeit der exakten Positionierung.

5.3.2 Anschläge/Nullpunktspannsysteme

Einfacher in der Handhabung und deutlich genauer sind Anschläge, im einfachsten Fall ein Winkel oder Prisma, oder Nullpunktspannsysteme, wie man sie aus dem Werkzeugmaschinenbereich kennt. Hierbei wird die Laseranlage i.d.R. bei der Inbetriebnahme exakt eingerichtet. Der maßliche Bezug erfolgt über das Koordinatensystem der Laseranlage.

5.3.3 Werkstückantastung

Für die Lasergravur spezialisierte Anlagen können auch mit mechanischen Systemen zur Werkstückantastung in drei Achsen/Ebenen ausgerüstet werden. Die Lagekorrektur erfolgt dann automatisch über die Software.

5.3.4 Optische Systeme

Ähnlich wie die mechanische Antastung der Werkstücke, kann das „Antasten“ optischem erfolgen. Integrierte Kamerasysteme ermöglichen das schnelle und sehr exakte Ausrichten der Gravur an Bezugskanten der Werkstücke. Zusätzlich bieten solche Systeme die Möglichkeit zur komfortablen Vorschau bei Beschriftungen. In die Software zur Lasersteuerung wird dabei ein Live-Bild des zu kennzeichnenden Gegenstandes eingeblendet. Schon am Bildschirm kann so entschieden werden, ob das Layout nochmals verändert werden muss, weil z.B. einzelne Buchstaben in Bohrungen auf dem Werkstück „verschwinden“ würden oder die Beschriftung maßlich angepasst werden sollte, damit sich ein harmonischer optischer Eindruck ergibt. Die eigentliche Ausrichtung erfolgt dann ebenfalls am Bildschirm einfach und exakt per Mausklick.

5.4 Laserbearbeitung

Nach der Ausrichtung erfolgt die eigentliche Bearbeitung. Die (Tiefen)Gravur von Werkstücken mit dem Laser stellt einen thermischen Prozess dar. Durch gezielte Energieeinbringung und die kurzen, energiereichen Pulse, wird der Werkstoff aufgeschmolzen und verdampft. Der entstehende Druckanstieg führt zu einem Austreiben der Schmelze, sprühende Funken werden dabei sichtbar. Wie bereits erwähnt erfolgt der Materialabtrag schichtweise bis zur gewünschten Tiefe.

5.5 Weitere Bearbeitungsschritte

dEventuell durch die Bearbeitung entstehender Schmauch kann durch Abwischen oder per Ultraschall entfernt werden. Für vorhandene Oxyd- oder Zunderschichten sowie abgelagerte Schmelze verwendet man mechanische Verfahren wie Bürsten bzw. Sand- oder Glasperlenstrahlen oder Phosphorsäure.

5.6 Anwendungen der Lasergravur

Typisch sind Anwendungen, bei denen feine Strukturen im Vordergrund stehen:

• Gravur von Stempeln
• Gravur von Prägewerkzeugen
• dekorative Gravuren auf Schmuck- und Gebrauchsgegenständen
• Gravur von Heißprägewerkzeugen
• Gravur von Formen oder Formeinsätzen

Nachfolgend finden Sie einige typische Beispiel für den Einsatz der Lasergravur mit den jeweiligen Erläuterungen zu den einzelnen Werkstücken

6. Laserbeschriftungs- und Gravursysteme mit unterschiedlichen Automationsgraden

Standardanlagen sind darauf ausgelegt, ein möglichst breites Produktspektrum kennzeichnen zu können. Lediglich die Größe des Arbeitsraumes und die Brennweite des Lasers begrenzen dabei die maximalen Werkstückabmessungen. Deshalb bieten die meisten Anbieter von Laserbeschriftungs- und Gravursystemen Ihre Anlagen in unterschiedlichen Baugrößen an, so daß gemeinsam mit dem Kunden die für das zu erwartende Teilespektrum optimale Maschine ausgewählt werden kann. Ein Graveur, der sich ausschließlich mit Schmuck befasst wird kaum einmal in die Verlegenheit kommen, ein Werkstück mit einem Meter Länge kennzeichnen zu müssen. Andererseits sind Lohnbeschrifter darauf angewiesen, mit ihrer Maschine ein möglichst breites Spektrum abdecken zu können, um möglichst viele Kundenanfragen bedienen zu können. Im Gegensatz dazu gibt es aber auch Anwendungsfälle, bei denen ein klar definiertes Teilespektrum in sehr großen Stückzahlen zu bearbeiten ist. Auftragsvolumen bis mehrere hunderttausend Teile pro Jahr sind möglich. Solche Aufträge mit Standardanlagen abzuarbeiten, führt zu einem hohen Personaleinsatz, mit dem u.U. keine wettbewerbsfähigen Preise zu erzielen sind. Hier ist es möglicherweise von Vorteil, eine Anlage zu automatisieren, d.h. die Zu- und Abführung der Teile nicht mehr manuell sondern automatisiert zu gestalten.

Beispiel: Laserbearbeitungssystem (Scanner basiert):

Ein Laserbearbeitungssystem besteht aus folgenden Hauptkomponenten:

• Laserstrahlquelle
• Steuerung/Netzteil
• Strahlablenkung (Scanner – optische Achsen)
• Fokussieroptik (F-Theta Objektiv)
• Laserschutzgehäuse u. U. mit zusätzlichen mechanischen Achsen

Die Ablenkung des Laserstrahls erfolgt über zwei motorisch angetriebene Spiegel in X- und in Y-Richtung. Anschließend wird der Laserstrahl durch ein Planfeldobjektiv, eine sogenannten F-Theta-Optik, auf das Werkstück fokussiert. Die Erstellung des jeweiligen Beschriftungs- oder Gravurlayouts erfolgt über die PC-gesteuerte Lasersoftware AC-LASER. Mit Hilfe dieses vollgrafischen Softwarepakets lassen sich Seriennummern, Logos, Barcodes, Data Matrix Codes beschriften oder zwei bis dreidimensionale Gravuren erstellen und bearbeiten.

6.1 Stufen der Automatisierung

Für die wirtschaftliche Bearbeitung großer Stückzahlen gibt es verschiedene Hilfsmittel, die dazu dienen, den Teiledurchsatz zu erhöhen, beziehungsweise die Zeiten für das Handling zu verkürzen. So können Standardanlagen durch verschiedene Module aus dem Baukasten an die jeweilige Aufgabe angepasst werden.  Je flexibler die Anlage, desto größer ist der Nutzen der Maschine für den Anwender. Dies kann bis zur Gestaltung hochspezialisierter  Maschinenkonzepte führen, bei denen eine voll- oder teilautomatisiertes Handling der Werkstücke erfolgt. Je höher der Automationsgrad ist, desto eingeschränkter sind die Möglichkeiten, die eine solche Maschine bietet. Intelligente Lösungen ermöglichen dabei aber zusätzlich auch noch den manuellen Betrieb der Anlage für Einzelteile oder andere Werkstücke.

6.1.1 Erweiterung mit Standardoptionen

Die einfachste – und meist auch kostengünstigste – Variante stellt der Ausbau einer Maschine mit Optionen dar, die modular aus dem Baukasten des Anlagenherstellers stammen. Gängige Zusatzausrüstungen sind:

• Kreuztisch. Er erweitert den Beschriftungsbereich des Lasers, der in der Regel 110 mm * 110 mm beträgt, über zusätzliche mechanische Achsen. Dies gibt die Möglichkeit zum einen größere Beschriftungen umzusetzen oder die Maschine mit einer größeren Anzahl von palettierten Werkstücken zu bestücken, die dann nacheinander abgearbeitet werden. Alternativ zur Bewegung der Werkstücke über einen Kreuztisch kann auch der Laser über zusätzliche mechanische Achsen bewegt werden. Dies ist in der Regel von Vorteil, da so bei kompakten äußeren Abmessungen recht große Beschriftungsfelder erreicht werden können. Auch bei sehr schweren Werkstücken ist die Bewegung des Lasers die bessere Alternative.
• Rund(takt)tisch. Rüstet man eine Anlage mit einem Rundtisch aus, so kann parallel zur ablaufenden Beschriftung schon das nächste Werkstück eingelegt werden. Der Rundtisch dreht sich auf Knopfdruck in die Maschine, das eben bearbeitete Werkstück kann entnommen werden, während das nächste schon wieder beschriftet wird.
• Schildermagazine. Diese sind immer dann sinnvoll, wenn eine größere Menge (Typen)Schilder mit gleichen Abmessungen beschriftet werden soll. Die Ausgabe der Schilder erfolgt dabei entweder über eine Rutsche, die Schilder fallen in einen Behälter oder sie werden nach der Beschriftung in einem weiteren Magazin wieder abgestapelt.
• Endlosbänder. Ein durch die Maschine laufendes Endlosband, das mit werkstückspezifischen Aufnahmen bestückt werden kann, bietet sich dort an, wo die Teilegeometrie die Verwendung eines solchen Bandes erlaubt und gleichzeitig die Beschriftungszeit recht kurz im Verhältnis zur Einlegezeit ist. Sind solche Bänder mit Prismen zur Werkstückaufnahme ausgestattet, eignen sie sich insbesondere für die Beschriftung zylindrischer oder anderer rotationssymetrischer Teile.

6.1.2 Auf Standardmaschinen basierende
kundenspezifische Lösungen

Reichen die Standardoptionen nicht aus, so wird man versuchen im Sinne des optimalen Kundennutzens eine Standardmaschine durch geeignete Ausrüstung optimal an die entsprechende Aufgabe anzupassen. Der Aufbau auf einer Standardmaschine hat immer den Vorteil, daß Standardbauteile verwendet werden können und die Ersatzteilverfügbarkeit jederzeit gewährleistet ist. Außerdem fällt der Aufpreis für die Konstruktion der Sonderlösung moderater aus. Diese Variation kann im einfachsten Fall die Änderung des Maschinengehäuses sein aber auch aus kompletten Zuführ- und Handlingsystemen bestehen.

Link zu "Kundenspezifische Lösungen"

6.1.3 Kundenspezifische Lösungen

Komplette Sonderlösungen erlauben meistens denn höchsten Grad an Spezialisierung bzw. die möglichst optimale Anpassung an Aufgabenstellungen. Bei der Zusammenarbeit mit einem Anbieter sollte hier jedoch ganz besonders auf die Erfahrungen in diesem Gebiet geachtet werden. Die Tücken stecken bei hochspezialisierten Lösungen im Detail und nur die entsprechende Erfahrung hilft dabei, Probleme im Vorfeld zu erkennen und diese durch geeignete konstruktive Maßnahmen zu beseitigen. Die Entscheidung für einen vermeintlich preiswerten Anbieter kann sich so im Nachhinein als die teurere Lösung herausstellen, die mit viel Ärger, zusätzlichem Zeitaufwand und eventuell unbefriedigendem Ergebnis bezahlt werden muss.

Link zu "Custom SHARK"

7. Ausblick

Die moderne Lasertechnik bietet schon heute eine große Bandbreite von Einsatzmöglichkeiten. Dennoch gibt es noch ein großes Entwicklungspotential im Bereich der Laserstrahlquellen und der Anwendungen.

So gibt es bereits heute sogenannte Pikosekundenlaser, die nur Imulse mit einer Länge von 1 Pikosekunde erzeugen. Dadurch gibt es im zu bearbeitenden Material praktisch keine Erwärmung. Ein Umstand der es ermöglicht auch sehr wär­meempfindliche Bauteile zu bearbeiten. Durch den Einsatz unterschiedlicher Laserwellenlängen lassen sich mittlerweile auch Materialien, insbesondere spezielle Kunststoffe bearbeiten bei denen sonst kein Bearbeitungsergebnis erzielt werden kann.

Im Bereich der Laserstrahlquellen entwickelt man an immer effizienteren Systemen mit stetig steigender Lebensdauer und sinkenden Betriebskosten.

So kann man gespannt sein und beobachten wie sich Laser­systeme in immer neue Anwen­dungsfelder entwickeln, immer mit dem Ziel, dem Nutzer noch weitere Vorteile zu eröffnen und ihm einen Wettbewerbsvor­sprung zu ermöglichen oder zu erhalten.