Festkörperlaser vs. Gaslaser

Moderne Produktionslasertechnologie für Powertrain-Komponenten

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Laserschweißen eines Synchronrads auf ein Zahnrad. Halbierte Betriebskosten durch den neuen Faserlaser in der ELC 160.

Schaute man vor einigen Jahren in die Werkshallen der großen Hersteller, so wurde die Schweißtechnologie noch von der CO2-Lasertechnik dominiert. Riesige Anlagen, die in eigenen Räumen, abgetrennt von der eigentlichen Produktion in der Werkhalle, aufgebaut waren, lieferten die Energie für die damals noch junge Laserschweißtechnologie. Seither ist die Entwicklung nicht stehen geblieben. Moderne Anlagen setzen zunehmend auf Festkörperlaser, die viele entscheidende Vorteile bringen.

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Die ELC 250 DUO – kompakte Laserbearbeitungsmaschine für die Bearbeitung von Differentialgehäusen. Die als Duo-Variante konzipierte ELC ist doppelspindlig ausgeführt. Dieser Zwei-Stationen-Betrieb ermöglicht ein hauptzeitparalleles Be- und Entladen der Arbeitsspindeln.

Menschen, die es ganz genau wissen müssen, da sie sich tagtäglich mit Lasertechnologie auseinandersetzen, sitzen im beschaulichen Heubach, dem Sitz von EMAG Automation, wenige Kilometer von Schwäbisch Gmünd entfernt. „Wir haben ab 2008 damit begonnen, Festkörperlaser auf unseren Anlagen einzusetzen, da die Vorteile gegenüber den älteren CO2-Lasern einfach überwältigend sind“, betont Dr. Andreas Mootz, Geschäftsführer von EMAG Automation GmbH. „Wir waren ganz sicher die Pioniere, die den Festkörperlaser beim Schweißen von Präzisionsteilen wie Getriebekomponenten ,salonfähig‘ gemacht haben. Die Anforderungen speziell an die Anlagen- und Prozesstechnik und insbesondere die Anforderungen an die Spann- und Vorrichtungstechnik sind sehr viel höher als beim CO2-Laser.“

Vorteil 1: Niedrigere Betriebskosten

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Lasergeschweißtes Getrieberad

Betrachtet man die Betriebskosten von Laserschweißanlagen, kommen vor allem zwei Komponenten zum Tragen: der Energieverbrauch des Lasers und die Kosten für das Gas. Beim Gas unterscheidet man dabei zwischen dem Lasergas (Lasermedium) und dem Schutzgas für die Stabilisierung des Schweißvorganges. Neben dem Gasverbrauch verursacht vor allem die aufwendige Gaslogistik bei der Anlagenplanung und dem Schweißvorgang erhebliche Kosten – Kosten, die beim Einsatz von Festkörperlasern, wie dem Scheiben- oder Faserlaser, komplett entfallen. Auf den EMAG Anlagen wird bei den meisten Anwendungen Druckluft als Prozessgas eingesetzt, was zwar zu einer dünnen Oxidschicht auf der Nahtoberfläche führt, aber die Schweißnähte in ihrer Qualität nicht beeinflusst.

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Durch das Laserschweißen des Ausgleichsgetriebegehäuses und des Tellerrads konnte das Gewicht des Bauteils um rund 1,2 Kilo gesenkt werden.

Auch beim Energieverbrauch muss sich der CO2-Laser dem Festkörperlaser geschlagen geben. Um 4 kW Laserleistung zu erzeugen, muss beim CO2-Laser 56 kW elektrischer Strom eingesetzt werden, beim Festkörperlaser lediglich 17 kW, was einer Energieeinsparung von 70 Prozent entspricht. Zudem muss eine viel niedrigere Kühlleistung erbracht werden. Wenn man diese Einsparungen noch hinzuzählt, sinkt der Energieverbrauch eines Festkörperlasers auf lediglich ein Viertel im Vergleich zum Energieverbrauch eines CO2-Lasers mit gleicher Ausgangsleistung.

Vorteil 2: Anlagenlayout
Laserschweißanlagen arbeiten häufig mit kurzen Taktzeiten im Bereich weniger Sekunden und erlauben einen riesigen Teiledurchsatz. Ihre Einbindung in den Materialfluss in der Fertigung ist daher wichtig.
Bei CO2-Laseranlagen erfolgt die Strahlführung, d.h. der „Transport“ des Laser-strahls zur Schweißoptik, über Spiegelsysteme. Strahlquelle, Kühlaggregate und Bearbeitungsstation(en) müssen daher eng beieinander angeordnet werden. Daraus ergeben sich verschiedene Nachteile, wie z.B. der aufwendige Zu- und Abtransport der zu schweißenden Teile, welche die Versorgung mehrerer Schweißstationen mit derselben Laserquelle zur Herausforderung machen. Bei Scheiben- oder Faserlaser-Schweißanlagen bestehen diese Probleme praktisch nicht, da der Platzbedarf so gering ist, dass sie sich mühelos in bestehende Fertigungslinien integrieren lassen. Die eigentliche Laserquelle kann dabei bis zu 50 Meter entfernt von der Anlage stehen, da die Strahlführung dank der Transportfasern vergleichsweise einfach zu gestalten ist. Dadurch können die Schweißstationen optimal in den Materialfluss integriert werden.

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Arbeitsraum der Laserschweißmaschine ELC 160 für das Schweißen von Getrieberädern. An bis zu drei Stationen wird das Zahnrad erwärmt, gefügt und lasergeschweißt.

Vorteil 3: Qualität und Geschwindigkeit
Sinkende Kosten und günstigeres Anlagenlayout sind ja schön und gut, aber kann sich die Qualität der Schweißnähte auch mit der eines CO2-Lasers messen? Um es kurz zu sagen, ja. In vielen Anwendungen kann sogar die Schweißgeschwindigkeit erhöht werden. Dadurch werden sowohl der Wärmeverzug des Werkstücks als auch die Taktzeit reduziert.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Faserlaser- / Scheibenlasertechnik effizienter als die CO2-Lasertechnik ist und eine höhere Schweißgeschwindigkeit bietet. Somit erfüllen die Scheiben- oder Faserlaser vollständig die heutigen Anforderungen bei der Komponentenfertigung für kraftstoffsparende und leichtgewichtige Kraftfahrzeuge.

Kein Laser ohne Schatten
Bis hier spricht alles für den Einsatz von Festkörperlasern, doch gibt es auch Nachteile? „Von Nachteilen gegenüber CO2-Lasern kann man eigentlich nicht sprechen, eher von Herausforderungen, die es zu meistern gilt“, erklärt Dr. Mootz. „So erfordert der Einsatz von Festkörperlasern eine deutlich höhere Präzision als bisher. Eine Strahlpositionsgenauigkeit von unter 50 Mikrometern stellt höchste Anforderungen an Maschine, Werkstückaufnahmen und Spannmittel sowie an die Fokuslage und Ausrichtung der Laseroptik.“ Anforderungen, die EMAG mit den ELC-Anlagen voll erfüllt. Betrachtet man z.B. die Schweißspritzer, die durch den Einsatz der Festkörperlaser vermehrt entstehen, so ist der Einsatz von perfekt abgestimmten Werkzeugen notwendig, die das Bauteil optimal abdecken. Bei der Bearbeitung verschiedener Bauteile stellt sich hier also die Frage nach einer möglichst schnellen Umrüstzeit, für die EMAG bei der ELC 160 eine einfache, aber effiziente Lösung gefunden hat. So ist die Anlage mit einer Werkzeugbrücke mit bis zu drei verschiedenen Werkzeugsätzen nebst integrierter Rauchgasabsaugung ausgerüstet, die ein automatisches Umrüsten in wenigen Sekunden ermöglicht – ideal für die hochflexible und hochproduktive Fertigung von Getriebeteilen in großer Ausbringungsmenge.

Es zeigt sich, der Einsatz von Festkörperlasern auf Produktionslaserschweißanlagen zur Herstellung von Powertrain-Komponenten ist praktisch alternativlos. Dennoch bedarf deren Einsatz ein gehöriges Expertenwissen, um die Vorteile in einem hocheffizienten Lasersystem wie den Anlagen der ELC-Baureihe von EMAG zu bündeln. Eine Herausforderung, der sich die Experten in Heubach täglich mit Erfolg stellen.

Kontakt:

www.emag.de