Laserstrahlbearbeitung (LBM): Verfahren, Typen & industrielle Anwendungen

Was ist Laserstrahlbearbeitung?

Laserstrahlbearbeitung (Laser Beam Machining, LBM) ist ein thermisches Trenn- und Abtragsverfahren, bei dem ein fokussierter Laserstrahl Material durch Erhitzen, Schmelzen und Verdampfen entfernt. Die hochfrequente, monochromatische Lichtenergie trifft auf die Werkstückoberfläche; Photonenimpact erzeugt lokale Temperaturen, die metallische und nichtmetallische Werkstoffe abtragen.

LBM eignet sich besonders für spröde, schlecht leitende Materialien, ist aber auf fast alle Werkstoffe anwendbar.

Bei Glas bearbeitet der Laser die Oberfläche ohne Aufschmelzen. Photosensibles Glas: Laser ändert chemische Struktur → selektives Ätzen möglich („photomachinable glass“). Vorteil: präzise senkrechte Wände, biokompatibel (Substrate für Gentechnik).

Definition

LBM ist ein unkonventionelles spanloses Fertigungsverfahren, bei dem Laserlicht (maximale Leistungsdichte) auf das Werkstück trifft. Durch die hohe Temperatur schmilzt/verdampft das Material – thermische Energie entfernt Werkstoff von metallischen Oberflächen.

Lasertypen

Hauptkategorien: Gaslaser, Festkörperlaser, Excimer-Laser.

Gaslaser

Häufig: He-Ne, Argon, CO₂-Laser (hohe Leistung, Wellenlänge 10,6 µm – ideal für Nichtmetalle, Kunststoffe, Holz, Keramik).

Festkörperlaser

Dotierung seltener Erden in Wirtskristalle. Optisches Pumpen via Blitzlampen oder Bogenlampen (keine Gasentladung).

• Rubinlaser: Synthetischer Rubinkristall, xenonblitzlampengepumpt.
• Nd:YAG (Neodym-dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat): Wellenlänge 1.064 µm, hohe Energie, für Metalle & Keramik. Auch als Faserlaser (Nd:Glas).
• YAG-Laser: Undotiertes YAG als Wirtskristall.

Hauptkomponenten einer Laserstrahlbearbeitungsanlage

1. Stromversorgung (Power Supply)

Hochspannung für Laseranregung. Elektronen werden in angeregten Zustand versetzt (Bereit für Emission).

2. Blitzlampen / Pumpquellen (Flash Lamps)

Erzeugen kurzzeitiges, intensives, kohärentes Weißlicht zum optischen Pumpen des Lasermediums.

3. Kondensator (Capacitor)

Speichert Ladung für Blitzlampen-Impulse (gepulste Laser).

4. Umlenkspiegel (Reflecting Mirror)

Lenkt Laserstrahl auf Werkstück. Intern (Resonator) & extern (Strahlführung).

5. Fokussieroptik (Lense)

Fokussiert Strahl auf minimalen Spot (µm-Bereich) für maximale Leistungsdichte. Vergrößerungsoptik für Prozessbeobachtung.

6. Werkstück (Workpiece)

Das zu bearbeitende Bauteil – z. B. Bohren, Schneiden, Markieren, Strukturieren.

Funktionsprinzip

Der Laserstrahl (monochromatisch, kohärent) wird über eine Linse auf das Werkstück fokussiert → extrem hohe Energiedichte (bis 1000 kW/cm²). Lokale Erwärmung → Schmelzen → Verdampfen → Materialabtrag.

Laserkristall (Rubin) als Zylinder mit planen Endspiegeln in Blitzlampenspirale (~1000 W). Xenon-Blitzlicht regt Kristall an → Laseremission → Fokussierung auf Werkstück.

Strahl sehr eng fokussierbar → präzise, schmale Kerben, minimaler Wärmeeintrag in Umgebung.

Anwendungen

Laser: Schweißen, Beschichten (Cladding), Markieren, Oberflächenbehandeln, Bohren, Schneiden, Mikrostrukturieren.

Branchen: Automobil, Schiffbau, Luftfahrt, Stahlbau, Elektronik, Medizintechnik – Präzisionsbearbeitung komplexer Teile.

• Laserschweißen: bis 100 mm/s, auch ungleiche Metalle verbindbar.
• Laserbeschichten: Billig-/Schwachbauteile mit Hartstoff beschichten → Oberflächenqualität.
• Bohren/Schneiden: Kein Werkzeugverschleiß (berührungslos).
• Laserfräsen (3D): Zwei Laser, drastische Kostensenkung vs. konventionell.
• Oberflächenmodifikation: Härten, Glühen, Strukturieren.

Branchenspezifisch: Feinmechanik (Gravieren, Mikrobohren), Elektronik (Leiterplatten-Strukturieren, Wire-Stripping), Medizintechnik (Augen-OP, Haarentfernung, Stent-Schneiden).

Vorteile

• Monochromatisch & parallel (Null Etendue) → Fokus auf µm-Spot → 100 MW/mm² Leistungsdichte.
• Fast alle Materialien bearbeitbar (auch dort, wo konventionelle Werkzeuge versagen).
• Verschiedene Lasertypen für spezialisierte Aufgaben.
• Geringe Wartungskosten (kein Werkzeugverschleiß, berührungslos).
• Hohe Präzision, meist keine Nachbearbeitung nötig.
• Prozessgase (Schutzgas, Sauerstoff, Stickstoff) verbessern Schnittqualität, minimieren Oxidation, entfernen Schmelze/Dampf.

Nachteile

• Hohe Investitionskosten (Laserquelle, Optik, Sicherheitseinrichtungen, Absaugung).
• Spezialpersonal nötig (Laserschutzbeauftragter, CNC-Programmierung, Optik-Justage).
• Nicht für Massenabtrag dicker Metallbleche ausgelegt (Wirtschaftlichkeit).
• Hoher Energiebedarf (Wandlungsverluste Laserquelle, Kühlung).
• Tiefe Schnitte bei hohen Schmelzpunkten schwierig → Konizität (Taper) der Schnittfuge.

FAQ

Was ist der Vorteil von LBM?

Einfache Automatisierung komplexer Konturen, kein Werkzeugverschleiß, flache Eintrittswinkel möglich, hohe Schnittgeschwindigkeiten. Berührungslos → Energieübertragung durch Strahlung.

Welche Laser werden genutzt?

Gas: CO₂, Excimer. Festkörper: Nd:YAG, YAG, Faserlaser, Femtosekundenlaser (Ultrakurzpuls).

Funktionsprinzip?

Fokussierter Laserstrahl trifft Werkstück → thermische Energie → Erhitzen, Schmelzen, Verdampfen, Abtragen.

Eigenschaften von Laserstrahlen?

Monochromatizität, Kohärenz (räumlich/zeitlich), Richtwirkung (geringe Divergenz), hohe Brillanz (Leistung pro Flächenwinkel).

Welches Lasermedium für LBM?

Nd:YAG (Haupttyp Festkörper), Rubin, Nd:Glas – für Metalle. Nd:YAG auch für Keramik.

Was ist Laserfertigung?

Laserbasierte Fertigung in vielen Branchen: Keramik, Polymere, Metalle. Fortschritte ermöglichen Bearbeitung fast aller Materialien mit höchster Präzision & Effizienz.

Benötigt LBM Vakuum?

Nein. LBM vielseitig (Metall & Nichtmetall), keine Vakuumkammer nötig. Wärmebeeinflusste Zone (HAZ) kleiner als bei anderen unkonventionellen Verfahren.

Lasertypen (nach Aktivmedium)?

• Gaslaser
• Festkörperlaser
• Faserlaser
• Farbstofflaser (Flüssig)
• Halbleiterlaser (Laserdioden)

Haupteigenschaften & Anwendungen?

Kohärenz, Kollimation, Monochromatizität → kleiner Fokus, extreme Leistungsdichte.

Welche Materialien bearbeitbar?

Unabhängig von elektrischer Leitfähigkeit: Kunststoffe bis Diamant. Verfahren: Bohren, Schneiden, Nuten, Ritzen, Markieren, Reinigen, Abtragen.

Warum keine großen Bohrungen?

Bei steigendem Durchmesser/Tiefe lagern ausgeschleuderte, fest werdende Partikel an Bohrungswand & -boden ab → kein freier Abtrag. Nicht für Tieflochbohren geeignet.

Betriebskosten?

Rüstzeiten kurz, Bearbeitung schnell → niedrige Betriebskosten. Aber: hohe Anschaffungskosten (CAPEX).

Was leistet Lasertechnik?

Licht zur Speicherung, Übertragung, Druck (Laserdrucker), Chirurgie, Messtechnik, Materialbearbeitung, Waffentechnik. Kohärente Strahlung = besondere Intensität.

Populationsinversion beim Laser?

Für Laseraktion: Mehr Atome im angeregten Zustand (N₂) als im Grundzustand (N₁). Erreichen durch „Pumpen“ (optisch, elektrisch, chemisch).

Anwendungen Laserfertigung?

Schweißen, Beschichten, Markieren, Oberflächenbehandeln, Bohren, Schneiden – Auto, Schiff, Luftfahrt, Stahl, Elektronik, Medizintechnik.

Elektronenstrahl vs. Laserstrahl?

Elektronenstrahl: fokussierte Elektronen (Vakuum nötig). Laserstrahl: kohärente Photonen (Luft/Shielding-Gas).

Wer erfand den Laser?

Theodore Maiman (Hughes Research Labs) – erster funktionsfähiger Laser (Rubin) 1960. Veröffentlichung in Nature.

Was ist Laserklasse 3?

Mittlere Leistung. Schutzmaßnahmen gegen Direktblick in Strahl. Augenschutz vor primärer & spekularer Reflexion.

Ist LBM limitiert?

Nur für dünne Wandstärken & geringe Abtragsmengen. Lochgrößenkontrolle schwierig. Konische Bohrungen → ungeeignet für große/Tiefe Bohrungen.

Wann wurde der Laser erfunden?

Dez. 1958: Patentanmeldung (Schawlow/Townes). 1960: erster funktionierender Laser (Maiman). LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.

Können Laser Metall schneiden?

Ja: Baustahl, Edelstahl, Aluminium, Legierungen, Titan. CO₂ & Faserlaser Standard. Dicken bis 25–30 mm (Faser), 20 mm (CO₂) wirtschaftlich.