Ein 1-kW-Laser der DC-Serie von Coherent bietet die Kombination aus Leistung, Zuverlässigkeit und Kosten, die für diesen industriellen Prozess erforderlich ist, und der Support von Coherent erleichtert dem Integrator die Arbeit.
Mit über 100 Jahren Erfahrung im Schweißen ist der Werkzeugmaschinenbauer Arnold Ravensburg (Ravensburg, Deutschland) Experte für diese Technologie. Das Unternehmen hat das Laserschweißen früh eingeführt und baut seit 1985 eigene Anlagen.
Aufgrund ihres herausragenden Know-hows, insbesondere bei CO₂-Lasern, wenden sich Unternehmen in aller Welt an Arnold Ravensburg, um einige ihrer schwierigsten Schweißaufgaben zu lösen. Sie wissen, dass das Unternehmen eine maßgeschneiderte Lösung entwickelt – oft unter Einbeziehung des Lasers, des Strahlführungssystems, der Vorrichtungen und der Robotertechnik für die Teilehandhabung – anstatt einen „Einheitsansatz“ für die einzigartigen Probleme der Kunden zu erzwingen.
„Die Kombination aus Leistungsstabilität und -konsistenz sowie hoher Betriebssicherheit macht die CO₂-Laser der DC-Serie von Coherent ideal für Integratoren, Anlagenbauer und Endanwender.“
– Hansjörg Klotz, Sales Director, Arnold Ravensburg
Anwendung zum Abdichten von Lampen
Im Jahr 2023 wandte sich ein großer Hersteller von Beleuchtungsprodukten an Arnold Ravensburg, um ein System zum Abdichten von Entladungsbogenlampen zu liefern. Konkret muss die zylindrische Quarzglashülle des Lampenkolbens geschmolzen werden, um eine Dichtung mit den internen Keramikstrukturen zu bilden, die die Anode und Kathode tragen. Diese Abdichtung muss durchgehend und hermetisch sein und sich über den gesamten Umfang des Kolbens erstrecken. Dies ist notwendig, um das Hochdruck-Gasgemisch, mit dem er in einem späteren Schritt gefüllt wird, zurückzuhalten. Diese Dichtung muss während der gesamten Lebensdauer des Kolbens halten.
Dazu muss das Glas an zwei Stellen am gesamten Umfang des Kolbens geschmolzen werden, so dass es eine hermetische Abdichtung mit dem Keramikteil im Inneren bildet. So kann der Kolben seine Gasfüllung über die gesamte Lebensdauer beibehalten.
Ursprünglich führte der Lampenhersteller diesen Versiegelungsprozess mit einer Flamme durch. In den letzten 10 Jahren ist er jedoch auf die Laserbearbeitung umgestiegen. Die Laserversiegelung erwies sich als wiederholbarer, und der Einsatz eines Pyrometersystems zur Temperaturmessung ermöglichte eine bessere Regulierung des Prozesses und damit eine höhere Konsistenz und Ausbeute.
Leider gab es mit dem ursprünglichen Lieferanten des Lasersystems Qualitäts- und Lieferprobleme. Man suchte nach einem neuen Lieferanten, der einen schnelleren, konsistenteren Prozess anbieten und pünktlich liefern konnte.
Der Beleuchtungshersteller arbeitete bereits mit Arnold Ravensburg zusammen, so dass es nahe lag, das Unternehmen mit diesem Projekt zu beauftragen. Zumal die einzige praktikable Quelle für diese Anwendung ein CO₂-Laser ist und Arnold Ravensburg mit dieser Technologie besonders vertraut ist.
Der CO₂-Laser wird benötigt, weil das Material der Glühbirnenhülle im sichtbaren und nahen Infrarotbereich transparent ist. Das bedeutet, dass es nicht ohne Weiteres mit Lasern kürzerer Wellenlänge bearbeitet werden kann – ihr Licht geht einfach durch das Material hindurch, anstatt absorbiert zu werden und es zu erhitzen.
Die Auswahl des richtigen Lasers
Während diese Anwendung offensichtlich einen CO₂-Laser erforderte, musste Arnold Ravensburg zunächst die Besonderheiten des Verfahrens bestimmen. Die optimale Methode bestand darin, den Kolben kontinuierlich zu drehen und gleichzeitig die Laserenergie auf die gewünschte Stelle zu richten. Dadurch wird der Kolben schnell aufgeheizt. Die Materialtemperatur wird kontinuierlich von einem berührungslosen Pyrometer überwacht, und wenn sie den richtigen Wert erreicht, wird der Laser abgeschaltet. Der Kolben dreht sich weiter und das geschmolzene Glas fließt, um die Dichtung herzustellen.
Den Ingenieuren von Arnold Ravensburg wurde klar, dass sie nicht beide Versiegelungen gleichzeitig durchführen können, da die Prozessparameter möglicherweise unterschiedlich sind. Daher werden die beiden Dichtungen nacheinander hergestellt. Der geschwindigkeitsbeschränkende Faktor ist die Fließgeschwindigkeit des Glaskolbenmaterials, was dazu führt, dass jede Schweißung etwa drei Minuten in Anspruch nimmt.
Der Prozess erfordert eine Laserleistung von etwa 800 W. Arnold Ravensburg wählte als Quelle für diese Anwendung den Coherent DC 010. Dies ist das 1-kW-Modell aus unserer DC-Serie von versiegelten CO₂-Lasern mit hoher Leistung, die bis zu 8 kW reicht.
„Mehrere Faktoren haben uns dazu bewogen, den DC 010 einzusetzen“, erklärt Hansjörg Klotz, Vertriebsleiter bei Arnold Ravensburg. “Unsere Endkunden schätzen, dass das versiegelte Slab-Entladungsdesign eine viel höhere Zuverlässigkeit bietet als die Schnellflusskonstruktion, die in anderen Multi-Kilowatt-CO₂-Lasern verwendet wird. Außerdem bietet sie niedrigere Betriebskosten, eine höhere Zuverlässigkeit, eine längere Lebensdauer und ein längeres Wartungsintervall. Da diese Laser versiegelt sind, gibt es außerdem keine Probleme mit dem Eindringen von Verunreinigungen in den Laser, was in industriellen Umgebungen immer ein Problem darstellt. Und schließlich bleibt die Ausgangsleistung der DC-Serie während der gesamten Lebensdauer des Lasers konstant, was eine hervorragende Prozesskonsistenz gewährleistet.”
Eine Partnerschaften für den Erfolg
Aus der Sicht eines Maschinenbauers wie Arnold Ravensburg nennt Klotz die einfache Integration als einen wesentlichen Vorteil. “Wir haben schon oft Laser der DC-Serie von Coherent eingesetzt, und es ist sehr einfach, ein System um sie herum aufzubauen. Sie bieten eine echte industrielle Schnittstelle und fügen sich nahtlos in eine Feldbusumgebung ein. Viele unserer Kunden verwenden das Profibus-Protokoll, vor allem in Deutschland, wo Siemens-Steuerungen fast universell sind, und die DC-Serie unterstützt dies direkt.”
„Ein weiterer Faktor ist Coherent selbst“, berichtet Klotz. “Wir betrachten Coherent als Partner, und es ist immer einfach, von ihnen die Unterstützung und die Informationen zu bekommen, die wir brauchen. Zum Beispiel benötigen wir manchmal detaillierte Daten über die Strahlcharakteristik eines bestimmten Lasers für optische Berechnungen, und Coherent zögert nie, uns diese zur Verfügung zu stellen.”
“Außerdem haben wir die Erfahrung gemacht, dass die Laser von Coherent eine hervorragende Konsistenz zwischen den einzelnen Einheiten aufweisen. Wenn wir also einmal eine Optik entworfen haben, können wir Systeme in der Gewissheit konstruieren, dass keine nennenswerten individuellen Anpassungen erforderlich sind. Das Gleiche gilt für die Strahlstabilität, die sich nach der Installation nicht mehr ändert. Das passt sehr gut zu unserer eigenen Konstruktionsphilosophie. Die Strahlführungssysteme von Arnold Ravensburg sind so konzipiert, dass beim Austausch eines Spiegels keine optische Neujustierung notwendig ist. Das setzt aber natürlich voraus, dass die Laserausrichtung selbst stabil bleibt.
„Diese Laser sind Arbeitstiere, die nur einmal im Jahr gewartet werden müssen“, sagt Klotz. “Wir können sie installieren, ohne uns Gedanken über Leistungsprobleme oder Ausfälle im Feld machen zu müssen. Der Einsatz der Laser der Coherent DC-Serie in unseren Systemen bereitet uns und unseren Kunden keine Kopfschmerzen mehr. Und so kommen sie immer wieder zu uns zurück.