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Mit gebündelter, intensiver Laserstrahlung lassen sich beliebige Materialien bohren, schneiden, schweißen oder anders bearbeiten. In der Natur ist kein Material bekannt, daß Laserstrahlung dauerhaft "Widerstand leisten" kann. Die Laserstrahlung wird an der Oberfläche eines Materials absorbiert und in Wärme umgewandelt. Sofern der Strahl genug Energie beinhaltet, schmilzt das Material an dem Auftreffpunkt. Diesen Effekt kann man in Industrie und Technik sehr oft ausnutzen, zum Beispiel um eine nicht abfeilbare Seriennummer in ein Werkstück einzubrennen, oder um durch Schmelzen und Erstarren zwei Einzelteile zusammenzuschweißen. Natürlich ist die kostenaufwendige Lasertechnologie den herkömmlichen Verfahren überlegen, ansonsten würde man ja diese verwenden.
Der erste Vorteil ist sicher, daß der Laserstrahl sehr genau fokussiert werden kann (bis in den µm-Bereich).
Weiters kann ein Laserstrahl leicht durch Glasfasern oder über Spiegel geführt werden, daher ist es nicht schwer einen Laser mit einem Fertigungsroboter zu verbinden.
Laserverfahren arbeiten praktisch ohne Werkzeugverschleiß, daher können sehr spröde und harte Materialien bearbeitet werden.
Das einzige wirkliche Problem besteht in den Kosten für die aufwendigen Geräte. Auf dem weltweiten Werkzeugmarkt liegt der jährliche Jahresumsatz etwa bei 670 Milliarden ÖS. Die Laser haben dabei einen Marktanteil von circa 3 %, mit sehr großen Wachstumsraten.
Die wichtigsten Laser für die Materialbearbeitung sind CO2- und Nd:YAG-Laser, für spezielle Anwendungen auch Excimerlaser (Siehe Arten von Lasern).
Die wichtigsten Einsatzgebiete sind:
Beim Laserschneiden von Blechen, z.B. für Autokarosserien wird das Material zum Schmelzen gebracht. Das flüssige Material wird weggeblasen, bei Verwendung von Sauerstoff wird die Schnittgeschwindigkeit dazu sehr erhöht, weil durch die Oxidation zusätzliche Wärme entsteht. Schneidelaser können hochkomplizierten Bahnen folgen, die mit herkömmlichen Diamantschleifscheiben nur linear geschnitten werden könnten. Weitere Vorteile ergeben sich auch beim Schneiden von beschichteten Blechen, organischen Fasermaterialien, Kunststoffen, Keramik, Glas oder drahtverstärkten Gummiteilen. In der Automobilindustrie werden Schneidelaser bevorzugt in der Entwicklung neuer Karosserieteile eingesetzt, da die Schnittmuster sehr schnell und einfach verändert werden können.
Beim wärmeleitenden Laserschweißen wird ein Laserstrahl so auf die beiden Werkstücke gerichtet, daß sie \"nur\" schmelzen, aber kaum verdampfen. Die beiden Stücke liegen an der Schweißnaht aneinander, und wenn das Geschmolzene nun erstarrt, sind die beiden Stücke zu einem geworden.
Beim Tiefenschweißen mit Lasern liegt die Temperatur über dem Siedepunkt der Schweißlinge, so daß die Schmelze durch den Druck des Dampfes in der Schweißnaht bewegt wird. Die Schmelze zirkuliert und wird sogar teilweise über die Materialoberfläche gehoben, wodurch eine \"Schweißraupe\" entsteht. Der Vorteil beim Tiefenschweißen ist, daß die Schweißnaht nur minimale Verunreinigungen aufweist. Anfangs gab es bei einigen Metallen, wie z.B. Aluminium, Probleme, da die Zähigkeit der Schmelze zu gering war, und sie daher abfloß. Durch Vorwärmen konnte aber auch dieses Problem beseitigt werden.
Durch das Laserschweißen konnte beispielsweise im Automobilbau eine Materialersparnis von etwa 5 kg erzielt werden, da durch die hohe Präzision des Verfahrens die Überlappungen der Schweißnähte geringer ausfallen. Auch beim Schweißen an unzugänglichen Stellen hat sich das Laserschweißen dank seiner Präzision bewährt. Das Verfahren wird auch in der Elektroindustrie zum Verbinden verschiedener Materialien eingesetzt.
Bohren
Die Oberflächenbehandlung mit Lasern wird oftmals eingesetzt um Massenprodukte chemisch und mechanisch zu verbessern, aber auch um den visuellen Eindruck zu verschönern. Dabei werden die Laser hauptsächlich eingesetzt um die Oberfläche zu härten, zu beschichten und/oder zu legieren. Dieses Verfahren hat sich erst in den letzten Jahren durchgesetzt. Auf das Werkstück wird eine pulverförmige Substanz (meist Bor oder ein Karbid) aufgebracht, die durch Laserstrahlung mit der Oberfläche verschmolzen wird. Sofern man das Ganze schnell abkühlt entsteht eine äußerst harte und feinkörnige Oberfläche. Es entsteht eine neue Legierung, die für ihren späteren Zweck bessere Eigenschaften aufweist als die alte Oberflächensubstanz.
Viel einfacher ist das Verfahren der Lagerhärtung, einer Weiterentwicklung der klassischen Wärmebehandlung. Dabei wird die Oberfläche erhitzt und dann schnell abgekühlt. Dadurch geht das Material meist in eine härtere Phase über, die eine feinere Kristallstruktur aufweist. Die Umwandlung darf aber nicht zu tief ins Innere des Werkstücks vordringen, da dieses ansonsten spröde wird oder sich verzieht. Durch den Einsatz von Lasern läßt sich das hervorragend vermeiden, da man mit dem Laser sehr gezielt arbeiten kann. Anwendungen finden sich z.B. beim Härten von Zahnrädern oder Ventilen und Zylinderwänden von Verbrennungsmotoren.
Wenn man die Oberflächenbehandlung mit einem gepulsten Laser durchführt und dann schnell abkühlt entsteht eine glasartige, amorphe Phase, die äußerst hart ist. Das Verfahren heißt Laserglasierung.
Widerstandsabgleichen
Beschriften
Das viel weniger spektakuläre, aber wirtschaftlich wichtige Markieren mit dem Laser wird sehr häufig angewandt. Das Hauptziel dabei ist es, eine nicht entfernbare Beschriftung anzubringen. Angewendet wird das bei der Kennzeichnung von Bauteilen, bei optischen Präzisionsinstrumenten, beim Schreiben von Strichcodes oder auch beim einfachen Beschriften von Kugelschreibern. Daneben ist der kriminalistische Wert zu nennen, schließlich wird damit die Chance einer illegalen \"Besitzüberschreibung\" minimiert.
Die Leistungen der Industrielaser für Materialbearbeitung liegen zwischen 100 W und 25 kW. Bei kompletten Maschinen wird die Laserstrahlung meist über einen Bearbeitungskopf zugeführt, der eine Linse zur Fokussierung und/oder einen Sensor zur Feineinstellung besitzen kann. Die Bearbeitung erfolgt aus Sicherheitsgründen oftmals hinter schützenden Glasscheiben. Außerdem herrscht in diesem Glasverschlag oft ein stetiger Gasstrom, der verhindern soll, daß verdampftes Material an der Oberfläche kondensiert.
Für die Lasertechnologie gibt es in der Industrie sehr viele Anwendungsbereiche. Als erstes wurden sie in der Mikrotechnologie beim Bohren kleiner Löcher in Lagersteinen für mechanische Uhren oder beim Löten dünner Drähte in der Elektronik (Chip-Industrie) verwendet. Mit zunehmender Leistung wurden auch die Werkstücke größer: Aus den meisten Autoindustriebetrieben sind Laser nicht mehr wegzudenken, und auch beim Flugzeugbau spielen sie eine große Rolle.
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